（环境科学专业论文）长江干流及其河口水体pCOlt2gt的分布与影响因素的初步研究.pdf

普遍稍高于蓄水前( 1 2 2 7 r a m ) ，d i c 沿程的逐步降低主要是受洞庭湖、鄱阳 湖水体输入的物理稀释作用所引起的；长江干流水体p i c 含量平均值仅有0 0 4 m 矿，且长江库区和中下游水体泥沙来源不同；长江安庆站水体p c 0 2 主要是受 p h 的高低影响；冬季长江口水体p c 0 2 自西向东逐渐降低，生物活动不是控制 表层水田0 2 分布的主要因素，温度和p h 是影响长江河道内表层水0 2 分布的 主要因素；冬季长江口混合区表层水s , c 0 2 的分布不受碳酸盐体系控制，而在外 海区没有咸淡水的剧烈混合p c 0 2 的变化受碳酸盐体系的影响，但不构成主控因 素。 关键词：长江；p c 0 2 ；碳 n s t u d yo nt h ed i s t r i b u t i o na n d i n f l u e n c em e c h a n i s mo fp c 0 2 i nt h ey a n g t z er i v e rm a i n s t r e a ma n de s t u a r y a b s t r a c t s t u d yo nt h ec a r b o nc y c l ei st h ec e n t r a lc o n t e n ti nt h ei g b p ，t h ef o s s i lf u e la n d o t h e r h u m a n8 c t i v i t i e sc a n r e l e a s e m o r e t h a n 6 1 0 9 t c y r ( h o u g h t o n e t a l 。2 0 0 1 = n o b l e , 2 0 0 1 ) ，f r o mo u ro b s e r v a t i o n , w ec o n f o r mt h a ta b o u th a l f o f t h e ms t i l li nt h e a t m o s p h e r e s i n c e 也ei n d u s t r i a lr e v o l u t i o n , t h ef o s s i lf u e la n do t h e rh u m a n a c t i v i t i e s h a v ec h a n g e dt h eg l o b a lc a r b o nc y c l e c 0 2a n do t h e r g r e e nh o u s e g a s e sh a v e b e i n g t h ei m p o r t a n tf a c t o rt oi n f l u e n c et h eg l o b a lc l i m a t e h u m a na 洲t i e sn o to n l y s t r e n g t h e nt h ee x c h a n g eq u a n t i t yo f c 0 2b e t w e e na t m o s p h e r e 、s e aa n de f r t h e c o s y s t e m ，b u ta l s ot h er i v e rt r a n s p o r t c a r b o nd i r e 贮t l ya n dt h er u no f f o f l a n dc a r b o n s oi f w ew a n tt or e a l i z et h ec a r b o nc y c l ep r o g r e s si nt h ee a r t he c o s y s t e mt h o m u g h l y a n ds y s t e m i c , w em u s tk n o wt h eq u a n t i t ya n dr u l e sb e t w e e nl a n d - s e as y s t e m sf r o m r i v e r y a n g t z er i v e ri st h el o n g e s tr i v e ri no u rc o u n t r ya n dt h et h i r dl o n g 、f i f t h s d i s c h a r g e 、f o u r t hs e d i m e n t q u a n t i t y i n t h e w o r i d ( e i s m a ，1 9 9 8 ) ：n e a v e r a g e c o n c 4 m t r a t i o no f r i c 0 3 i s1 6 6 m o l m 3 w h i c hi so f f e r e d4 5 7 b yc a r b o n a t ea n d 5 4 3 i so f f e r e db ya t m o s p h e r ec 0 2w h a tc o u s b m ei nt h er o c kw e a t h e r i n 昏t h e r e f o r e y a n g t z er i v e rd r a i n a g eb a s i nc o n s u m e sa t m o s p h e r ec 0 2 i s8 2 8 0 0 1 0 9 m o lb yr o c k w e a t h e r i n g , w h i c ha b o u t3 4 5 o f t h er o c kw e a t h e r i n gi nt h ew o r l dd r a i n a g eb a s i n a n di tc o n s u m e 8t h em o s t l ya t m o s p h e r ec 0 2i nt h ey a n g t z er i v e rd r a i n a g eb a s i n w e i n v e s t i g a t et h ey a n g t z ee s t u a r yi nt h ef e b 2 0 0 6a n df r o mf u l i n gt on a n t o n g i nt h ea p r i lt 0m a 孔2 0 0 6 m e a n w h i l e ，w e i n v e s t i g a t et h ey a n g t z er i v e ri na n q i n g t w i c eam o n t hf r o mm a y ，2 0 0 6t om a y , 2 0 0 7 t h em a i nc o n t e n to f t h ep a p e ra s f l o w i n g ： i i i p c 0 2v a r i e sf r o m8 6 7t o1 6 5 1 p a t m ；t h ea v e r a g ei s11 0 6 p a t mi nt h em a i n s t r e a m o f y a n g t z ef i v e r t h i si sl o w e rt h a no t h e ri m p o r t a n tf i v e ri nt h ew o r l da n di ti st h e s o u r c e o f c 0 2 t h e u p p e r r e a c h e s o f f e n g j i e i n t h e t h r e e g o r g e , t h e p c 0 2 i s s u b j e c t e dt ot h eb i o l o g i c a la e r o b i cr e s p i r a t i o n , t h el o w e rr e a c h e so f f c n g i i ei nt h e y a n g t z er i v e r ) a n dt h ep c 0 2i ss u b j e c t e dt ot h ec a r b o n a t es y s t e m a f t e rt h ef i r s t i m p o u n do f t h r e eg o r g e , t h ed i cc o n c e n t r a t i o ni nt h em a i n s t r e a mo f y a n g t z er i v e ri s 1 3 6t o2 8 m m al i t t l eh i g h e rt h a nn o ti m p o u n d 1 r i mm a i nr e a s o no f d i cd e c r e a s e f r o mu p p e rt ol o w e ri sd i l u t i o nb y d o n g t i n gl a k ea n dp o y a n gl a k e t h ea v e r a g eo f p i ci nt h ey a n g t z er i v e rm a i n s t r e a mi so n l y0 0 4m 鲫；t h i si sb e c a u s eo f t h e d i f f e r e n c es o u i c eo f s e d i m e n t i na n q i n g , t h ep c 0 2i nt h ey a n g t z er i v e ri ss u b j e c t e d t op n ；i nw i n t e ry a n g t z ee s t u a r y ，t h ep c 0 2i ss u b j e c t e dt op ha n dt e m p e r a t u r e k e y w o r d s ：y a n g t z er i v e r ；p c o z ；c a r b o n 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 连i 童旦超查甚他益噩挂剔直盟故：查拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 竺竺兰兰垒! 型兰竺竺：垄! ! 尘 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构( 如中国科学技术信息研究所等) 送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名。千龟i ea l 签字日期：厨月7 日 导师签字： 7 惋平 签字日期：砷6 月1 日 长江干流及河口水体p c q 的分布与影响因素的初步研究 0 引言 c 0 2 是温室气体中对温室效应最主要的贡献者( 约7 0 ) 。工业革命以来，化石 燃料燃烧等人类活动己经显著地改变了全球碳循环。c 0 2 等微量气体的“温室效应” 己成为影响全球气候变化的一个重要而不可忽视的因素。“温室效应”的加剧，全 球变暖将可能造成极地与高山冰雪融化，海平面升高，全球降水发生时空巨变，旱 涝和飓风等自然灾害的频率增加等一系列变化，这将对全球生态系统和人类生存环 境产生深远的影响。 陆地生态系统碳循环及其驱动机制的研究是全球变化科学中的一个重要组成部 分，为2 0 世纪9 0 年代兴起的跨学科、综合性的、规模较大的国际合作研究的热点。 陆地生态系统的碳循环不仅体现在通过陆地与大气间的交换，进而与海洋的碳循环 相联系，还包括通过河流作用向海洋的直接碳输运。人类活动不仅加大了c 0 2 在大 气圈、海洋和陆地生态系统之间的交换量，也加剧了河流的直接碳输运，加速了陆 地的碳流失。因此，要深入系统地理解陆地生态系统的碳循环过程，总体把握陆地 的碳收支状况，就有必要了解通过河流作用的陆地海洋间碳输运量和输运规律。 s i e g e n n l a l 盯等( 1 9 9 3 ) 的研究表明，工业革命前大气圈和海洋都处于碳循环的动 态平衡状态，工业革命后，入类对地球各圈层的干扰程度加强，不但陆地，而且大 气圈和海洋都进入不平衡状态，表现为大气圈和海洋各自演化为一个巨大的碳汇， 每年有大量来自陆地( 包括陆地生物量和矿物燃料等) 的含碳物质被氧化为c 0 2 汇入 大气和海洋。然而在s i c g e n t h a l e r 等( 1 9 9 3 ) 的研究中，工业革命前后的全球河流碳通 量没有发生变化，均为0 8g t c a ，这是值得进一步研究的。实际上。工业革命后人 类经济活动的加剧对地表之水文、水化学、植被和土壤结构性质的影响程度在不断 加大。毁林开荒、大规模的机械耕作都会加大土壤的侵蚀速率，大量土壤有机质被 淋溶、冲刷进入河湖，汇入海洋。工业排废、富营养化和酸雨等现代环境问题都会 影响河流碳通量，并且，在很大程度上是增加了河流碳通量，使得淡水和近海系统 成为附加的碳汇( k e m ps ，1 9 8 4 ) 长江干流及河口水体p c 0 2 的分布与影响因素的初步研究 因此陆地生态系统碳循环研究是预测未来大气c q 和其它温室气体含量、认识 大气圈与生物圈的相互作用等科学问题的关键，也是认识地球生态系统的养分循环 和生物多样性变化的基础。 长江是我国第一大河，全长6 3 0 0 k m ，流域面积1 8 x 1 0 6 k i n 2 ( 占全国总面积的近 五分之一) ，入海径流量多年均值为9 0 0 k i n 3 ，是世界长度第三( 王颖、朱大奎，1 9 9 4 ) 、 径流量第五、输沙量第四的河流( e i s m a ，1 9 9 8 ) 。因此，长江在我国社会经济发展 中具有重要作用；长江河水中h c 0 3 的平均浓度为1 6 6 m o l m 3 ，其中碳酸盐本身风 化溶解贡献约4 5 7 的h c 0 3 ，5 4 3 的h c 0 3 是在岩石风化作用中消耗的大气c o i ， 即0 9 0 m o l m 3 大气c 0 2 转化为长江河水中的h c 0 3 ，则长江流域每年岩石风化的大 气h c 0 3 消耗率为4 5 2 4 6 x10 3 m o l k m 2 ，其中碳酸盐类化学风化过程的大气c 0 2 消 耗率约占8 4 1 6 ，达到3 8 0 8 0 1 0 3 m o l k m 2 ，而硅酸盐类化学风化过程中的大气 c 0 2 消耗率占1 5 8 4 ( 7 1 6 6 x 1 0 3 m o l k m 2 ) ，由此长江流域岩石化学风化过程每年 消耗的大气c 0 2 总量为8 2 8 0 0 1 0 9 t o o l ，约占世界流域岩石风化消耗大气c 0 2 总量 的3 4 5 ，为中国岩石风化消耗大气c 0 2 最多的流域盆地( 李晶莹，2 0 0 3 ) 。 然而，目前对于长江整个流域碳循环的相关研究相对较少( z h a n gj ，甜a l 。1 9 9 9 ， 2 0 0 3 ；w u y ，甜a l ，2 0 0 6 ；“u s m ，甜a t ，2 0 0 3 ；d i n g t ，“a t ，2 0 0 4 ) ，而对长江p c 0 2 的实测报道更是仅见于长江口的一些研究( 李岩等，2 0 0 6 ；王峰等，2 0 0 2 ；谭燕等， 2 0 0 4 ) 。 2 0 0 6 年2 月，以及4 _ - 5 月，时值长江三峡库区1 3 5 蓄水后，1 5 6 蓄水前，本文 根据长江及其河口具有代表性河段定位观测和年内每月的定点连续观测数据，对比 前人于三峡库区蓄水前的相关资料，结合水文、气象资料，来说明三峡库区蓄水对 长江干流水体各形态碳的时空分布规律的影响，并且初步探讨了长江干流以及河口 水体p c 0 2 控制机制，估算了河流碳的平流输运量和水气界面通量。 由于个人能力和知识水平有限，对问题的认识和探讨还较肤浅，恳请诸位专家 和老师批评指正。 2 1 文献综述 碳循环是碳在大气、海洋、陆地生态系统( 包括植物、土壤) 三个主要储库之间 的流动。虽然储存于岩石圈的碳库储量十分庞大，但它与大气中c 0 2 的交换非常缓 慢，所以在全球碳循环研究中一般不考虑这个储库。最大的碳库是海洋，其碳的储 存形式有3 种：可溶性无机碳( d i c ，包括c 0 2 、h c 0 3 。和c 0 3 2 ) ，可溶性有机碳和有 机分子碳( 存在于活的生物体或死亡动植物的碎片中) 。碳存量最小的库是大气库， 但它在c 0 2 交换过程中，对库与库之间的碳循环起着重要作用。c 0 2 的重要交换形 式是大气与海洋间的气体转移，及生物群与其它碳库之间的光合作用和呼吸作用。 1 1 碳的生物地球化学循环 自从8 0 年代开始实施国际地圈生物圈计划( i g b p ) 以来，各国日益重视诸如温 室气体排放、海平面上升等全球环境变化问题。碳的生物地球化学循环在研究这些 问题中起关键作用，因此成为当前国际研究的热点。 1 1 1 碳的地球化学循环 圈卜l 碳的地球化学循环( 魏秀园。2 0 0 3 ) 碳的地球化学循环控制了碳在地表或近地表的沉积物与大气、生物圈及海洋之 间的迁移，而且控制大气和海洋c 0 2 的循环。如图( 图1 1 ) 所示，沉积物含有两 种形式的碳；干酪根和碳酸盐。在风化过程中，干酪根与氧反应产生c 0 2 + 碳酸盐 的风化作用却很复杂：白云石和方解石受到侵蚀，产生出溶解的c a 2 + 、m 矿+ 和h c 0 3 。 离子，它们再由地下水带入海洋。在海洋中，浮游生物和珊瑚类的海生生物摄取c a 2 + 和h c 0 3 。离子构成骨骼和贝壳，这些生物死亡后，碳酸钙就沉积在海底而最终被埋 藏起来。 长江干流及河口水体p c 0 2 的分布与影响因素的初步研究 1 1 2 碳的生物循环 在碳的生物循环中，光合作用和呼吸作用是推动自然界碳流通的最重要的两个 生物过程。大气中的c 0 2 被植物吸收后，通过光合作用转变成有机物质，然后通过 生物呼吸作用和细菌分解作用又从有机物质转换为c 0 2 而进入大气。光合作用将 c 0 2 合成为一系列复杂的生化物质；而呼吸作用则可将生化物质分解为c 0 2 及其它 无机物质。碳的生物循环包括了碳在动物、植物及环境之间的迁移。 自然界自发进行的碳循环，在很长的时期内始终处于一种均衡的状态，这使地 球环境基本保持不变。然而人类的行为却在很短的时间内打破了这种平衡，尤其是 近二百年来，人类对煤、石油和天然气等含碳能源的大量开采利用，致使更多的c 0 2 排入大气。本世纪以来，众多的大气测量数据表明，大气中c 0 2 浓度正在呈指数上 升。自从1 0 0 a 前瑞典化学家s v a n t e a r r h c n i u s 提出大气中c 0 2 丰度变化会影响地表 温度的假说以来，越来越多的科学家致力于大气中c 0 2 与环境关系的研究( n = m a n n m ，1 9 9 7 ；c r u t z c npj ，2 0 0 0 ) 。时至今日，大量的研究表明：c 0 2 能吸收地表的红外辐 射，是一种典型的温室气体；大气中c 0 2 浓度的增长，将继续使全球气候发生变化， 从而也给人类社会带来了深远的影响。 由极区冰层气泡中的c 0 2 浓度变化记录和近代大气圈c 0 2 浓度测量可知，大气 c 0 2 浓度从十九世纪工业革命以来就开始增加，由2 8 0 p p m v 增加到2 0 0 2 年的3 7 1 p p m v ，如图( 图1 - 2 ) ，造成c 0 2 增加的原因主要有二 燃烧化石燃料和砍伐森林。 十九世纪中叶时，森林砍伐产生的c 0 2 比燃烧化石燃料还多；到二十世纪初，石油 开始大量使用，其所造成的影响，才首次超过森林砍伐。目前，每年燃烧化石燃料 所释放的c 0 2 量为5 5 c ，由森林砍伐和开荒所释放的量为1 6 g t c 其碳源总共为 7 1g t c 。大气c 0 2 每年的增加量为3 2 g t c ，只有人类活动所造成的总释放量的4 6 。 事实上，从十九世纪中叶以来，大气中c 0 2 的增加量都比人类活动所造成的释放量 低，而且这种差异越来越大。 4 长江千流及河口水体p c 0 2 的分布与影响因素的初步研究 筮 图1 2 历史上大气c 0 2 浓度【空心方块和五边形代表从冰芯测定得到的数据，地点是南极洲 s i p l e 站；圆圈是m a u n al o a 观测站测得的年平均值( g e e l i n gcd 。1 9 9 5 ；2 0 0 2 ) 由于大气中c 0 2 浓度的增加，使得大气与海洋的c 0 2 交换通量有所改变。工业 革命以前，海洋向大气的输送通量稍高于大气向海洋的输送，因为陆地向海洋输送 了一些碳，海洋将其释放出来。工业革命之后，大气中c 0 2 增加，使得大气对海洋 的通量增加，但表层海水中的c 0 2 浓度的增加很快就跟了上来，使得海洋对大气的 输送通量也增加，但大气中c 0 2 浓度增加得较快，所以对海洋还是净输出。目前估 计每年海洋所吸收的c 0 2 为2 0 g t c ，另外再加上北方森林吸收量0 6 g t 以及大气中 增加的量3 2 g t ，但还是少于人造c 0 2 的总释放量，差异大约是1 3 g t c ( a n d r e s ， 2 0 0 0 ；b a t t l em 2 0 0 0 ；b o u s q u e tpp ，2 0 0 0 ：h o u g h t o nra 1 9 9 5 ) ，这就是目前令科学家困 惑的“未知汇”问题。 许多科学家认为几乎所有工业产生的c o z 会被海洋吸收，但实际上海洋对c 0 2 的可能吸收率比人们认为的要低得多。因此，煤、石油和天然气等燃烧释放的大量 c 0 2 ，很可能将在大气中滞留相当长的时间，这也许会对世界气候产生深远的影响。 1 2河流碳循环 1 2 1 河流碳循环概念及一般特征 河流碳循环是发生在河流系统中的碳元素的生物地球化学循环。指流域中不同 源的碳元素在机械、生化及人类活动等作用下以各种不同形式进入河网系统并随河 流输移的全过程。在输移过程中碳的理化性质发生一系列复杂变化，或通过微生物 呼吸、河漫滩甲烷形成释放到大气中，或重新在陆地沉积埋藏，或最终随河流输移 人海，实现碳元素由陆向海的动态传递过程。仅就碳在河流中的输移通量而言，其 在全球碳循环大系统中扮演的角色可与植物光合固碳、土壤呼吸释碳及海洋生物泵 沉积碳等作用类比，其作用在于连接全球几大碳库( 大气、海洋、陆地生态系统、岩 石圈) ，在碳库界面处进行碳交换，且具有定向性，总是从一个碳库流向另一个碳库， 是全球碳循环中重要的流通途径。据统计，河流每年向海输人约1g t c ，其中，有 机碳4 0 、无机碳6 0 ( l u d w i g ，1 9 9 6 ) ，连接陆海两大碳库，在全球碳循环中扮演重 要角色。 s i e g e n t h a l e r 等( 1 9 9 3 ) 的研究表明，工业革命前大气圈和海洋都处于碳循环的动 态平衡状态，工业革命后，人类对地球各圈层的干扰程度加强，不但陆地，而且大 气圈和海洋都进入不平衡状态，表现为大气圈和海洋各自演化为一个巨大的碳汇， 每年有大量来自陆地( 包括陆地生物量和矿物燃料等) 的含碳物质被氧化为c 0 2 汇入 大气和海洋。然而在s i e g e n t h a l e r 等( 1 9 9 3 ) 的研究中，工业革命前后的全球河流碳通 量没有发生变化，均为0 8g t c a ，这是值得进一步研究的。实际上工业革命后人 类经济活动的加剧对地表之水文、水化学、植被和土壤结构性质的影响程度在不断 加大。毁林开荒、大规模的机械耕作都会加大土壤的侵蚀速率，大量土壤有机质被 淋溶、冲刷进入河湖，汇入海洋。工业排废、富营养化和酸雨等现代环境问题都会 影响河流碳通量，并且，在很大程度上是增加了河流碳通量，使得淡水和近海系统 成为附加的碳汇( k e m p es ，1 9 8 4 ) 。 河流碳主要以四种形式存在，包括颗粒有机碳( p o c ) 、溶解有机碳o c ) 、颗粒 无机碳( p i c ) 和溶解无机碳( d i c ) 。实际上，在天然水体中颗粒大小的分布是连续的 ( s h a r p ，1 9 7 3 ) ，颗粒态与溶解态的划分也是相对的( s c h l e s i n g e r , 1 9 8 1 ) 。根据 “c a m r e x ”定义：颗粒态分粗、细两个粒级，粗颗粒6 3 1 t m 2 m m 、细颗粒 6 0 4 5 t t m - - 6 3 t t m ；溶解态 0 0 0 1 ，n - - 2 9 长江干流及河口水体p c q 的分布与影响因素的初步研究 径流深度越大以及土壤中有机碳含量越多，河水中d o c 通量就越大。坡度和 缓的地形便于降水在流域内滞留，从而加强了淋溶作用；反之，降水快速流失，淋溶 作用减弱。因此，流域的d o c 通量与地形呈反比。 全球河流d o c 通量约为o 2 0 5 g t c a ( l u d w i g ，1 9 9 6 ) 。不同地区的河流d o c 通量存在差异。高山和冰川区的河流中d o c 浓度偏低；而流经生产量较高地区如 沼泽地、泥炭地的河流中d o c 的含量则会很高；喀斯特地区的河流中c a 2 + 离子含 量高，养分少，d o c 浓度较低。海洋中的d o c 可划分为两部分，即陆地来源的和原 地生成的，两者比例相当( m a n r o u r a r f , 1 9 8 3 ) 。这是因为深海d o c 的6 ”c 值为- 2 2 ，海洋浮游生物的61 3 c 值为1 8 至2 0 o ，而河流携带的d o c 的6 1 3c 值为2 5 8 - 2 8 5 ( g i b b srj 1 9 7 9 ) 。 颗粒有机碳( p o c ) 也分外源的和自生的两类。白生p o c 系由河流中的叶绿体经 光合作用所产生的颗粒物，外源p o c 主要来源于土壤侵蚀，陆生植物的种子、叶、 茎，以及人类生产、生活的排废物也是p o c 的主要来源。一般来说，自生p o c 只占 很小份额，但在某些河流中自生p o c 的贡献却是不可忽视的。河流中悬浮物质是 p o c 的主要载体。l u d w i g 等( 1 9 9 6 ) 用下式来表达河流p o c 的通量( f p o c ) ： f p o c = - t s m p o c 。 式中p o c 为t s m 中p o c 的百分含量。而p o c 又只与t s m 的浓度( o r s m ) 有关： p o c = - 0 1 6 0 0 0 9 c - h s m ) + 2 8 3 ( i o g c t s m ) 2 1 3 6 ( 1 0 9 c r s m ) + 2 0 3r = o 8 ，p o 0 0 1 ，n = 1 9 l u d w i g 等( 1 9 9 6 ) 对上式作出如下解释：其一，随着c t 鲥的增加，河水的透 光性减弱，自生p c ) ( 3 的产量下降，尽管外源p o c 的量有所增加，但两项相加为负， 故p o c 随劬s m 的增加而下降；其二，随着岛踟的增加，p o c 被更多的矿物所稀 释。关于“p o c - - l o g ( c t s m ) ”之间的负相关关系也可以用土壤剖面中p o c 含量的 变化来解释：土壤剖面自上而下p o c 的含量呈对数减少，随着侵蚀模数的增大，侵 蚀影响到的土壤剖面深度也加大，故随水流汇入河道中的泥沙中p o c 的相对比例也 变小。 9 全球河流p o c 通量约为o 1 7 3g t c a ( l u d w i g ，1 9 9 6 ) 。5 9 的p o t 7 由c t s m 值 界于5 0 0 1 5 0 0 m g i l 的河流输送，这些河流搬运了全球约4 5 的t s m ，它们大多 位于亚洲东部和南部( i t t e k k o tv 。1 9 8 8 ) 。 河流p o c 又可划分为性质活跃的和性质稳定的两类，前者在输移过程中易于发 生变化，被氧化消失在河流、海湾和海洋中；后者已属高度降解的成分，稳定地汇 入海洋，成为海底沉积物中有机碳的一个重要来源。受人类活动影响强烈的流域，河 流中活跃p o c 成分减少，稳定p o c 成分则相对增加。如在马更些、圣劳仑斯和巴 拉那等一些受人类活动影响微弱地区的河流中，活跃p o c 约占全部p o c 的3 5 4 0 ，而恒河普拉马普特拉河和印度河等人类活动强度较大地区的河流中，活跃 p o c 成分只占全部p o c 的2 0 2 5 ( i t t e k k o tv 。1 9 8 8 ) 。 对河流p o c 的粒级特征尚缺乏足够研究。许多研究者将p o c 划分为粗粒 p o c ( c m c ，即c o a r s ep o c ) 和细粒p o c ( f p o c ，即f i n ep o c ) 两部分，不同研究者对两者 的界定各异。实际上，在天然水体中颗粒大小的分布是连续的( s h a r pjh ，1 9 7 3 ) 。c p o c 、 f p o c 以及d o c 的划分是相对的( s c h l e s i n g e r , 1 9 8 1 ) 。般在实验中将f p o c 和d o t 2 的界线定为0 4 5 p , m ( c a u w e tg ，1 9 9 2 ) 。在输移过程中，c m c 逐渐转化为f p o c 甚至 d o c 0 7 i s h e rsg ，1 9 7 7 ) 。一般来说，河流向海洋的碳输移，在较大的河流中以d o c 为主，较小的河流中以p o c 为主( s u c h e t p 1 9 9 5 ；m e y b e e km ，1 9 8 2 ) ，如南美和非洲 的一些大河，d o c 的输移量就远大于p o c 0 ) e p t r i spj ，1 9 9 2 ) 。长江和黄河例外，它 们的p o c d o c 比值分别为3 和7 5 ( c a u w e tg ，1 9 9 3 ) 。以下两个方面可以解释 p o c d o c 的变化规律：一方面，流域内淋溶作用越强，河水d o c 浓度就越大，反 之，冲刷作用有利于p o c 的产出；另一方面，河流上游段以冲刷作用为主，下游冲 积平原段则以沉积作用为主( d e p t r i s pj ，1 9 9 2 ) 。许多湖泊的d o c 含量远大于p o c ， 有时d o c p o c 的比值可达1 0 ( w e t z e lrg ，1 9 7 3 ) 。流经草地的河流中d o c 和p o c 的含量相当( m a l c o mrl ，1 9 7 6 ) 。 全球约4 5 的入海有机碳来自热带湿润地区的土壤侵蚀，约5 1 的d o c 汇入 大西洋。7 4 的t s m 和5 9 的p o c 汇入太平洋和印度洋，而太平洋和印度洋只接 纳了全球约4 1 的径流量( l u d w i g ，1 9 9 6 ) 。 1 0 长江干流及河口水体p c 0 2 的分布与影响因素的初步研究 1 3河流水一气界面碳通量 陆地生态系统作为碳循环的一个开放系统，不仅体现在通过河流向海洋的直接 碳输运，还体现在通过陆地、湖泊、河流与大气c o z 的交换。 河流大约每年以溶解态和颗粒形态向海洋输运lg t ( l u d w i g , 1 9 9 6 ) ，而通过水 一气界面还向大气中释放的c 0 2 估计至少能达到l o ”g ，a 的数量级( i c 蛐p es ，1 9 8 2 ； d c g o n set ，1 9 9 1 ) 。但这个数据是靠河流的p h ，a l k 等参数计算p c 0 2 获得的，如英 国泰晤士河( c o l i nn ，1 9 9 8 ) 、加拿大渥太华河( i 弛v i nv 1 9 9 9 ) 等。应当特别指出的是， 由p h ，a l l 【等参数计算p c 0 2 所得的结果与实测值有所差别，直接观测取得p c 0 2 数据是非常重要的( 胡敦欣，2 0 0 1 ) 目前对河流p c 0 2 实测的报道有欧洲凯斯特 ( s c h c l d t ) 河口( f r a n k i g n o u u ec ta 1 1 9 9 8 和h e l l i n g se ta 1 2 0 0 1 ) 、美国佐支亚洲的萨 蒂拉河、奥尔塔马霍河( c a i & w a n g ，1 9 9 8 ) 及美国的约克河( r a y m o n d c ta l ，2 0 0 1 ) 、 印度的m a n d o v i - z u a r i 河口( s a r m a v vs sc t a l ，2 0 0 1 ) 、恒河三角洲h o o g h l y 河 口( m u k h o p a d h y a y s ke t a l ，2 0 0 2 ) 、南美洲的亚马逊河( r i e h e y j e 。2 0 0 2 ) 、美国的 约克河口( p e t c r a r 2 0 0 0 ) 、美国的d u p l i n 河q ( w a n g z a2 0 0 4 ) 、中国的长江口( 张 龙军等，1 9 9 9 、李岩等，2 0 0 6 ) 、中国的珠江口( z h a i w d ，2 0 0 5 ) 、中国的黄河口 ( 桂祖胜等，2 0 0 7 待刊) 。 研究结果表明，泰晤士河水体p c 0 2 是空气中的o 3 1 1 5 倍，生物光合作用和 呼吸作用是影响p c 0 2 高低的重要因素；渥太华河水体的p c 0 2 平均值为1 2 0 0 p a u n p c 0 2 受壤呼吸作用和矿物风化的控制；亚马逊河水体p c 0 2 平均值约为4 3 0 0 p a t m ， 河流侵蚀带来的有机碳的呼吸作用是维持高p c 0 2 的机制；珠江口在盐度小于0 5 的水体中p c 0 2 大于4 0 0 0 p a t m ，生物耗氧呼吸是维持高p c 0 2 的主要机制，黄河为 高混浊水体，水体中碳酸盐含量高，表层水体p c 0 2 主要受碳酸盐体系的控制；另 外，温度、盐度、碳酸钙的沉降对p c 0 2 也有影响。其中渥太华河主流水面面积为 4 4 0 k m 2 的研究区域内，每年可向大气释放7 4 4 x 1 0 4 t c ；对整个流域研究较为完整是 亚马逊河，亚马逊河包括主要支流及湿地1 7 7 万k m 2 的流域面积内，每年大约释放 2 1 0 x1 0 8 t c 。 1 3 1 水体p c 0 2 的测定方法 早期的p c 0 2 数据一般是依赖于p h 和碱度( a l k ) n 接获得。s i m p s o na n dz i r i n o ( 1 9 8 0 ) 认为：假定总碱度f r a ) 是恒定的，p c 0 2 可由p h 和t a 数值计算而得e 当p c 0 2 与p h 的改变仅是由于同大气的交换或生物活动引起时，其假定是很有用的，因为 t a 在同大气交换时几乎不改变。当然，该计算法容易导致极大的误差。首先，该 公式都是基于以热力学平衡为前提，而水体中的c 0 2 往往是处于非平衡体系，所以 以假定水体达到平衡为前提而得来的公式不一定能反映真实情况。其次，公式中涉 及到的硼酸、碳酸等弱酸的离解常数影响因素很多，计算中引用不当，会引起较大 误差。另外，p h 测量值是否准确是一个关键因素。由于p h 的不确定会给p c 0 2 带 来士3 的误差，由a l k 和z c 0 2 计算得到的p c 0 2 其误差可达5 。基于以上原因， 上述计算法现在一般不再采用，而用化学分析法直接测定。 化学分析法中，主要有电化学分析法、光学分析法、红外光谱法和气相色谱法 等。电化学测定法中主要有电位测定法、电导法、电流测定法、声波测定法等。光 学测定法主要包括分光光度法和荧光光度法。其基本原理是气体或溶液中的0 0 2 通 过一层渗透膜进入到含有对p h 变化敏感的显色溶液中。由于c 0 2 反应引起p h 变 化，导致显色试剂颜色改变。 在水体中p c 0 2 的直接测定中，应用最广泛的是红外光谱法( n i ) r r ) 和气相色谱 法( g c ) 。红外色谱法采用的检测仪器是各种型号的非色散红外分析仪或红外线分析 器等，其工作方式有所不同，但都是根据p c 0 2 在波长2 3 2 5 c m 4 处吸收最大进行检 测。气相色谱一般是样品气中的c 0 2 在色谱柱内分离后，进入转化柱被甲烷化镍催 化氢化为c h 4 ，然后由氢火焰离子检测器( f i d ) 检测，检出信号经放大器放大送到记 录仪( w e i s s 1 9 8 1 ) 。气相色谱法的灵敏度比红外稍低，但精密度比红外法高。一般 来说，红外光谱法更适合于实现连续测定，而气相色谱法有需求样品量少等优点 ( k o r t z i n g e ra ，2 0 0 0 ) 。在通量计算中，c 0 2 测定的精密度要求小于l ，红外法和 气相色谱法都能达到这个要求，红外法的精密度一般是1 ( c o p i n m o n t e g u t ， 1 9 8 8 ) ，气相色谱法对大气要好于0 8 ，对水体约1 ( o o y e te ta 1 ，1 9 9 1 ) 。 气相色谱法和非色散红外法都需要水一气交换平衡器作样品前处理，并且是测 定准确与否的关键。目前平衡器主要有三种类型( k o r t z i n g e r e ta 1 。1 9 9 8 ) ，即喷淋式 长江干流及河口水体p c 0 2 的分布与影响因素的初步研究 ( 如：k e e l i n ge la 1 ，1 9 6 5 ；k e l l y , 1 9 7 0 ；i n o u ee ta 1 ，1 9 8 7 ；r o b c r t s o n e ta 1 ，1 9 9 2 ； g o y e ta n dp e l t z e r , 1 9 9 4 ) 、鼓泡式( 如：t a k a h a s h i ，1 9 6 1 ；g o y e te ta 1 ，1 9 9 1 ；s c h n e i d e re ta 1 ， 1 9 9 2 ；o h t a k ic ta l 1 9 9 3 ) 和层流式( p o i s s o ne t a l ，1 9 9 3 ；c o o p e r e t a l ，1 9 9 8 ) ，或者将 喷淋与鼓泡二者功能结合在一起( c o p i n - m o n t e g u t , 1 9 8 5 ；王峰，张龙军等，2 0 0 2 ) 等。 不少对比实验表明，平衡器型制对测定结果影响不大( k o r t z i n g e rc ta 1 ，1 9 9 8 王峰，； 张龙军等，2 0 0 1 ；2 0 0 2 ) ，平衡器尺寸以及迸水、出气的流速也影响不大( k o a z i n g e re t a 1 ，2 0 0 0 ) 但是采用比较高的进水流速可以降低平衡器与海表抽水口之间的温度差 ( k o r t z i n g e re ta 1 ，2 0 0 0 ) 。对减小温度校正误差有利( d i c k s o nag g o y e tc ， 1 9 9 4 ) 为了满足水体p c 0 2 定点连续自动观测的需要，目前开发了不少传感器，主要 有电位p c 0 2 传感器和光纤p c 0 2 传感器2 类( c a i & r e i m 盯s ，2 0 0 0 ) ，也有基于库仑 滴定能j ( w i e g r a n e t a l ，1 9 9 9 ) ，这些传感器本质上都是通过检测c 0 2 溶于反应液引 起的p h 变化来工作的。 卢敏等( 2 0 0 2 ) 将膜分离技术与流动注射分析相结合，采用聚四氟乙烯疏水性微 孔膜，使样品流与接受液流进行物理分离。通过测定含有显色剂的接受液流吸光度 的变化来测定p c 0 2 ，初步建立水体中p c o z 流通式光度测定方法。该方法的相对标 准偏差小于1 2 ，与气相色谱法相比，无显著性差异。样品用量不到l o m l ，操作 简便、快速。 1 3 2 水一气界面c 0 2 通置计算方法 由于水一气间的c 0 2 通量无法直接测量，一般情况下由气体交换速率、c 0 2 气 体溶解度和水一气间的c 0 2 分压差所确定。其存在的主要误差在于二氧化碳传输速 率不确定与水体表层p c 0 2 测量中的热力学常数误差( w a n n i r i k l a o f , 1 9 9 2 ) o 气体交换速率常数难以准确量化主要是因为其几个主要影响因素难以进行估 算，而且关于它们之间相对重要性的讨论并没有满意的答案。目前一般认为风速是 影响气体交换速率常数的主导因素( f r a n k i g n o u l l ee ta 1 ，1 9 9 6 】。国际上关于二氧化 长江干流及河口水体p c 0 2 的分布与影响因素的初步研究 碳交换系数的研究工作开展了不少，目前存在多个交换模型，而且各个模型因研究 问题的出发点不同，涉及