人类活动干预下的流域地表过程在河流碳循环中的响应

河流是流域环境的天然记录器。全球气候的剧烈变化和快速发展的江河水利工程对河流及河口水域生态系统的结构、功能与演变过程产生深刻影响。本项目选取东江干流作为纵剖面、干流和主要支流上的5个水文站作为横断面，进行多尺度的周期性观测和采样，分析河流、河口和库湖水体中碳的含量及其同位素组成、水化学和微生物组成，采集观测断面的气象和水文参数；结合实地调查和从遥感图像及文献资料中获取的流域环境特征，深入研究河流水体中碳的生物地球化学性质与流域地表过程（包括地貌、生态、水文等自然过程和人类活动）之间的耦合关系；通过流域间和流域内不同断面间的对比，探讨水体内部的生物地球化学过程对河流碳在通量、同位素和化学组成等方面的影响。本项研究有助于揭示河流碳循环对于流域地表过程的响应机制，拓展从河流环境角度研究流域地表过程及全球变化的工作；为现代地表过程研究提供湿热季风流域的案例。

东江化学径流主要源自硅酸盐矿物的化学风化过程（72.46% ~ 81.54%），其次为海盐沉降，碳酸盐矿物化学风化的贡献很少；CO2是流域化学风化的主要侵蚀介质，但人类活动所致的H2SO4和HNO3的作用也不可忽视。东江流域化学风化过程对CO2的消耗通量是(3.02 ~ 3.08) × 105 mol km-2 yr-1，高于全球平均值。因受降水冲刷和径流稀释的共同作用，东江河水中溶解无机碳（DIC）含量的年内变化不显著，输出通量为3.47 × 105 mol km-2 yr-1。东江径流中溶解有机碳（DOC）含量变化于72.50 ~ 96.67 μmol L-1之间，在全球河流中处于较低水平，其输出通量为1.15 × 105 mol km-2 yr-1。新丰江库区在丰水期和枯水期表层水体的CO2分压（pCO2）平均值分别为1036 μatm和777 μatm，CO2排放通量为11.2 mmol m-2 d-1。新丰江水库对溶解硅的拦截率达31.46%。因水流变缓及透明度增加，增江大坝上游河流中常年存在较强的光合作用，使得水体中的pCO2值明显降低。桂江河流POC的放射性同位素组成（Δ14C）介于-26.7‰ ~ -235.8‰之间，平均为[-135.38 (+-)59.14]‰，没有检出“核爆14C”信号，揭示了较为强烈的流域地表扰动和土壤侵蚀状况。桂江POC的稳定同位素组成（δ13C）变化于-24.71‰ ~ -29.92‰之间，平均为[-26.86(+-)1.29]‰，一致于C3植被为主的流域生态系统的碳同位素组成。土壤有机碳、岩石来源的地质碳及藻类生物量的混合比例决定了桂江河流颗粒有机质的C/N比和Δ14C值，但是，微生物群落对水体有机质的代谢分解也在一定程度上改变了有机质的元素和同位素比值。浮游植物初级生产力对桂江POC的贡献达22.3% ~ 30.9%。桂江DIC的δ13C值变化于-10.65‰ ~ -17.22‰之间，平均为[-12.95(+-)2.03]‰。冬半年河流DIC（δ13C值平均为-11.47‰）几乎全部来自碳酸盐矿物的化学风化；夏半年土壤硅酸盐矿物的化学风化对DIC（δ13C值平均为-14.73‰）的贡献达28%。我国湿热地区的地质碳汇相当于13亿人口每年人均固定CO2大约55 kg。