发布时间：2022-09-14

作为陆地和海洋之间的重要纽带，沿海河流将风化陆源物质输出到海洋环境，从而影响沿海地区的碳循环和二氧化碳消耗。因此，世界范围内广泛开展了有关陆地风化以及沿海河流溶质来源与贡献的量化研究。随着城市化进程的加速，沿海流域密集的工农业生产活动引发了严重的环境问题，同时极大地改变了流域物质循环，对沿海流域河水的化学组分和物质迁移进行研究具有重要价值。Sr元素广泛分布于岩石、土壤、水体和生物体中，不同体系Sr同位素组成差异很大。较小的相对质量差使得Sr同位素在表生地球化学过程（如蒸发、降水和生物吸收）中几乎不分馏，其变化主要反映了物质来源的差异，因此能够作为岩石风化和不同端元输入的函数，成为研究流域物质风化和物源示踪的有力工具。然而，由于流域环境过程较为复杂，单一同位素无法有效解释流域内发生的各类地球化学过程，需要借助多同位素手段提高分析质量。目前，多同位素主要应用于世界大型河流生态系统中，对于地区性沿海流域的物质来源和人为活动输入贡献尚待研究。九龙江是福建省第二大河，也是典型的亚热带沿海河流，流域内高密度的人口分布和工农业活动显著影响了河流生态系统。因此，有必要对九龙江流域的自然风化与人为影响进行量化。  

基于上述问题，中国地质大学（北京）科学研究院表生环境与水文地球化学实验室韩贵琳教授团队对我国东南沿海典型流域（福建九龙江流域）河水溶解态Sr及其同位素组成进行了系统研究，结合多同位素（C、N、S、O）手段探讨了人为活动加速河流物质风化的可能原因。研究成果发表在国际SCI期刊《Environmental Science and Pollution Research》上，课题组硕士研究生张诗童为第一作者，导师韩贵琳教授为通讯作者。

取得的主要进展包括：

（1）河水溶解态Sr含量的范围为0.084~1.307 μmol/L，稍低于全球平均值。干流北江（NR）溶解态Sr含量范围为0.084~0.903 μmol/L（图1），沿河流流向逐渐减小；两条支流的溶解态Sr含量范围分别为0.356~1.022 μmol/L（WR）和0.399~0.482 μmol/L（SR），其中支流WR的Sr浓度随河流流向略微增大，而支流SR的Sr浓度随河流流向的变化趋势不明显。河水溶解态⁸⁷Sr/⁸⁶Sr的变化范围为0.7089~0.7164，稍高于全球平均值。干流NR的Sr同位素比值较两条支流而言稍高。⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值在干流点位N22（0.7158）和N23（0.7089）附近波动最大，可能原因是位于支流WR、NR汇流附近。采样点N15（0.7162）和N16（0.7108）附近的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值稍有降低，可能代表了一些潜在的贫⁸⁷Sr源。

（2）溶解态Sr主要受降水和基岩风化的影响。结合离子比值关系、相关分析和同位素质量平衡模型等手段，结果表明，硅酸盐岩风化贡献了九龙江干流中溶解态Sr的79%，与低Ca/Sr比和Ca/Mg比值以及高⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值相符。九龙江输入中国东海的总Sr通量约为138.1吨/月，其中干流贡献占到77%以上。河流输送的⁸⁷Sr盈余表明其对邻近海洋中的Sr同位素演化有一定影响。

（3）多同位素分析表明强酸参与了流域内的化学风化，且对九龙江上游的贡献较大。样品点位溶解态δ³⁴S减小的同时δ¹³C相应增加（图2），证实了流域内碳酸盐岩风化过程中H₂SO₄的存在。多数样品的δ¹⁸O值在±10‰的范围以内，可能指示了主要的硝化过程。δ¹⁵N与δ¹³C值呈轻微负相关，而与δ³⁴S没有显著的相关性，表明反硝化作用的影响相对有限。较低的δ¹³C和δ¹⁵N值可能在一定程度上反映了硝酸驱动下的碳酸盐岩溶解过程以及碳氮库中有机物的氧化作用（图3）。由于河流丰水期径流较大，土壤中的有机氮和肥料更易进入沿海河流，从而对河流环境产生显著影响。因此在沿海环境研究中，需更为重视强酸对化学风化的贡献。

图1  九龙江流域干支流河水溶解态 (a)1/Sr与Si/TZ⁺；(b) 1/Sr与⁸⁷Sr/⁸⁶Sr；(c) Ca/Sr与⁸⁷Sr/⁸⁶Sr；

(d) Ca/Mg与⁸⁷Sr/⁸⁶Sr关系图 

图2  九龙江河水溶解态 (a) 硫酸盐混合源；(b) δ³⁴S-SO₄²⁻与δ¹³C-DIC相关性图解  

图3  河水溶解态δ¹³C-DIC值与CO₃⁻，SO₄²⁻，NO₃⁻，(Ca²⁺+Mg²⁺) 关系图解  

该研究受国家杰出青年科学基金项目和国家自然科学基金中泰重大国际合作项目联合资助。韩贵琳教授课题组主要从事稳定同位素（传统与非传统稳定同位素）在大气、水、土壤环境中的应用研究及人类活动干扰下地表生态系统的环境地球化学响应研究。近两年来在以上项目的资助下，相关成果相继在《Water Research》，《Geochimica et Cosmochimica Acta》，《CATENA》，《Agriculture Ecosystems & Environment》，《Journal of Hydrology》，《Science of The Total Environment》等国际高影响力期刊上发表。

论文信息：Zhang, S., Han, G.*, Zeng, J., Liu, M., Li, X., Liu, J., 2022. Multi-isotopes revealing the coastal river anthropogenic pollutants and natural material flux to ocean: Sr, C, N, S, and O isotope study. Environmental Science and Pollution Research 29: 61397-61411.

文章链接：https://doi.org/10.1007/s11356-022-20223-z