雅魯藏布江流域水化學特征及碳匯計算

李伯根　包宇飛　胡明明　王雨春　孫猛

摘要：河流是連接海陸兩大生態系統的主要通道，也是碳循環的主要參與者之一。以雅魯藏布江流域為研究對象，采用水化學與元素地球化學方法對雅魯藏布江流域的水化學特征和碳匯過程進行研究。結果顯示：① 雅魯藏布江流域河水總溶解固體（TDS）均值為205.3 mg/L，高于世界河流平均水平；河水中陰離子以HCO3-為主，陽離子以Ca2+為主。② 質量平衡模型表明，流域水化學組成以碳酸鹽巖風化為主，平均貢獻率為56%，硅酸鹽巖和蒸發鹽巖平均貢獻率分別為23%和17%；大氣降水輸入對河水主要離子的貢獻僅為3%。③ 流域內巖石風化速率為42.03 t/（km2·a），約為世界河流平均巖石風化速率的2倍。受徑流流量的影響，豐水期巖石風化速率（72.00 t/（km2·a））遠大于枯水期（12.06 t/（km2·a））。④ 流域內巖石風化CO2消耗速率為407.13×103 mol/（km2·a），遠高于世界河流平均水平。其中，碳酸鹽巖風化CO2消耗速率平均為232.29×103 mol/（km2·a），硅酸鹽巖風化CO2消耗速率平均為174.84×103 mol/（km2·a）。

關 鍵 詞：水化學特征； 風化速率； CO2消耗速率； 碳匯效應； 雅魯藏布江

中圖法分類號： P594

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.008

0 引 言

河流是將侵蝕產物從內陸運輸到海洋中的重要載體［1］。河流碳循環作為全球陸-海相互作用影響所關注的研究熱點，是全球碳循環的一個重要環節［2］。青藏高原被稱為“亞洲水塔”，是世界上獨一無二的地域生態單元，在全球陸海能量與物質元素地球化學循環和氣候變化調節中發揮著重要作用。

在巖石化學風化過程中，流域通過水巖反應吸收大氣CO2消耗（即CO2消耗速率），產生流域碳匯作用。本文中所指的碳匯量即為流域通過巖石化學風化作用產生的CO2消耗速率。

自Raymo等［3］假設青藏高原抬升導致化學風化增加以來，青藏高原河流碳循環受到了廣泛的關注。由于喜馬拉雅山上的高徑流和地形起伏，強烈的化學侵蝕以及由此產生的高CO2消耗率已被普遍接受［4］。

許多學者對長江、黃河、恒河及亞馬遜河等大河的化學風化和大氣CO2消耗量的調查表明［5-8］，這些發源于青藏高原的河流對全球CO2消耗具有重要貢獻。然而，這些河流的中下游平原地區人口較為密集、受人類活動影響較大，降低了評價青藏高原風化速率的準確性。目前關于青藏高原河流物質循環的研究主要集中在喜馬拉雅南坡等地區［9-10］，其高原面上河流的研究還十分缺乏。

雅魯藏布江（以下簡稱“雅江”）是發源于青藏高原的典型高原河流，由于海拔較高而受人類活動影響較少，風化侵蝕作用強烈，其水化學特征可以很好地反映高原水巖侵蝕過程。盡管已經記錄了一些關于青藏高原附近河流水質的調查［11-12］，但對雅江流域的水化學特征、成分來源、巖石風化速率及大氣CO2消耗速率并沒有進行針對性地、完整地研究。因此，本文選取雅江為研究對象，通過測定河水中主要溶解離子的濃度來分析雅江流域的水化學成分特征、來源、巖石風化速率及碳匯效應。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

雅江發源于西藏自治區中南部的杰馬央宗冰川（見圖1），是世界上高海拔的河流之一。雅江全長約2 229 km，流域面積約為2.4×105 km2，經度位于82°00′E～97°07′E，緯度位于28°00′N～31°16′N之間。上游地區屬于內陸高原寒帶氣候，中游地區屬于內陸高原溫帶氣候，下游地區位于亞熱帶溫潤區內；流域多年平均年降水量約為946 mm，降水量自東南向西北迅速遞減［13-14］。雅江流域地質背景復雜，不同河段差異較大，上游流域主要是喜馬拉雅推覆構造帶與同底斯巖漿火山雜巖帶；下游流域，右岸主要以喜馬拉雅變形復理石帶為主，左岸為雅江蛇綠巖復理石帶、花崗巖類雜巖等，以碳酸鹽巖地質類型為主［15］。

1.2 樣品的采集與處理

本研究于2016年12月（枯水期）和2017年7～8月（豐水期）進行雅江流域現場調查和采樣。采樣點包括雅江干流的11個斷面及支流的9個斷面（見圖1）。采樣時，使用便攜式GPS儀測定采樣點的經緯度和海拔。現場使用多參數水質檢測儀（YSI-EXO2，USA）原位測定pH。同時，采集300 mL水樣并使用0.45 μm濾膜抽濾后，裝入洗干凈的100 mL聚乙烯瓶中，冷藏保存至實驗室。采用離子色譜儀（ICS-90，USA）測定水體中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、F-、Cl-、NO3-、SO42-的質量濃度，檢測精度為±5%。溶解Si采用紫外分光光度計（UV8100D，Labtech，USA）進行測定。

1.3 分析方法

1.3.2 化學風化速率和CO2消耗的計算

巖石的化學風化速率可以使用河水中不同巖性風化后貢獻的河水離子量、集水區面積和水文數據進行估算［20］。不同巖性計算方法存在差異：蒸發鹽巖風化過程中不產生HCO-3，也不吸收CO2；硅酸鹽巖風化產物除主要離子外，還包括溶解Si和HCO-3，其中HCO-3全部來源于大氣或土壤中的CO2；而碳酸鹽巖風化產生的HCO-3只有一半來源于巖石本身，其余則來源于大氣或土壤。各類型巖石的風化速率計算方法如下：

2 結果分析

2.1 雅魯藏布江水化學特征

雅江流域的水化學組成如表1所列。河水具有較高的pH，豐水期pH介于7.89～8.98，平均為8.29；枯水期pH介于8.24～8.75，平均為8.41，整體呈弱堿性。總溶解固體（TDS）采用水中八大常量離子及溶解硅濃度計算（TDS=K++Ca2++Na++Mg2++Cl-+NO-3+HCO-3+SO2-4+Si）。河水豐水期和枯水期TDS范圍分別為48.40～425.11 mg/L和90.08～313.04 mg/L，枯水期平均值（平均為213.64 mg/L）略高于豐水期（平均為189.34 mg/L），這與豐水期徑流量增大導致流域的“沖刷效應”和流量的“稀釋效應”有關。在空間上河水TDS值從上游到下游呈下降趨勢，這可能是由于巖性成分的差異導致。雅江河水屬于高礦化度水（TDS＞200 mg/L），遠遠高于世界大河平均值99 mg/L［11］。雅江河水陽離子以Ca2+為主，其濃度范圍為13.27～67.55 mg/L，其次是Na+和Mg2+，兩者濃度范圍分別為1.19～14.32 mg/L和1.69～13.74 mg/L。

河水中HCO-3變化范圍為13.78～220.48 mg/L，是含量最高的陰離子；其次是SO2-4，其濃度范圍為1.72～103.32 mg/L。因此，雅江河水水化學類型為HCO3-Ca型。河水溶解Si濃度范圍為3.33～18.33 mg/L，占TDS的4.06%，說明流域內存在硅酸鹽礦物風化輸入溶質的過程。此外，部分離子相對含量表現出季節性變化。豐水期，Ca2+和Na+分別占總陽離子的70.72%和13.52%；HCO-3占陰離子總量的72.90%。枯水期，Ca2+和HCO-3所占離子總量同豐水期相比略有下降，分別為66.47%和70.56%；Na+同豐水期相比略有上升，占總陽離子的18.28%。

Piper圖反映了本研究樣品中主要元素的組成。如圖2所示，雅江流域陽離子主要集中在Ca2+較高值的一端，陰離子主要集中在HCO-3較高值的一端，同時，豐水期中下游區域的部分點位向SO2-4和Cl-+SO2-4較高值的一端偏移，表明雅江河水水化學離子特征主要受碳酸鹽礦物風化的控制，同時碳酸和硫酸的侵蝕作用共同主導著雅江河水主要陰離子的來源。

2.2 主要離子成因分析

Gibbs圖可以將自然水體中主要離子的控制因素分為3類，包括大氣降水控制、巖石風化控制和蒸發作用控制，該圖解方法是Gibbs［21］于1970年研究全球范圍內的內陸水體及海水的水化學特征時提出的一種圖解方法，目前在傳統水化學圖解領域中已被廣泛應用。如圖3所示，雅江所有采樣點均落在Gibbs圖中部，屬于巖石風化控制類型，與長江、亞馬遜河、恒河［21］以及西藏地區地表水［22］一致。同時，部分采樣點陽離子比值（＞0.4）靠近大氣降水控制的一端，表明雅江大部分采樣點受巖石的化學風化及溶解影響，小部分采樣點受巖石風化和大氣降水共同影響。

雅江河水主要離子相關性分析如表2所列，Ca2+與SO42-呈顯著正相關（r=0.875，p＜0.01），表明河水中的離子可能來自流域內的石膏（CaSO4）。Na+、K+均與Cl-呈顯著正相關（r＞0.7，p＜0.01），表明Na+與K+受人類活動的影響較小，主要受蒸發鹽巖礦物的風化輸入及大氣降雨輸入的影響。此外，SiO2與K+、Mg2+也呈顯著正相關（r＞0.4，p＜0.01），這表明硅酸鹽礦物對河水中的離子有一定的貢獻。

化學計量方法可以為離子的來源提供一些定性信息。在圖4（a）中，大部分采樣點位于1∶1比值線的下方，表明還有其他陰離子參與離子平衡。在圖4（b）中，大部分采樣點落在1∶1比值線附近，且較高的相關性（R2=0.77）表明硫酸也參與了碳酸鹽巖風化的反應，因此認為巖石風化所產生的SO2-4由硫化物氧化和石膏水解各貢獻一半。

3 討 論

3.1 溶質來源

討論河流溶質的來源分配可以反映出不同來源的貢獻。河水中溶質的主要來源包括：① 人類活動；② 大氣降水輸入；③ 不同巖性的化學風化輸入，包括碳酸鹽巖、蒸發鹽巖、硅酸鹽巖。以下將討論它們在雅江流域的相對重要性。

3.1.1 人類活動輸入

人類活動通過擴散源（包括大氣輸入和化肥施用）和點源（即城市和工業廢水）影響河流水化學離子的組成特征。雅江流域除少數城市居住區外，其余均為無人區或近似無人區，流域整體人口密度為8人/km2，耕地面積為17.2萬hm2。同時，在本研究中代表人類活動輸入指標的K+和NO-3［23-24］含量較低，因此，人類活動的輸入不被視為離子來源的一部分。

3.1.2 大氣降水輸入

大氣降水類型及所處氣候條件對河流溶質的來源起著重要作用［5］。以往的研究中，常使用Cl-及F-評估大氣對河水化學成分的貢獻。Han等［25］選擇在

不受人類活動影響的春季測量Cl-的平均濃度，對烏江流域河流溶解負荷的大氣貢獻進行校正；Chetelat等［26］在評估長江流域大氣貢獻時，由于Cl-無法應用于受人為輸入影響的河流系統［27］，選擇F-作為大氣貢獻的指標。在本研究中，雅江受人類活動影響較小，因此選擇Cl-作為參照來判斷大氣降水的輸入。本文引入Cl-參考值的概念，即［Cl-ref］，代表大氣降水對河水中Cl-的最大輸送濃度［28］，其計算方法為［Cl-ref］=P/（P-E）×［Cl-rw］。這里，［Cl-rw］代表大氣降水中Cl-的平均摩爾濃度，為20.08 μmol/L［29］；P和E分別代表年平均降水量和年平均陸面蒸發量。由于流域上游區域主要以積雪融水補給為主，而下游主要以雨水補給為主，整個流域降水量分配不均，因此將研究區域分為上游流域（拉孜以上）及下游流域（拉孜以下）分別進行討論。雅江上游流域與下游流域的多年平均降水量為296.4 mm與600.8 mm，整個流域年平均陸面蒸發量為200 mm［30］，結合上式可計算出河水中Cl-由大氣降水輸入的含量。當采樣點Cl-濃度低于［Cl-ref］時，認為河水中的Cl-全部來源于大氣降水；當采樣點Cl-濃度高于［Cl-ref］時，則認為［Cl-ref］為大氣降水對河水中Cl-的最大輸送濃度，其余Cl-來自巖石風化或人類活動的輸入。隨后根據海鹽校正公式：［Xrw］=［Cl-ref］×（X/［Cl-rw］）計算其他離子的大氣降水輸入量［31］（見表3）。

大氣降水輸入對雅江流域河水主要離子貢獻較小，平均貢獻率為3%，在區域上，上游流域大氣降水貢獻率大于下游流域，這與區域降水量并不一致，這可能是印度洋水汽沿著流域自下而上爬升的過程中與內陸干熱氣團有關，從而上游流域內水分蒸發量較大［32］。

3.1.3 巖石風化輸入

巖石風化輸入包括碳酸鹽巖、蒸發鹽巖和硅酸巖鹽的化學輸入。如圖5所示，雅江流域的干流和支流的元素比值分布在碳酸鹽巖與硅酸鹽巖端元之間，說明流域發生了混合風化過程；大部分數據更靠近碳酸鹽巖端元，說明雅江流域水化學組成主要受碳酸鹽巖風化的控制，但是硅酸鹽巖的貢獻也不能忽略。硅酸鹽巖端元附近的比值主要來自雅江支流的強雄藏布和尼木河，在河水中檢測到SiO2的濃度較高，這可能是該支流流域內蛇紋巖、花崗巖、沉積巖等大量露出造成的［15］。

利用式（2）～（9）可以計算出不同巖性巖石風化對雅江河水主要離子的貢獻（見圖6），表現為碳酸鹽巖輸入＞硅酸鹽巖輸入＞蒸發鹽巖輸入。流域內碳酸鹽巖貢獻率介于29%～73%，平均貢獻率為56%；豐水期碳酸鹽巖平均貢獻率（59%）大于枯水期（52%）；區域上，雅江上游與下游碳酸鹽巖平均貢獻率分別為57%和55%，整體相差不大。流域內硅酸鹽巖貢獻率介于11%～53%，平均貢獻率為23%；

與碳酸鹽巖不同，硅酸鹽巖枯水期平均貢獻率大于豐水期，分別為27%和20%；雅江上游流域硅酸鹽巖平均貢獻率（24%）與下游流域（23%）相似，其中，貢獻最大水樣（53%）位于支流尼木河。蒸發鹽巖對河水離子的貢獻率介于1%～23%，平均貢獻率為17%，流域季節性差異不大，豐水期和枯水期蒸發鹽巖平均貢獻率分別為16%和17%，而且空間上則表現為下游（17%）＞上游（13%），可能是下游流域隨著更多的支流匯入，沖刷面積逐漸增加，從而使更多的蒸發鹽巖發生風化作用或水解作用。

3.2 巖石風化速率與碳匯計算

河水中的離子濃度也受到巖石風化速率的影響［33］。計算雅江流域巖石風化對CO2的消耗有助于了解高原河流碳匯效應及青藏高原對全球氣候變化的影響。由式（12）～（16）計算可得雅江流域巖石風化速率和CO2消耗通量（見表4），雅江流域碳酸鹽巖風化作用占巖石風化的主導地位，介于6.48～45.48 t/（km2·a），平均26.25 t/（km2·a），而蒸發鹽巖和硅酸鹽巖風化速率分別介于2.04～17.76 t/（km2·a）和1.80～10.92 t/（km2·a），平均為9.54 t/（km2·a）和6.24 t/（km2·a）。流域巖石風化速率具有明顯的季節性差異，豐水期和枯水期的風化速率分別為72.00 t/（km2·a）和12.06 t/（km2·a），這說明巖石風化速率主要受徑流流量的影響［34］。雅江流域碳酸鹽巖風化和硅酸鹽巖風化對CO2消耗的速率范圍分別為59.88×103～417.72×103 mol/（km2·a）和60.84×103～289.08×103 mol/（km2·a），平均分別為232.29×103 mol/（km2·a）和174.84×103 mol/（km2·a）。受不同季節徑流流量的影響，豐水期CO2消耗速率（678.54×103 mol/（km2·a））遠大于枯水期（135.72×103 mol/（km2·a））。

雅江流域全年巖石風化速率與CO2消耗速率如表5所列。通過與國內及世界其他大河流域數據［11-12］相比可知，雅江流域全年巖石風化速率為42.03 t/（km2·a），處于較高的水平，約為全球河流平均巖石風化速率（24 t/（km2·a））的2倍；其巖石風化速率遠高于黃河、印度河等河流，與恒河相似，低于同是發源于青藏高原的長江、怒江和瀾滄江。同時，雅江流域全年的CO2消耗速率為407.13×103 mol/（km2·a），高于全球平均CO2消耗速率（246×103 mol/（km2·a））。其CO2消耗速率高于黃河、亞馬遜河等河流，低于長江、瀾滄江、怒江、金沙江以及恒河。雅江高原面流域集水面積為189×103 km2，僅占地球表面積的0.16%，但其年平均CO2消耗通量占全球巖石風化CO2消耗通量［11］的0.36%，表明雅江流域CO2消耗非常強烈。由此可見，青藏高原強烈的侵蝕作用對地球系統吸收和平衡CO2濃度起著重要的調控作用，進而影響著全球氣候以及生態系統的變化。

4 結 論

（1） 雅江流域pH平均值為8.31，水體呈弱堿性；總溶解固體（TDS）平均值為205.3 mg/L，高于世界河流平均值99 mg/L，屬于高礦化度河水，河水化學成分以HCO-3及Ca2+為主，兩者分別占陰陽離子總量的77.2%及57.03%，流域水化學類型屬于巖石風化控制類型，主要受碳酸鹽風化作用控制。

（2） 雅江流域巖石化學風化貢獻為96%，其中碳酸鹽巖風化平均貢獻率為56%，硅酸鹽巖平均貢獻率為23%，蒸發鹽巖平均貢獻率為17%，整個流域除支流多雄藏布和尼木河以硅酸鹽巖風化作用為主之外，其余均以碳酸巖鹽風化作用為主。大氣降水輸入對雅江流域河水主要離子貢獻較低，平均貢獻率僅為3%。

（3） 雅江流域整體的巖風化速率平均為42.03 t/（km2·a），約是全球河流平均巖石風化速率（24 t/（km2·a））的2倍，其中碳酸鹽巖風化速率較快，平均為26.25 t/（km2·a），硅酸鹽巖風化速率平均為6.24 t/（km2·a），蒸發鹽巖風化速率平均為9.54 t/（km2·a），受徑流流量的影響，雅江流域豐水期巖石風化速率（72.00 t/（km2·a））遠大于枯水期（12.06 t/（km2·a））。流域巖石風化CO2消耗速率平均為407.13×103 mol/（km2·a），遠高于世界河流平均CO2消耗速率（246×103 mol/（km2·a）），其中碳酸鹽巖風化CO2消耗速率平均為232.29×103 mol/（km2·a），硅酸鹽巖風化CO2消耗速率平均為174.84×103 mol/（km2·a）。

總的來說，雅江中河水的離子組成主要來自自然風化，通過與其他大河流域對比發現，雅江及部分發源于青藏高原的其他河流均具有較高的巖石風化速率和CO2消耗速率，然而，由于實際條件和人力物力的局限性，只選取了雅江豐水期和枯水期兩個代表月份共計20個斷面進行采樣觀測分析。雅江河水中溶質的來源和碳匯效應非常復雜，需要長期監測和更加多樣化的研究方法。

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（編輯：劉 媛）

Hydrochemical characteristics and carbon sink calculation in Yarlung Zangbo River Basin

LI Bogen1，BAO Yufei2，HU Mingming2，WANG Yuchun2，SUN Meng2，3

（1.Yunnan Hydrology and Water Resources Bureau，Kunming 650100，China； 2.State Key Laboratory of Watershed Water Cycle Simulation and Regulation，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China； 3.Institute of Earth Sciences，China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

Abstract：

Rivers are the main channels connecting the ocean ecosystem and the inland ecosystem，and are also the major participants in the carbon cycle.The hydrochemical characteristics and carbon sink process in the Yarlung Zangbo River Basin were studied by the hydrochemical and elemental geochemical methods.The results showed that：① The average value of Total Dissolved Solid （TDS） of the Yarlung Zangbo River was 2053 mg/L，which was higher than the average value of world＇s rivers；the HCO-3 and Ca2+ were the most abundant anion and cation of the river water respectively.② The mass balance model indicated that the chemical composition of the basin water was dominated by the weathering of carbonate rock with an average contribution of 56%，and by weathering of silicate rock and evaporated rock with an average contribution of 23% and 17% respectively；atmospheric precipitation input contributed to the main ion composition only by 3%.③ The weathering rate of rock in the basin was 4203 t/（km2·a），which was approximately twice of the average weathering rate of rock in the world＇s rivers.The rate of rock weathering in the flood season （72.00 t/（km2·a）） was much more influenced by the runoff than in the dry season （1206 t/（km2·a））.④ The rate of CO2 consumption from rock weathering in the basin was 40713×103 mol/（km2·a），which was much higher than the average of the world＇s rivers.Among these，the average CO2 consumption rate of carbonate weathering was 23229×103 mol/（km2·a），and the average CO2 consumption rate of silicate rock weathering was 17484×103 mol/（km2·a）.

Key words： hydrochemical characteristics；weathering rate；CO2 consumption rate；Yarlung Zangbo River

收稿日期：2022-02-22

基金項目：國家自然科學基金項目（92047204，U1802241，U2040211，92047203）

作者簡介：李伯根，男，高級工程師，主要從事水文水資源與水生態監測方面的研究。E-mail：swzyy1@126.com

通信作者：王雨春，男，正高級工程師，博士，主要從事河流水庫水環境水生態研究。E-mail：wangyc@iwhr.com