全球冰川徑流中硅的研究進(jìn)展

劉 莎， 李向應(yīng)， 楊船洋， 韓添丁， 井哲帆， 朱永華

（1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京210098； 2.陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710127； 3.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127； 4.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

硅（Si）是自然界極為常見的元素，在地殼中的豐度僅次于氧［1］。Si 極少溶于水，大多與氧結(jié)合形成SiO2或其他硅酸鹽礦物［2］。硅酸鹽礦物是最常見的造巖礦物，在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中會(huì)釋放出Si。Si 元素是硅質(zhì)生物體必需的營(yíng)養(yǎng)元素［3-6］，在海洋生態(tài)系統(tǒng)平衡中扮演重要角色。Si 的遷移轉(zhuǎn)化是維持生態(tài)系統(tǒng)平衡的關(guān)鍵因素之一，其生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程與碳循環(huán)和氣候變化關(guān)系密切。Si 循環(huán)的主要過(guò)程為硅酸鹽礦物的化學(xué)風(fēng)化和硅酸鹽沉積物的固結(jié)成巖，中間過(guò)程包括Si 的生物地球化學(xué)傳輸和轉(zhuǎn)化以及與碳等其他元素的相互作用［7］。大壩和水庫(kù)修建以及耕地灌溉等人類活動(dòng)通過(guò)增加水體的滯留時(shí)間也會(huì)影響Si循環(huán)［8］。

IPCC 指出，大氣溫室氣體濃度已達(dá)到過(guò)去80萬(wàn)年以來(lái)的最高水平，全球地表及淺層海水的溫度迅速升高，海平面也加速上升［9］。氣候變暖對(duì)冰凍圈的影響最為顯著［10］。近20年來(lái)，冰蓋的冰儲(chǔ)量持續(xù)減少，冰川普遍退縮，凍土層厚度逐漸減?。?］。在冰川加速消融背景下，夾帶著泥沙的融水徑流向下游輸送了大量的生物活性元素（如Si、C、Fe、N 和P），當(dāng)這些元素進(jìn)入水庫(kù)、湖泊和海洋后［7］會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)和生物地球化學(xué)循環(huán)［11-21］。活性Si元素可被硅藻等硅質(zhì)海洋生物吸收利用并形成細(xì)胞結(jié)構(gòu)，細(xì)胞死亡后將Si 沉降到海底參與Si 的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程（圖1）；硅藻的呼吸作用會(huì)固定大氣CO2，因此活性Si 的增加會(huì)促進(jìn)硅藻繁殖、影響海洋初級(jí)生產(chǎn)力和全球碳循環(huán)，進(jìn)而對(duì)氣候變化產(chǎn)生反饋?zhàn)饔茫?2-27］。近期研究表明，冰川很可能是海洋中生物活性Si 的重要來(lái)源之一［19］。與其他來(lái)源相比，冰川Si 的活性高，很可能是海洋初級(jí)生產(chǎn)力的重要限制因子［28-29］。隨著氣候持續(xù)變暖，從冰川中釋放的Si大大增加，進(jìn)而可能顯著影響下游生態(tài)系統(tǒng)和碳循環(huán)，最終影響氣候變化。然而，已有研究主要關(guān)注可被生物直接利用的可溶性Si（DSi，Dissolved Si）、忽視了懸浮泥沙附著的顆粒態(tài)Si（ASi，Amorphous Si）的輸出潛力和貢獻(xiàn)，因此大大低估了冰川Si 的釋放率及其對(duì)Si循環(huán)的影響，導(dǎo)致針對(duì)Si循環(huán)收支平衡的重建研究具有較大誤差［5，30-31］。此外，Si穩(wěn)定同位素比率（δ30Si）是一種重要工具，可用于追蹤Si 的來(lái)源、遷移轉(zhuǎn)化和沉積等循環(huán)過(guò)程，可為現(xiàn)代及歷史時(shí)期的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程研究提供可靠資料［7］。

圖1 冰川消融與生態(tài)系統(tǒng)和碳循環(huán)的關(guān)系Fig.1 Relationship between glacier melt and aquatic ecosystems and carbon cycle

涉及冰川Si 的研究始于20 世紀(jì)90 年代。初期關(guān)注流域硅酸鹽的風(fēng)化機(jī)制及其對(duì)溶質(zhì)釋放的影響，同時(shí)指出硅酸鹽風(fēng)化可能影響萬(wàn)年尺度上的碳循環(huán)［22，32-40］。本世紀(jì)以來(lái)開始關(guān)注冰川消融對(duì)Si濃度/通量及δ30Si 的影響。隨著研究的深入，逐漸認(rèn)識(shí)到冰川在Si 循環(huán)中的角色可能比以前認(rèn)為的更加重要。隨著δ30Si 測(cè)定技術(shù)的發(fā)展，Si 循環(huán)研究也相繼展開，目前已獲得一些巖芯、基巖及徑流的δ30Si 資料，同時(shí)指出冰川可能影響δ30Si 的時(shí)空分布并提出了可能的影響機(jī)理［7，13，20，41-44］。然而，專門針對(duì)冰川Si 的監(jiān)測(cè)研究仍較少，主要集中在格陵蘭冰蓋和一些冰川流域［19，40，44-46］，已有資料的時(shí)間和空間連續(xù)性非常不足。本文綜述了冰川徑流中各種形態(tài)Si 濃度/通量及δ30Si 的數(shù)量級(jí)，對(duì)比分析了各形態(tài)Si 濃度/通量及δ30Si 的空間變化特征，并指出了存在的問(wèn)題與亟待加強(qiáng)的研究方向。

1 研究方法回顧

1.1 實(shí)驗(yàn)分析方法

冰川徑流中的Si（簡(jiǎn)稱冰川Si）由DSi 和ASi 組成。DSi是過(guò)濾后濾液中包含的Si，ASi是濾膜附著的泥沙中包含的Si。研究方法一般包括樣品采集、實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)據(jù)處理。

（1）樣品采集。采樣前先將樣品瓶和過(guò)濾裝置清洗干凈；采樣點(diǎn)盡可能靠近冰川，將采樣瓶置于水面以下并使瓶口朝著來(lái)水方向采樣，采樣前先用母液沖洗采樣瓶，采樣時(shí)間盡可能覆蓋消融期；采樣后用0.45 μm 孔徑濾膜過(guò)濾樣品，起初的濾液用于沖洗過(guò)濾裝置和樣品瓶，隨后用作DSi樣品、濾膜附著的泥沙為ASi 樣品［19］；在野外將樣品避光冷藏/冷凍保存［44，47］。

（2）實(shí)驗(yàn)分析。通常應(yīng)用流動(dòng)注射分析儀、原子吸收分光光度計(jì)、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀和直讀光譜儀等測(cè)定Si濃度［19，25，34-35，39，43，46，48-51］。一般用標(biāo)準(zhǔn)鉬酸比色法［44，47］和分光光度計(jì)法［23，52］測(cè)定DSi 濃度。在測(cè)定ASi之前需要對(duì)樣品預(yù)處理和堿性提取。一般步驟為：先將樣品風(fēng)干，后稱取定量樣品并裝入HDPE瓶中，隨后加入Na2CO3溶液，接著在水浴中加熱，然后在不同時(shí)段移取定量溶液并分別置于微量離心管中，最后冷藏保存；實(shí)驗(yàn)分析時(shí)，先移取定量冷藏溶液至離心管中，再加入鹽酸溶液稀釋并中和多余的堿溶液［19，24，44］。Si 的穩(wěn)定同位素有28Si、29Si和30Si［53］，其穩(wěn)定同位素比率常用δ30Si 表示，計(jì)算公式為δ30Si樣品=［（30Si/28Si）樣品/（30Si/28Si）標(biāo)準(zhǔn)-1］×1000，這里的標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)NBS-28［44，54-55］。常用高分辨率多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（如Nu Plasma HR-MC-ICP-MS）的干燥等離子模式測(cè)定DSi（δD30Si）和ASi（δA30Si）的Si 同位素［13，56-59］。在測(cè)定δA30Si之前要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理：先稱取定量樣品并置于層流罩中風(fēng)干，然后在風(fēng)干樣品中加入NaOH溶液并在水浴中持續(xù)加熱，隨后向加熱的溶液中加入硝酸，最后將混合溶液稀釋-過(guò)濾-離心分離［44］。

（3）數(shù)據(jù)處理。冰川徑流中DSi 和ASi 平均濃度與年通量、δ30Si 平均值的計(jì)算方法一般為算數(shù)平均或流量加權(quán)平均，冰川流域DSi 和ASi 的年產(chǎn)量則根據(jù)年通量與流域面積獲取。

1.2 資料獲取方法

文獻(xiàn)查閱主要有兩種查閱方式：（1）找到目前最新發(fā)表、相關(guān)性最高的文章，再?gòu)倪@些文章的參考文獻(xiàn)中查找可能相關(guān)的文獻(xiàn)。（2）主要從Research Gate、中國(guó)知網(wǎng)、Science Direct、Springer 等數(shù)據(jù)庫(kù)搜索關(guān)鍵詞“冰川”、“冰川徑流”、“冰川融水”、“Si”、“Si 同位素”。通過(guò)兩種方式共查閱了約200篇文獻(xiàn)，其中有冰川徑流中DSi 濃度資料的文獻(xiàn)有33篇，然而有ASi和Si同位素資料的文獻(xiàn)僅各3篇，且均為近五年新發(fā)表的文獻(xiàn)。

從查閱的文獻(xiàn)中收集并整理了全球冰川徑流中DSi 和ASi 的濃度、通量與產(chǎn)量數(shù)據(jù)，方法如下：（1）文獻(xiàn)中已給出的濃度、通量與產(chǎn)量數(shù)據(jù)不進(jìn)行其他處理（單位換算除外）。（2）對(duì)于單個(gè)冰川，徑流中濃度資料的樣品獲取地點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近冰川末端，舍去距離冰川末端太遠(yuǎn)的資料；若通量和產(chǎn)量知其一且已知流域面積，則根據(jù)“通量=產(chǎn)量×面積”這一關(guān)系得到未知的通量或產(chǎn)量數(shù)據(jù)；若已知濃度與徑流量，則根據(jù)“通量=濃度×徑流量”得到通量數(shù)據(jù)。（3）區(qū)域/全球平均濃度/產(chǎn)量及其標(biāo)準(zhǔn)偏差由區(qū)域/全球范圍內(nèi)已有資料冰川徑流中Si 濃度/產(chǎn)量計(jì)算均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差得到。

2 研究動(dòng)態(tài)

2.1 硅濃度和通量研究

目前，涉及DSi 的研究區(qū)主要集中在格陵蘭冰蓋、冰島、斯瓦爾巴、斯堪的納維亞、阿拉斯加、歐洲中部、加拿大北極、加拿大西部/美國(guó)、南極/亞南極和亞洲流域，涉及ASi 的研究集中在格陵蘭冰蓋流域且資料較少（圖2）。

圖2 全球冰川Si監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間分布以及徑流中DSi（a）和ASi（b）濃度的空間變化（DSi資料來(lái)源見附表1，ASi資料引自Hawkings等［19，23，66］）Fig.2 Spatial distribution of monitoring points about Si，and mean concentrations of dissolved Si（a）and amorphous Si（b）from glacial runoff globally（datas of dissolved Si are shown in Supplement table 1，amorphous Si are from Hawkings et al［19，23，66］）

冰山的DSi 和ASi 資料都僅分布在格陵蘭冰蓋周圍。數(shù)據(jù)顯示冰山中DSi 和ASi 的平均濃度分別為8.0 μmol·L-1（＜0.02～20 μmol·L-1）和49.2 μmol·L-1（47.9～50.5 μmol·L-1）（附表1～2），可見ASi 濃度顯著大于DSi 濃度，可能是冰山中DSi 的溶解度小造成的。冰山中的DSi 濃度很低，如2014 年Godth?bs 峽灣冰山的濃度低于0.02 μmol·L-1［60］，其他一些冰山的DSi 濃度甚至可能低于儀器檢測(cè)限［19，61］。此外，富含泥沙的冰山中DSi 濃度會(huì)顯著大于潔凈冰山［19］。由格陵蘭冰蓋周圍冰山的DSi和ASi 平均濃度以及年徑流量（612 km-3·a-1）［62］，得到冰山的DSi 和ASi 通量分別為0.05×105mmol·a-1和0.03×106mmol·a-1［19］。根據(jù)冰山周周葉綠素濃度的分布和南大洋冰山底部硅藻群落的分布，已有研究發(fā)現(xiàn)冰山也是海洋中ASi的重要來(lái)源之一［19，63］。

對(duì)DSi 的研究廣泛分布在格陵蘭冰蓋，對(duì)ASi的研究較少且集中分布在格陵蘭冰蓋，南極冰蓋的研究極少（圖2）。格陵蘭冰蓋徑流中的DSi 平均濃度為27.7 μmol·L-1，顯著大于冰山（8.0 μmol·L-1）；其中格陵蘭Russell 冰川流域的DSi 濃度最?。?.5 μmol·L-1），Kuannersuit冰川流域的DSi濃度最大（114 μmol·L-1）（附表1~2）。DSi 濃度具有季節(jié)變化：在冰川消融初期（5 月初），徑流主要（＞49%）源于“慢速流”，這時(shí)DSi 濃度較高；到5 月末，隨著“慢速流”比例（12%～36%）減小，DSi 濃度相應(yīng)減小且變化范圍增大；到7月份，由于徑流主要來(lái)自冰面且“慢速流”比例（＜18%）繼續(xù)減小，此時(shí)的DSi濃度更低［35］。Aciego 等［25，64-65］發(fā)現(xiàn)，與北大西洋表層水相比，冰川徑流中較高的DSi 濃度可能與氣候變暖導(dǎo)致的冰川徑流增加有關(guān)。DSi 濃度具有空間變化，不同的采樣位置濃度會(huì)有顯著差異：由于冰下水-巖作用強(qiáng)烈，冰下的DSi濃度比冰川河水中的濃度要大［24，32，36］。比如，南極Whillans 冰下湖中的DSi濃度為130～210 μmol·L-1［39］，大于全球大多數(shù)冰川徑流（附表1）。此外，Meire 等［46］發(fā)現(xiàn)冰川融水進(jìn)入峽灣會(huì)增大表層水的DSi 濃度，富氮的深層水上涌會(huì)改變Si/N 的比例，從而會(huì)提高下游硅藻等浮游植物的初級(jí)生產(chǎn)力。格陵蘭冰蓋徑流中的ASi平均濃度為145.9 μmol·L-1（9.87～392 μmol·L-1），溢出冰川的ASi 濃度顯著大于冰山（49.2 μmol·L-1），這種差異與單位質(zhì)量泥沙中ASi的含量密切相關(guān)［45］。對(duì)比溢出冰川中的DSi 和ASi 濃度，發(fā)現(xiàn)ASi 濃度顯著大于DSi。然而，Kiattuut Sermiat 冰川冰下徑流中 的DSi 濃 度（22.2 μmol·L-1）大于ASi 的濃 度（9.87 μmol·L-1）［55］，這可能與該冰川流域冰下化學(xué)風(fēng)化作用較弱有關(guān)。

格陵蘭冰蓋流域的DSi 平均通量變化范圍為0.09～660 mmol·a-1，顯著大于冰山；區(qū)域內(nèi)最大、最小DSi 通量相差4 個(gè)數(shù)量級(jí)（附表1）。不同來(lái)源融水對(duì)DSi 通量的貢獻(xiàn)不同，如Godth?bs 峽灣冰面融水、冰下融水和冰山的DSi 通量分別為825 mmol·a-1、130 mmol·a-1和93 mmol·a-1，說(shuō)明DSi 主要來(lái)自冰面融水且冰川融水（冰面融水+冰下融水）的DSi通量遠(yuǎn)大于冰山［46］。Hawkings等［19，46，62］基于2012年Leverett 冰川的中值濃度（21.2 μmol·L-1）和模擬徑流量（437 km3·a-1），估算得到格陵蘭和南極冰蓋的DSi 通量相當(dāng)，均為0.01×106mmol·a-1，可與北極一些大河的DSi 通量相比較。比如，格陵蘭及南極冰蓋的DSi 通量與西伯利亞的Mackenzie 河相當(dāng)（0.02×106mmol·a-1）［67］。隨著氣候持續(xù)變暖，冰川徑流及其輸送的DSi 通量增大，預(yù)計(jì)21 世紀(jì)末全球冰川釋放的DSi 通量增加20%～160%［44］。據(jù)估算，格陵蘭和南極冰蓋的ASi 通量分別為0.16×106mmol·a-1和0.01×106mmol·a-1［19］。發(fā)現(xiàn)格陵蘭冰蓋的ASi 通量是DSi 通量的十幾倍，說(shuō)明格陵蘭冰蓋徑流主要以ASi的形式輸出Si元素。冰蓋的Si通量（DSi+ASi，約0.2×106mmol·a-1）與大氣沉降（0.5×106mmol·a-1）、地下水（0.6×106mmol·a-1）和深海熱液（0.6×106mmol·a-1）的通量相當(dāng)，約占陸源輸入量的3%、入?？偭康?.8%［19，31］。模型（ICE-6G_C）模擬結(jié)果顯示，在較大時(shí)間尺度上，間冰期的Si 輸出量可能會(huì)更大；格陵蘭冰蓋流域在末次間冰期輸入到海洋的Si 通量可達(dá)5.5×106mmol·a-1，這與古河流的輸出量（5.5×106～5.8×106mmol·a-1）相當(dāng)［19］。在氣候持續(xù)變暖背景下，入海Si 通量增大會(huì)影響全球Si循環(huán)，因此在建立全球Si收支平衡時(shí)應(yīng)考 慮 冰 川 的 重 要 性［19，30-31，68］。格 陵 蘭 冰 蓋 流 域 的DSi 平均產(chǎn)量的變化范圍為195～9 180 kg·km-2·a-1（附表1），Leverett 冰川流域的ASi 產(chǎn)量為3.6×104kg·km-2·a-1［44］。DSi 產(chǎn)量可能主要與流域氣候和基巖性質(zhì)相關(guān)。

在冰川流域（冰島、斯瓦爾巴、斯堪的納維亞、阿拉斯加、歐洲中部、加拿大北極、加拿大西部/美國(guó)、亞洲），徑流中DSi濃度的相關(guān)研究較粗淺，大多只是列出數(shù)據(jù)，且暫未發(fā)現(xiàn)ASi 的相關(guān)研究報(bào)道。收集的資料顯示，這些流域冰川徑流中的DSi 濃度較大，平均濃度為26.5 μmol·L-1（3.03～94.8 μmol·L-1），略小于冰蓋（27.7 μmol·L-1）、但顯著大于冰山（8.0 μmol·L-1）；其中，斯瓦爾巴Ebbabreen 冰川的DSi 濃度最?。?.03 μmol·L-1），冰島Solheimajokull冰川最大（94.8 μmol·L-1）。冰川的DSi平均通量變化范圍為0.03～72.6 mmol·a-1，最大、最小通量相差3 個(gè)數(shù)量級(jí)；產(chǎn)量變化范圍為57～4 025 kg·km-2·a-1（附表1）。

值得注意的是，DSi 和ASi 并不相互孤立，兩者可以互相轉(zhuǎn)化。冰川消融會(huì)促進(jìn)基巖風(fēng)化，但風(fēng)化釋放的ASi 結(jié)構(gòu)松散且含水量高［2，38，68-72］。雖然ASi的生物活性不高，但其溶解會(huì)釋放DSi［31，73-74］；在低溫環(huán)境下，弱堿性水體中ASi 的溶解度遠(yuǎn)大于淡水且在河口的溶解速率更快［19，69，75］。冰川源ASi 易溶解的原因?yàn)椋罕ㄇ治g會(huì)破壞礦物結(jié)構(gòu)、降低ASi的化學(xué)穩(wěn)定性［69-70，76］；實(shí)驗(yàn)提取的ASi就是泥沙中化學(xué)性質(zhì)活躍的Si［19］；堿金屬和堿土金屬會(huì)促進(jìn)ASi 溶解［77］。此外，DSi 的生物利用過(guò)程也會(huì)促進(jìn)ASi 溶解，底棲生物也會(huì)分解泥沙并將Si 等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸回透光帶，這可能會(huì)影響更長(zhǎng)時(shí)間尺度上的Si循環(huán)［31，73-74］。

綜上所述，就DSi平均濃度的空間分布而言，在全球尺度上，DSi 濃度的大小次序?yàn)楸w＞冰川＞冰山，DSi 的產(chǎn)量為冰川＞冰蓋（附表2）。冰蓋的DSi濃度稍大于冰川，可能與冰蓋下部玄武巖的廣泛分布有關(guān)［46］；冰川的DSi濃度也較大，說(shuō)明冰川區(qū)基巖風(fēng)化對(duì)DSi 的貢獻(xiàn)大；冰山的DSi 濃度最小，這與冰山的含沙量較低有關(guān)［19］。由于冰川分布區(qū)域廣，不同流域間的氣候和基巖組成以及消融強(qiáng)度等的差異顯著，因而冰川的DSi 變化范圍較大；對(duì)于冰蓋，底部的侵蝕作用會(huì)導(dǎo)致輸出的DSi濃度增加。冰川的DSi 產(chǎn)量大于冰蓋，說(shuō)明冰川的侵蝕風(fēng)化作用整體上強(qiáng)于冰蓋。在區(qū)域尺度上，冰島冰川的DSi 平均濃度最大、加拿大北極和加拿大西部/美國(guó)冰川最小，相差1 個(gè)數(shù)量級(jí)；冰島較高濃度的DSi 可能與玄武巖的廣泛分布且風(fēng)化效率較高有關(guān)［68］。格陵蘭冰蓋DSi 的變化范圍最大，加拿大西部/美國(guó)冰川最小；亞洲和格陵蘭冰蓋流域的DSi 變化范圍明顯大于其他流域，很可能與這兩個(gè)流域的數(shù)據(jù)密集有關(guān)（附表2）。亞洲冰川的DSi平均產(chǎn)量最大、斯瓦爾巴冰川最小，二者相差2個(gè)數(shù)量級(jí)（附表2）。亞洲較高的DSi 產(chǎn)量可能與所在流域的降水量大、氣溫高且化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度高有關(guān)［78］，斯瓦爾巴較低的DSi 產(chǎn)量與氣溫和化學(xué)風(fēng)化速率均較低有關(guān)。在流域尺度上，格陵蘭Kuannersuit冰川的DSi平均濃度最大、斯瓦爾巴Ebbabreen 冰川最小，二者相差2 個(gè)數(shù)量級(jí)；格陵蘭Godth?bs 峽灣的DSi 產(chǎn)量最大、斯瓦爾巴Scott Turnerbreen 冰川最小，亦相差2 個(gè)數(shù)量級(jí)（附表1）。亞洲南部冰川的DSi 濃度較大［圖2（a）］，這可能與降水較多且侵蝕作用較強(qiáng)有關(guān)［78］。格陵蘭西部冰川的DSi 平均濃度大于東部冰川，這可能與大氣環(huán)流和東/西海岸的洋流影響有關(guān)［79］。其他流域之間的DSi 濃度沒(méi)有明顯的空間變化規(guī)律。就ASi 平均濃度的分布而言，現(xiàn)有資料僅限于格陵蘭冰蓋的個(gè)別流域，不具有空間分析價(jià)值，故不作討論。

冰川Si 的濃度的空間變化很大，這與采樣方法、徑流量和基巖類型等因素有關(guān)：

（1）采樣方法。采樣點(diǎn)的選擇及其距冰川的遠(yuǎn)近會(huì)導(dǎo)致Si 濃度的差異，這主要與融水的稀釋作用、河道內(nèi)Si 的遷移轉(zhuǎn)化和其他源的貢獻(xiàn)有關(guān)。采樣季節(jié)及頻率會(huì)影響Si濃度，原因?yàn)镾i濃度的季節(jié)變化比較明顯。采樣后的過(guò)濾操作也會(huì)影響Si 濃度，這主要與過(guò)濾與采樣的間隔時(shí)間、濾膜孔徑及材質(zhì)有關(guān)。推測(cè)不同材質(zhì)的濾膜也會(huì)引起Si 濃度的差異，目前尚未見報(bào)道。

（2）徑流量。流量對(duì)Si 濃度的影響可歸因于融水侵蝕與稀釋的綜合作用。ASi 的變化比較復(fù)雜，具體影響機(jī)制難以確定。雖然流量增大和含沙量增加會(huì)使ASi 濃度增大，但ASi 的溶解和融水稀釋又會(huì)減小ASi 濃度。在大流域內(nèi)，因?yàn)榕潘到y(tǒng)復(fù)雜、排水通道相互隔離、冰下水體滯留時(shí)間長(zhǎng)，所以洪峰期的流量減小且洪峰出現(xiàn)的時(shí)間延后，這也會(huì)影響DSi和ASi的濃度變化［35，45］。

（3）基巖特征?；鶐r是影響Si 濃度的重要因子，原因?yàn)椴煌鶐r的物理化學(xué)性質(zhì)和風(fēng)化效率有較大差異。比如，花崗巖和片麻巖流域的DSi 濃度低，玄武巖流域的DSi濃度高［50］。

2.2 硅同位素研究

δ30Si 可以識(shí)別陸地風(fēng)化過(guò)程，尤其是河流系統(tǒng)的風(fēng)化［7，13，15，54］。在研究歷史時(shí)期海洋中的Si 濃度、硅藻對(duì)Si的利用水平以及Si來(lái)源的變化時(shí)，可以利用海洋沉積物中生物活性Si 的δ30Si 來(lái)反演Si 的濃度。冰川徑流中δ30Si 的變化過(guò)程反映了生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程的分異，可用于評(píng)估硅酸鹽巖的風(fēng)化強(qiáng)度、解析風(fēng)化產(chǎn)物的再溶解過(guò)程、識(shí)別排水系統(tǒng)的特征［45］。當(dāng)前針對(duì)冰川徑流中δ30Si 的研究主要集中在格陵蘭冰蓋、冰島、斯瓦爾巴、斯堪的納維亞和阿拉斯加流域（圖3）。

圖3 全球冰川徑流中δD30Si和δA30Si的空間變化。a指阿拉斯加，b指格陵蘭冰蓋，c指冰島，d指斯瓦爾巴，e指斯堪的納維亞（數(shù)據(jù)來(lái)源見附表3）Fig.3 Spatial distribution and mean values of δD30Si（a）and δA30Si（b）from glacial runoff globally.a refers to Alaska，b refers to Greenland Ice Sheet，c refers to Iceland，d refers to Svalbard，e refers to Scandinavia（datas are shown in Supplement table 3）

格陵蘭冰蓋徑流中δD30Si 的平均值為0.036‰（-0.36‰～0.41‰），δA30Si 的 平 均 值 為-0.467‰（-0.67‰～0.467‰）（附表2～附表3）。Leverett冰川徑流中δD30Si 和δA30Si 的流量加權(quán)平均值分別為-0.25‰和-0.22‰，相比其他時(shí)期，洪峰期的δD30Si減小，而δA30Si 無(wú)明顯的季節(jié)變化［44］。值得注意的是，冰蓋徑流中的δD30Si 小于基巖的δ30Si［0.00‰（±0.07‰）］，表明冰下風(fēng)化作用是其變化的主要驅(qū)動(dòng)因子［40］。

冰島、斯瓦爾巴、斯堪的納維亞和阿拉斯加流域冰川徑流中δD30Si一般大于δA30Si，與格陵蘭冰蓋一致，這說(shuō)明基巖風(fēng)化和溶解-沉降過(guò)程引起了同位素分餾［44，80-82］。盡管地理位置和風(fēng)化殼組成差異顯著，但風(fēng)化條件造成的δ30Si 分餾最為重要［48，83-84］?；谕凰胤逐s模型，基巖風(fēng)化速率與δD30Si 負(fù)相關(guān)且δD30Si 會(huì)隨冰川覆蓋度而變化，說(shuō)明現(xiàn)代和冰期-間冰期尺度上的氣候變化會(huì)影響陸源的δ30Si［13］。此外，冰川徑流的δ30Si小于非冰川徑流，非冰川徑流的δ30Si 值與基巖接近［15，45，74，85-88］；冰期的δ30Si 小于間冰期，說(shuō)明冰川變化會(huì)影響δ30Si 的時(shí)空分布［42，44］?，F(xiàn)代海洋的δD30Si 呈增大趨勢(shì)，可能與末次冰期以來(lái)冰川徑流增加有關(guān)［7，55］。

在全球尺度上，冰川和冰蓋的δD30Si 平均值分別 為0.225‰ 和0.036‰、δA30Si 平 均 值 分 別 為-0.4‰和-0.673‰（附表4），δD30Si 的變化范圍分別為-0.58‰～0.78‰和-0.36‰～0.41‰、δA30Si 的變化范圍分別為-0.86‰～-0.05‰ 和-0.67‰～0.467‰。在區(qū)域尺度上，阿拉斯加冰川的δD30Si平均值最大、格陵蘭冰川最小，冰島冰川的δA30Si平均值最大、阿拉斯加冰川最小（圖3）。冰島冰川的δD30Si 變化范圍最大、斯瓦爾巴冰川最小，斯堪的納維亞冰川δA30Si 的變化范圍最大、格陵蘭冰川最小（附表4）。δD30Si 變化范圍的差異可能與數(shù)據(jù)量的多少有關(guān)。在流域尺度上，冰島Soheimajokull 冰川的δD30Si 最 大、Langjokull 冰 川 最 小，二 者 相 差1.36‰；冰島Eyjabakkajokull 冰川的δA30Si 最大、阿拉斯加Lemon 冰川最小，二者相差0.43‰（附表3，圖3）。D30Si 的 變 化 范 圍 大 于δA30Si，這 可 能 與δD30Si的分餾過(guò)程先于δA30Si有關(guān)，具體機(jī)理還不清楚。引起δD30Si 和δA30Si 差異的原因尚不清楚。可見，冰川δ30Si 的空間變化大，這可能與排水系統(tǒng)、水文路徑、水體滯留時(shí)間、流域規(guī)模（冰川覆蓋度）及采樣方法等因素有關(guān)，還有待進(jìn)一步研究［40，44-45，84，89］。

3 總結(jié)和展望

冰川Si 是全球Si循環(huán)的重要組成部分，對(duì)于重建現(xiàn)代和歷史時(shí)期的氣候環(huán)境記錄、評(píng)估冰川影響Si 的生物地球化學(xué)循環(huán)乃至氣候變化具有重要意義?？臻g分析結(jié)果表明，冰川徑流中的DSi 濃度大于冰山，這與冰山中泥沙含量較少有關(guān)；溢出冰川徑流中ASi 的濃度大于DSi，說(shuō)明格陵蘭冰蓋主要以ASi的形式輸出Si通量。盡管目前已取得一些研究資料和成果，但仍存在較多不足，需加強(qiáng)以下研究：

（1）冰川Si 的野外監(jiān)測(cè)急需加強(qiáng)。目前對(duì)冰川Si的研究剛剛起步，監(jiān)測(cè)資料稀疏/不連續(xù)且監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間分布不均，導(dǎo)致對(duì)其時(shí)空變化格局及其通量評(píng)估等科學(xué)問(wèn)題的研究仍是空白。因此急需在典型冰川流域一個(gè)完整消融期內(nèi)獲取各形態(tài)Si 的高頻次、多類型樣品，綜合分析冰川Si 濃度的時(shí)間變化過(guò)程（日、月和季節(jié)）和空間分布特征，有助于深入認(rèn)識(shí)冰川消融與Si釋放過(guò)程的關(guān)聯(lián)機(jī)制。

（2）冰川Si 的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程研究。冰川輸出的Si進(jìn)入河道以后可能會(huì)受吸附、解吸附、沉淀等物理化學(xué)作用影響，導(dǎo)致進(jìn)入下游生態(tài)系統(tǒng)的Si 數(shù)量急劇減??；此外，河道中Si 通過(guò)河口進(jìn)入湖泊/海洋生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)程中，水質(zhì)的改變可能也會(huì)導(dǎo)致Si被“清除”。因此，應(yīng)抓住冰川Si 發(fā)生明顯變化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，刻畫Si在河道內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程和運(yùn)移規(guī)律。

（3）冰川Si 的通量變化規(guī)律研究。冰川輸出的Si 會(huì)影響下游生態(tài)系統(tǒng)的生物群落結(jié)構(gòu)與功能，對(duì)冰川Si 通量變化規(guī)律的研究可以更合理地評(píng)估進(jìn)入下游生態(tài)系統(tǒng)的Si 數(shù)量，并探究不同量級(jí)的冰川Si 通量水平對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響程度，為冰川源Si 的重要性評(píng)價(jià)提供借鑒意義。

（4）冰川Si 的來(lái)源解析研究。冰川徑流中的Si除了來(lái)自冰川消融，還可能源于降水、地下水、土壤水等，此外，河道下游數(shù)公里乃至更遠(yuǎn)的河段/湖泊/海洋中是否有冰川Si 的輸入尚不清楚，為此需要借助同位素手段來(lái)識(shí)別Si 的具體來(lái)源和不同源的貢獻(xiàn)大小，有助于更好地理解冰川消融影響Si 循環(huán)的方式、評(píng)估冰川在全球Si循環(huán)中的重要性。

附表1 全球冰川徑流中DSi和ASi的平均濃度（標(biāo)準(zhǔn)偏差）和通量及其變化范圍Attached table 1 Mean concentrations and fluxes of DSi and ASi as well as their ranges for glacial runoff globally

續(xù)附表1

附表2 全球不同冰川區(qū)DSi的平均濃度（標(biāo)準(zhǔn)偏差）及平均產(chǎn)量（數(shù)據(jù)來(lái)源見附表1）Attached table 2 Mean concentrations and yields of DSi from glacial regions globally（data sources are shown in Supplement table 1）

附表3 全球冰川徑流中δD30Si和δA30Si平均值（標(biāo)準(zhǔn)偏差）及變化范圍Attached table 3 Mean δD30Si，δA30Si values and standard deviations in glacial runoff globally

附表4 全球不同冰川區(qū)δD30Si和δA30Si的平均值（標(biāo)準(zhǔn)偏差）及變化范圍（數(shù)據(jù)來(lái)源見附表2）Attached table 4 Mean δD30Si，δA30Si values and standard deviations in glacial region globally（data sources are shown in Supplement table 2）