全球气候变化使气温升高、降水增多，对地表物质化学风化起关键的促进作用；同时，化学风化过程通过消耗CO2对全球变暖起负反馈作用。由于碳酸盐岩的风化产物在海洋中发生较快沉淀并释放CO2，硅酸盐矿物的风化会导致大气CO2的净消耗，因此开展硅酸盐岩风化与CO2消耗相关研究尤为重要。近几十年来，青藏高原整体呈现暖湿化，高海拔地区特别是冰川区的风化作用增强。尽管硅酸盐岩风化能消耗大气CO2，但基岩中硫化物的氧化产物会优先溶解碳酸盐岩，并可能使冰川流域成为CO2的净释放区。深入研究高海拔冰川流域化学风化主导类型和CO2消耗/释放速率可为全球物质循环和气候变化研究提供更全面的认识。
图1 研究区位置和地形信息。其中QYG、WGHS、LE、LKZ分别代表枪勇冰川、翁果水文站、入湖口和浪卡子气象站。
地球化学分析结果显示，卡鲁雄曲流域内冰川融水径流和河水的水化学特征主要受岩石风化控制。上游枪勇冰川融水径流、中游翁果水文站处河水以及下游入湖口处的河水样品元素比值，大多分布在碳酸盐、硅酸盐和蒸发盐岩的端元之间，表明三个岩石化学风化端元都是冰川融水径流和河水的重要物质来源；下游入湖口河水更加靠近硅酸盐岩风化端元，显示硅酸盐岩的风化对于下游入湖口河水的贡献高于上游枪勇冰川融水径流和中游翁果水文站河水（图2）。对比青藏高原其他流域，蒸发盐岩的溶解或硫化物的氧化作用对枪勇冰川融水径流和卡鲁雄曲河水中的硫酸盐通量贡献更大。
图2 枪勇冰川融水径流、翁果水文站和入湖口处河水的Ca2+/Na+与Mg2+/Na+和HCO3-/Na+的元素比值分布图，及与青藏高原和喜马拉雅地区冰川流域和非冰川流域的对比
科研人员使用正演模型定量估算了河水溶质的来源，包括大气输入、碳酸盐岩风化、硅酸盐岩风化和蒸发盐岩溶解或硫化物氧化的贡献（表1）。结果表明，碳酸盐岩风化和黄铁矿氧化对冰川融水径流和河水溶质的贡献起主控作用，碳酸盐岩风化对冰川融水径流和河水的贡献占40%以上，黄铁矿的氧化贡献了河流溶质的30%以上，硅酸盐岩的风化作用对上游枪勇冰川融水径流和中游翁果水文站处河水溶质的贡献相对较少。总体上，低温抑制上游冰川区硅酸盐岩的风化，下游入湖口由于气温更高、水体滞留时间更长，硅酸盐岩风化作用有所增强。
表1 各化学风化端元对卡鲁雄曲流域内冰川融水径流和河水的贡献率
通过计算径流中由硅酸盐岩端元和碳酸盐岩端元风化产生的总溶解固体（TDS）数量，结合流域径流量和面积进一步计算流域的化学风化速率（图3）。结果显示，枪勇冰川融水径流与翁果水文站处河水的碳酸盐岩风化速率（CWR）和硅酸盐岩风化速率（SWR）变化与径流量的变化基本一致，其中翁果水文站河水的CWR和SWR在5-9月急剧上升，9月中旬达到最大值，10-11月急剧下降，表明径流量对化学风化速率和河流溶质含量的控制作用。根据枪勇冰川径流和翁果水文站两处风化速率计算的CO2净释放量上限分别为35.6和35.2 t km -2 yr -1，表明黄铁矿氧化产生的硫酸通过促进碳酸盐岩的风化导致了CO2的潜在净释放。因此，青藏高原有黄铁矿分布的冰川流域可能是不可忽视的天然碳源，需要进一步关注。
图3 枪勇冰川和翁果水文站处碳酸盐风化速率和硅酸盐风化速率以及径流量的季节变化。由于入湖口处河流经常改道，因此缺少入湖口处河流径流量的观测结果
上述研究成果近期以“Chemical weathering and CO2 consumption in the Glaciated Karuxung River catchment, Tibetan Plateau”为题，发表在国际水文学权威刊物《Hydrological Processes》。我所环境变化与多圈层过程团队张凡研究员为第一作者，湖南师范大学地理科学学院讲师肖雄为通讯作者。该研究获得国家自然科学基金项目（41771090、41988101-03和41422101）的支持。
论文信息：Zhang, F., Xiao, X., Wang, L., Zeng, C., Yu, Z., Wang, G., & Shi, X. 2021. Chemical weathering and CO2 consumption in the Glaciated Karuxung River catchment, Tibetan Plateau. Hydrological Processes, e14330. https://doi.org/10.1002/hyp.14330
全文链接：https://doi.org/10.5281/zenodo.5232696
