黄河最大支流中季节性化学风化和碳消耗的驱动因素

《CATENA》：Drivers of seasonal chemical weathering and carbon consumption in the largest tributary of the Yellow River

黄土高原 Wei River 基地化学风化速率季节与空间变异及驱动机制研究，揭示气温梯度主导的硅酸盐（SWR）与碳酸盐（CWR）风化速率差异，发现北部支流因坡度平缓（水岩作用增强）使 SWR 和 CWR 分别达南部支流的 2.5-5.4 倍和 1.8-2.2 倍，总贡献占黄河流域 CO? 消耗 15-20% 和 7-9%，证实气候与地貌协同控制风化过程。

　　

李亚龙|张飞|王瑾|黄涛|寇佳怡|涂耀珍|金张东

上海师范大学环境与地理科学学院，中国上海200234

摘要

渭河是黄河最大的支流，其流域具有多样的地质、气候和地貌特征，但流域尺度上的化学风化过程及其季节性变化仍缺乏充分研究。本研究整合了整个流域的季节性水化学数据以及气候、土地利用和地貌特征，量化了渭河流域硅酸盐（SWR）和碳酸盐（CWR）风化速率及其相关二氧化碳（CO₂）消耗通量的空间和时间变化。下游主要离子浓度较高，尤其是下游河段，这反映了人类活动的强烈影响；而南部支流的离子浓度较低，表明岩石类型和地貌对风化过程有显著控制作用。来源解析表明，大气沉降和人为输入对主要阳离子的贡献较小，蒸发作用（约55%）占主导地位，其次是碳酸盐（约39%）和硅酸盐（约5%）的风化。化学风化速率具有明显的季节性，夏季高于冬季，主要受温度差异驱动。北部支流的SWR和CWR风化速率分别比南部支流高2.5–5.4倍和1.8–2.2倍，这归因于较缓的坡度增强了水-岩相互作用。硅酸盐和碳酸盐风化产生的CO₂消耗通量分别占黄河总通量的约15–20%和7–9%。这些结果表明，气候和地貌共同对化学风化及河流二氧化碳消耗过程具有显著影响，显示出渭河流域风化过程的显著空间异质性。

引言

侵蚀和风化过程通过土壤蠕动、滑坡、岩石崩塌和河流切割不断改变地球表面，这些现象影响着山区、沿海地区和三角洲地区的农业和土木工程。侵蚀是指从地表移除物质的过程，因此评估其速率对于环境管理和气候变化评估至关重要（Reusser等人，2015年）。总侵蚀通常分为物理侵蚀和化学风化两个过程。物理侵蚀是固体沉积物产生的主要来源（Cendrero等人，2022年），而化学风化产生可溶性物质，并通过负反馈机制调节地球的长期气候稳定性（Raymo和Ruddiman，1992年；Misra和Froelich，2012年；Otero等人，2015年；Kump和Kasting，2025年）。迄今为止，已有大量研究探讨了控制化学风化的机制（White等人，1999年；Berner和Kothavala，2001年；Millot等人，2003年；Gaillardet等人，2019年；Tipper等人，2021年；Deng等人，2022年；Yu等人，2025年）。然而，地貌过程在调节化学风化中的作用仍不明确。陡峭的地形通常会加速源头沉积物的输送，缩短水-岩相互作用时间，从而抑制化学风化；而较缓的地形则减缓了沉积物从高地地区的转移，延长了水-岩相互作用时间，从而增强了化学风化。

黄河是世界第五长的河流，也是中国长度（5464公里）和流域面积（752,400平方公里）第二大的河流，以其极高的泥沙负荷而闻名（Su等人，2023年）。渭河作为其最大的支流，流经中国黄土高原（CLP）的大部分区域。黄土高原是全球最具特色的地貌单元之一，受到东亚季风的强烈影响（Liu等人，2017年）。由于长期的人类活动及其对黄土侵蚀的敏感性，黄土高原的生态环境极其脆弱。因此，许多研究集中在痕量和污染物元素上，这些元素对人类活动和管理实践非常敏感，尤其是在城市化地区（Yang等人，2015年；Yang等人，2019年）。关于化学风化，Jia等人（2021年）基于渭河中的溶解物负荷估算了风化速率。然而，现有研究受到采样点有限和缺乏季节性观测数据的限制。

鉴于渭河对黄河化学成分的显著影响，系统研究整个流域内的化学风化过程及其控制因素至关重要。为此，本研究利用了渭河流域的全季节性水化学数据，并结合了气候、土地利用和地貌特征，旨在：（1）分析水化学特征的空间和时间变化；（2）获取化学风化速率和二氧化碳消耗通量的变化情况；（3）阐明其控制因素。

河流概况

渭河是黄河最大的支流，发源于鸟兽山，向东流约818公里，流域面积为13.48×10⁴平方公里（Yu等人，2016年）。河流最高海拔约为3922米，在潼关汇入黄河（图1a）。渭河的演变受到南部秦岭纬向构造系统和北部祁连-贺兰构造系统的影响，形成了不对称的地貌特征

样品采集

为了研究水化学的空间和季节性变化，我们在2024年湿润季节（8月）和2023年干燥季节（11月）从渭河流域的主干和支流中采集了96个水样。采样点覆盖了流域内几乎所有主要支流，并尽量保持两次采样的空间一致性。采样位置如图1a所示。所有样本均在水面下0.5米深处采集

河水物理化学参数的空间和季节性变化

渭河水的物理化学参数表现出明显的空间和季节性变化。上游河段的pH值略高于下游河段（图2a）。下游河段和南部支流的水温高于上游河段和北部支流（图2b）。主河道中的电导率（EC）从上游到下游变化不大，夏季平均值为844.0 μS/cm，冬季为1220.5 μS/cm

溶质浓度及其来源的季节性和空间变化

渭河中的主要离子表现出明显的空间变异性。对于阳离子，下游河段的浓度通常高于上游河段，而南部支流的浓度显著低于北部支流，Ca²⁺除外（图5a-d）。阴离子也表现出类似的趋势，下游河段的浓度通常高于上游河段，南部支流的浓度低于北部支流（图5e-h）。这些模式可能

结论

利用渭河流域的季节性水化学数据，结合气候、土地利用和地貌参数，我们量化了化学风化速率和二氧化碳消耗通量的空间和时间变化，并确定了其控制因素。主要发现如下：

(1)

渭河中主要离子浓度表现出明显的空间和季节性变化。下游河段的离子浓度通常高于上游河段，而

作者贡献声明

李亚龙：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件应用，研究设计，资金筹集，数据管理，概念构思。张飞：撰写 – 审稿与编辑，研究设计。王瑾：撰写 – 审稿与编辑。黄涛：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。寇佳怡：撰写 – 审稿与编辑，研究设计。涂耀珍：撰写 – 审稿与编辑，资金筹集。金张东：撰写 – 审稿与编辑，资金筹集。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢国家自然科学基金（编号：42530512）和黄土科学国家重点实验室开放基金（编号：SKLLQGFZ2504、SKLLQGZR2304）提供的财政支持。同时感谢王兴坤、刘磊和侯思璐在样品采集方面的协助。