文献总结 | WR：浑浊河流细泥沙驱动硅向河口输移和沉积

文摘 2024-04-16 16:29 北京

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研究背景

RESEARCH BACKGROUND

河流输沙变化是陆海地球化学循环的重要组成部分，并进一步影响浑浊河流的地球化学元素通量。浑浊的黄河具有较强的吸附活性硅的能力，从而影响河口硅的沉积。目前关于河流和河口硅输移的大多数研究仅限于监测和分析硅的含量或根据国际惯例估算硅通量。研究河口硅的沉积过程与泥沙输运之间关系的最佳方法尚不清楚。因此，确定这些变化背后的机制对于制定可持续管理河流的解决方案至关重要。

研究方法

1.样品收集

使用抓取式采样器从黄河干流沿线18个代表性地点采集了0至5 cm深度的地表泥沙样本。干流站点以干流沿线土壤侵蚀区及其对应的水文站为基础，分为WES区(H1 ~ H5)、WEV区(H6 ~ H9)、HEV区(H10 ~ H13)、HES区(H14 ~ H18)。根据行业标准中国SL 190-96将土壤侵蚀等级划分为7个等级，分别为:轻度水蚀(HES)、中度水蚀(HEM)、剧烈水蚀(HEV)、轻度风蚀(WES)、中度风蚀(WEM)、剧烈风蚀(WEV)和冻融侵蚀(FTE)。泥沙岩心样品分别用Beeker取样装置和岩心取样器采集。

2.样品分析

采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)分析了河流水和孔隙水中溶解性硅的浓度。使用激光粒度分析仪测定干燥后未筛分的泥沙的粒度分布。对泥沙样品进行预处理，去除有机物和碳酸盐。采用四阶段顺序萃取法分析泥沙中的硅形态。利用激光诱导击穿光谱评估总硅(TSi)、铝、铁和磷含量。

研究基于Ding et al 提出的泥沙-孔隙水界面溶解性硅扩散通量计算方法：

由于物质在上覆水和泥沙中的运移过程不同，视扩散通量(Fd)取上覆水和泥沙中Si向泥沙-水界面的扩散通量之和。

3.统计分析

土壤侵蚀数据来源于中国科学院资源与环境科学数据中心。采用SPSS(20.0.0版)进行统计。泥沙负荷数据来源于《黄河泥沙公报》。采用单因素方差分析(ANOVA)和事后最不显著差异(LSD)检验对环境介质中硅浓度的差异进行评估。

研究结果

1.大陆架内的土壤侵蚀和沉积特征

在大陆架上，风和水力侵蚀过程主要驱使硅通过河道向海洋迁移。大陆侵蚀的强度和类型各不相同，主要分为轻微水力侵蚀(HES)、剧烈水力侵蚀(HEV)、轻微风蚀(WES)、剧烈风蚀(WEV)和冻融过程侵蚀(FTE)。来自河道沿线水文站的观测表明，最脆弱的区域位于HEV区，其携带的泥沙负荷最高。HEV影响区域的平均泥沙粒径为60±21.1 μm，超过了HES、WES和WEV影响区域的平均泥沙粒径。河床泥沙中TSi含量反映了侵蚀区域的类型和强度。

图1 (a)黄河流域土壤侵蚀格局和采样地点 (b)不同水土流失地区水文站泥沙负荷的时间变化 (c)不同土壤侵蚀区河床泥沙的中位粒径(Mz) (d)不同土壤侵蚀区河床泥沙中总硅浓度(TSi)

2.大陆土壤侵蚀对硅迁移的影响

由于生物活动的影响，不同侵蚀区河床泥沙的交换性硅(ex-Si)分布随TSi含量的变化而变化。河床泥沙中TSi含量在WES影响区域最高，ex-Si和DSi浓度在HES影响区域最高，分别为2.21 g/kg和3.35 mg/ L。

在不同形式的ex-Si中，IMOF所占比例最大，是ex-Si的主要形式，通常与Fe-Mn氧化物结合，其次是OSF、CF和IEF。此外，SPM中所有形式的ex-Si含量都超过了泥沙中的ex-Si含量，细颗粒由于其较小的尺寸而吸附了更多的硅。

图2 (a)不同土壤侵蚀带交换性硅和溶解性硅的分布 (b) SPM和泥沙中不同形态的ex-Si含量 (c)室内实验中不同形态ex-Si的吸附浓度 (d)不同形态的ex-Si与粒度和地球化学元素含量的相关性分析

ex-Si不同形态与参数的相关性分析包括粒度和常见地球化学元素在内，IMOF与OSF以及总体ex-Si含量之间存在显著相关性。由于大量的人为干扰，在人类活动密集的地区，以及在轻度侵蚀地区和河口环境中，河流泥沙中磷、铁和铝的浓度往往会升高。

3.从大陆架到河口的硅的地球化学影响

河口沉积物岩心中TSi含量中值为277g/kg，比陆架表层沉积物低9%。拦河坝平均清除了河流系统中21%的活性硅。当硅被拦截时，氮和磷水平的持续升高对硅藻的增殖施加了限制。

在陆架和河口沉积物岩心中，ex-Si的比例和含量均表现出显著的线性相关性。线性关系的斜率代表了陆架与河口沉积物岩心间TSi含量的变化，定量表明陆架的TSi含量高于河口。

图3 (a)大陆架和河口沉积物岩心之间的TSi、ex-Si、孔隙水硅和溶解性硅的浓度水平(b)大陆架和河口沉积物岩心中ex-Si与总硅含量之比与ex-Si含量的关系 (c)陆架和河口中ex-Si与硅磷比的关系

陆架沉积物Si/P比值(2.22±0.4)的变异性高于河口(2.1±0.2)。长期观测表明，Si/P比值的下降与河道和河口硅藻群落的减少有关，并抑制了河口浮游植物的生物多样性。

沉积物岩心中ex-Si含量与泥沙性质的相关性分析表明，ex-Si含量与粘土和粉砂的细粒含量呈正相关，表明沉积物的细粒含量主导了ex-Si沉积。

图4 (a)沉积物岩心中不同形态ex-Si含量与环境因子的相关性分析 (b)沉积物中的硅与环境因素的冗余分析 (c)五层中溶解硅扩散通量、ex-Si含量和溶解性硅浓度的垂直分布

4.河口的硅含量对环境的影响

近年来，黄河输沙量有所减少，同时细颗粒比例有所增加。相关研究发现，黄河输沙的大颗粒泥沙比例下降，细颗粒泥沙比例相应增加。

细颗粒含量的增加导致河口泥沙中硅储量的耗竭，影响河口营养结构的长期稳定。因此，维持跨区域硅平衡变得至关重要，这不仅涉及减少大陆架侵蚀，还涉及调整泥沙运输调节。应优先采取坡地还田和保护性耕作等水土保持措施作为源头控制措施。此外，水沙调节应以适当增加泥沙负荷为目标，到达河口，截留细沙，平衡河口生态系统中硅的营养功能。

总结讨论

在本研究中，考虑到土壤侵蚀和硅质沉积通量的变化，对黄河至河口的泥沙负荷和硅含量进行了跨区域的调查。通过监测数据库、野外采样、室内模拟和历史水文资料相结合，综合分析了河流和河口硅的环境影响。确定了陆架和河口环境中的硅与泥沙负荷的关系。加强对河口的硅迁移的了解对于预测当前和未来人类和自然因素对全球硅循环的响应至关重要。

✎ 编者注

以上总结仅代表个人对论文的理解，仅供研究参考所用，不用于商业用途。若上述理解内容有误，请以论文原文为主。未经同意，禁止转载。

原文链接 ↓

https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121464

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湖泊遥感与智慧流域创新团队，主要围绕湖泊开展历史重构、现状观测和未来变化模拟等模型研制和应用实践工作，并在流域尺度开展大数据智慧管理平台研究，保障湖泊水质安全。团队拥有博士和硕士导师4人（段洪涛，罗菊花，刘东，谭振宇），可分别在中国科学院南京地理与湖泊研究所、西北大学以及南京信息工程大学（国科大南京学院联合培养）等招收博、硕士研究生，欢迎报考！同时，长期招收联合培养研究生，欢迎咨询！

联系人：段洪涛研究员，htduan@niglas.ac.cn。

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