| 题名 | 长江源区河流碳输移过程研究 |
| 作者 | 宋春林 |
| 答辩日期 | 2019-07-01 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 成都 |
| 导师 | 王根绪 |
| 关键词 | 青藏高原 冻土水文 河流碳循环 稳定同位素 |
| 其他题名 | Riverine Carbon Export Processes of the Yangtze River Source Region |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 河流是连接陆地-大气之间和陆地-海洋之间碳库的重要界面和通道，对于碳在各个碳库之间的交换有重要作用。河流碳循环是区域和全球碳循环的重要组成部分，受到陆地表层过程以及河流生物地球化学过程的影响，对未来气候变化有着重要影响和响应。在全球气候变化背景下，高海拔和高纬度地区增温明显，这些地区的多年冻土区正在经历急剧退化，然而相关区域的河流碳输出规律和过程机制还不是十分清楚。特别是对于青藏高原来讲，该区域河流碳输出的量和规律均有待完善。 本文选取长江源区为研究区，该区域冻土广泛分布，植被类型相对简单，同时也是生态脆弱区和气候变化敏感区，对于下游生态和环境有很重要的影响。利用气象、水文、土壤、植被等基础数据，开展了源区不同尺度的流域以河水为主体的野外采样，结合野外观测和室内分析，获得水化学、DIC、DOC、PC、水体CO2、氢氧同位素和碳13同位素等数据，在此基础上结合经验模型、统计分析、同位素混合等方法系统研究了长江源区河流水碳输移过程，包括长江源区不同尺度流域河流碳输出浓度和通量时空格局及其调控因子解析、冻土流域河流碳同位素特征及其来源组成、以及冻土水文过程及活动层冻融过程对于河流碳输出的影响等。 通过本文的研究发现，长江源区流域溶解态碳组分以DIC为主，并表现为CO2的排放源。直门达站的平均DIC浓度远高于DOC浓度，可能的原因在于青藏高原巨大的无机碳库以及冻土释放有机碳被快速利用。DIC季节分异明显，表现为春季到秋季持续升高，原因是地下径流的补给以及活动层融化释放了更多SIC。DOC季节分异不明显，浓度较低，和径流以及土壤温湿度有一定关系，可能与冻土释放的有机碳快速分解有关。河水平均pCO2值为1119 μatm，处于过饱和状态，表现为释放的源。pCO2存在显著季节差异，在春季低于与大气平衡时的CO2分压，表现为吸收CO2；融化期的夏季pCO2最高，秋季次之，并且均表现为过饱和，说明这两个季节为释放CO2的源。DIC、DOC浓度和pCO2均受到径流过程的影响，而DIC和pCO2强烈地受到融化过程的影响，具体表现为土壤温湿度和融化深度增加使DIC浓度和pCO2均增加。pCO2还受水体酸碱度控制，pH越低则pCO2越高，这是由于碳酸在水体的溶解平衡决定的。空间尺度对于DIC和DOC无明显影响，但是对pCO2有显著影响，pCO2随着流域尺度增大而显著减小，显示出明显的尺度效应。 对河流碳通量的计算揭示了长江源区水平方向碳的年输出总量为0.914 TgC/yr，其中DIC，DOC和PC分别为0.485，0.046和0.383 TgC/yr，垂直方向FCO2年排放量为1.82 TgC/yr，占到河流总碳排放量的67%，说明了长江源区大部分进入河流的陆地碳最终以CO2的形式返回大气中。长江源区河流碳CO2排放比例高的主要原因是气体扩散速率高于同样为冻土覆盖的北极地区河流。通过回归关系还原的历史时期长江源区的水平碳通量结果表明DIC和DOC通量在过去60年呈增加趋势，基本与径流同步变化。河流水平碳通量的影响因素主要是径流和河流碳浓度，其中基流的影响很大，反映了长江源区冻土区域特殊的水文过程的影响。垂直方向的FCO2受到径流的显著影响，主要原因在于径流影响着气体扩散速率k。不同流域地形因子也对FCO2空间分异有很大影响，坡降越大扩散速率k越大，从而CO2排放量越大。虽然长江源区pCO2相对于其他地区不大，但是由于k很大，排放量反而高于其他冻土地区。FCO2表现出显著的尺度效应，从上游到下游逐渐减少，原因在于外部碳输入的变化以及水文、地形因子的综合影响。 长江源区DIC主要来自地源，而DOC主要来源是土壤有机质。数据显示长江源区δ13C-DIC变化范围为-6.86‰～+6.39‰，平均值为 -2.23‰，时空差异较大。不同的流域表现为下游δ13C-DIC更富集，其变化受到冻土覆盖率、植被盖度以及流域尺度大小和比降的影响。季节变化表现为在夏季完全融化期最低，开始融化期和开始冻结期较高。长江源区DIC主要来源为地源，来自生源的DIC较少。地源中以碳酸盐风化为主，主要受到碳酸以及硫酸的风化作用，硅酸盐风化来源较小。但是从上游到下游，来自碳酸盐贡献的DIC比例减小，而来自硅酸盐贡献的DIC比例增加，并且硫酸盐风化在上游地区更显著。此外同位素特征显示变质岩CO2和热泉对于春季DIC可能也有一定贡献。DIC来源存在季节差异，夏季活动层的消融带来更多的土壤自养和异养呼吸的CO2，形成碳酸并增加了硅酸盐的风化产物的河流输入，而碳酸盐风化无显著季节特征。长江源区δ13C-DOC平均值为 -27.66‰，时空差异较小，显示了较为稳定的来源特征，根据同位素值分析其主要来源为土壤有机质和植物。随着气候变暖和冻土退化，长江源区的DIC和DOC的量不仅会改变，其过程和来源也会发生改变。 对于多年冻土流域来讲，其冻土-水文过程的相互耦合也影响着河流碳的输出过程。冻土同时影响着径流和河流碳输出，水文过程强烈影响着河流碳输出，对冻土也有一定影响，河流的碳排放在较大的时空尺度上也可能影响冻土。活动层冻融循环过程是影响冻土区域最重要的过程之一。活动层融化和冻结过程控制着土壤碳从活动层中的沥出，因而河流溶解态碳浓度与活动层融化和冻结深度密切相关。与河流碳密切相关的多年冻土河流基流主要受活动层融化冻结过程的调节。溶解碳输出通量由径流量和河流碳浓度决定，而地表径流过程主要受活动层冻融循环控制。因此活动层冻融循环是影响河流溶解碳输出的最重要因素之一。河流溶解碳输出及CO2浓度和排放通量的季节性变化高度依赖于活性层融化和冻结过程。 流域新水比例对于河流碳输出也有调控作用，反映了冻土水文过程对河流碳的影响。对风火山地区的河流新水比例Fyw的估算显示风火山流域河水组成中平均有15%的河水年龄小于43天，该结果低于全球平均值26%，说明风火山流域老水比例相对较高，原因可能就在于冻土活动层和基流对于径流的补充。Fyw与河流DIC、DOC及CO2浓度、来源及输出有重要影响，在新水比例高的流域，DIC，DOC浓度和pCO2均更高，而老水比例高的流域相对有着较低的浓度。 总而言之，对于多年冻土流域，冻土、水文和河流碳三者之间有着紧密的相互作用和联系，冻土及水文过程变化影响着河流碳输出，流域本身的差异也是河流碳输出空间异质性的重要原因。河流碳通量中垂直方向的排放通量不确定因素更多，排放量也最大，是影响河流碳循环最重要的分量。因此，对于冻土区域的河流碳循环过程的研究，必须整合冻土与水文的观测与研究，以垂直排放通量为重点，更加精细地刻画不同河流碳输出组分的迁移转化规律。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 150 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.imde.ac.cn/handle/131551/33977]  |
| 专题 | 成都山地灾害与环境研究所_山地表生过程与生态调控重点实验室 |
| 作者单位 | 中国科学院成都山地灾害与环境研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 宋春林. 长江源区河流碳输移过程研究[D]. 成都. 中国科学院大学. 2019. |
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