青藏高原典型冰川流域化学风化的速率及对大气CO2吸收能力研究

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冰芯记录研究结果表明,大气中CO2丰度在末次大冰期时(Last Ice Age)低于全新世,从全新世伊始到公元1750年,大气中CO2的丰度稳定在280±20ppm。在1999年达到了367ppm,目前达到了401ppm。IPCC(2007)报告指出化石燃料燃烧排放的CO2是造成大气中CO2丰度增加的主要因素。2003年IPCC专题报告中给政策制定者提供了CO2的捕获与存储的技术评估报告。而化学风化是地球系统自我调节的手段,全球大陆化学风化每年吸收大气中CO2约0.7Gt C,与陆源生态系统每年向大气净释放CO2约0.3 Gt C,海洋年净吸收1.7~2.8 Gt C的数量级相同。可见化学风化在自然界碳循环过程中扮演重要较色。但是大陆化学风化对大气中CO2消耗量的估算建立在全球大江大河流域水文化学研究的基础上,然而在山区特别是冰川作用区化学风化研究资料较少。本文通过对祁连山七一冰川和贡嘎山海螺沟冰川流域降水和径流样中阴、阳离子,稳定氢、氧同位素的分析,结合流域气象数据、水文数据,研究了冰川流域径流水化学组成日变化过程,评估了水化学数据的代表性。计算了流域化学风化速率,利用数理统计的方法估算了硅酸岩和碳酸岩风化对水体中离子的贡献率,化学风化对大气中CO2的清除速率。  通过对径流样的分析表明,径流样中稳定氢、氧同位素及溶解的主要阴、阳离子浓度均存在显著的日变化过程。总体呈现流量大时,径流中离子浓度及稳定氢氧同位素比值较低,反之则相反,流量是控制径流中离子浓度出现日变化的主要因子。冰川融水对冰面储水的稀释,是冰面径流中δ18O和δD出现日变化的主要原因;冰川融水对冰川流域储水的稀释过程是冰川区稳定氢、氧同位素及离子浓度出现日变化的主要因素。在七一冰川区径流中代表总离子浓度的电导率日变化量可达最低水位时径流中54%,而δ18O和δD日过程中的变化量可达1.5‰和11‰,这种变化对利用同位素示踪方法研究冰川区水循环过程有重要影响。在水文站径流中电导率的日变量可达水位最低时的77%,δD日变幅可达8‰。因此本文中在七一冰川流域以流量为权重计算流域日均离子浓度。在贡嘎山海螺沟流域,流量日变化幅度较小,总离子浓度的日变化幅度较小,δD日变量在2~4‰。分析发现最高水位和最低水位时径流中离子浓度的算数平均值与以流量为权重计算的日均值偏差在10%之内。  冰川流域径流水化学存在显著的时空变化特征。七一冰川冰中稳定氢、氧同位素比值分布范围较宽,拟合的大气水线方程为δD=8.15×δ18O+18.84,R2=0.98,海螺沟冰川流域降水中δD=8.44×δ18O+19.07,R2=0.96。七一冰川冰面融水的大气水线方程δD=7.12×δ18O+8.91,R2=0.85,说明冰面融水径流是雪冰的升华和汇流时蒸发后的残留液。冰川区径流中δD和δ18O值大于冰面融水,水文站径流中最大。随径流演化,同位素比值向偏正的方向发展。在海螺沟流域降水中δD和δ18O也较分散,相对于七一冰川偏负。冰川区融水径流中δD和δ18O相对于七一冰川偏负约7‰和55‰。  七一冰川区降水化学离子浓度是海螺沟降水中的3倍多,表现出降水化学的区域差异,但是Ca2+,SO42-,NO3-是两地降水中浓度最大的离子。径流中所测的离子中,Ca2+,SO42-依然是优势离子。在化学风化开始阶段,海螺沟冰川流域径流中K+浓度增加最快,七一冰川则是Na+。但在七一冰川发现随水岩作用时间的增加,Mg2+增加的速率超过了Na+。在更长的时间尺度上,水化学组成依然受到流量的影响。  冰川区径流中离子主要来源于化学风化过程,在七一冰川流域大气降水贡献占到总离子通量的3.12%。扣除降水来源后流域化学风化速率为16.48 t/(km2·yr),其中碳酸岩来源约59.25%,蒸发岩约18.57%,硅酸岩约14.52%。与位于中高纬度冰川流域化学风化速率近似,小于全球平均水平19.32/(km2·yr),大于与其径流深相近或较小的大江大河流域。对大气中CO2消耗速率为2.36×105mol/(km2·yr),与径流深远大于七一冰川流域的北美及阿尔卑斯山区冰川流域以及温带湿润地区的相近。海螺沟冰川流域化学风化速率为81.90 t/(km2·yr),碳酸岩风化对径流中化学物质的贡献率是76.5%,化学风化对大气中CO2消耗速率为6.0×105 mol/(km2·yr)。对比研究发现,在流域内径流量是影响化学风化速率及对大气中CO2吸收速率主要因素,在流域间受岩石岩性及径流深共同作用影响。
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