一种用于复杂跨流域调水系统中水资源调度的多尺度多目标优化模型

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：A multi-scale multi-objective optimization model for water resources scheduling in complex inter-basin water transfer systems

化学风化调控碳循环的季节差异及水生光合作用影响。马溪河流域干湿季观测显示，硅酸盐风化CO2消耗量干季（714.1 μmol/L）显著高于雨季（472.1 μmol/L）因稀释效应，而碳酸盐风化净消耗量雨季（1630.2 μmol/L）反高于干季（1452.6 μmol/L），主要因硫酸/硝酸诱导溶解增强但伴随CO2排放。水生光合作用对HCO3?的固定可能抵消碳源，喀斯特区碳汇评估需纳入生物泵机制。

　　在地球的生态系统中，化学风化作用扮演着至关重要的角色，尤其在调节全球碳循环方面。这项研究聚焦于中国西南部的马溪河流域，旨在探讨化学风化过程中与碳动态相关的时空变化及其背后的机制。研究通过在干季和雨季对河流水体的理化参数、主要元素以及氢和氧的稳定同位素（δD 和 δ1?O）进行测量，揭示了不同季节下化学风化对碳循环的具体影响。

化学风化作用主要通过岩石与水和大气中的酸性物质发生反应，从而释放出碳酸盐和硅酸盐等溶解物质。这些过程不仅改变了水体的化学组成，还在全球范围内对碳循环产生了深远的影响。硅酸盐风化通常被认为是一种重要的碳汇机制，因为它能够吸收大气中的二氧化碳，并将其转化为碳酸氢盐（HCO??），从而减少温室气体的浓度。然而，碳酸盐风化的情况则更为复杂，其在长期尺度上通常被视为碳中性的，因为溶解过程中吸收的二氧化碳会在碳酸盐矿物沉淀时重新释放回大气中。尽管如此，某些研究指出，在较短的时间尺度（如102至103年）内，碳酸盐风化可能对碳循环产生显著的汇效应。

马溪河流域的特殊地理位置使其成为研究化学风化对碳循环影响的理想区域。该流域位于重庆市的喀斯特地貌区，其气候特征是典型的亚热带季风气候，雨季通常从四月持续到十月，而干季则从十一月到次年三月。这种季节性的降水变化对水体的化学特性产生了显著影响，进而影响化学风化过程及其对碳循环的贡献。在干季，由于降水较少，水体的稀释效应较弱，因此化学风化产生的溶解物质浓度较高。然而，在雨季，大量的降水会导致水体的稀释，从而降低溶解物质的浓度。这种季节性的变化不仅影响了水体的化学组成，也对整个流域的碳循环模式产生了重要影响。

研究结果表明，硅酸盐风化在雨季的CO?消耗量显著低于干季，这主要是由于稀释效应。在干季，硅酸盐风化平均消耗CO?为714.1 μmol/L，而在雨季则降至472.1 μmol/L。相比之下，碳酸盐风化的净CO?消耗量在雨季反而有所增加，尽管其变化趋势并不一致。这种差异主要源于碳酸盐风化过程中CO?的排放。在雨季，由于水体流量增加，碳酸盐矿物的沉淀减少，从而降低了CO?的排放量。这种动态平衡揭示了碳酸盐风化在不同季节下对碳循环的复杂影响。

此外，研究还指出，碳酸盐风化过程中产生的HCO??可能被水体中的光合自养生物吸收，从而通过生物碳泵（BCP）机制将碳固定为有机碳。这一过程不仅稳定了碳酸盐风化的碳汇效应，还在一定程度上抵消了由H?SO?和HNO?驱动的碳源效应。例如，在湄公河流域，H?SO?引起的碳酸盐风化释放的CO?占硅酸盐风化消耗CO?的70%。而在南方喀斯特地区，人为来源的HNO?和H?SO?导致表层水和地下水中的CO?汇效应分别减少了11.23%±7.94%和41.60%±30.24%。这表明，忽视水体中光合自养生物的作用可能会导致对这些外源酸引起的碳源效应的高估。

化学风化过程及其相关的CO?通量是复杂的，受到多种物理化学和生物地球化学过程的影响。河流水体作为陆地化学风化负荷向海洋输送的主要通道，能够反映化学风化的时空变化，并被广泛用于估算区域或全球尺度的碳通量。然而，河流水体的化学组成会受到CO?逸散、碳酸盐矿物沉淀以及水体光合作用等过程的影响，这些因素引入了估算流域碳通量的不确定性。因此，有必要在区域和全球尺度的化学风化相关碳通量评估中，充分考虑这些过程的影响。

本研究通过在马溪河流域的干季和雨季进行采样和监测，分析了不同季节下化学风化过程的时空变化及其对碳循环的影响。研究的三个主要目标包括：(1) 量化硅酸盐和碳酸盐对化学风化的贡献；(2) 解释由硅酸盐和碳酸盐风化驱动的CO?通量在H?SO?和/或HNO?潜在干扰下的变化；(3) 分析碳酸盐风化产生的HCO??在干季和雨季的季节动态，并探讨这些动态对流域尺度碳循环的影响。通过这些研究目标，我们能够更全面地理解化学风化过程在不同环境条件下的作用机制，以及其对全球碳循环的潜在影响。

在研究方法上，采样和监测活动在2021年4月4日和7月12日分别在马溪河流域的25个主要站点进行。这些站点包括主河道和支流，以确保研究的全面性和代表性。4月的采样活动代表了干季的水化学特征，而7月的采样则反映了雨季的水化学变化。通过比较这两个季节的数据，研究者能够识别出化学风化过程在不同季节下的变化趋势及其对碳循环的贡献。

研究还发现，水温在干季显著低于雨季，这可能与降水和蒸发的季节性变化有关。干季的水温范围为13.7至17.2℃，平均为16.1℃，而雨季的水温则为18.2至26.1℃，平均为22.3℃。这种温度变化对化学反应速率产生了重要影响，进而影响了化学风化过程的强度。此外，pH值、电导率和溶解氧等参数也表现出相反的季节性趋势。干季的pH值范围为8.35至9.16，平均为8.73，而雨季的pH值则降至7.57至8.58，平均为8.17。电导率在干季较高，达到312.0至869.0 μS/cm，平均为509.0 μS/cm，而在雨季则有所下降。溶解氧的浓度在雨季也表现出显著的变化，这可能与水体中有机物的分解速率和光合作用的强度有关。

这些理化参数的变化不仅反映了水体的自然循环过程，也揭示了化学风化作用在不同季节下的动态变化。例如，较高的pH值在干季可能表明水体中碱性物质的积累，而较低的pH值在雨季则可能与酸性物质的输入有关。电导率的变化则可能与溶解物质的浓度有关，而溶解氧的浓度变化则可能与水体中的生物活动和化学反应有关。

通过分析这些数据，研究者能够更深入地理解化学风化作用在不同季节下的表现。例如，在干季，由于降水较少，水体的稀释效应较弱，因此化学风化产生的溶解物质浓度较高。而在雨季，大量的降水会导致水体的稀释，从而降低溶解物质的浓度。这种稀释效应不仅影响了硅酸盐风化的CO?消耗量，也可能对碳酸盐风化的CO?通量产生影响。

此外，研究还强调了生物碳泵在化学风化过程中扮演的重要角色。生物碳泵通过水体中的光合自养生物吸收HCO??，将其转化为有机碳，并最终储存在沉积物中。这一过程不仅稳定了碳酸盐风化的碳汇效应，还在一定程度上抵消了由H?SO?和HNO?驱动的碳源效应。因此，在评估化学风化对碳循环的影响时，必须充分考虑生物碳泵的作用。

研究还指出，外源酸（如H?SO?和HNO?）对碳酸盐风化相关碳循环的影响具有季节性特征。这些酸性物质主要来源于自然和人为过程，如硫化物的氧化和氮肥的硝化作用。在某些情况下，这些外源酸可能会显著影响碳酸盐风化的碳通量，甚至改变其对碳循环的整体贡献。例如，在南方喀斯特地区，人为来源的HNO?和H?SO?导致表层水和地下水中的CO?汇效应分别减少了11.23%±7.94%和41.60%±30.24%。这表明，外源酸对碳酸盐风化的影响在不同季节下可能有所不同，从而影响整个流域的碳循环模式。

综上所述，这项研究揭示了化学风化作用在不同季节下的时空变化及其对碳循环的影响。通过分析马溪河流域的水化学数据，研究者能够更全面地理解硅酸盐和碳酸盐风化在不同环境条件下的作用机制，以及它们如何共同影响全球碳循环。研究结果不仅为评估化学风化对碳循环的贡献提供了新的视角，也为未来的研究提供了重要的参考依据。