喜马拉雅中部塔莫尔河流域的浓度-流量关系与硅酸盐化学风化作用：周尺度水化学时间序列的启示

本研究针对喜马拉雅地区河流水化学时空变异性及其与水文控制关系不清的科学问题，对以硅酸盐岩为主的塔莫尔河流域开展了为期一年的周尺度水化学监测。研究揭示了主要离子的浓度-流量（C-Q）关系，发现碳酸盐风化产物（Ca2+、Mg2+、HCO3-）呈化学静态行为，而硅酸盐风化产物（Si、Na+、K+）呈化学动态行为。研究量化了流域碳酸盐风化速率（CWR）和硅酸盐风化速率（SWR）分别为22.21和24.17吨/平方公里/年，对应的CO2消耗速率分别为1.80×105和5.62×105摩尔/平方公里/年。该研究为理解高山区水文-生物地球化学耦合过程及全球碳循环提供了关键科学依据。

　　

在全球碳循环的宏大叙事中，岩石的化学风化扮演着一位沉默却至关重要的角色。它如同地球的天然碳汇，通过消耗大气中的二氧化碳（CO₂），缓慢而持久地影响着气候变化。尤其是在被誉为“亚洲水塔”的喜马拉雅地区，剧烈的构造运动和陡峭的地形使得物理侵蚀强烈，化学风化过程也因此异常活跃，对区域乃至全球的元素循环和碳收支产生深远影响。然而，这片地球第三极的河流系统，其水化学组成如何随时间变化？水文条件的波动，例如雨季和旱季的流量巨变，又如何调控着岩石的溶解和二氧化碳的消耗？这些问题至今仍是科学家们努力探索的谜题。以往的研究往往受限于采样频率或空间覆盖范围，难以捕捉水文事件驱动的快速化学变化，导致对喜马拉雅河流生物地球化学过程的理解存在显著空白。

为了揭开这些谜团，由中国科学家Kiran Bishwakarma、Guanxing Wang、Fan Zhang、Ramesh Raj Pant和Guangjian Wu组成的研究团队，将目光投向了喜马拉雅中部的塔莫尔河（Tamor River）流域。该流域是科西河（Koshi River）的重要支流，其地质背景以硅酸盐岩（如片麻岩、石英岩）为主，是研究硅酸盐风化主导过程的天然实验室。他们的研究成果以《Concentration-discharge relationships and chemical weathering in the silicate-rich Tamor River Basin: Insights from weekly hydrochemical time-series》为题，发表在《Journal of Hydrology: Regional Studies》上。这项研究通过高时间分辨率（每周一次）的水化学监测，深入剖析了水文动态如何控制溶解质输运和化学风化过程，为我们理解高山区河流的地球化学行为提供了宝贵的新见解。

为了系统回答上述科学问题，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，在塔莫尔河流域出口穆尔加特（Mulghat）点位进行了为期一个水文年（2018年12月至2019年11月）的每周一次地表水采样，共获得51个样本，并同步收集了日尺度流量和降水数据。其次，在实验室利用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）分析了主要阳离子（Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺）和溶解硅（Si）的浓度，利用离子色谱（IC）分析了阴离子（Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-），并通过离子电荷平衡计算了HCO₃^-浓度。第三，运用浓度-流量（C-Q）关系的幂律模型（C = aQ^b）和变异系数比（CV_C/CV_Q）来量化离子的输出行为（化学静态与化学动态）。第四，采用正向模型（Forward Model）定量解析了降水、人为活动、硅酸盐风化和碳酸盐风化四大来源对河流阳离子总量的贡献比例。最后，基于风化产物通量和流域面积，计算了碳酸盐风化速率（CWR）、硅酸盐风化速率（SWR）及其相应的CO₂消耗速率。

3.1. 水文参数的时间变化

研究发现，塔莫尔河的流量具有显著的季节性变化，范围从2月的58立方米/秒到7月的1247立方米/秒，年平均流量为390立方米/秒。降水同样呈现强烈的季风驱动特征，年降水量为1321毫米，其中超过75%集中在雨季（6月至9月）。这种水文格局为研究水化学对流量变化的响应奠定了基础。

3.2. 主要离子特征

对51个周样本的分析表明，塔莫尔河水呈弱碱性，总溶解固体（TDS）平均值为38.95 ± 17.89 mg/L，远低于全球河流平均值（120 mg/L）。阳离子优势顺序为Ca²⁺ > Na⁺ > Mg²⁺ > K⁺，阴离子优势顺序为HCO₃^- > SO₄^2- > NO₃^- > Cl^-，水化学类型主要为Ca-HCO₃型。离子浓度表现出明显的季节变异，高值通常出现在后季风期和冬季，而低值出现在季风期，这与高流量时期的稀释效应密切相关。

3.3. 浓度-流量（C-Q）关系

C-Q关系分析是本研究的核心。大多数离子（Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、HCO₃^-、Cl^-、SO₄^2-、Si）的幂律指数b为负值，表明其浓度随流量增加而降低，符合稀释假说。通过结合b值和CV_C/CV_Q比值，研究将离子行为划分为化学静态和化学动态。Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃^-和SO₄^2-表现出化学静态行为，意味着它们的浓度在流量变化时保持相对稳定，这反映了其来源（主要是碳酸盐风化）的持续和充足。相反，Si、K⁺和Na⁺则表现出化学动态行为，特别是Si的b值低至-0.41，表明硅酸盐风化产物对水文变化高度敏感。这一关键发现揭示了碳酸盐风化和硅酸盐风化对水文驱动响应的本质差异：碳酸盐风化产物相对不受季节水文变化影响，而硅酸盐风化产物则更为敏感。

4.1. 主要贡献因素的量化

吉布斯图（Gibbs plot）和离子比值图显示，塔莫尔河的水化学主要受岩石风化控制。通过正向模型计算发现，河流阳离子总量的90%以上来源于岩石风化，其中硅酸盐风化和碳酸盐风化的贡献相当（年均各约47%和46%），降水和人为活动的贡献较小（合计约7%）。值得注意的是，贡献比例存在季节差异：碳酸盐风化在低流量季节（冬季、前季风期）贡献更大，而硅酸盐风化在高流量季节（季风期、后季风期）贡献更突出。此外，通过Cl^-/Na⁺和NO₃^-/Na⁺比值分析，证实了农业活动对河流硝酸盐（NO₃^-）的显著影响。对碳酸盐风化机制的深入分析（如HCO₃^-/(Ca²⁺+Mg²⁺)比值、C-ratio等）表明，碳酸盐溶解主要源于碳酸（H₂CO₃）的作用，硫酸（H₂SO₄）的贡献微乎其微。

4.2. 化学风化与CO₂消耗速率

基于风化产物通量，研究量化了塔莫尔河流域的化学风化速率。年均碳酸盐风化速率（CWR）和硅酸盐风化速率（SWR）分别为22.21吨/平方公里/年和24.17吨/平方公里/年。对应的CO₂消耗速率，碳酸盐风化为1.80 × 10⁵ 摩尔/平方公里/年，硅酸盐风化为5.62 × 10⁵ 摩尔/平方公里/年。与全球平均值和其他喜马拉雅河流（如科西河、恒河）相比，塔莫尔河流域表现出一个显著特征：其硅酸盐风化速率及相应的CO₂消耗速率高于或接近碳酸盐风化，这与该流域硅酸盐岩主导的地质背景相符。风化速率同样呈现强烈的季节性，均在季风期达到最高。进一步分析发现，硅酸盐风化速率（SWR）与径流量呈线性正相关，而碳酸盐风化速率（CWR）与径流量的关系则更为复杂（非线性），表明除了水文因素外，岩性对碳酸盐风化的控制也至关重要。

研究结论与意义

本研究的结论部分对上述发现进行了高度概括。塔莫尔河的水化学动态主要受硅酸盐和碳酸盐风化控制，并显著受到水文季节变化的调节。浓度-流量（C-Q）关系清晰地揭示了不同风化过程对水文变化的响应差异：碳酸盐风化产物（Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃^-）表现出化学静态行为，意味着其来源稳定，对流量变化不敏感；而硅酸盐风化产物（Si, Na⁺, K⁺）则表现出化学动态行为，其浓度易受流量波动影响。正向模型定量证实了岩石风化是溶解质的主要来源（>90%）。流域尺度的风化速率和CO₂消耗速率估算凸显了硅酸盐岩为主的喜马拉雅河流在全球碳循环中的重要作用，其硅酸盐风化对CO₂的消耗能力尤为突出。

这项研究的意义重大。它通过高频率时间序列数据，首次在喜马拉雅中部硅酸盐岩为主的塔莫尔河流域系统揭示了水文-地球化学的耦合机制，深化了对高寒山区河流生物地球化学过程的理解。研究确立的化学静态/动态行为模式，为预测未来气候变化情景下（如冰川退缩、降水格局改变）河流溶质输运和碳汇功能的变化提供了理论框架和基线数据。尽管研究存在一定不确定性（如端元比值引用、硫酸来源未用同位素精准示踪），但其成果无疑为后续研究指明了方向，例如结合硫氧同位素（δ³⁴S, δ¹⁸O-SO₄）更精确地解析硫酸根来源，以及整合详细地质图更深入地揭示岩性控制机制。总之，这项工作为评估“亚洲水塔”地区水环境演变及其对全球变化的响应提供了关键的科学认知。