水文循环与流域特征解析

# 水文循环与流域特征解析 ## 1 气候变化对水文循环的影响 全球气候变化对水文循环产生了多方面的显著影响： - **海平面上升**：平均海平面约上升 50 厘米，这对人口密集的沿海地区造成诸多后果。目前，有 16 个人口超 1000 万的城市位于沿海地带。 - **极端气候加剧**：极端气候条件放大，表现为更多风暴、更长的干旱期以及严重洪水发生频率增加等。 - **降水模式改变**：冬季降水增加，夏季降水减少。 从本质上来说，气候变化会使大气中温室气体增多，增强对红外辐射的吸收，导致地球表面温度上升。这会引发整个水文循环的变化，尤其会加速蒸发过程，进一步加剧温室效应，还会改变全球大气和海洋的环流。 ## 2 碳循环相关情况 ### 2.1 水圈中的碳 碳在液态环境中以有机和无机形式存在，可溶解或呈颗粒状。海洋包含了地球表面约 98%的可移动碳储备。大气和水中碳的分配与 pH 值以及海洋表层（约 300 米深度）无机碳总量密切相关。海水中二氧化碳含量受植物代谢和生存环境影响，依赖于与大气的平衡、可溶与不可溶碳酸盐的平衡等物理机制，以及光合作用、有机物呼吸和分解等生物机制。需要注意的是，海水二氧化碳含量与 pH 有关，而淡水则不同，淡水二氧化碳含量随温度升高而降低。海水 pH 维持在 8 - 8.3 之间，若光合作用特别强烈，pH 可升至 9。水中的 CO₂与海洋中的 CO₂通过碳酸盐和碳酸氢盐的解离链相关联，该解离链分两部分，第一部分是二氧化碳解离和碳酸形成（反应缓慢），第二部分反应相对较快，体现了 CO₂量的自我调节机制。 ### 2.2 岩石圈中的碳 固体相的碳主要由碳酸盐组成（占地壳碳的 75%），包括方解石 CaCO₃、文石 CaCO₃（晶体结构与方解石不同）、菱铁矿 FeCO₃和菱镁矿 MgCO₃等。含碳岩石的来源有沉积岩（如方解石、文石等）和变质岩。沉积岩由成岩作用形成，主要分为两类，一类 CaCO₃比例高于 60%，另一类在 30% - 60%之间。变质岩是岩石在物理化学条件改变下形成的。岩石圈是最大的碳库，包含煤炭、石油和天然气等化石燃料。煤炭源于约 3 亿年前古生代森林植物残骸在海底或洼地沉积，后被新土壤覆盖形成，含 70% - 90%的碳基物质，包括泥炭、褐煤和硬煤。石油约在 5 亿年前海洋生物分解形成，碳约占其质量的 80% - 90%，生物分解过程中有时会形成天然气，天然气是甲烷 CH₄、丙烷 C₃H₈、丁烷 C₄H₁₀、二氧化碳和其他氢氧化物的混合物，可能含氮或硫化合物。 ### 2.3 光合作用的作用 光合作用和呼吸作用构成的循环在碳循环中吸收或产生碳，是重要过程。大气中二氧化碳的主要产生过程包括碳酸盐的生物或矿物沉淀、洋壳玄武岩的风化、生物介质的呼吸或发酵、碳酸盐的变质作用、人类活动和火山脱气等；主要消耗过程有硅酸盐的风化、碳酸盐的溶解、光合作用和碳在化石有机物中的储存。这些过程可分为三个主要循环： - 沉淀和溶解循环 - 呼吸和光合作用循环 - 脱气、沉淀和储存循环 ## 3 氮循环 ### 3.1 氮元素的重要性 氮循环比碳循环更复杂，因为含氮的矿物化合物种类繁多，如分子氮 N₂、六种氮氧化物（如一氧化氮 NO 和二氧化氮 N₂O）、铵离子、亚硝酸根离子和硝酸根离子等。此外，还有以氨基酸或尿素 (NH₂)₂CO 等有机分子形式存在的含氮化合物，它们是人体新陈代谢的组成部分。氮是大气组成的重要元素，按体积占比 78%，作为肥料（如硫酸铵 (NH₄)₂SO₄ 和硝酸铵 NH₄NO₃）以及与生物量的相互作用中起重要作用。但生物量难以吸收氮，这是理解氮循环的主要难点之一。 ### 3.2 不同的氮循环 氮循环包括长、短和极短循环，可分为自然氮生产（从外部引入矿物氮到系统）和再生过程产生的氮（系统内氮的循环利用）。大气主要由分子氮 N₂（约占大气中氮化合物的 99%）和少量二氧化氮组成。在平流层，氮在催化破坏臭氧的循环中起主要作用，涉及反应 O + NO₂ → NO₂ + O₂ 和 NO + O₃ → NO₂ + O₂，净反应为 O + O₃ → 2O₂。大气和水介质之间的交换可通过化学氧化反应和能固定 N₂ 分子的微生物活动实现，如闪电引发的氧化反应产生 NO₂ 和 NO₃，通过降水回到土壤，即酸雨现象，每年每公顷可增加 1 - 10 千克氮。分子氮还可被蓝细菌和某些细菌固定。在海洋中，若沉积物含氧量充足，氮会在海洋和湖泊沉积物中循环，还有反硝化过程，某些细菌将氧化态氮还原，把硝酸盐转化为亚硝酸盐，还可能继续产生一氧化二氮 N₂O 甚至分子氮 N₂。大气和陆地储库之间的交换包括沉积、生物固定、反硝化、微生物生产和工业固定等过程。人类活动在氮循环中作用重大，使其成为高度人为的循环。 以下是大气主要成分的表格： | 元素 | 体积百分比 [%] | 百万分体积比 [ppmv] | | --- | --- | --- | | 氮 N₂ | 78.08 | - | | 氧 O₂ | 20.94 | - | | 二氧化碳 CO₂ | 0.033 | - | | 氩 Ar | 0.934 | - | | 氖 Ne | - | 18.18 | | 氦 He | - | 5