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第一课题《中国西部现代风化过程与碳循环》(2013CB956401)召开2015年课题工作会


    2015年04月23日,国家重大科学研究计划-全球变化研究项目“中国西部大陆剥蚀风化与青藏高原隆升和全球变化的关系”(2013CB956400)第一课题《中国西部现代风化过程与碳循环》(2013CB956401)在京召开了课题工作汇报会。

    会议由课题负责人徐志方研究员主持,中国环境科学院吴丰昌研究员、中国科学院生态环境研究中心庄旭亮研究员、中国地质大学韩贵琳教授、中国科学院地球环境所徐海研究员、上海大学汪福顺教授、北京师范大学滕彦国教授等专家和领导出席会议,并对课题的研究进展和下一步工作实施提出了宝贵建议。

    会议各主要研究骨干对所负责专题的工作进展、所取得的阶段性成果、统一指标的落实和完成情况、经费使用情况、未来三年工作重点和研究计划等方面进行了详细的汇报和认真的讨论。

图1 课题工作总结汇报会现场

 

    2014年度,按照课题任务书的要求,第一课题已基本完成了前期夏季集中采集样品和部分水文站定期采集样品统一风化指标的测试分析以及相关图件的绘制,初步判定了河流及湖泊水体主成分及碳、硫等化学组分的主要来源;估算了流域岩石化学风化速率及其大气CO2消耗速率与通量;取得了流域硅酸盐岩风化速率及其主要影响因素的初步认识;确定了青藏高原表土化学风化强度指标以及全新世以来古湖泊的风化变化情况。并结合前几次与会专家的意见,对了高原东部贡嘎山地区单一岩性小流域样品进行了丰水期野外采集,并完成了所采集水样大部分指标的室内测试工作。

    本阶段主要得到以下主要阶段性成果和认识:

1、高原东部主要江河流域岩石风化速率及其碳汇通量:

    完成2013年夏季所采高原主要河流样品硫氧同位素(δ34S和δ18O)和锶同位素(87Sr/86Sr)的前处理和测试,至此,已完成所有统一风化指标的分析测试,并对所得结果进行了初步分析和总结。

    利用水化学和同位素组成特征对水体中化学组分来源进行准确辨识。由于季风区与西风区具有明显不同的气候和岩性条件,季风区河流与西风区河流显示出不同的水化学和同位素组成特征:季风区河水主要离子成分为Ca2+、Mg2+和HCO3-,具有较低的87Sr/86Sr比值(0.7074-0.7554)和硫酸盐含量,且富集轻δ34S同位素;而西风区河水中Na+、K+和Cl-、SO42-含量较高 ,87Sr/86Sr比值(0.7101-0.7162)较高,且富集重δ34S同位素。通过定量计算水体主要物质来源贡献和分析河流水化学离子关系可确定,季风区水体中物质主要来源于碳酸盐岩的风化输入;西风区流域由于寒冷干旱气候环境的强蒸发作用下富含蒸发岩矿物,水体中物质主要来源于蒸发岩的风化溶解输入。进一步分析S、O、C同位素可知,硫酸盐(SO42-)主要来源于石膏溶解和硫化物矿物的风化氧化;河流DIC主要来自碳酸盐岩的H2CO3风化过程,同时受到H2SO4参与、以及硅酸盐岩风化的影响。

    根据水化学组成特征测试结果,可以初步估算高原东南部季风影响区主要江河流域岩石化学风化速率(29.5-58.9 t/km2/yr)略高于全球平均岩石风化侵蚀速率(21-26 t/km2/yr),北部西风影响区主要江河流域岩石化学风化速率(3.61-8.49 t/km2/yr)远低于全球平均岩石风化侵蚀速率(图2)。季风影响区流域岩石风化速率是干旱区流域的6-7倍,但普遍低于喜山南坡主要江河流域岩石的化学风化侵蚀速率,揭示了季风气候对岩石化化学风化的控制作用。计算得到高原东部主要河流流域岩石物理侵蚀速率为68-422 t/km2/yr。相关性分析表明硅酸盐岩的化学风化速率与平均坡降、径流深度和降雨量呈现明显正相关,而物理侵蚀速率也对其有一定影响。

图2 高原东部主要江河流域岩石风化速率

 

图3高原东部主要江河流域岩石风化CO2消耗通量图

 

    由于季风影响区气候温暖、降雨量大,硅酸盐风化速率较快,各主要江河CO2消耗通量((75.6-194)×103mol/km2/yr)比西风影响区河流((6.33-26.5)×103mol/km2/yr)大1-2个数量级(图3)。对发源于青藏高原地区的七条中国河流(金沙江、雅砻江、岷江、大渡河、澜沧江、怒江、黄河) 进行的研究结果表明,青藏高原东部地区硅酸盐岩和碳酸盐岩风化CO2消耗通量分别为95.4×109mol/yr和251.4×109mol/yr,分别占全球硅酸盐风化和碳酸盐岩消耗总量的1.1%和2.1%。

2、高原东部单一岩性小流域岩石风化速率及其影响因素

   对青藏高原东部贡嘎山地区单一岩性小流域(雅家河、海螺沟、流沙河、南垭河、竹马河、荥经河等)进行了河水、雨水、冰川、温泉和沉积物等样品的系统采集。

3、高原面典型湖泊小流域碳、氮、硫循环过程及其主控因素研究

图4青藏高原湖泊小流域不同水体SO42-与δ34S之间的关系及SO42-来源组成

 

图5 青藏高原湖泊小流域及雅江干、支流87Sr/86Sr随Cl/Na变化

 

    已基本完成包括C、S、Sr同位素在内的风化指标的测试。通过分析δ34S、SO42-数据和对SO42-来源进行定量计算发现,硫化物和蒸发岩是水体中硫酸盐的主要来源,这意味着硫化物氧化为硫酸后可能对流域碳酸盐岩的侵蚀具有重要作用(图4)。湖泊小流域具有较低的Sr含量,但其同位素比值具有较大的变化范围,但主要受到硅酸盐岩和碳酸盐岩风化控制,人类活动影响很小,而雅江靠近拉萨段的河流受到人类活动的干扰(图5)。

4、中国西部西风带影响区全新世以来化学风化强度研究

图6  Rb/Sr与Ba/Sr与当地气候条件关系图

 

图7  CIA等与当地气候条件的关系图

 

    湖泊沉积的化学风化记录在过去可能是流域内不同基岩组合的综合,所以只靠某种基岩风化获得的指标可能并不适用于过去。通过对青藏高原表土进行研究可以初步确定Rb/Sr和Ba/Sr比值在表层土壤中对气候变化的响应更为明显,而CIA等风化强度指标并不明显(图6、图7)。Rb/Sr以及Sr/Ba数据表明东台吉诺尔湖在5ka以来的化学风化强度相对低,气候干冷;5Ka-1.3ka风化强度相对高,气候暖湿;1.3ka以来风化强度又相对低,气候相对干冷。

    与会专家对各子课题本阶段工作进行了热烈讨论与指导,提出以下期望与建议:(1)尽快收集研究河流、湖泊流域所需要的水文、地质背景和生态环境等资料;(2)各子课题应加紧分析处理已有数据,并围绕课题主题分析影响风化速率的影响因素,解决一致性的问题;(3)进一步加强各子课题之间的交流与合作,互通有无,统一规划采样、研究区域以及测试指标,加强数据和研究进展的沟通。

    通过本次讨论会,各位专家及课题负责人对各专题的阶段性工作和进展情况及下一步的工作计划有了深入的了解和认识,共同商讨了课题进行中存在的困难和问题并得到了解决方案,为课题下一阶段的开展奠定了坚实的基础。

 

文·图/:徐志方 赵志琦 李军 侯居峙

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