自然资源部岩岩溶动力学重点实验室

岩溶区水体水气界面碳循环研究取得新进展

2019-08-29 2786

近日,自然资源部中国地质调查局岩溶地质研究所,自然资源部、广西壮族自治区岩溶动力学重点实验室在岩溶区水体水气界面碳循环研究方面取得新进展。

岩溶区水体水气界面碳循环是受到广泛关注的全球内陆水体水气界面碳循环的重要组成部分,也是岩溶作用碳循环研究的重要内容,是定量准确评价流域岩溶碳汇效应的关键。但由于水体水气界面碳交换存在高度的时空异质性,使得准确量化水体水气界面碳通量存在着极大的不确定性和面临巨大的挑战,也给岩溶碳汇的准确评估带来极大的困难。针对上述科学问题,在国家自然科学基金,地质调查项目,广西自然科学基金,基本科研业务费项目的支持下,岩溶所蒲俊兵研究员团队利用自主设计的浮游静态箱和薄边界模型法两种方法,分别选择岩溶地下水补给的溪流、水库和流经岩溶区的大型河流作为研究区,进行不同时空尺度的野外监测研究,获得了新的科学认识。

对流经岩溶区的大型河流(桂江)的25个断面的监测研究表明,桂江水气界面二氧化碳交换表现出显著的季节和空间变化。桂江流域全年总体上为大气二氧化碳的源,但是在冬季,由于水生生物代谢过程和碳酸盐缓冲体系的影响,二氧化碳脱气受到极大的限制,甚至表现为大气二氧化碳的汇。由于在冬季二氧化碳脱气受到极大的限制,使得二氧化碳脱气占到流域无机碳通量的20.1%,形成了每年12.8万吨碳的碳汇通量。对以岩溶地下河为主要补给的(补给量占90%以上)的大龙洞水库的研究表明,大龙洞水库水气界面二氧化碳交换量表现出显著的季节变化和昼夜差异。大龙洞水库类似湖泊的“热分层效应”控制了二氧化碳脱气量的季节变化,在“热分层效应”显著的夏季,二氧化碳交换量受到抑制且出现显著的吸收大气二氧化碳的现象。相反,在冬季水库发生混合时,水库水气界面发生强烈的二氧化碳的脱气,其脱气量最高。此外,在“热分层效应”显著的夏季,二氧化碳脱气量昼夜变化差异较小,但是在翻库期间,二氧化碳脱气量昼夜变化差异较大。对以岩溶地下河为主要补给的(补给量占98%以上)的官村地表溪流的4个断面的研究表明,官村溪流水气界面二氧化碳交换表现出强烈的空间差异性,在1.3公里的距离内,二氧化碳交换量从源头的423.4毫克每平方米每小时急剧下降到最下游点的257.0毫克每平方米每小时,说明在岩溶地下河-溪流的体系中,当岩溶地下水转移到地表后会发生强烈且迅速的碳排放。官村溪流每年向大气释放21.75吨二氧化碳,但仅占流域无机碳损失通量的1.71-5.62%。同时,在官村溪流中降雨期的高分辨率监测研究表明,降雨期间受到水生光合生物新陈代谢过程的影响,溪流仍旧存在溶解无机碳的昼夜变化现象。计算表明,在降雨事件期间,溪流内沉水植物每天通过新陈代谢过程会形成5.6公斤的碳汇量。研究结果对于岩溶区溪流中沉水植物可以稳定碳酸盐岩风化作用的碳具有重要意义。

上述研究成果,强调了水生光合作用和碳酸盐缓冲体系在抑制岩溶水体中二氧化碳脱气方面的重要性,定量评估了具有高度时空异质性的水体二氧化碳交换通量,强调了要准确评估岩溶水体水气界面二氧化碳交换通量和碳汇量,必须根据其高度的时空异质性特征,改进监测方法,提高通量评估的准确性。该系列研究成果于近期发表在《Journal of Hydrology》(国际TOP期刊)、《Environmental Science and Pollution Research》、《Environmental Earth Sciences》等国际期刊上。

 

 

 

图水生光合生物新陈代谢过程和碳酸盐缓冲体系对岩溶河流水气界面碳循环过程的影响示意图