自然資源部巖巖溶動力學重點實驗室

巖溶區水體水氣界面碳循環研究取得新進展

2019-08-29 793

近日,自然資源部中國地質調查局巖溶地質研究所,自然資源部、廣西壯族自治區巖溶動力學重點實驗室在巖溶區水體水氣界面碳循環研究方面取得新進展。

巖溶區水體水氣界面碳循環是受到廣泛關注的全球內陸水體水氣界面碳循環的重要組成部分,也是巖溶作用碳循環研究的重要內容,是定量準確評價流域巖溶碳匯效應的關鍵。但由于水體水氣界面碳交換存在高度的時空異質性,使得準確量化水體水氣界面碳通量存在著極大的不確定性和面臨巨大的挑戰,也給巖溶碳匯的準確評估帶來極大的困難。針對上述科學問題,在國家自然科學基金,地質調查項目,廣西自然科學基金,基本科研業務費項目的支持下,巖溶所蒲俊兵研究員團隊利用自主設計的浮游靜態箱和薄邊界模型法兩種方法,分別選擇巖溶地下水補給的溪流、水庫和流經巖溶區的大型河流作為研究區,進行不同時空尺度的野外監測研究,獲得了新的科學認識。

對流經巖溶區的大型河流(桂江)的25個斷面的監測研究表明,桂江水氣界面二氧化碳交換表現出顯著的季節和空間變化。桂江流域全年總體上為大氣二氧化碳的源,但是在冬季,由于水生生物代謝過程和碳酸鹽緩沖體系的影響,二氧化碳脫氣受到極大的限制,甚至表現為大氣二氧化碳的匯。由于在冬季二氧化碳脫氣受到極大的限制,使得二氧化碳脫氣占到流域無機碳通量的20.1%,形成了每年12.8萬噸碳的碳匯通量。對以巖溶地下河為主要補給的(補給量占90%以上)的大龍洞水庫的研究表明,大龍洞水庫水氣界面二氧化碳交換量表現出顯著的季節變化和晝夜差異。大龍洞水庫類似湖泊的“熱分層效應”控制了二氧化碳脫氣量的季節變化,在“熱分層效應”顯著的夏季,二氧化碳交換量受到抑制且出現顯著的吸收大氣二氧化碳的現象。相反,在冬季水庫發生混合時,水庫水氣界面發生強烈的二氧化碳的脫氣,其脫氣量最高。此外,在“熱分層效應”顯著的夏季,二氧化碳脫氣量晝夜變化差異較小,但是在翻庫期間,二氧化碳脫氣量晝夜變化差異較大。對以巖溶地下河為主要補給的(補給量占98%以上)的官村地表溪流的4個斷面的研究表明,官村溪流水氣界面二氧化碳交換表現出強烈的空間差異性,在1.3公里的距離內,二氧化碳交換量從源頭的423.4毫克每平方米每小時急劇下降到最下游點的257.0毫克每平方米每小時,說明在巖溶地下河-溪流的體系中,當巖溶地下水轉移到地表后會發生強烈且迅速的碳排放。官村溪流每年向大氣釋放21.75噸二氧化碳,但僅占流域無機碳損失通量的1.71-5.62%。同時,在官村溪流中降雨期的高分辨率監測研究表明,降雨期間受到水生光合生物新陳代謝過程的影響,溪流仍舊存在溶解無機碳的晝夜變化現象。計算表明,在降雨事件期間,溪流內沉水植物每天通過新陳代謝過程會形成5.6公斤的碳匯量。研究結果對于巖溶區溪流中沉水植物可以穩定碳酸鹽巖風化作用的碳具有重要意義。

上述研究成果,強調了水生光合作用和碳酸鹽緩沖體系在抑制巖溶水體中二氧化碳脫氣方面的重要性,定量評估了具有高度時空異質性的水體二氧化碳交換通量,強調了要準確評估巖溶水體水氣界面二氧化碳交換通量和碳匯量,必須根據其高度的時空異質性特征,改進監測方法,提高通量評估的準確性。該系列研究成果于近期發表在《Journal of Hydrology》(國際TOP期刊)、《Environmental Science and Pollution Research》、《Environmental Earth Sciences》等國際期刊上。

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圖水生光合生物新陳代謝過程和碳酸鹽緩沖體系對巖溶河流水氣界面碳循環過程的影響示意圖

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