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河流泥沙输移过程中矿物风化的碳汇效应初探——以长江干流为例

  • 张信宝1

    机 构：

    1. 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，中国科学院山地表生过程与生态调控重点实验室，四川成都， 610041

    ×
  • ，罗景城1,2

    机 构：

    1. 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，中国科学院山地表生过程与生态调控重点实验室，四川成都， 610041

    2. 西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都， 610031

    ×
  • ，王小国1

    机 构：

    1. 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，中国科学院山地表生过程与生态调控重点实验室，四川成都， 610041

    ×
  • ，唐家良1

    机 构：

    1. 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，中国科学院山地表生过程与生态调控重点实验室，四川成都， 610041

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  • ，彭韬3

    机 构：

    3. 中国科学院普定喀斯特生态系统观测研究站，贵州普定， 550081

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  • ，朱波1

    机 构：

    1. 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，中国科学院山地表生过程与生态调控重点实验室，四川成都， 610041

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1. 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，中国科学院山地表生过程与生态调控重点实验室，四川成都， 610041；
2. 西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都， 610031；
3. 中国科学院普定喀斯特生态系统观测研究站，贵州普定， 550081；

A preliminary study on the inorganic carbon sink function of mineral weathering during sediment transport in the Yangtze River mainstream

  • ZHANG Xinbao1

    Affiliation：

    1. Key Laboratory of Mountain Environment Evolution and Regulation, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, Sichuan 610041 , China

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  • ，LUO Jingcheng1,2

    Affiliation：

    1. Key Laboratory of Mountain Environment Evolution and Regulation, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, Sichuan 610041 , China

    2. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 610031 , China

    ×
  • ，WANG Xiaoguo1

    Affiliation：

    1. Key Laboratory of Mountain Environment Evolution and Regulation, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, Sichuan 610041 , China

    ×
  • ，TANG Jialiang1

    Affiliation：

    1. Key Laboratory of Mountain Environment Evolution and Regulation, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, Sichuan 610041 , China

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  • ，PENG Tao3

    Affiliation：

    3. Puding Karst Ecosystem Observation and Research Station, Chinese Academy of Sciences, Puding, Guizhou 550081 , China

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  • ，ZHU Bo1

    Affiliation：

    1. Key Laboratory of Mountain Environment Evolution and Regulation, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, Sichuan 610041 , China

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1. Key Laboratory of Mountain Environment Evolution and Regulation, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, Sichuan 610041 , China；
2. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 610031 , China；
3. Puding Karst Ecosystem Observation and Research Station, Chinese Academy of Sciences, Puding, Guizhou 550081 , China；

作者简介:

张信宝，男，1946年生。研究员，研究方向为土壤侵蚀与水土保持。E-mail：zxbao@imde.ac.cn。

通讯作者:

唐家良，男，1975年生。研究员，研究方向为流域水文。E-mail：jltang@imde.ac.cn。

DOI:10.19762/j.cnki.dizhixuebao.2022055

参考文献
Beerling D J, Kantzas E P, Lomas M R, Wade P, Eufrasio R M, Renforth P, Sarkar B, Andrews M G, James R H, Pearce C R, Mercure J F, Pollitt H, Holden P B, Edwards N R, Khanna M, Koh L, Quegan S, Pidgeon N F, Janssens I A, Hansen J, Banwart S A. 2020. Potential for large-scale CO2 removal via enhanced rock weathering with croplands. Nature, 583: 242~248.
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参考文献
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参考文献
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刘建栋, 胡泓, 张龙军. 2007. 流域化学风化作用的碳汇机制研究进展. 土壤通报, 38(5): 998~1002.
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目录contents

    摘要

    本文首先提出了河流泥沙输移过程中泥沙中的钙镁矿物溶蚀消耗水体中的CO2并具有碳汇功能的观点。基于前人长江干流从源头到入海口和支流2003~2007年期间4次河流悬移质泥沙的化学元素组成和矿物组成资料，分析悬移质中CaO、MgO含量和方解石、白云石含量变化特征，定量计算了这些取样点悬移质泥沙的CO2总碳汇能力和非永久性、永久性碳汇能力，分析了不同碳汇能力沿程变化规律及其原因。碳汇计算结果表明：寸滩—大通河段1956~2000年期间泥沙输移过程中钙镁矿物溶蚀产生的总碳汇量、非永久性和永久性碳汇量分别为2572万t/a、1700万t/a和872万t/a。由于输沙量减少，寸滩站—大通站河段的总碳汇量、非永久性和永久性碳汇量2006~2019年期间较1956~2000年期间相应分别减少了1852万t、1224万t和872万t。三峡水库年均淤积量1.145亿t，损失总碳汇量675.6万t，相当于三峡电站减排二氧化碳8580万t的7.9%。全球河流入海年输沙量126.1亿t，以寸滩-吴淞口河段碳汇功能0.060 t/t计，总碳汇量7.57亿t相当于全球岩石风化碳汇总量10.56亿t CO2的71.6%。河流泥沙输移过程中钙镁矿物溶蚀的碳汇量具有重要的作用，其溶蚀速率大于原地风化。

    Abstract

    This study proposed that the dissolution of calcium and magnesium minerals in river sediment could sequester CO2 and function as a carbon sink. Based on the published literature, the contents of CaO, MgO, calcite and dolomite in suspended sediment collected from 25 sampling points in the mainstream and 13 sampling points in the tributaries of the Yangtze River in 4 sampling campaigns during 2003~2007 were used to calculate the total inorganic carbon sink (TCS) capacity and nonsubstantial and substantial inorganic carbon sink (NSCS and SCS) capacities of suspended sediment along the river. Results showed that the TCS, NSCS and SCS caused by weathering of Ca and Mg minerals at Cuntan-Datong section were 2.57×107 tons, 1.70×107 tons and 0.87×107 tons per year during the period of 1956~2000. Due to the reduction of sediment yield, the annual TCS, NSCS and SCS of the Cuntan-Datong section during 2006~2019 decreased by 18.52×106 tons, 12.24×106 tons and 8.72×106 tons, respectively, compared to the period before 2002. The average annual sedimentation of the Three Gorges Reservoir (TGR) was 114.5×106 tons, and the related TCS loss was 6.76×106 tons, which were equivalent to 7.9% of the 85.8×106 tons of CO2 emissions reduced by the clean energy production of the Three Gorges Hydropower Station. The annual TCS of global rivers was estimated as 757×106 tons (the SCS was more than one quarter of the TCS), which is equivalent to 71.6% of the TCS by global rock weathering with 1.06×109 tons of sequestered CO2. The dissolution rate of calcium and magnesium minerals for offsite rock weathering was higher than that for in situ rock weathering.

  • 硅酸盐和碳酸盐等矿物组成的岩石，风化消耗大气CO2是全球碳循环的重要碳汇。Suchet et al.（1993）认为岩石风化消耗的CO2量主要受岩石表面水流量、大气温度及岩石类型影响，利用法国232个岩性单一流域的地表径流与主要溶解元素的数据进行了分析和研究，并建立了一个基于经验关系GEM-CO2模型，用以估算岩石风化所消耗的大气CO2量。该模型被认为是国际地质对比课题（IGCP）404项目的主要成果之一。Gaillardet et al.（1999）收集了全球范围内60条大河的水化学数据，通过反演模型计算，全球硅酸盐风化碳汇1.4×108 t C/a，碳酸盐风化碳汇1.48×108 t C/a（Stallard，1998; Gaillardet et al.，1999，2011）。河流泥沙输移过程泥沙中的钙镁矿物溶蚀消耗水体中的CO2，具有碳汇功能，但目前未见相关研究报道（Stallard，1998; 邱冬生等，2004；刘建栋等，2007；刘再华，2012；蒲俊兵等，2015; Beerling et al.，2020）。本文基于丁悌平等（2013）长江干流2003~2007年期间从源头到入海口25个样点河流悬移质泥沙化学元素组成和矿物组成资料的分析，根据悬移质中CaO、MgO含量和方解石、白云石含量的沿程变化，探讨泥沙输移过程中硅酸盐和碳酸盐矿物风化的碳汇效应，并初步评估长江输沙量变化对碳汇效应的影响。

  • 1 岩石风化-输移过程中消耗和释放CO2的机制

  • 岩石风化的全过程包括风化壳发育过程中的原地风化和泥沙输移过程中的异地风化，硅酸盐和碳酸盐矿物风化过程中吸收的大气-水体中的CO2，成为可溶性的重碳酸盐，通过河流进入海洋后部分以Ca-MgCO3的形式沉积（生物或化学沉积），被Curl（2012）称为永久性无机碳汇（substantial inorganic carbon sink），部分又排放到大气中，可称为非永久性碳汇。钙镁硅酸盐中的Ca-Mg离子在风化-沉积过程中吸收、固定和释放CO2的化学方程式如下：

  • (Ca-Mg)2SiO4+4CO2+4H2O→(Ca-Mg)2HCO34+H4SiO4
    (1)
  • (Ca-Mg)2HCO34→2(Ca-Mg)CO3+2CO2↑
    (2)

  • 式（2）中末端单元的（Ca-Mg）CO3沉积的CO2为永久性碳汇，释放的CO2为非永久性碳汇。

  • 碳酸盐中的Ca-Mg离子在风化-沉积过程中吸收和释放CO2的化学方程式如下，碳酸盐风化吸收的CO2为非永久性碳汇，通过河流进入海洋后全部释放。

  • (Ca-Mg)CO3+CO2+H2O→(Ca-Mg)HCO32→(Ca-Mg)CO3↓+CO2↑+H2O
    (3)

  • 2 长江和主要支流悬移质泥沙的CaO、MgO含量和方解石、白云石含量

  • 长江源于青藏高原，其干流流经青、藏、川、渝、滇、鄂、湘、赣、皖、苏、沪等11个省、市、自治区，在崇明岛以东注入东海（图1）。长江干流全长6300余千米，多年平均入海水量近1×1012 m3/a，居世界第三位。从源区到宜宾，河道两旁出露的岩石以碎屑沉积岩、火成岩和变质岩为主，主要支流有雅砻江。从宜宾到奉节，沿江出露的岩石主要为含石膏的红层砂岩，且分布着大片稻田和湿地，主要支流有岷江、嘉陵江与乌江。从奉节到宜昌，河流通过三峡大坝，三峡水库最大蓄水量393亿m3，该段江边出露的岩石主要为灰岩。宜昌至江西湖口为中游，该河段呈现弯曲蜿蜒形的特征，河床宽阔而水流缓慢，主要支流有清江、洞庭“四水”（湘、资、沅、澧）、汉江和鄱阳“五水”（赣、抚、信、饶、修），第四纪河湖相沉积物沿河广泛出露，在干流与支流两岸，分布着大面积的稻田与湿地。湖口以下至长江口为下游，主要流经平原地带，河段显河曲型河流的特征。安徽省大通以下受海潮影响，水势和缓，第四纪河湖相沉积物沿河广泛出露，在干流两岸与湖泊周围分布着大面积的稻田与湿地。

  • 丁悌平等（2013）的研究中2003~2007年期间长江干流25个及支流15个悬移质采样点见图1和表1。长江悬移质泥沙CaO和MgO含量、方解石和白云石含量的沿程变化见图2。

  • 长江干流从源头到河口25个点4次悬移质泥沙样品（2003年7月、2004年4月、2005年7月和2007年7月）的CaO+MgO含量和2005年7月的方解石+白云石含量沿程变化见图2。2004年4月是旱季，由于河水含沙量低，未取到悬移质泥沙，样点缺失较多；其他三次为7月份汛期样品，无样点缺失。5~10月汛期输沙量占全年的70%以上，三次7月份样品的化学、矿物组成平均值有较好的代表性。以下讨论中的平均含量为三次7月份样品的平均值（镇江2005年7月异常值，已剔除）。由图2可见，长江干流悬移质泥沙的CaO、MgO含量和方解石、白云石含量，从上游到下游均呈减少的趋势。CaO+MgO含量：源头沱沱河，16.33%；宜宾，11.43%；三峡库首寸滩，10.35%；三峡大坝以下宜昌，6.17%；武汉工业港，6.61%；大通，4.80%；吴淞口，4.60%。方解石+白云石含量：沱沱河，16.8%；宜宾，9.1%；寸滩，6.2%；宜昌，4.1%；武汉工业港，7.4%；大通，4.2%；和吴淞口，1.5%（长江最下游3个站全为白云石，无方解石）。

  • 图1 长江流域简图及取样点位置（据丁悌平等，2013）

  • Fig.1 The map of Yangtze River basin and the sampling locations (after Ding Tiping et al., 2013)

  • 表1 长江干流及支流悬移质采样点（据丁悌平等，2013）

  • Table1 Sampling locations of suspended sediment in the main stream and tributaries of the Yangtze River (after Ding Tiping et al., 2013)

  • 宜宾以上的金沙江河段CaO+MgO含量和方解石+白云石含量均较高，与流域上游地形高差大、重力侵蚀和物理风化强烈有关。长江干流CaO+MgO含量和方解石+白云石含量从源头到河口沿程逐渐降低，很好地说明了泥沙输移过程中的钙镁硅酸盐和碳酸盐矿物的溶蚀现象，宜昌以上的长江上游干流河段CaO+MgO含量和方解石+白云石含量下降速率分别为0.12%/100 km和0.29%/100 km，以下的中下游河段分别为0.09%/100 km和0.15%/100 km。方解石+白云石含量下降速率高于CaO+MgO含量，说明了泥沙输移过程中碳酸盐矿物较钙镁硅酸盐矿物更易于溶蚀。上游河段的CaO+MgO含量和方解石+白云石含量下降速率高于中下游河段，是上游河流比降大，流速快，矿物溶蚀速率较高的缘故。

  • 图2 长江悬移质泥沙CaO+MgO含量和方解石+白云石含量沿程变化

  • Fig.2 The variations of CaO+MgO and calcite+dolomite contents in suspended sediment along the mainstream of Yangtze River

  • 长江主要支流悬移质泥沙CaO+MgO含量和方解石+白云石含量分别为：岷江9.75%，6.3%；嘉陵江5.40%，5.5%；乌江10.87%（乌江及以下支流缺方解石+白云石含量数据）；湘江4.75%，汉江4.41%、赣江2.87%。除乌江外，岷江CaO+MgO含量和方解石+白云石含量均高于其他支流，接近金沙江宜宾点值，这是岷江流域与金沙江流域产输沙环境相近的缘故。乌江悬移质泥沙CaO+MgO含量只有2003年7月和2007年7月两个值，分别为6.67%和15.06%，两者均较高，但差别较大，应是碳酸盐岩流域不同水文年水土流失差异较大的缘故。

  • 3 长江干流悬移质泥沙输移过程中的矿物风化碳汇能力和效应

  • 本文将单位重量悬移质泥沙的硅酸盐和碳酸盐矿物中的CaO、MgO全部被溶蚀为重碳酸盐消耗的CO2量，定义为悬移质泥沙的总碳汇能力（TCS，C1，t/t）。依据公式（1）~（3），首先计算出单位重量全部矿物的CaO和MgO摩尔数、碳酸盐矿物中CaO和MgO当量摩尔数，分别得出不同类型矿物（碳酸盐矿物和硅酸盐矿物）风化溶蚀过程中吸收的CO2摩尔数（碳汇能力），其中硅酸盐矿物碳汇能力（SCS）通过全部矿物总碳汇能力（TCS）减去碳酸盐矿物碳汇能力（NSCS）得到。钙镁碳酸盐矿物风化消耗的CO2全为非永久性碳汇（NSCS，Cg1）；钙镁硅酸盐矿物风化消耗的CO2一半为非永久性碳汇（Cg2），一半为永久性碳汇（Cg3）：

  • C1=C2+C3
    (4)
  • C2=Cg1+Cg2
    (5)
  • C3=Cg3
    (6)

  • 式中，C1为总碳汇能力（TCS，t/t）；C2为非永久性碳汇能力（NSCS，t/t）；C3为永久性碳汇能力（SCS，t/t）；Cg1为钙镁碳酸盐矿物非永久性碳汇能力（t/t）；Cg2为钙镁硅酸盐矿物非永久性碳汇能力（t/t）；Cg3为钙镁硅酸盐矿物永久性碳汇能力（t/t）。

  • 总碳汇能力（C1）从源头到河口，向下逐渐降低（图3）：沱沱河，0.271 t/t；寸滩，0.151 t/t；宜昌，0.117 t/t；武汉工业港，0.127 t/t；大通，0.092 t/t；和吴淞口，0.091 t/t（表2）。随着CaO+MgO含量的逐渐减少，悬移质泥沙的总碳汇能力从源头到河口逐渐降低，说明了泥沙在向下游的输移过程中消耗了CO2，说明河流泥沙输移过程中具有一定的碳汇功能。寸滩的总碳汇能力是0.151 t/t，吴淞口是0.091 t/t，1 t悬移质泥沙从寸滩输送入海要消耗0.06 t CO2。

  • 图3 长江悬移质泥沙碳汇能力的沿程变化

  • Fig.3 The variation of carbon sink capacities of suspended sediment in Yangtze River

  • C1—总碳汇能力（TCS）；C2—非永久性碳汇能力（NSCS）；C3—永久性碳汇能力（SCS）；为2003年7月、2005年7月和2007年7月三次样品的平均值；镇江点，2005年7月值异常，为其他两次样品的平均值

  • C1—total carbon sink capacity (TCS) ; C2—nonsubstantial carbon sink capacity (NSCS) ; C3—substantial carbon sink capacity (SCS) ; based on the average of the three samplings in July 2003, July 2005 and July 2007; the data in Zhenjiang were averaged from two samplings except the abnormal value in July 2005

  • 表2 长江干流悬移质泥沙碳汇能力和潜量的沿程变化

  • Table2 The variation of carbon sink capacity and potential of suspended sediment along the Yangtze River main stream

  • 注：“-”表示无数据；1956~2000年的数据引自Zhang Xinbao et al.，2015；2005年7月的数据引自丁悌平等，2013。

  • 硅酸盐矿物对应的永久性碳汇能力（C3），除源头沱沱河较高（0.061 t/t）外，其余的变化不大，介于0.027~0.047 t/t之间。非永久性碳汇能力（C2）与总碳汇能力变化趋势一致，从源头到河口呈逐渐降低的趋势（图3）：沱沱河，0.210 t/t；寸滩，0.104 t/t；宜昌，0.078 t/t；武汉工业港，0.097 t/t；大通，0.065 t/t；和吴淞口，0.051 t/t。硅酸盐碳汇能力沿程变化不大，说明了河流泥沙输移过程中硅酸盐矿物溶蚀轻微，消耗CO2能力有限，与中下游为硅酸盐岩区分布区有一定的关系。显然，总碳汇能力沿程降低，主要是河流泥沙输移过程中碳酸盐矿物溶蚀强烈的缘故。

  • 理想河段，指没有支流来沙汇入或该河段支流来沙量与泥沙淤积量平衡（入口与出口悬移质输沙量相近），且支流与干流悬移质泥沙矿物组成相近的河段，其输沙过程中泥沙的钙镁矿物溶蚀消耗CO2的碳汇量可表达如下：

  • Wth1-2=Wsh1-2×Ch1-Ch2
    (7)

  • 式中，Wth1-2为河段（h1-h2）输沙过程中泥沙的钙镁矿物溶蚀消耗CO2的碳汇量（万t/a）；Wsh1-2为河段（h1-h2）的年输沙量（万t/a）；Ch1为河段入口处悬移质的碳汇能力（t/t）；Ch2为河段出口处悬移质的碳汇能力（t/t）。

  • 长江流域面积178.5万 km2，其中宜昌站以上长江上游流域面积100.5万km2，1956~2000年期间年均输沙量5.01亿t，下游大通站流域面积170.5万km2，1956~2000年均输沙量4.33亿t。三峡库首的寸滩站流域面积86.7万km2，1956~2000年输沙量4.39亿t（Zhang Xinbao et al.，2015）。三峡蓄水拦沙（2003年6年1日）前，寸滩站与大通站之间的区间流域面积虽然比较大，为83.8万km2，但两站年均输沙量接近，这是由于这一河段河床淤积量抵消了有限的两岸支流来沙量的缘故。汉江、赣江、湘江等支流悬移质泥沙的CaO、MgO和方解石、白云石含量又与长江干流汉口站值基本一致（丁悌平等，2013）。本研究将寸滩-大通河段作为理想河段，根据两站2003年7月，2005年7月和2007年7月三次样品的CaO、MgO含量和2005年7月方解石和白云石含量，计算这一河段永久性、非永久性和永久性碳汇能力（表2）。取两站1956~2000年输沙量的平均值为河段的年输沙量，计算这一时段该河段泥沙输移过程中钙镁矿物溶蚀产生的总碳汇量、非永久性和永久性碳汇量，分别为：2572万t/a，1700万t/a和872万t/a（表2）。2001年后，由于水电工程建设和生态环境改善、水土流失减轻等原因，两站的输沙量都急剧减少，2006年后比较稳定。与2001年前相比，寸滩站和大通站2006~2019年时段的输沙量分别减少72.4%和71.6%（长江水文网，2019❶），由于输沙量减少，这一河段的总碳汇量、非永久性和永久性碳汇量，分别减少了1852万t，1224万t和628万t（表3）。

  • 三峡水库2003年6月~2017年12月，三峡水库实测泥沙淤积量为16.691亿t，年平均淤积量为1.145亿t（胡春宏，2019），这里用寸滩站和大通站悬移质泥沙的总碳汇能力、非永久性和永久性碳汇能力的差值，粗略估算三峡水库拦蓄泥沙损失的总碳汇量、非永久性和永久性碳汇量分别为：675.6万t、446.6万t和229.0万t。2018年三峡电站年发电量突破1000亿千瓦时，相当于节约标准煤0.319亿t，减排二氧化碳8580万t（第一工程机械网，2018❷）。三峡水库拦蓄泥沙减少的碳汇量只相当于三峡电站发电减排CO2量的7.9%。

  • 表3 三峡水库寸滩站-大通站河段2006年后输沙量减少导致的碳汇减少量

  • Table3 Reduction in the carbon sink caused by the reduction in sediment transport in the reach between Cuntan Station and Datong Station in the Three Gorges Reservoir after 2006

  • 注：1956~2000年的数据引自Zhang Xinbao et al.，2015；2006~2019年的数据引自长江水文网，2019❶。

  • Syvitski et al.（2011）通过对全球流域面积大于100 km2的4462条河流研究的结果显示，目前全球河流入海年输沙量126.1亿t，以寸滩—吴淞口河段的碳汇功能0.060 t/t计，河流输沙的总碳汇量7.57亿t，相当于全球岩石风化碳汇总量10.56亿t CO2的71.6%。0.060 t/t可能高于全球河流悬移质泥沙碳汇功能的平均值，但河流泥沙输移过程中钙镁矿物溶蚀的碳汇量在全球岩石风化碳汇量中，占有举足轻重的地位是毋庸置疑的。河流泥沙输移过程中（岩石异地风化），泥沙颗粒的相互碰撞、磨蚀和水流的搅拌作用大大促进了矿物溶蚀，溶蚀速率大于源地风化是可以理解的。与未受人类活动影响时期相比，全球入海输沙量减少约10%（第一工程机械网，2018❷），相应碳汇损失量0.757亿t，不足三峡电站一年发电减排的CO2量。

  • 4 结论

  • （1）河流泥沙中的硅酸盐和碳酸盐矿物在输移过程中被溶蚀转化为可溶性的重碳酸钙镁并消耗水体中的CO2是一种重要的碳汇机制。钙镁硅酸盐中的Ca-Mg离子在风化-沉积过程中消耗CO2，最后进入海洋的沉积态（Ca-Mg）CO3部分的CO2成为永久性碳汇，碳酸盐风化吸收的CO2全为非永久性碳汇，通过河流进入海洋后全部释放。

  • （2）长江干流悬移质泥沙的CaO、MgO含量和方解石、白云石含量，从上游到下游均呈减少的趋势。上游河段的CaO+MgO含量和方解石+白云石含量下降速率高于中下游河段，是由于上游河流比降大，流速快，矿物溶蚀速率较高的缘故。

  • （3）悬移质泥沙的总碳汇能力从上游到下游呈逐渐降低趋势，说明河流泥沙在向下游输移过程中消耗了CO2，具有一定的碳汇功能。1 t悬移质泥沙从寸滩输送入海要消耗0.060 t CO2，非永久性碳汇能力（C2）与总碳汇能力变化趋势一致，从源头到河口呈逐渐降低的趋势，硅酸盐矿物对应的永久性碳汇能力（C3）碳汇能力沿程变化不大。河流泥沙输移过程中硅酸盐矿物溶蚀轻微，碳酸盐矿物溶蚀强烈，总碳汇能力的沿程变化主要是碳酸盐矿物溶蚀的贡献。寸滩—大通河段1956~2000年期间泥沙输移过程中钙镁矿物溶蚀产生的总碳汇、非永久性和永久性碳汇量分别为2572万t/a、1700万t/a和872万t/a。

  • （4）由于水电工程建设和生态环境改善，水土流失减轻等原因，2001年后，三峡水库库首寸滩站与下游大通站河段的输沙量均急剧减少。由于输沙量减少，总碳汇量、非永久性和永久性碳汇量，相应分别减少了1852万t、1224万t和628万t。三峡水库2003年6月~2017年12月，年平均淤积量为1.145亿t，三峡水库拦蓄泥沙损失的总碳汇量、非永久性和永久性碳汇量分别为：675.6万t、446.6万t和229.0万t。2018年三峡电站年发电量突破1000亿千瓦时，相当于节约标准煤0.319亿t，减排二氧化碳8580万t。三峡水库拦蓄泥沙减少的总碳汇量只相当于三峡电站发电减排CO2量的7.9%。

  • （5）目前全球河流入海年输沙量126.1亿t，以寸滩—吴淞口河段的碳汇功能0.060 t/t计，河流输沙的总碳汇量7.57亿t，相当于全球岩石风化碳汇总量10.56亿t CO2的71.6%。河流泥沙输移过程中（岩石异地风化），泥沙颗粒的相互碰撞、磨蚀和水流的搅拌作用大大促进了矿物溶蚀，溶蚀速率大于源地风化是可以理解的。与未受人类活动影响时期相比，全球入海输沙量减少约10%，相应碳汇损失量0.757亿t，不足三峡电站一年发电减排的CO2量。

  • 注释

  • ❶ 长江水文网.2019.2019年长江泥沙公报.

  • ❷ 第一工程机械网.2018. 三峡水电站年发电量首破一千亿千瓦时相当于节煤3000万吨. https://news.d1cm.com/20181221101115.shtml.

  • 参考文献

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  • 基本信息

    DOI: 10.19762/j.cnki.dizhixuebao.2022055

    基金信息

    本文为国家自然科学基金项目(编号41873025)；
    中国科学院战略性先导科技专项(编号XDA23040202)联合资助的成果；

    引用信息

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    稿件历史

    收稿日期: 2022-01-06

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