青藏高原北部典型冰川流域化学风化研究_李铮.pdf

地 理 学 报ACTA GEOGRAPHICA SINICA第78卷 第7期2023年7月Vol.78,No.7July,2023青藏高原北部典型冰川流域化学风化研究李 铮1，钟 君1，李思亮1,3，秦 翔2，徐 森1，陈 率1,4（1.天津大学地球系统科学学院，天津 300072；2.中国科学院西北生态环境资源研究院祁连山冰冻圈与生态环境综合观测研究站，兰州 730000；3.天津市环渤海关键带科学与可持续发展重点实验室，天津 300072；4.香港大学地理系，香港 999077）摘要：青藏高原生态环境对气候变化的响应是全球变化研究关注的重点问题。地表风化与气候变化之间具有紧密的联系，因此对冰川流域硅酸盐岩风化以及黄铁矿氧化进行定量研究可为理解高原气候变化提供关键性认识。本文以青藏高原北部祁连山典型冰川流域老虎沟流域为研究对象，通过分析流域河水及降水的水化学和氢氧同位素，研究了冰川径流来源，河流溶质来源以及水文条件对溶质的影响，流域化学风化速率以及黄铁矿氧化对化学风化碳汇效应的影响。利用同位素径流分割得到地下水、冰川融水以及大气降水对冰川径流的贡献分别为18.2%、58.3%和23.5%，并进一步通过溶质产生模型讨论了冰川河流量对溶质的影响。通过反演模型计算得到碳酸盐岩、硅酸盐岩、蒸发岩和降水对河水阳离子的贡献分别为59.1%、20.1%、8.3%和12.5%，蒸发岩、降水和融雪、黄铁矿对SO2-4的贡献分别为14.4%、8.0%、77.6%。最终估算得到碳酸盐岩和硅酸盐岩的风化通量分别为50.8 g/s和7.8 g/s，相应的CO2吸收速率分别为24.4 t/(km2a)和5.9 t/(km2a)。考虑黄铁矿氧化的影响后，短时间尺度（106a）则会释放CO2，总CO2释放速率为16.2t/(km2a)。总体来说，本文对老虎沟冰川流域的硅酸盐岩风化以及黄铁矿氧化对气候变化的响应进行了评估，明确了黄铁矿氧化对碳循环的影响，丰富了青藏高原流域风化和碳循环理论研究。关键词：老虎沟冰川；水化学；氢氧同位素；径流分割；化学风化；黄铁矿氧化DOI:10.11821/dlxb2023070171 引言地球气候变化在近百年来相对显著，有大量记录表明工业革命以来大气中具有温室效应的CO2浓度与全球平均气温均呈现上升的趋势。大气CO2浓度近年来已经达到420ppm，约为工业革命之前的1.5倍，大气CO2浓度上升导致日益严峻的温室效应成为了人们关注的重点。伴随着全球气温持续上升，中国西部（如青藏高原等）生态环境显著受到了气候变化的影响。研究表明，近年来青藏高原冰雪融水对河水贡献增加巨大，冰川长期处于亏损状态1。气候变化与元素循环受到岩石、水体、大气等共同的影响2。构造作用在长尺度上对地貌、物质循环以及气候产生重要作用，“构造抬升驱动气候变化”便是重要的假说收稿日期：2023-03-15;修订日期：2023-07-12基金项目：国家自然科学基金项目(42173013,41925002);冰冻圈科学国家重点实验室自主课题(SKLCS-ZZ-2020-15)Foundation:National Natural Science Foundation of China,No.42173013,No.41925002;State KeyLaboratory of Cryospheric Science,No.SKLCS-ZZ-2020-15作者简介：李铮(1996-),男,河北承德人,博士生,研究方向为同位素地球化学。E-mail:lizheng_通讯作者：钟君(1987-),男,山东潍坊人,副研究员,研究方向为地表地球化学。E-mail:1792-1808页7期李 铮 等：青藏高原北部典型冰川流域化学风化研究之一3-4。这一假说认为构造抬升会使地表新鲜岩石大量暴露，促进岩石风化进而加速吸收大气CO2，从而影响气候。构造、风化、气候和碳循环之间具有紧密的联系，相互影响关系错综复杂5。其中，风化将碳循环与气候变化联系起来，研究风化因此可为了解当下以及未来的气候变化提供重要认识。在多年研究的基础上，人们从空间变化的角度总结出各流域的岩石风化速率、CO2消耗速率并对其进行比较，对风化作用有了宏观角度的理解6-10。其中，冰川分布地区的冻融作用会导致风化强烈，但是低温会限制化学风化速率以及风化产物的输出，而冰川融化会使原本被限制的化学风化增强。冰川在全球各地分布广泛，南北两极、格陵兰岛、北美洲以及南美洲西侧、欧洲西北侧、亚洲东北侧、西亚北部、非洲中部以及青藏高原等地区均有冰川分布13，因而气候变化对冰川的影响会在全球范围内对气候产生反馈。冰川流域具有独特的浓度流量（C-Q）关系，溶质浓度季节变化显著，然而在消融期间部分离子与流量关系不明显。此外，冰川流域存在融化分馏作用与优先淋溶作用，部分离子（如SO2-4）在融雪过程中会出现富集现象14。冰川河水通常具有较高的SO2-4，表明冰川流域可能存在硫化物（如黄铁矿）氧化相关的风化且风化通量较大。对冰川流域风化通量进行定量评估，可以揭示全球气候变化背景下冰川融化对化学风化的影响，并预测未来气候变化趋势。硫化物和硅酸盐对全球气候的反馈是相反的，对二者进行定量研究是当下冰川风化研究的重点问题。Anderson等8-9指出，冰川流域阳离子剥蚀速率高于通常河流，而二氧化硅剥蚀速率明显低于非冰川流域，且这种差异会随着与冰川距离增加而减少。Torres等10指出，冰川作用提高物理侵蚀，新鲜岩石暴露量会增加硫化物和碳酸盐的风化通量，但可能不会同时增加硅酸盐的风化通量。因而在气候变化，冰川退缩的背景下，探究硫化物、碳酸盐和硅酸盐的风化通量具有重要意义。中国西南喀斯特地区15、长江流域16以及黄河流域17等已开展黄铁矿氧化对碳循环的影响的研究，具有一定的研究基础。而在青藏高原地区相关研究则较为匮乏，河流地球化学研究通常局限于水质以及溶质浓度研究等方面18，导致缺乏对高原冰川流域风化和碳循环过程的认识。本文以青藏高原北部典型冰川流域老虎沟流域为研究对象。该冰川属于典型的大陆冰川，受人为活动影响较弱，是研究气候变化下的高原流域风化和碳循环过程的理想区域。本文沿老虎沟冰川河进行采样分析，旨在达到以下目的：辨析融水、降水和地下水对冰川径流的贡献；探究主量离子的时间和空间变化及来源；研究气候变化背景下冰川流域化学风化过程和控制机制。2 材料与方法2.1 研究区概况本文区域为甘肃省酒泉市的老虎沟冰川流域，其位于青藏高原北部，祁连山西段边缘的北坡（图1）。老虎沟流域整体位于甘肃盐池湾国家自然保护区管辖范围内，由于受到气候变暖影响，老虎沟流域冰川消融严重。老虎沟河水整体流向呈约南北向，汇集冰雪融水、大气降水、地下水等，河水在流出冰川范围后数千米，地表径流消失，转而流入地下，最终在下游昌马的赵家庄和西湖一带以泉的形式出露后汇入疏勒河的支流昌马河19。祁连山老虎沟流域共有44条冰川，总面积为54.3 km2，冰储量达4.0 km3，其中老虎沟12号冰川为老虎沟地区最大冰川，长度为10.1 km，面积为21.9 km2，占老虎沟内冰川面积的40.3%，冰储量的65.8%20-22。距老虎沟12号冰川末端约1.5 km处，冰川河汇集了1793地 理 学 报78卷老虎沟414号冰川融水，流域面积36.2 km2，在此处设立了中国科学院祁连山站，对流域内的冰川、气象和河流流量等进行长期监测。实地可以观察到老虎沟流域河流两侧有大量冰碛物沉积，其分选性差，直径由数毫米至几十厘米不等。河流两岸泥土稀薄，植被覆盖面积小。沿山坡可观察到松散碎石，山体受冲刷痕迹明显。流域整体上物理风化强度较高，两侧山体存在岩石崩落现象。上游海拔较高处有冰川以及积雪覆盖。2.2 样品收集与分析本文侧重于辨析径流和溶质来源以及风化沿程变化。2018年7月1113日，沿老虎沟冰川河自上而下采集了8个河水样品（图1a），其中LHG-1LHG-3样品采集自西侧老注：图b中点位置与线段长度不指示实际位置与距离。图1研究区位置及采样点位置示意Fig.1Location of the Laohugou glacier catchment and water sampling sites17947期李 铮 等：青藏高原北部典型冰川流域化学风化研究虎沟1521号冰川混入前，LHG-4样品代表老虎沟1521号冰川，LHG-5LHG-7代表混合后冰川河的沿程变化，LHG-8采集自下游昌马水库。由于河道较窄，河水较浅，且水流湍急，因此河水样品主要在靠近岸边处进行采集。采集后样品储存在聚丙烯（PP）瓶中。在采样现场测定采样位置经纬度、水温（T）、pH及电导率（EC），并在24 h内完成水样的过滤、滴定。在水样过滤后立即使用0.02 mol/L盐酸对样品进行滴定从而测定碱度，由测定的pH范围可知，老虎沟河水样品中DIC以HCO-3为主，因此指示剂使用甲基红溴甲酚绿。主量阴、阳离子使用离子色谱仪（IC Dionex ICS-90，误差5%）测试得到。2H和18O在样品保存时防止样品凝结，以减少同位素分馏，使用水同位素分析仪（Picarro L2140-i，D误差0.1，18O误差0.015）测试得到。采样时期瞬时流量数据来自中国科学院祁连山冰冻圈与生态环境综合观测研究站，样品主量阴、阳离子、2H和18O测试在天津大学地球系统科学学院进行。此外，使用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES VarianVista MPX，误差5%）对SiO2进行了测试，该测试在中国科学院地球化学研究所进行。此外，在2019年7月以及2020年7月对降水进行了采集，共采集了16个降水样品。雨水测试主要包括主量阴阳离子以及2H和18O的测试，方法同上。3 结果对河水样品的测试结果如表1所示，其中主量离子平衡（(TZ+TZ)/TZ+100%）在10%10%之间。河水pH的平均值为8.5，呈弱碱性，因此HCO-3为DIC的主要组分。由于在地下河道中经历了较长的反应过程，下游样品LHG-8与冰川地区的样品显示出巨大差异，因此本文中将分开讨论。除样品LHG-8外，冰川流域内K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO-3、SO2-4、NO-3、Cl和SiO2的平均浓度分别为46 mol/L、348 mol/L、731 mol/L、602 mol/L、1490 mol/L、657 mol/L、55 mol/L、87 mol/L和26 mol/L，显示出阳离子中以Ca2+、Mg2+以及阴离子中以HCO-3、SO2-4为主要成分。2H和18O的平均同位素组成分别为10.9（12.010.2）和68.3（76.063.2），决定系数 r2=0.98。冰川区域2H和18O自上游至下游有一定上升趋势，但是在最低两点发生逆转。与世界主要大河6主量离子浓度平均值相比，老虎沟冰川河主量离子中K+、Na+以及Cl平均浓度均明显较低，Na+以及HCO-3持平，而Mg2+与SO2-4则高出约60%。此外，与国内长江流域16、黄河流域23以及西南喀斯特地区24相比，老虎沟冰川河具有明显较低的NO-3浓度。与其他河西走廊内陆河相比25-26，老虎沟河水各溶质浓度均较低。昌马水库样品与冰川区域样品呈现出明显差异。对溶质 K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO-3、SO2-4、NO-3、Cl和 SiO2，昌马与冰川区的平均浓度比分别为 1.2、2.1、1.4、2.4、2.4、0.9、1.0、5.4和6.2，其中Na+、Ca2+、Mg2+、HCO-3、Cl和SiO2有明显的增加，而SO2-4、NO-3则变化不明显。降水样品中，K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO2-4、NO-3、Cl和SiO2的平均浓度分别为6mol/L、17 mol/L、14 mol/L、54 mol/L、19 mol/L、2 mol/L、17 mol/L 和 1mol/L，2H 和18O 的平均同位素组成分别为11.3（14.14.4）和73.7（95.612.7）。1795地 理 学 报78卷4