黃河青藏高原亞流域主要支流化學(xué)風(fēng)化CO2消耗及DIC輸運(yùn)*

趙柳倩， 永吉卓瑪， 張龍軍,2**

(1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100; 2.中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

黃河青藏高原亞流域主要支流化學(xué)風(fēng)化CO2消耗及DIC輸運(yùn)*

趙柳倩1， 永吉卓瑪1， 張龍軍1,2**

(1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100; 2.中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

Wang等提出了青藏高原亞流域是黃河水體中高DIC的主要來(lái)源，是黃河DIC輸運(yùn)通量主要貢獻(xiàn)者的觀點(diǎn)。然而青藏高原亞流域最大的三條支流—洮河、湟水和大通河均位于青藏高原與黃土高原的交界處，流域面積總和約占青藏高原亞流域的25%，主要支流化學(xué)風(fēng)化對(duì)大氣CO2的消耗量，以及CO2消耗主要來(lái)自于青藏高原部分還是主要與黃土分布相關(guān)值得關(guān)注。本文根據(jù)2015年8月對(duì)洮河、湟水和大通河及干流蘭州站的調(diào)查采樣，運(yùn)用Forward模型分析河水主要離子來(lái)源，研究了各支流化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度。結(jié)果表明：洮河、湟水和大通河三條支流的化學(xué)風(fēng)化大氣CO2消耗量分別為54.85×108、33.77×108和50.04×108mol·a-1，CO2消耗率分別為21.96×104、22.01×104和33.08×104mol/ km2·a，并以碳酸巖風(fēng)化消耗為主。三條支流CO2消耗量占青藏高原亞流域的32.8%，DIC輸運(yùn)通量占31.9%，且主要來(lái)自與黃土有關(guān)的青藏高原與黃土高原交錯(cuò)地帶以及黃土高原部分。

黃河；青藏高原亞流域主要支流；化學(xué)風(fēng)化；CO2消耗；DIC輸運(yùn)

Wang等[8]在對(duì)黃河全流域的化學(xué)風(fēng)化研究中指出，盡管青藏高原亞流域(蘭州站以上)的面積僅占黃河流域的30%，但巖石風(fēng)化大氣CO2消耗量占到全流域的61%，而黃土高原亞流域，面積占全流域近70%，雖然其間廣泛分布的黃土中碳酸巖含量高達(dá)10%～20%[9-10]，但是較高的蒸發(fā)降雨比限制了化學(xué)風(fēng)化速率，使其巖石風(fēng)化大氣CO2消耗量?jī)H占全流域的38%。并據(jù)此提出了青藏高原亞流域是黃河水體中高DIC的主要來(lái)源，是黃河DIC輸運(yùn)通量主要貢獻(xiàn)者的觀點(diǎn)。然而黃河青藏高原亞流域最大的三條支流—洮河、湟水和大通河均位于青藏高原與黃土高原的交錯(cuò)地帶，流域面積總和約占蘭州以上黃河流域的25%。主要支流化學(xué)風(fēng)化對(duì)大氣CO2的消耗量，以及CO2消耗主要來(lái)自于青藏高原部分還是主要與黃土分布相關(guān)等問(wèn)題值得關(guān)注。研究青藏高原亞流域主要支流化學(xué)風(fēng)化對(duì)大氣CO2的消耗，對(duì)于明確黃河水體中高DIC濃度的來(lái)源具有重要意義。

關(guān)于青藏高原亞流域主要支流水化學(xué)特征及化學(xué)風(fēng)化的研究，Wu等[11]運(yùn)用Inverse模型研究黃河青藏高原亞流域硅酸巖風(fēng)化時(shí)，報(bào)道了洮河流域臨洮站以上的硅酸巖CO2消耗率為17～60×103mol/ km2·a，湟水的湟源站以及大通河的民和站硅酸巖CO2消耗率分別為19×103mol/km2·a和(16～21)×103mol/ km2·a。而Fan等[12]和Wang等[8]研究黃河全流域化學(xué)風(fēng)化時(shí)，也在洮河、湟水或大通河的下游各采集了一個(gè)站位的水樣，分析了化學(xué)風(fēng)化來(lái)源離子的分布狀況，但沒(méi)有估算各支流化學(xué)風(fēng)化對(duì)大氣CO2的消耗。

本文基于2015年夏季采集的青藏高原亞流域主要支流洮河、湟水和大通河從上游至入黃河把口站位及黃河干流蘭州站的水樣，分析了各支流不同河段對(duì)大氣CO2消耗的變化趨勢(shì)，估算各支流DIC的輸運(yùn)通量以及對(duì)青藏高原亞流域的貢獻(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

黃河發(fā)源于青藏高原巴顏喀拉山，蘭州以上平均海拔約3 000 m，主要為青藏高原亞流域；而蘭州至花園口之間廣泛分布第四紀(jì)黃土，為黃土高原亞流域。洮河、湟水和大通河均位于青藏高原與黃土高原的交界處，是黃河青藏高原亞流域最大的三條支流。其中，洮河發(fā)源于甘南高原西傾山北麓勒爾當(dāng)，干流全長(zhǎng)673 km，流域面積為25 527 km2。下巴溝站以上的上游地區(qū)基本位于青藏高原，地形平坦，草原廣布，植被良好。而下巴溝站至李家村站屬中游河段，位于高山峽谷區(qū)，森林草原覆蓋、植被較好，是青藏高原與黃土高原交錯(cuò)地帶。洮河流域上、中游出露巖層主要為以頁(yè)巖為主的碎屑巖。而李家村站以下的下游地區(qū)主要位于黃土高原，氣候干燥，降水少而集中，水土流失較嚴(yán)重[13]，出露巖有頁(yè)巖、變質(zhì)巖等，分布黃土[14]。湟水發(fā)源于青海省海晏縣大坂山南麓，在青海境內(nèi)干流長(zhǎng)335.4 km，流域面積為15 342 km2。湟水海晏站以上分布沼澤及草原，且山上和谷地覆蓋大片灌木林，屬青藏高原部分，主要巖石包括變質(zhì)巖和花崗巖等。而海晏站至民和站的中下游地區(qū)，以黃土分布為主，植被覆蓋較差，水土流失嚴(yán)重，基本位于西北黃土高原[15]。大通河發(fā)源于青海省境內(nèi)的祁連山南麓大通山，河道干流長(zhǎng)561 km，流域面積為15 133 km2。大通河流域的天堂站以上平均海拔約3 000 m以上，屬流域中上游地區(qū)，主要位于青藏高原，出露巖層包括花崗巖、碳酸鹽巖及頁(yè)巖等，并有黃土分布[14]，以高山峽谷侵蝕性地貌為主[16]。而天堂站至享堂站的下游地區(qū)，海拔降低至2 000 m左右，主要為黃土高原部分。

1.2 樣品采集及測(cè)定

于2015年8月采集黃河青藏高原亞流域主要支流洮河、湟水及大通河流域的河水樣品；另外，為分析主要支流化學(xué)風(fēng)化對(duì)青藏高原亞流域的貢獻(xiàn)，還同步在蘭州站采集了水樣，具體采樣站位布設(shè)如圖1所示。采取水樣時(shí)，避開(kāi)城市或污染源，借助浮橋等條件選擇河流中部流動(dòng)性較好的水體，取水面1 m以下水樣。

(海拔數(shù)據(jù)來(lái)自http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/input Coord.asp. Data comes from http:://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/input Coord asp..)

圖1 主要支流和蘭州站海拔及采樣站位
Fig.1 Elevations and sampling station in the major tributaries and Lanzhou Station

2 結(jié)果

黃河青藏高原亞流域主要支流及蘭州站的離子化學(xué)組成見(jiàn)表1。主要支流及蘭州站水體整體呈弱堿性，pH范圍為8.02～8.61。洮河、湟水和大通河的總?cè)芙夤腆w(TDS)平均值分別為306、449和327 mg/L，蘭州站TDS含量為380 mg/L，均高于世界主要河流的平均值(283 mg/L)[20]。而且主要支流及蘭州站采集水樣的陰陽(yáng)離子電荷平衡指數(shù)(NICB = (TZ+-TZ-) /TZ+)，除湟水海晏站為11%外，其余均在±8%之內(nèi)，表明其它未測(cè)離子影響較小。

表1 主要支流及蘭州站水體離子化學(xué)組成Table 1 Ion chemical compositions of major tributaries and Lanzhou station

圖2 主要支流及蘭州站陰陽(yáng)離子三角圖

3 討論

3.1 河水主要離子來(lái)源

河水中溶解離子主要來(lái)源于大氣沉降、人類活動(dòng)輸入及巖石化學(xué)風(fēng)化。本文采用Galy和France-Lanord[21]的Forward模型估算河水離子的不同來(lái)源，河水中某種元素X的總量可以表示為：

[X]riv=[X]atm+[X]ant+[X]car+[X]sil+[X]eva+[X]sul。

(1)

下標(biāo)分別代表：riv-河水；atm-大氣降水；ant-人類活動(dòng)輸入；car-碳酸巖風(fēng)化來(lái)源；sil-硅酸巖風(fēng)化來(lái)源；eva-蒸發(fā)鹽風(fēng)化來(lái)源；sul-含硫礦物氧化。

3.1.1 大氣輸入 一般來(lái)說(shuō)，氯可作為大氣輸入的參考元素[22-23]，因?yàn)樵诨緵](méi)有蒸發(fā)鹽及人類活動(dòng)較少的區(qū)域，Cl主要來(lái)自大氣輸入。但黃河青藏高原亞流域主要支流及蘭州附近區(qū)域均有大量蒸發(fā)鹽的分布，河水中Cl-含量較高，以其為指標(biāo)存在一定限制。而F不易受人類活動(dòng)影響，也可作為估算大氣輸入的參考元素。如Chetelat等[24]在研究長(zhǎng)江流域大氣輸入對(duì)河水離子貢獻(xiàn)時(shí)，假設(shè)河水中的F全部來(lái)自于大氣源，根據(jù)F/Na的比值以及Na歸一化比值來(lái)修正其他元素的大氣貢獻(xiàn)。同時(shí)Fan等[12]在研究黃河流域化學(xué)風(fēng)化時(shí)，假設(shè)該流域的雨水化學(xué)組成基本不變，以黃河流域河水中的F濃度和青海省雨水中F與各元素的比值[25]來(lái)估算Na、Cl等元素的濃度，進(jìn)而扣除大氣貢獻(xiàn)。

由表1可見(jiàn)，黃河青藏高原亞流域主要支流及蘭州站F-濃度為3.3～29.5 μmol/L，與Fan 等[12]給出的黃河流域F濃度(2.0～29.7 μmol/L)較為接近。本文也采用主要支流及蘭州站水體中F濃度以及青海省雨水中F與各元素的比值來(lái)估算大氣輸入。計(jì)算結(jié)果表明，主要支流及蘭州站大氣輸入對(duì)河水總陽(yáng)離子貢獻(xiàn)為3.5%(1.7%～8.4%)，這與Wang等[8]用黃河青藏高原亞流域多年平均降雨量和徑流量估算的大氣輸入貢獻(xiàn)4.1%(3.0%～5.3%)相接近。需要說(shuō)明的是，以下對(duì)離子來(lái)源的討論中，大氣輸入的影響已經(jīng)扣除(用*表示)。另外，對(duì)于主要支流及蘭州站河水中的Cl-，假設(shè)扣除大氣輸入后，全部來(lái)自于蒸發(fā)鹽的貢獻(xiàn)，則

(2)

(3)

(4)

河水中硅酸巖風(fēng)化來(lái)源的Ca2+、Mg2+可以通過(guò)流域硅酸巖石的(Ca2+/Na+)sil和(Mg2+/K+)sil比值來(lái)獲得，即：

(5)

(6)

(Ca2+/Na+)sil和(Mg2+/K+)sil比值的選取是否得當(dāng)會(huì)影響硅酸巖風(fēng)化來(lái)源離子含量的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響風(fēng)化大氣CO2消耗結(jié)果。Gaillardet 等[26]給出的全球硅酸巖風(fēng)化比值為(Ca/Na)sil=0.35±0.15，(Mg/Na)sil=0.24±0.12。對(duì)于黃河青藏高原亞流域，Wu 等[11]運(yùn)用Inverse模型討論黃河青藏高原亞流域硅酸巖風(fēng)化時(shí)，給出的(Ca/Na)sil比值范圍為0.2～0.5。Wu等[28]采集蘭州以上大河家站的河床砂樣品，給出黃河青藏高原亞流域的 (Ca2+/Na+)sil、(Mg2+/K+)sil值分別為0.26和0.67。Wang等[8]研究黃河流域化學(xué)風(fēng)化時(shí)，對(duì)青藏高原亞流域硅酸巖風(fēng)化的討論中使用了Wu等[26]的河床砂樣比值。因此，本文也采用比值0.26和0.67來(lái)估算黃河青藏高原亞流域主要支流及蘭州站硅酸巖風(fēng)化來(lái)源的Casil、Mgsil。

(7)

(8)

綜上，蒸發(fā)鹽來(lái)源的(Ca2++ Mg2+)eva為：

(9)

(10)

3.2 不同巖石類型風(fēng)化對(duì)河水中陽(yáng)離子的貢獻(xiàn)

扣除大氣輸入后，主要支流及蘭州站的不同巖石類型風(fēng)化產(chǎn)生陽(yáng)離子占河水總陽(yáng)離子比例如圖3所示。支流洮河以碳酸巖風(fēng)化為主，從上游碌曲站至下游的紅旗站，碳酸巖風(fēng)化貢獻(xiàn)由88.1%降低至65.1%。而蒸發(fā)鹽貢獻(xiàn)與碳酸巖呈相反趨勢(shì)，由7.5%增加至30.9%，逐漸上升。這主要因?yàn)殇酉掠蔚狞S土分布，使得蒸發(fā)鹽溶解作用加強(qiáng)。而湟水是以碳酸巖風(fēng)化和蒸發(fā)鹽溶解為主，且上下游有所差異。湟水海晏站的碳酸巖風(fēng)化和蒸發(fā)鹽溶解的貢獻(xiàn)分別為57.3%和35.8%，經(jīng)湟源、西寧站流至民和時(shí)，碳酸巖風(fēng)化貢獻(xiàn)僅有25.0%，但蒸發(fā)鹽貢獻(xiàn)高達(dá)73.7%。因此湟水從上游至下游，先是碳酸巖風(fēng)化略占優(yōu)勢(shì)，而后是碳酸巖風(fēng)化與蒸發(fā)鹽溶解的共同主導(dǎo)，最后轉(zhuǎn)變?yōu)橐哉舭l(fā)鹽溶解為主。大通河是以碳酸巖風(fēng)化為主，其中下游區(qū)域碳酸巖風(fēng)化貢獻(xiàn)為61.5%～64.3%，蒸發(fā)鹽溶解的貢獻(xiàn)為31.8%～34.5%。對(duì)于黃河蘭州站，主要是碳酸巖風(fēng)化和蒸發(fā)鹽溶解的共同作用，其貢獻(xiàn)分別為47.4%和46.7%。另外，洮河、湟水和大通河以及蘭州站的硅酸巖風(fēng)化對(duì)水體中陽(yáng)離子的貢獻(xiàn)均在1.3%～7.0%之間，硅酸巖風(fēng)化作用不強(qiáng)。

圖3 主要支流及蘭州站的不同巖石類型風(fēng)化離子占總陽(yáng)離子比例

3.3 化學(xué)風(fēng)化大氣CO2消耗

硅酸巖、碳酸巖化學(xué)風(fēng)化CO2消耗量和消耗率計(jì)算公式如下：

(11)

ΦCO2, sil=FCO2, sil/S，

(12)

(13)

ΦCO2, car=FCO2, car/S 。

(14)

式中：FCO2、ΦCO2分別為流域巖石風(fēng)化大氣CO2消耗量和消耗率；下標(biāo)“sil”、“car”分別代表硅酸巖和碳酸巖；S為流域面積；Q為天然徑流量。

徑流量是估算巖石化學(xué)風(fēng)化CO2消耗的主要參數(shù)之一，對(duì)于干旱半干旱地區(qū)的黃河，農(nóng)業(yè)灌溉及工業(yè)用水等耗水量不可忽略。Fan等[12]在估算黃河流域CO2消耗時(shí)，考慮了耗水量的影響。Wang等[8]也用的天然徑流量來(lái)估算黃河CO2消耗量和消耗率。若不考慮耗水量等的貢獻(xiàn)，會(huì)造成估算CO2消耗量與消耗率的結(jié)果偏低。因此，我們采用天然徑流量來(lái)估算黃河青藏高原亞流域CO2消耗。

依據(jù)2015年《黃河水資源公報(bào)》，蘭州站的全年天然徑流量為261.03×108m3[30]。而主要支流的天然徑流量則使用《黃河水資源公報(bào)》中給出的公式，即天然徑流量=實(shí)測(cè)徑流量+耗水量+水庫(kù)蓄泄水變化量來(lái)估算。各站位實(shí)測(cè)徑流量數(shù)據(jù)來(lái)自全國(guó)水雨情信息網(wǎng)(http://xxfb.hydroinfo.gov.cn/)及2015年《黃河水資源公報(bào)》。2015年洮河流域的全年耗水量為2.38×108m[31]；湟水流域的全年耗水量為5.22×108m3，水庫(kù)蓄泄水變化量為0.92×108m3[32]；大通河流域的全年耗水量5.38×108m3[33]，水庫(kù)蓄泄水變化量為4.154×108m3[32]。由于獲得的耗水量為全流域耗水量，沒(méi)有各河段具體的耗水量數(shù)據(jù)，本文只得參照對(duì)各支流的人口和農(nóng)業(yè)分布的大致了解，把耗水量按河段長(zhǎng)度分配至各站中去。對(duì)于洮河的碌曲、下巴溝站，以及湟水的海晏站以上，由于人口稀少，且以牧業(yè)為主，農(nóng)業(yè)耗水量很低，因此實(shí)測(cè)徑流量可以看作天然徑流量。其余各站則基本按河段長(zhǎng)度平均分配耗水量。雖然按河段長(zhǎng)度平均分配耗水量存在一定不合理性，但與不考慮各流域耗水量相比，估算的化學(xué)風(fēng)化CO2消耗結(jié)果更可靠。而對(duì)于水庫(kù)蓄泄水變化量，根據(jù)水庫(kù)所在位置分配至采樣各站，如大通河流域的大型水庫(kù)納子峽及石頭峽等均位于其中上游，則按其位置分配水庫(kù)蓄泄水變化量。

以天然徑流量估算的主要支流及蘭州站硅酸巖及碳酸巖風(fēng)化大氣CO2的消耗量與消耗率見(jiàn)表2。其中，洮河、湟水及大通河的化學(xué)風(fēng)化大氣CO2消耗量為54.85×108、33.77×108和50.04×108mol/a，其CO2消耗量的總和占蘭州站消耗量(422.55×108mol/a)的32.8%。而洮河、湟水及大通河的硅酸巖CO2消耗率分別為1.27×104、1.10×104和2.32×104mol/ km2·a，除大通河外，洮河及湟水的硅酸巖CO2消耗率均低于蘭州站(2.10×104mol/ km2·a)，表明主要支流硅酸巖風(fēng)化對(duì)蘭州站的貢獻(xiàn)較低。相反，對(duì)于碳酸巖風(fēng)化CO2消耗率，洮河、湟水和大通河均較高，分別為20.07×104、20.91×104和30.76×104mol/ km2·a，尤其大通河，遠(yuǎn)高于蘭州站的16.88×104mol/ km2·a，可見(jiàn)主要支流的碳酸巖風(fēng)化對(duì)于蘭州站的貢獻(xiàn)不可忽略。

表2 主要支流及蘭州站化學(xué)風(fēng)化大氣CO2消耗量和消耗率Table 2 CO2 consumption of major tributaries and Lanzhou station

注：洮河下巴溝站近幾年的徑流量數(shù)據(jù)沒(méi)有報(bào)道，因此根據(jù)1956-2006年下巴溝與紅旗站多年平均徑流量比值[34]以及采樣期間紅旗站徑流量換算獲得。主要支流的風(fēng)化CO2消耗為各站累積結(jié)果。In recent years,the discharge is not reforted in xiaobagou station of Taohe.According to the annual average discharge ratio of xiabagou and Hongqi station in 1956—2006.and the discharge Hongqi station during the sampcing period,the discharge of xiabagou station is estimated.Atmosheric CO2consumption fluxes are the cumulative resuts in the major tributaries.

3.4 主要支流化學(xué)風(fēng)化大氣CO2消耗控制因素

對(duì)于洮河流域來(lái)說(shuō)，下巴溝站以上的上游地區(qū)位于青藏高原東北邊緣，流域面積約占洮河的36.1%，屬高寒濕潤(rùn)氣候，多年平均降雨量為612 mm。雖然降雨較為豐富，但多年平均氣溫僅有1.3 ℃[35]，低溫環(huán)境對(duì)化學(xué)風(fēng)化有一定的抑制作用，再加之該地區(qū)主要分布以頁(yè)巖為主的碎屑巖，頁(yè)巖的化學(xué)風(fēng)化速率和溶解度均遠(yuǎn)低于碳酸巖[36-37]，使得上游的CO2消耗率略低，為16.76×104mol/ km2·a，而CO2消耗量?jī)H占洮河的27.5%，低于流域面積占比。下巴溝站至李家村站主要位于青藏高原與黃土高原交錯(cuò)地帶，流域面積占洮河的42.8%，該地區(qū)向溫帶半濕潤(rùn)氣候過(guò)渡，多年平均降雨量為635 mm，且多年平均氣溫升至5.7℃，較溫暖的環(huán)境以及充沛的降雨，可能加速區(qū)域地表徑流，進(jìn)而提高化學(xué)風(fēng)化速率。其CO2消耗率增加至21.39×104mol/ km2·a，同時(shí)CO2消耗量也占洮河的49.3%，高于其流域面積占比。而李家村站至紅旗站主要位于黃土高原，流域面積約占洮河的21.1%。雖然該地區(qū)主要為半干旱氣候，多年平均降雨量為565 mm[35]，但其分布黃土，黃土中的碳酸巖的含量高達(dá)10%～20%[9-10]，更易發(fā)生化學(xué)風(fēng)。而且該地區(qū)水土流失較為嚴(yán)重，紅旗站TSS含量為720 mg/L，物理剝蝕程度較大，其CO2消耗率較高，為21.96×104mol/ km2·a，CO2消耗量占比為23.2%，略高于流域面積占比。綜上分析，洮河流域下巴溝站至紅旗站的青藏高原與黃土高原交錯(cuò)地帶、以及黃土高原部分是CO2消耗的主要來(lái)源，其消耗量占洮河的72.5%。

對(duì)于湟水流域，海晏站以上主要位于青藏高原，流域面積僅占湟水的4.7%，雖然降雨較為豐富[38]，但年平均氣溫僅1.0℃左右，且以草地和森林分布為主，植被覆蓋較好，采樣期間水體TSS含量?jī)H有86 mg/L，水土流失并不嚴(yán)重，使其風(fēng)化大氣CO2消耗率略低，為15.86×104mol/ km2·a，風(fēng)化CO2消耗量占比僅為3.4%，略低于流域面積占比。而海晏站至西寧站的中游地區(qū)主要位于西北黃土高原，流域面積占湟水的54.1%。該地區(qū)分布大量黃土，物理剝蝕較為嚴(yán)重，其中湟源站TSS為1 589 mg/L，而至西寧站TSS含量更是高達(dá)9 950 mg/L，加之黃土中碳酸巖含量較高，導(dǎo)致其風(fēng)化大氣CO2消耗率升高，西寧站的CO2消耗率為26.02×104mol/ km2·a，遠(yuǎn)高于海晏站。該地區(qū)的CO2消耗量也占湟水的66.2%，高于流域面積占比。西寧站至民和站的下游河段也位于黃土高原，流域面積約占湟水的41.2%。雖然該地區(qū)的民和站TSS含量為1 077 mg/L，物理剝蝕較強(qiáng)，但其降雨并不充沛，徑流量?jī)H占湟水的23.0%，使得CO2消耗率略微降低，為22.01×104mol/ km2·a，而CO2消耗量也占湟水的30.5%，低于流域面積占比。從湟水流域CO2消耗的整體情況來(lái)看，主要來(lái)自該流域海晏至民和站的黃土高原部分，占比高達(dá)96.6%。

對(duì)大通河流域而言，天堂站以上的中上游地區(qū)流域面積約占大通河的83.1%，平均海拔3 000 m以上，主要位于青藏高原[16]。其地質(zhì)構(gòu)造上屬于祁連山系褶皺帶，該區(qū)域是大通河的主要來(lái)水區(qū)，天堂站徑流量占大通河的87.7%。然而該區(qū)域海拔較高，氣候寒冷，使得天堂站的風(fēng)化CO2消耗率略低于大通河下游享堂站，為29.38×104mol/ km2·a。但由于天堂站以上流域面積大，其CO2消耗量占大通河的73.8%，低于流域面積占比。然而作者注意到，天堂站以上雖然海拔較高，但有充足的碳酸巖巖層裸露，分布有較大面積的黃土[14]，為化學(xué)風(fēng)化提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)，其對(duì)大氣CO2消耗的貢獻(xiàn)不容忽視。然而對(duì)于大通河中上游地區(qū)黃土部分對(duì)CO2消耗量的貢獻(xiàn)量還有待進(jìn)一步研究。而天堂站至享堂站的下游地區(qū)，裸露巖層以黃土為主，植被覆蓋程度較低，物理剝蝕相對(duì)中上游較高，攜帶風(fēng)化產(chǎn)物進(jìn)入河流，而且海拔相對(duì)中上游較低，氣候溫暖，風(fēng)化CO2消耗略有上升，為33.08×104mol/ km2·a，雖然下游流域面積僅占大通河的16.9%，但CO2消耗量占比卻為26.2%。

綜上所述，洮河、湟水和大通河流域的CO2消耗量主要來(lái)自與黃土有關(guān)的青藏高原與黃土高原交錯(cuò)地帶以及黃土高原部分。

3.5 主要支流DIC輸運(yùn)

由青藏高原亞流域主要支流及蘭州站的DIC濃度及天然徑流量估算的DIC輸運(yùn)通量見(jiàn)表3。洮河流域DIC輸運(yùn)通量為10.3×109mol/a，占蘭州站DIC輸運(yùn)通量 79.7×109mol/a的12.9%。洮河流域DIC輸運(yùn)通量主要來(lái)自下巴溝站至紅旗站的青藏高原與黃土高原交錯(cuò)地帶及黃土高原部分，該河段DIC輸運(yùn)通量占洮河流域的的72.4%。湟水流域DIC輸運(yùn)通量為6.2×109mol/a，占蘭州站的7.8%。海晏站以上輸運(yùn)通量?jī)H占湟水的3.1%，而海晏至民和站的占比高達(dá)96.9%，湟水流域的DIC輸運(yùn)基本全部來(lái)自中下游的黃土高原部分。對(duì)于大通河，其DIC輸運(yùn)通量為8.9×109mol/a，占蘭州站的11.2%。天堂站以上的中上游青藏高原部分DIC輸運(yùn)通量高達(dá)87.2%，為DIC輸運(yùn)的主要來(lái)源。雖然天堂站以上為青藏高原，但有大量黃土分布。

表3 主要支流及蘭州站DIC輸運(yùn)Table 3 DIC flux of major tributaries and Lanzhou station

化學(xué)風(fēng)化是河水中DIC的重要來(lái)源，然而部分采樣站位的DIC濃度與風(fēng)化CO2消耗率并不存在一致性，這應(yīng)該是除風(fēng)化過(guò)程外，其他生物地球化學(xué)過(guò)程對(duì)DIC影響的結(jié)果，如土壤和河水中有機(jī)物的降解能提供DIC[39]，而河水中光合作用又消耗DIC。大多數(shù)情況下河流水體的CO2處于過(guò)飽和狀態(tài)[40]，因此CO2向大氣的揮發(fā)也會(huì)降低DIC的濃度。同時(shí)由于河水中DIC濃度具有繼承性，某一站位的DIC受其上游站位DIC濃度的影響很大，等等。因此采樣站位的DIC濃度往往與該站區(qū)間的風(fēng)化CO2消耗率不一致。雖然如此，但就青藏高原亞流域主要支流而言，DIC侵蝕通量(DIC輸運(yùn)通量/流域面積)與風(fēng)化CO2消耗率呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性(n=12，R2=0.93)，說(shuō)明化學(xué)風(fēng)化是DIC輸運(yùn)通量的主要貢獻(xiàn)過(guò)程。

Wang等[8]對(duì)黃河全流域化學(xué)風(fēng)化研究顯示，青藏高原亞流域是黃河DIC輸運(yùn)通量的主要貢獻(xiàn)者。本文研究顯示，洮河、湟水和大通河流域面積總和約占青藏高原亞流域的25%，但DIC輸運(yùn)通量卻占31.9%，足見(jiàn)這三條支流對(duì)黃河青藏高原亞流域的DIC輸運(yùn)具有重要貢獻(xiàn)，且貢獻(xiàn)主要來(lái)自于與黃土有關(guān)的青藏高原與黃土高原交錯(cuò)地帶以及黃土高原部分。

4 結(jié)語(yǔ)

洮河、湟水和大通河三條支流對(duì)青藏高原亞流域的化學(xué)風(fēng)化和DIC輸運(yùn)通量有著重要貢獻(xiàn)，其中化學(xué)風(fēng)化大氣CO2消耗量分別為54.85×108、33.77×108和50.04×108mol/a，CO2消耗率分別為21.96×104、22.01×104和33.08×104mol/ km2·a，并以碳酸巖風(fēng)化消耗為主。雖然三條支流流域面積總和僅為青藏高原亞流域的25%，CO2消耗量卻占到了32.8%，DIC輸運(yùn)通量占31.9%，且主要來(lái)自于與黃土有關(guān)的青藏高原與黃土高原交錯(cuò)地帶以及黃土高原部分。

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ConsumptionofAtmosphericCO2ViaChemicalWeatheringandDICFluxintheQinghai-TibetPlateauMajorTributariesoftheYellowRiver

ZHAO Liu-Qian1, YONGJI Zhuo-Ma1, ZHANG Long-Jun1, 2

(1. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Key Laboratory of Marine Environmental Science and Ecology, Ministry of Education, Qingdao 266100, China)

The Qinghai-Tibet Plateau (QTP) is the origin of the high levels of DIC and acts as the main DIC contributor to the Yellow River. Three largest tributaries in the QTP of the Yellow River - the Taohe, Huangshui and Datonghe-arelocated at the boundary of the QTP and Loess Plateau, accounting for 25% area of the QTP. Atmospheric CO2consumption of the major tributaries does exert an important role in the chemical weathering of QPT. Meanwhile, the origin of CO2consumption, from QPT or Loess Plateau, is also worth to get attention. By adopting the forward model, we used data from field investigation in August 2015 to interpret the sources of major ions in the rivers, and to discuss the localchemical weathering. The results demonstrate that: the CO2consumption fluxes of Taohe, Huangshui and Datonghe were 54.85×108、33.77×108and 50.04×108mol/a, and the corresponding CO2consumption rates were 21.96×104, 22.01×104and 33.08×104mol/ km2·a, respectively. The CO2consumptionis mainly derived from carbonate weathering. The major tributaries contribute 32. 8% of the atmospheric CO2consumption and 31. 9% of riverine DIC flux to QTP, which is principally from interlaced zone between the QTP and Loess Plateau, and Loess Plateau region.

Yellow River;major tributaries of Qinghai-Tibet Plateausub-basin;chemical weathering; consumption of atmospheric CO2; DIC flux

X131.2

A

1672-5174(2017)12-016-11

責(zé)任編輯 龐 旻

10.16441/j.cnki.hdxb.20170017

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國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)—山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學(xué)研究中心項(xiàng)目(U1606404)；國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目(41521064)資助

Supported by National Science Foundation of China (NSFC)- Shandong Joint Fund for Marine Science Research Centers (U1606404); Foundation for Innovation Research Groups of National Science Foundation of China (NSFC) (41521064)

2017-01-12；

2017-03-22

趙柳倩(1991-)，女，碩士。E-mail: 15192521120@163.com

** 通訊作者：E-mail: longjunz@ouc.edu.cn