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288 生 态 学 报 l 5卷
1．2 水系统碳输运的计算玎法
理论说明：①碳在河流中以 4种形态存在，即气态(cO )．无机离子 态(cO 和 HcO )、
水藩有机态和悬浮态。②这四种形态的碳、有着不同的源一汇机制。气态碳主要来 自径流对大气
CO 的卷吸和对土壤中 CO 的侵蚀；无机离子态和水溶有机态来自地下水和地表水中的可溶
眭碳化物部分；悬浮态碳则来自土壤和风化岩中碳化物的非溶部分。另外，人类废水对河流的
水溶态碳和无机态碳也有相当影响，本文研究碳输运时，将对气态碳单独讨论，而把无机离子
巷、水溶有机碳和悬浮碳与土壤一泥沙问题联系起来作统一处理 。④在河流中，无机离子态、水
溶有机态与悬浮态碳之间会发生化学形态的相互转化。但它们遵守质量守恒定律 ，即总量(无
机离子态碳+水溶有机卷碳+悬浮态碳)保持不变。④黄河水系水生生物的生产力和生物量，
不会直接影响水系的碳输运。它f]x,J水系的碳化学成分的影响可以由水化学监测数据反映出
来 由于黄河干流的水生生物的种类和数量极少⋯．所以，它们对干流水化学的影响可以忽略
不计。⑤关于黄河干流水一气界面的 co：交换 在稳态条件下，一个水生生物极少的淡水河流．
可以视为处于非源q~-／V的中性平衡状况。在全球碳循环研究中．河流的水 气界面的 co。交换
基本上忽略不计 ： @本模型采用水系稳态假设。因此 ．本文采用的水文和水化学数据为多年
统计平均值 {河流碳库的变化 凸( 仅表现为河床泥沙沉积的碳量变化 △ ；对于区段子流域的
土壤流失状况和用水状况 ，可以用统计平均数据计算这些稳定的碳“源”或碳“汇”的通量。⑦在
河流的 4种形态碳的浓度数据中 ．气态、无机离子态和水溶有机态碳的数据是 己知的实测量，
而悬浮态碳刚是未知的待计算量 计算悬浮态碳是本计算方法的核心和关键。
在己知黄河水系干流站的水文和部分水化学参数、子流域流失土壤的含碳率等隋况下，一
个区段的各形态碳输运的计算流程框图见图 2．其相应计算方法列于表 1。
2．黄河水系和流域的区段划分和碳输运计算数据
2．1 黄河水系和流域的区段划分
黄河水系的碳．主要来自流域的土壤流失。它在水系中的输运，取决于流域土壤的流失状
况、水系的泥沙沉积状况，以及流域的用水状况。为了到划黄河水系碳输运时河流和流域碳库
的；孽啊．我们根据上述三项内容，把黄河水系和流域分为 9个区段 ．即
【、河源 唐乃亥段 ； Ⅱ、唐乃亥一兰州段 ；
、 兰州 安宁渡段 ； Ⅳ、安宁渡 河 L1段 ；
、 河口 龙门段 ； Ⅵ、龙 门 三门峡段 ；
Ⅶ、三f1城 花园口段 ； Ⅶ，花园口 络 口段；
、 洛L】 利津段
当一些 ￡要土壤流失区段内部有着多螽不同输碳状况的支流时，为了更准确地表达区段
的磁输运，将对泼区段按不同类型支流作进一步划分，黄河水系和流域的区段划分见图 3。
上面 9个区段大致分为3类：第一类为清流段．它包括第 【段 ；第二类为土壤流失段，或者
说其土壤流失量远超过泥沙沉积量，它包括第 Ⅱ、Ⅲ、V，Ⅵ段 ：第三类为泥沙沉积段或者说其
泥沙沉积量大于土壤流失量，它包括 IV、Ⅶ、Ⅷ、I×段。
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3期 待嵩龄等：黄河水 系对流域碳分市的影响 2 0
表 1 区段模型的碳辖运计算方法
Table I Contents of the algorithm
程序 计算内容 h
em s
教学 者述式 附 注 N
otes 代 号 Fornlu[a
区段河 流 ^ n的千 流站 气 、 气苍 (’] 一 Q
无机离子态和水溶有机志的 尢帆离r志 ( 一 Q
璀}旨凡 量 水培 有机苍 ( 一 0
{
区段河流出口千流站气志、尢 ( 一 ．
机离 子 志 相 水 溶 有 机鸯 的 碳 无机 离 F卷 ( 一 0
辅 出量 。 水溶 有机 态 ( 一p n
在束知净土壤流失量 S⋯ 的情况下 町借
助 河 流 中汜沙 牛成量 △s 求 得 ：△s‘一Sou
B 子 流域 ￡壤 的碳 流 失量 ( — ·Si， s 一
为土 壤r}1可溶性 物质 比率 丰文 为
但 小 ，故 令 S’⋯ 一△s‘ ⋯此 4 m 筹 ，
将 在后支 ij论 。
— —
一 。。
无机离子志 一警 运回子流域土壤的碳量
c =等 署詈肆 ： 班藩有机苍
C
悬浮 ( =等 一
(、 一 ．r{． _土 in f~l 粤 区段泥沙沉积的碳量
一 f ItJ
,RI 1 S = S in ： 量袅
f ：∑(、 ( 一
D 区段河流 出 口下漉站的 息浮碳 输出量
C⋯ ～ d( 一 。乙 (
— —
4
E 区段河流于；氚站的 碳通量 (’ ∑(’ J—l，2，3，4； 为十流站1
— —
河流段对于流域土壤碳库的影响 ’ 一l∑c 1一C— 不包括河库碟扼 。 F
河流 肘 段 J．壤 陵库 的 响 d巴 一 + ( 乜十 f 胙 磷 札 吐
符 导说 明 ：
主符号
f 碳 量
( 踹 量变 化 量
S 泥水量，上壤流失量
q 水量、流量
P 含碳 率
d 河 流中 沙生成 量
AC：change of C storage
S：erod~~【soiI flux
Q ：⋯ 0[f
P C ㈣ t nt of soi】
1
i 碳 的化 学形态
1 气志 碳
2 无机离子志碳
3 水 溶 有机志 碳
4 悬 浮 态碳
计算中的过鹾
1 gaseo口s catbo at
2：dissolved inorgahie e~bon
3：dissol red arganie carbon
4 suspended ca rbon
tt0：a【
标
Ln ^ 口干流站
0口 L1十流站
1i,I沆 栝河 J
r流 域 壤 ( 乜恬 J
。 【t垃 L壤(乜惦河床)
⋯ 山 沉域 士壤输 凡河
一 河流逗 产 域
沙配积
SubsriDl
Ln ：ljlD口’
⋯ 0utDu
=s：river section
：soi【of⋯ b hasm
s r flux from sub basinto rlvel
fiux from river t0 sub ba in
sd s L_f sedimen~
I： vet sect⋯ oT atn
trca ：l ⋯ t __n
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290 生 态 学 报 l5卷
围 2 区段模型的碳输运计算流程框田
Fig．2 Flow chart of the algorithm for computing the river section model
一 一 边 ，}矬 P~bundaryIine
⋯ ’ 区 ，}缱 Hnun ry t)f I
图 3 黄河术系和流域的区段划分
Fig．3 Section dividing 0 Yel Low River system and its basin
l 唐乃亥 I·兰州 _．安宁疰 N 河 口 V．龙门 Ⅵ．-f3峡 花园口 Ⅶ 洛口 Ⅸ．刹津
2．2 黄河水系碳输运计算的数据
计算所的各类数据．列于表 2、表 3。
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3期 徐嵩龄等 黄河水系对流域碳分布的影响
表 2 黄河水系各区段干流站 的水文 、泥沙和水化学数据
Table 2 Hydrological and i~ater~helnlstrlal data ot alinstreara stltlo~ts
区段千流站 年径流量 ⋯ ⋯
碳的水化学数据 Data of wate r"chemistry
年{醇^量 [)1C D0C
Runoff S L【t t~ansportation 气卷碳 GC 总离子戢 Maitlstream 无机离子志碳 窖解蛩有机苍碳 0 S
T0taI ns
l0 m0 l0lt (g／m ) 时
(g／m。) (g／m ) (g／m )
唐乃 衰 200 0 0 Il 12 0 293．3 668．0
兰 州 337 7 1 14 0 68 200．O 1 8 346 2
安 宁 蘸 324 7 2．04 6 1 l98 3 5．45 378 8
河 口 249 2 1．j3 39．5| 207 6 6 4 498 8
把门 327 9 I1 0 7．2l 228 5 2-16 489．3
三 门蛱 416 6 13 2 4 0 209．3 2 52 457．6
花园口 484 3 l3 0 19．35 198．9 4 98 464．7
浩 口 482 8 l1．3 9 16 175 O 7．9 387 2
利 滓 467．1 11．0 2 65 1 95．9 0 7l 400．g
表 3 黄河水系各区段子流域的用水量 和
土壤含碳率
TAMe 3 Data ofwater ust and ctrb0n∞nent
solI tor Lb basins
甩水量 土壤古碳率
区段 子 流域 Warer USe C．co~telt 0f so Ll
Sub—basins
l0Bm ( )
河源一唐乃亥 4．08
唐 乃衰一 兰州
兰州一 安宁茬 l3 0
安宁蛙一河口
河 口一 龙 门 1 84
2．37(渭泾 河流域 1 龙门
一 三 门蛱 l8．07 3
． 21(柑河流 域 )
2 43(伊谘河流域 ) 三门蛱
一 花园 口 3
． 21(沁河流域 )
花园口一洛口 l7 2 2 43
洛口一利津 l5．7
*这里指黄河干漉区段的甩水量．表中未标明数值者，意
味着年径流量中已将此值击除
*Item~without a f ⋯ f wate~～ imply that its value
】s not s。big and corresponding runoff here has be deducted by
the va]ue
即
数据的选用作如下说明：
①表 2中的水文和水化学数据为经过处
理的统计平均值。
②表 2的 BOD数值用来计算河流中可
溶性有机碳含量。BOD与可溶性有机碳之间
的转换系数选为 2．0
③表 3中各区域子流域流失土壤的含碳
率是 如下方式确定的：
i)各类型土壤的含碳率可以采 用土壤
“总碳 的数值 。总碳为土壤有机碳与无机碳
之和 它们可以通过下述方法求得： >有机碳
可根据土壤有机质含量求得(它与有机碳的
转换系数为 0．8)．也可根据土壤 的全氮和
C／N值求得 ，①无机碳，可根据 土壤 中碳酸
盐量(如 CaCO ，MgCO：)求得(它们与无机
碳的转换系数为 0．12和 0．1 4)。
i)区段子流域流失土壤的平均含碳率，
是根据子流域中各类型土壤的面积及其含碳
率，进行加权平均计算得到的，
(4)
式 中P 为区段子流域流失土壤的平均含碳率， 为 i型土壤的面积(不包括灌淤形成的
土壤)，P 为 i型土壤的含碳率 。
④为了计算各干流站悬浮态碳输运量，本文对第 1区段唐乃亥站悬浮态碳输运量值选为
3．0×10jt(第 T区段土壤的碳流失量约为 4．5×10 t)。这一估计误差的影响将在本文第五部
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292 生 态 学 报 15卷
分加以讨论 。
⑤为了便于比较并说明各形态碳输运的总效果，本文对 CO 、cog一、HCO；和 SOD分别
以 0．27，0．20，0．1 97和 0．5 的比率转化为净碳量。
3 结果和误差分析
3．1 结果
黄河水系碳输运对区段河流和子流域碳库的影响+示于表 4和表 5。
表 4 黄河水系各区段干流站的碳输运通量(1 t．／a)
Table 4 CBrboa flux of mainstream statiotts of Yellow river
干 赢站 GC DIC D()C SC Total
气态 无机离子志 溶解型有机杰 悬浮态碳 总量
( q t fj f
唐 乃亥 11．56 0 3 0 18．66
兰州 0 06 13．305 0 30 3】75 4 5．42
安宁援 0 54 1 2．686 0 88 55．67 69．78
河 H 2 69 1 0．2 0 80 2．43 55 12
龙门 O 65 】4．77 0 35 212 56 22S 33
三 门峡 0 45 17．20 0 52 271 9 290 09
花园 口 2 56 18．99 】21 2B7 39 290 15
洛 口 】2l 1 6．64 】91 233 48 253 24
利津 O 27 8．03 0 07 227 13 24 50
表 5 黄河水系各区段子流域的碳通量(10 t／a)
Table 5 Carbon fhx between su6-basins and Yellow River
土壤漉失碳量 河流返 回土壤碳量 河睐的碳沉积量 河流对区段土壤库的影响
区段子 流域 C f【⋯ f soi】eroded C日㈣ ba k tO⋯b C 口Ux downt0⋯di Change 0f C storage of river
Sub basla from sub basia hasInS sedlon
((一一 ) ((、一 ) ( ) (zlCx一 ( 一 ( 一 )
河源一唐乃衰 4 49 ——4 49
唐 乃裹一 兰州 30．80 —30．S0
兰州一安宁渡 2 5．∞ 1 75 一∞ 88
安宁蛭 一河 口 一 9 66 6 1j + 15 84
河 n一 龙门 17 ．25 一l 74 25
龙门 一 1]瞎 113．89 14 31 37．6P —6】96
三f1峡一 花园 口 9．06 1 L．1 2 +2 06
花园口 格口 0．55 10 2Z 25．88 十35 55
将口一利津’ 0 60 6．2O +6 S0
此为土壤流失为主的区段．茸河床的碳沉积量及河漉返匠土壤的碳量或是很小 ．或是折音到土壤流失量中
+ 此为怩抄沉积量旬主的区段．其土壤流失量巳折音到河床碳沉积量和河流返回土壤的碳量之中
Sections main] affected by erosion． ts C flux back t0 the sub basln and ／0T down to sediment are rather sD】a【1日nd
has been considered in computing C fwx of erosion
+ Sections malal affected by sediment．Its C flux of erosion has been consldered Ln computing C—flux dowa t。sedl
merit and back tO sub basin．
3．2 误差分析
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3期 馀嵩龄等：黄河水 系对流域碳分布的影响 293
计算误差有 3类：①区段的 c。和 c。的计算误差，由于它们直接依据水文资料．所以误差
亦属实测数据的统计误差；②区段 c 的误差 ，它不仅有 BOD的实测统计误差．还有选用的
BOD／C的转换系数(它不是实测结果)引起的误差．但鉴于 c。在碳输运总量 中所占份额很少
(<1 )．故影响可以不计；③区段 c‘的计 算误差，这是本文最重要的误差 ，下面将逐一讨论 4
种因素对 c 计算的影响。
3．2．1 流失土壤中可溶性物质的比率(n) 本文中设( )一O，其主要理由是 ．河水在黄河水系
的首区段经历了一个由天然水转化为地表水的过程，在这一过程中，土壤可溶性物持质较多地
溶入水中．以致在以后诸区段中．虽有流失土壤的加入，但水中可溶性物质浓度变化不大。实际
情况也证明这一 电，n值可以用(区段河流总离子量的增量)与(区段河流泥沙量的增量)之比
近似确定( 应不超过此值)。这样．各主要土壤流失区段的 n值为： 。=0．0067．“ 一0．0023，
n 一0．0065，它们均小于 1 ，所以，可以认为，本文计算将导致对流失土壤的低估，但相对误
差不超过 1％。
3．2．2 流失土壤的含碳率(P ) 本文未能考虑土壤中可溶性碳对 P 的影响 一般来说．由于
土壤中可溶性碳会优先进入水体．故可能导致流失土壤的含碳率高于未流失土壤和对 P 的低
估 如果以稳态的水土流失考虑 ．可溶性碳对 P 的影响将不大。
3．2．3 起始干流站(唐乃亥站)悬浮态碳输运量的影响 这是一个指定值。从理论上讲 ．它的
真实值应小于该区段流失土壤的含碳量(4．5×1O。t／a)。我们可以据此估计这一指定值的误差
对以后各区段悬浮态碳输运计算的影响。由于唐乃亥站悬浮态碳在总碳输运中的份额不超过
0．191，在第 Ⅲ、～区段不超过 0．119，在第 V区段不超过 0．0263，在第 Ⅵ区段不超过 0．00174，
在第 、Ⅷ和 Ⅸ区段不超过 0．01 7。这样 ．完全有把握认为，唐乃亥站指定值的误差对本文计算
的各干流站的悬浮态碳输出量的影响(即相对误差)，同样小于以上各值。
3．2 4 用于计算沉淀碳量和返回子流域碳量的 ，c 和 Q 本文对这 3个参量的计算采
用 丁两种方法(见表 1中 B栏和 c栏的附注)。它们的真宴值应当介于(入口干流站)值一(土
壤流失)值与入口站值之间。本文的计算，可能导致对泥沙沉积碳量和返回子流域土壤碳量的
稍微高估，但这种高估的误差不超过 5 。
4 讨论
4 l 在黄河水系的碳输运中，不同形态的碳表现出不同的输运特征。它们的输运量愈到后来
愈明显地表现 出不同的量阶：气 态(CO )和水溶 有机态(BOI))为 10 105t／a，无机离子态
(COj 和 HCo。)为 1 Ot／a．悬浮态为 lO t／a 在黄河终端前一站(洛口)，各形态碳输运量排序
受 所 占比例 为：悬浮态 (91．99 )> 无 机离子态 (7．5 )> 水溶 有机 态(0．75 )> 气态
(0．49 ) 这比长江水系的碳辅运 ”形成明显对照。它表明黄河水系的碳输运量主要是悬浮碳
的输运决定的 这也意味着．利用悬浮态碳和无机离子态碳这两个参量，就可以基本表示黄河
水系的碳输运特征。
4．2 黄河水系的无机离子志碳的输运量．明显地表现出与土壤流 失状况和产流状况的相关
I生。 各站无机离子态碳输运量(c )与该站泥沙量( )和流量(Q)的关系，可以表为如下线性
函数 ：
C 一 0 2204S + 0．2997Q + 4．7012 (5)
该函数的相关性为 R 0．9589
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2g4 生 态 学 报 1 5卷
此外．各站悬浮碳输运量(c‘)与该站输沙量(s)的关系亦可表示为线性回归方程(6)式
C 一 1．9365S + 1．2180 (6)
该函数相关性为 R-0．9985
式(5)和(6)意味着本文关于黄河水系各站的两个最主要碳输运参量．无机离子态和悬浮
态．可以由式(j)和(6)并根据常规水文监测数据计算求得。
4．3 黄河流域土壤流失总碳量为 368．74×l0 t／a。其中的 33．5o ，即 123．51×l0 t／a．用于
水系子流域碳库之间的调节。具体地说，黄河水系的第 1、1、Ⅲ、V、Ⅵ区段的子流域为碳输出
之“源”它 们的净碳输出量(×10st／a)分别为 14．56，30．80，23．88，1 74．25和 61．96；水系的第
Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ和 Ⅸ区段为碳输入之“汇”，它们的净碳输 入量(×10s,／a)分别为 15．81．2．06，35．55
和 6．8O。黄河水系的流域的这一碳源和碳汇的空间分布模式与它的土壤流失和泥沙沉淀模式
是一致的。黄河入海的碳输出量(非CO 态)245．23×10 t／a，占土壤流失碳总量的66．50 ，从
而成为黄河入海口近岸海域的主要碳源。
致错 ：中国科学院地理 研究所王明远先生在整个论文准备阶段精 于了资料支持．颜昌宙先生和刘昕女士进行了文字处理工
作 特此致姑!
参 考 文 献
中国科学院动物所鱼类组与无脊推动物组 黄河渔业生物学基础初步调查报告．北京：科学出版杜．1959
Frablka J R a／Atmospheric CafboⅡDmx~e and the Glob~【Carbon Cycle．Chap．2／5．7．and 8．Depar~aant 0 Energy．
USA ．W asMng~en D C ．1985
水利电力部，中国水资源评协．北京．水利电力出版社，】987
水利电力部水文可．水文年鉴(黄河卷)，1958 I 983．北京 木利电力出版社
水利电力部木文司．中国水文特征值，北京：水利电力出版杜，1980
侵索珍等．黄阿上游来水来沙持征及宁蒙河道冲淤情况的韧步分析．黄河流域环境演变与水抄运行规律研究文集(一)、
左大康主编 ，北京 地质出版社 ．1991。
熊救．李庆建主编．《中国土壤 、北京：科学出版祉．1990
刘末生等．黄河中游黄土．北京 科学出收社，1964
于明远等 ．长江碳、氯、磷、硫输送量研究，化学元幕的水环境背景值研宄、章申等主编．北京：测绘出版 社，I 990、1盯一
j 31．
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3期 徐嵩龄等j黄河水系对流域碳分布的影响 295
THE INFLUENCE 0F YELL0W RIVER SYSTEM 0N THE CARB0N
DISTRIBUT10N oF THE RIVER BASIN
Xu Songling
【’| “ ,arch Arddemy c，f E．n⋯ ntal Sole |c ．Beif g
Fang Jingyun Liu Guohua
(Re．1ear,h Coter jot Eco E~z,irmrmemat Silences．Academia SiniLa Belting，lO0O85)
This paper analyses the characteristic vaIues of carbon transfer in Yellow River，based
on a river—section model and relevant hydrologic．sol】erosion+Hydro Cmical data+The re—
suits show that：the suspended carbon and inorganic—ionic carbon are main components of the
C—transfer+and its value depend on erosion and runoff status and cal be shown as regressive
functions of high interrelationship．A source—or sink function of SUb-basin depends on the net
effect of relevant erosion and sediment．In detaiI．the sources of the C—transfer are from the
River head tO Anningdu and from Hekou tO Sanmenxia and the sinks are from Anningdu to
Hekou and from Sanmenxia tO Liiing．The paper also presents a comparison between two
sorts of C transfer respectively by the River and by the vegetations of the River basin．The
resuIts show that：sub basin III(from Lanzhou to Annin gdu)+V (from Hekou tO Longmen)
contribute as net sources of carbon biogeochemical cycling+the sink functions are weakened
and the source functions strengthened both on sub—basins I(from the river fountainhead to
Tangnaihai)+II(from TangnaihaitO Lanzhou)。and Ⅵ (from Longmento Sanmenxia)，andthe
sink functions are strengthened and the source functions weakened both onsuh—basins Jv
(from Anningdu tO Hekou)，vI(from Sanmenxia to Huayuankou)，Ⅶ (from Huayuankou to
Laokou)，and IV(from Laokou tO Liing J．
Key words：Yellow River system ．carbon transfer fiver—section model source—or sink func
tion．
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