河道型水库溶解无机碳同位素组成特征与来源——以万安水库为例

以江西万安水库为研究对象,于2014年9月至2015年6月进行4次季节性采样,对该区域9处采样点的溶解无机碳(DIC)及其同位素(δ13CDIC)进行分析。结果表明:夏、秋季DIC含量较春、冬低;δ13CDIC也较冬、春季偏负。DIC含量从上游到下游呈下降趋势,碳同位素值则趋于偏正。光合作用与有机质分解是影响库区表层水体δ13CDIC值变化的主要因素。垂直剖面上,表、底层水温等参数差异不显著,上下水体混合较为均匀。DIC含量基本上随深度的增加而增大,δ13CDIC值趋于偏负。利用质量平衡计算得出:入库水体中DIC约57%来自于土壤CO2,而坝下水体中DIC约49%来自土壤CO2,万安水库拦截对河流地球化学过程信息有一定的改造作用。     

筑坝拦截对梯级水库水体氢氧同位素组成的影响:以嘉陵江为例

筑坝拦截导致河流天然属性的改变,进而影响了相关流域水循环过程。本研究以嘉陵江流域4座梯级水库为对象,于2016年1、4、7、10月份采集水样,分析水体氢氧同位素组成,以期通过氢氧同位素组成的时空变化特征来探讨大坝拦截对于流域水循环的影响。结果表明,表层水体的δ18O和δD沿河流流向上总体有偏正的趋势,应该是受纬度效应及筑坝拦截作用的共同影响;研究区水库库区水体在1、10月的δ18O均值较4、7月偏正,是降雨量与降雨来源不同导致的结果;具有热分层特征的水库(亭子口水库)在夏季分层期的18O值变化范围比其他季节大,其他水库则没有这种特点,另外,水库分层还会使得库区表层水与下泄水的氢氧同位素值出现较大差异;梯级水库的存在使得流域蒸发作用强烈,导致河水氢氧同位素组成大大偏离当地大气降水线,研究区夏季(7月)的蒸发作用最强,春季(4月)次之,冬秋季(1、10月)最弱。     

筑坝拦截对深水型水库硫循环的影响——以龙滩水库为例

选取珠江上游深水型水库龙滩水库为研究对象,于2019年4、7、10月和2020年1月4个季节采集了水库支流表层水、库区分层水和下泄水,分析其水化学参数、SO₄^2-浓度及δ³⁴S_SO4与δ¹⁸O_SO4同位素组成,基于冗余分析和贝叶斯稳定同位素混合模型等手段,阐明了筑坝拦截影响下的水动力条件改变对龙滩水库水体硫循环的影响。结果表明：龙滩水库SO₄^2-的主要来源是硫化物矿物氧化(以O₂或Fe³⁺为电子受体),此外,还包括大气降水、人为源。筑坝拦截后,水体SO₄^2-浓度以及δ³⁴S_SO4和δ¹⁸O_SO4值波动范围显著增大。筑坝蓄水会导致水体相对水柱稳定度(relative water column stability, RWCS)升高,在较高的RW...     

岩溶区不同植被下土壤水溶解无机碳含量及其稳定碳同位素组成特征

自2010年7月至2011年7月对重庆青木关岩溶区典型植被下的土壤水进行了月动态取样,分析了土壤水溶解无机碳含量(DIC浓度)及其稳定碳同位素组成(δ13CDIC值)的时空变化特征,以揭示岩溶土壤系统碳酸盐岩溶蚀作用及其碳汇效应。研究结果表明:草地和针叶林地土壤水的DIC浓度和δ13CDIC值相对较低,分别为59.12 mg/L和-17.22‰,31.47 mg/L和-16.37‰;而旱地、灌丛地、退耕还林地土壤水具有较高的DIC浓度和δ13CDIC值,分别达153.88 mg/L和-12.2‰,221.82 mg/L和-11.9‰,97.30 mg/L和-11.23‰,其中灌丛和退耕还林地的δ13CDIC值与DIC浓度呈正比,且雨季较旱季偏高约4‰—5‰。根据δ13CDIC值,结合各植被类型下土壤水DIC浓度与其相应的土壤碳酸盐含量呈正相关,判断旱地、灌丛地、退耕还林地等岩溶土壤水中的DIC主要来自土壤中碳酸盐岩矿物的碳酸溶蚀,即岩溶土壤中存在着碳酸盐岩碳酸溶蚀作用,从而在一定程度上减少了土壤系统向大气排放的CO2量。     

河流拦截背景下水库氧化亚氮(N_2O)排放的研究进展

大规模筑坝拦截是当前世界河流普遍面临的共同趋势,河流筑坝导致水体温室气体排放的环境效应近年来在全球范围内引起广泛关注,其中河流拦截背景下的水库中氧化亚氮(N_2O)的产生与释放是理解河流-水库体系氮的生物地球化学循环的重要内容,也是评价水库温室气体排放水平的重要依据。然而,当前对水库N_2O产生与排放的研究存在着不足,对其产生机理、释放水平及控制因素的认识依然缺乏系统性。本文归纳总结了国内外有关水库氮循环过程和N_2O排放的研究成果,分析了水库N_2O排放研究趋势及尚未解决的关键问题,以期为准确评估河流筑坝背景下水库N_2O排放提供借鉴。     

青海布哈河丰水期水化学特征

运用相关分析、因子分析和富集因子等对布哈河流域2014年丰水期河水样品主要离子浓度特征及来源进行了分析。结果表明:布哈河流域河水p H值的变化范围为7.91~9.21,平均值为8.43;EC的变化范围为133~871μS·cm~(-1),平均值为383μS·cm~(-1);河水中SO_4~(2-)、Ca~(2+)、Cl-、Na~+、 Mg~(2+)、NO3-、K+和NH_4~+的平均离子浓度分别为60.2、33.1、31.1、14.8、12.8、8.1、1.5和0.3μeq·L-1;阳离子浓度的大小顺序为Ca~(2+)Na~+ Mg~(2+)K+NH_4~+,而主要阴离子浓度的大小顺序SO_4~(2-)Cl-NO_3~-; Mg~(2+)、Ca~(2+)和SO_4~(2-)的离子浓度随着海拔的增加呈增加的趋势,Na+、Cl-和NO_3~-随着海拔的增加表现出减小的趋势,但K~+和NH_4~+不随海拔梯度的改变而变化;布哈河全流域的水化学类型为SO_4~(2-)-Ca~(2+)-Cl-- Mg~(2+);布哈河流域的水化学主要受控于蒸发岩和碳酸盐岩风化产物的影响。     

赤水河流域水化学特征与岩石风化机制

赤水河是长江上游唯一一条干流没有修筑大坝的一级支流,对于探讨河流物质输送与流域岩石风化具有重要的意义。通过对赤水河全流域干流与主要支流进行系统采样,分析了河水的水化学特征及其控制因素,基于化学计量平衡与正演模型方法,计算了大气来源、人为活动输入、硅酸盐岩与碳酸盐岩风化端元对河水溶质的相对贡献,并对流域的岩石风化速率与大气CO_2消耗速率进行了估算。结果表明:赤水河流域河水阳离子组成以Ca2+、Mg2+为主,碳酸盐岩风化对河水阳离子的平均贡献率达到77%,大气来源、人为活动输入、硅酸盐岩风化对河水阳离子的平均贡献率分别约为12%、3%和9%;河水阴离子组成以HCO3-、SO_4~(2-)为主,与长江和乌江等河流相比,河水中SO_4~(2-)含量较高而HCO3-含量较低。流域硅酸盐岩风化速率与大气CO_2消耗速率分别为7 t·km~(-2)·a~(-1)、1.7×105mol·km~(-2)·a~(-1),与其他位于西南喀斯特地区的河流接近;仅考虑碳酸风化碳酸盐岩时,流域碳酸盐岩风化速率约为57.6 t·km~(-2)·a~(-1),大气CO_2消耗速率约为4.52×105mol·km~(-2)·a~(-1),而在硫酸参与作用下,流域碳酸盐岩风化速率增至为74.6 t·km~(-2)·a~(-1),大气CO_2消耗速率减至为1.74×105mol·km~(-2)·a~(-1)。硫酸的存在使得赤水河流域碳酸盐岩风化速率估算结果提高了约30%,而相对于其他西南喀斯特地区的河流,由于河水中SO_4~(2-)含量较高而HCO3-含量较低,使得其风化过程具有较低的大气CO_2消耗速率。     

句容水库农田小流域N_2O浓度特征

为了解句容水库农田小流域N2O浓度时空变化特征,于2015年10月至2016年9月进行为期1年的流域水样采集,采用顶空平衡-气相色谱仪法检测顶空气体中N2O浓度,计算出水体N2O浓度,并结合水质参数,分析水体N2O浓度的影响因素。结果表明:句容水库小流域水体N2O浓度的变化范围为5.04~61.83 nmol·L-1;河流、池塘、水库3类水体的N2O浓度在冬季出现峰值,分别是(30.26±12.33)、(21.28±5.98)、(18.56±2.27)nmol·L-1;不同类型水体N2O平均浓度从高到底依次是河流(25.93±11.60)nmol·L-1、池塘(20.03±9.57)nmol·L-1、水库(16.17±4.72)nmol·L-1;水体N2O的浓度与溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)、铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、亚硝态氮(NO2--N)、溶解性无机氮(DIN)呈显著正相关,与pH呈显著负相关。     

连续筑坝湟水一级支流火烧沟对河流水-气界面温室气体通量的影响研究

梯级水坝改变了河流水文情势, 对水气界面的温室气体排放产生影响。以2018年春夏两季的西宁湟水一级支流火烧沟为例, 探讨水坝修建后, 河流不同梯段温室气体排放通量的时空变化及其影响因素。采用漂浮静态箱-气相色谱法对筑坝区和未筑坝区水-气界面温室气体CH4、CO2、N2O进行观测研究, 结合水文、水质、气象、植物、底泥等指标分析讨论。结果表明: (1)空间上: 筑坝区温室气体的排放量明显高于未筑坝区; 筑坝区以中上游河段排放的温室气体最多。(2)时间上: 梯级水坝CH4和N2O的排放通量呈现夏季明显高于春季的趋势; 而CO2存在明显的源汇变化, 春季为CO2排放的“源”, 夏季为CO2排放的“汇”。(3)各类环境因子对温室气体通量有不同程度的影响。Pearson相关分析结果显示: CH4通量与气温、水温、CODmn呈正相关关系, 与气压、pH、ORP呈负相关关系; CO2通量与水体TOC和水体TN呈正相关关系; N2O通量与CODmn、pH呈正相关关系, 与气压、风速呈负相关关系。逐步多元回归分析结果表示: 以上各因子中, 气压和水体TN分别是影响CH4和CO2的主要因素, 而风速和CODmn是影响N2O通量的主要因素。     

酸性煤矿排水中硫的迁移转化及其与铁的相互作用——以贵州织金废弃煤矿区为例

硫酸盐是酸性煤矿排水的主要组成部分,高浓度硫酸盐废水排到环境中会产生一系列污染及环境效应。本文选取贵州省织金县珠藏镇酸性煤矿排水相对集中的小流域为对象,采集了水体与沉积物样品,研究硫酸盐在喀斯特地区酸性煤矿排水中的迁移转化过程。结果表明:研究区水体酸化明显,水中溶解态硫主要以SO_4~(2-)形式存在,且SO_4~(2-)随水的迁移过程有明显的衰减,亚稳态硫含量较少;可交换态硫酸盐(ExS)是沉积物中硫的主要存在形态,约占总硫(TS)的65%,还原态硫在这种强氧化环境中含量很少,各还原态硫含量的大小顺序是元素硫(ES)酸可挥发性硫化物(AVS)铬还原态硫化物(CRS);水体中SO_4~(2-)和Fe(Ⅲ)存在明显的正相关关系,SO_4~(2-)与Fe(Ⅲ)相结合共沉淀到沉积物中是SO_4~(2-)衰减的重要原因。     

河流输送硅通量降低的机制及生态效应

从筑坝成库、硅藻吸收和固定、渔业发展、水体富营养化、水文结构变化几方面对河流输送硅通量降低的影响机制进行了归纳分析,综述了河流输送硅通量降低对河流、河口和近海产生的生态效应。研究表明,河流输送硅通量降低对硅的地球化学循环平衡产生了巨大影响,并造成了一系列的生态变迁。其中,硅藻是河流输送硅通量降低的主要因素,大量繁殖的硅藻将水库水体溶解性硅(DSi)吸收后转化成自身的生物硅(BSi),死亡后沉积到水库底部贮存起来,导致下游河流和海洋缺乏DSi,从而产生对人类具有重大影响的生态效应。     

封面说明

<正>鼎湖山生物圈保护区森林景观(张倩媚摄)。熊鑫等通过对鼎湖山森林演替序列植物-土壤碳氮同位素自然丰度的测定,分析了叶片稳定碳同位素比率(δ~(13)C)和稳定氮同位素比率(δ~(15)N)与其叶片元素含量的关系,叶片-凋落物-土壤δ~(13)C、δ~(15)N沿演替方向以及土壤δ~(13)C、δ~(15)N沿剖面深度的变化特征,借此探讨该地区植物群落对资源的利用策略以及森林演替过程中碳氮元素循环过程的变化(本期533–542页)。     

稳定同位素红外光谱技术测定CO_2同位素校正方法的研究进展

稳定同位素红外光谱(IRIS)技术克服了传统的大气CO_2气瓶采样-同位素质谱(IRMS)技术时间分辨率低且耗时费力的缺点,可以实现高时间分辨率和高精度的大气CO_2碳同位素组成(δ~(13)C)和氧同位素组成(δ~(18)O)的原位连续测定。基于IRIS技术测量CO_2δ~(13)C和δ~(18)O的误差来源主要包括δ~(13)C和δ~(18)O测量值对CO_2浓度变化的非线性响应(浓度依赖性)以及对环境条件变化的敏感性导致的漂移(时间漂移)。如何有效地校正浓度依赖性和时间漂移导致的误差是IRIS仪器应用的前提。该综述阐述了δ~(13)C和δ~(18)O测量值的浓度依赖性产生的理论基础,回顾了浓度依赖性的理论校正和经验方程校正方法和应用;回顾了时间漂移的校正原理、方法和应用;概述了数据溯源至国际标准的原理、方法与应用现状。结合实际情况推荐利用3个或3个以上已知CO_2浓度和δ~(13)C、δ~(18)O真值的CO_2标准气体涵盖待测气体CO_2浓度的浓度依赖性校正,设置适当的校正频率校正时间漂移并进行数据溯源。指出应该加强不同仪器和校正方法的比对研究;采用IRIS技术测定CH_4、N_2O和H_2O同位素组成也可以采取类似的校正方法。     

白云岩风化剖面的粒度分布、元素迁移及碳同位素特征——以黔北新蒲剖面为例

研究了影响喀斯特地区土壤有机碳(SOC)更替的因素及其与元素地球化学行为的关系。选取黔北新蒲地区的两个白云岩风化剖面,以粒度分布、有机碳δ~(13)C和元素质量迁移系数为基础,对该区域红色风化壳中有机碳及δ~(13)C值随深度变化的趋势和元素的地球化学特征进行了探讨。结果显示,该区土壤分级后粉粒(5—50μm)含量占50%—80%,粘粒次之,砂粒最少;δ~(13)CSOC值介于-26.4‰―-23.6‰,且分级后的土样和原样中δ~(13)C值随着剖面深度的增加均减小,各粒级间差异不明显;草地覆被的剖面中铁、钾、钡、钒和锌表现出一定的富集,钠和钴在风化原岩处有一个富集端点,锰在岩粉处富集,镁、钙则完全迁出土体。而耕地剖面中,钒和锌呈现一定程度富集,铁、钾在岩土界面富集,钴在风化原岩富集,而钡在表层微弱富集。     

西南不同岩性混合小流域化学风化特征

岩石化学风化影响着全球碳循环和气候变化,化学风化速率的估算及控制因素一直是研究的热点。为探究不同岩性混合小流域内化学风化速率及影响因素,于2018年9月对印江河流域、石阡河流域及余庆河流域采集河水样品并分析水化学特征。结果表明:河水的总溶解性固体(TDS)平均值为244 mg·L^-1,高于世界河流平均值(100 mg·L^-1);TDS值的空间差异显示,岩性分布不同导致离子浓度的明显变化。流域中的优势阴阳离子分别为HCO3^-和Ca^2+,表明流域碳酸盐岩风化对河水水化学组成起主导作用;通过正演模型解析不同端元(大气、人为、硅酸盐岩和碳酸盐岩)对河流中总溶解阳离子贡献发现,支流中碳酸盐岩贡献变化明显(55.0%~93.9%),空间差异主要受岩性影响;印江河、石阡河和余庆河的硅酸盐岩风化速率分别为4.4、2.8和2.5 t·km^-2·a^-1,相应的CO2消耗速率为45×10^3、18×10^3和16×10^3mol·km^-2·a^-1;碳酸盐岩风化速率显著高于硅酸盐岩风化速率,3条河流的碳酸盐岩风化速率分别为43.7、24.7和29.8 t·km^-2·a^-1;CO2消耗速率为498×10^3、284×10^3和354×10^3mol·km^-2·a^-1。研究表明,同一区域相同气候条件下流域风化的空间差异显示了岩性对河流风化的控制作用,其结果可用于区域水环境质量和碳循环评估。     

沁河流域水化学组成的空间和时间变化特征

选择我国北方小流域(沁河)作为研究对象,分丰水期(8月)和平水期(12月)采集干流和支流河水样品,结合野外现场测试和室内分析等方法,辨析河水化学组成的空间和时间变化特征,阐明人类活动和自然因素对河水溶解组分的控制作用。结果表明:(1)沁河流域河水丰水期和平水期阳离子主要以Ca~(2+)和Mg~(2+)为主,丰水期当量浓度占比均值分别为45%和41%,平水期分别为43%和41%。阴离子主要以HCO_3~-和SO_4~(2-)为主,丰水期当量浓度占比均值分别为46%和39%,平水期分别为55%和27%。水化学类型表现为HCO_3~--SO_4~(2-)-Ca~(2+)-Mg~(2+)。(2)丰水期河水δD和δ18O均值分别为-65.4‰和-8.76‰,平水期河水δD和δ~(18)O均值分别为-64.6‰和-8.68‰,大气降水是沁河河水主要补给来源,部分水体由于蒸发作用表现为富集氢氧同位素。(3)丰水期和平水期河水[SO_4~(2-)]/[HCO_3~-]当量浓度比值均值分别为0.96和0.54,[Ca~(2+)+Mg~(2+)]/[HCO_3~-]当量浓度比值均值分别为1.88和1.78,硫酸参与碳酸盐矿物化学风化过程,硫酸的来源包括酸雨和硫化物矿物氧化等。(4)沁河流域下游河水NO_3~-和THg含量逐渐升高,受人为活动影响较大,主要来源包括生活污水、工业废水以及农业活动等。     

喀斯特小流域黄壤硫形态和硫酸盐还原菌分布特征

本文分析了黄壤中总硫、SO_4~(2-)、总还原态无机硫(TRIS)和有机硫的含量,以及硫酸盐还原菌(SRB)类群和数量,目的是阐明西南酸沉降地区土壤中硫形态和SRB的分布特征。结果表明:有机硫是主要的硫形态,SO_4~(2-)是主要的无机硫形态;黄壤剖面不同深度均检出脱硫弧菌属-脱硫微菌属,指示脱硫弧菌属-脱硫微菌属是黄壤中SRB的优势类群;黄壤剖面中SRB数量与TRIS含量增加的深度与SO_4~(2-)-S含量降低的深度基本一致,指示黄壤中存在SO_4~(2-)异化还原反应,并且TRIS是主要产物;生物滞留后剩余SO_4~(2-)的吸附、解吸、淋溶迁移及深层吸附与累积导致剖面底层SO_4~(2-)-S含量增加;酸沉降输入的SO_4~(2-)主要以有机硫和吸附态SO_4~(2-)滞留在黄壤中,在硫的年沉降速率大幅降低后,在较长时期内,黄壤中有机硫矿化和吸附态SO_4~(2-)解吸可能释放大量SO_4~(2-)进入地表和地下水体,与之相关的土壤理化性质变化和水体化学组成改变等方面的环境效应值得关注。     

筑坝河流磷素的迁移转化及其富营养化特征

人类活动过量营养物质输入是导致河流富营养化的主要原因,而河道过度的人为调控则进一步复杂化了河流的营养状态变化。闸坝是河流人为调控的重要工程措施之一,提高水资源利用效率的同时严重干扰了河流自然的生物地球化学循环,产生诸多负面生态环境效应。磷素的迁移转化对河流的营养限制作用受到越来越多的关注,国内外已有研究在筑坝河流磷的富营养化特征方面,已经取得了较为深刻的认识:水库闸坝建设滞留大量磷素,导致河流水体磷含量升高、营养物质比例变化,沉积物储存过量磷素形成的内源释放威胁,以及进一步浮游植物和有害藻类的生长响应等,使得筑坝河流的富营养化生态风险升高;在此基础上,也提出了根据降雨分配和闸控库区储水,合理设置闸坝泄流方式,以改善筑坝河流富营养化生态风险的重要管理思路。对于闸坝调控作用与水体富营养化的定量关系还有待进一步的探讨,而且随着河流资源开发和人为调控力度的增强,河流闸坝建设所产生的系列生态环境问题日益严峻,对此提出还需要系统研究的方向:闸坝调控作用下河流磷素的富营养化机制及其与氮、碳等元素的耦合作用,筑坝河流沉积物内源污染的综合管理,以及闸控景观河流的生态建设和修复等。     

广州流溪河氮磷浓度的季节变化和空间分布特征

广州市流溪河横跨北回归线,是典型的热带-亚热带过渡区河流。为了解该河流的营养盐分布特征,设置了20个采样点,于2015年2月至2017年2月进行季节性采样,共开展了8次水质监测,利用多元统计方法分析了主要营养盐(氮和磷)的季节动态和空间分布,并探讨影响营养盐时空分布的主要因素。结果表明:TN和TP的浓度范围分别为0.29~11.88 mg·L~(-1)与0.01~0.59 mg·L~(-1),TN浓度枯水期高于丰水期,总体上受降雨量的调节和河水稀释效应的影响; TP浓度丰水期高于枯水期,总体上受降雨量的调节及外源输入的影响; TN与TP在枯水期具有相似的季节变化特征,而在丰水期季节变化特征差异大;NO_3~--N和TN浓度的空间变化趋势相似,分为三个区段:流溪河水库上游的中值区河段,流溪河水库下游到街口大桥处的低值区河段和街口大桥下游的高值区河段,流溪河上游的两座大型水库对营养盐的滞留是导致其空间差异的主要因素之一; NH_4~+-N和TP浓度沿流域上游至下游总体上呈上升的趋势;三级河流氮和磷浓度显著高于一级河流和二级河流,河流氮、磷浓度与土地利用类型显著相关,建筑用地、裸露地和耕地所占比例的扩大会增加水体中TP、NH_4~+-N和NO_3~--N的浓度,而增加林地面积有助于水土保持和减少水体中氮、磷浓度。因此,上游水库的调节和下游城镇地区增加林地面积等方式对改善流溪河水质具有积极作用。     

青海典型内陆河流域地表水化学组成及其重金属分布特征

为了解青海典型内陆河流地表水化学组成及其重金属分布特征,于2015年7—8月对青海巴音河、格尔木河和小柴旦湖流域地表水进行采集,分析了水体主离子、12种重金属浓度等水化学组成,并对水体质量进行了评估。结果表明:研究区河流、湖泊地表水化学组成分别主要受岩石风化及蒸发-结晶作用控制;不同水体重金属浓度分布存在明显差异,多数重金属表现为湖泊高、河流低,而这与湖泊水化学及水体蒸发导致的重金属元素浓缩富集及结晶析出有关。主成分分析表明,水体重金属主要来源于岩石风化,受人类活动影响较小。研究区河水重金属基本符合《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅰ类水质标准。