美国波托马克河流域碳酸盐岩风化与土地利用对河流碱化及溶解无机碳的控制机制

这篇综述通过热点分析和相关性分析，揭示了美国波托马克河流域溶解无机碳（DIC）和碱度的主要驱动因素。研究表明，碳酸盐岩地层（lithology）是DIC浓度的首要控制因素，但人类活动（如农业施肥、城市化和酸矿排水AMD）通过加速碳酸盐风化显著改变了DIC/Ca2++Mg2+比率（0.17-0.52），进而影响河口碱度输送和长期碳循环。

　　

研究亮点

碳酸盐岩地层主导波托马克河流域DIC输出，但人类活动通过加速风化重塑碳通量模式。

流域岩性对DIC输出的主要控制作用

本研究发现，尽管人类活动可能加速碳酸盐岩风化并增加DIC、碱度及主要离子浓度，但流域岩性仍是波托马克河流域DIC浓度的核心控制因素。支持这一结论的证据包括：

1. 1.

   热点分析结果显示，DIC热点区域（>90%置信度）与碳酸盐岩分布高度重合（图2），其匹配度远超任何土地利用类型。

2. 2.

   DIC通量差异：碳酸盐岩亚流域日均DIC通量达21.6 kg day^?1 km^?1，显著高于硅质碎屑岩森林流域（9.7 kg day^?1 km^?1）和农业/城市结晶岩流域（7.2-8.2 kg day^?1 km^?1）。

3. 3.

   化学计量比异常：尽管DIC与Ca²⁺+Mg²⁺呈正相关，但受酸矿排水（AMD）影响的上游流域DIC/(Ca²⁺+Mg²⁺)比率低至0.17，表明强酸对碳酸盐的溶解导致CO₂逃逸；而城市化下游流域该比率为0.52，反映中度DIC耗损。

农业活动对DIC的协同效应

农业亚流域中DIC与硝酸盐（NO₃^–）的正相关性暗示：

• •

  铵肥硝化产生的酸化作用可能促进原生碳酸盐矿物风化

• •

  农业石灰（liming）施用直接贡献DIC

  这种"人为加速风化"机制与密西西比河流域的发现一致，凸显人类活动对自然碳循环的干扰。

结论

碳酸盐岩仍是流域DIC通量的基础控制因素，但石灰投加、城市化、农业施肥等人类活动通过改变风化速率，正在重塑河流碱化趋势和河口碳输送格局。未来需量化人为因素对碳酸盐风化的具体贡献，以预测长期碳循环变化。