典型岩溶地下水补给型水库碳埋藏机制研究

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近年来研究表明,陆源水生系统在全球碳循环中扮演着重要角色,对调节控制流域碳循环具有重要作用,也是“剩余汇”的重要组成部分。岩溶水库属于陆源水生系统的一部分,在岩溶地质背景控制下,岩溶作用碳循环与陆源水生系统碳循环相耦合,改变了区域的碳循环过程,但前人研究一定程度地忽视了其在碳循环中的特色和作用。因此,研究岩溶水库这一典型水域生态系统在不同尺度下的碳循环特征、影响因素及通量,分析岩溶水库碳收支情况,判断水库碳源/汇性质,这对全球或区域碳循环研究有着重要的意义。本研究选择广泛分布岩溶地层且地下水补给量占比达95%以上的典型水库(广西省南宁市上林县大龙洞水库)为例,以其沉降颗粒物、表层沉积物和柱状沉积物作为研究载体,研究碳埋藏的沉降、分解与保存以及最终的埋藏过程,分析不同过程中碳含量及特征;运用多种模型计算,了解不同过程中沉积物有机碳来源类型,讨论不同过程下的影响因素;利用碳收支平衡法,探讨水库不同过程的碳通量,初步评估了大龙洞水库在岩溶碳循环中的碳汇作用。该研究进一步表明岩溶水生环境中的储碳能力对区域碳汇甚至是全球碳汇有着不可忽视的作用,应加大岩溶碳汇研究的关注和力度。研究结果表明:(1)在大龙洞水库中,岩溶作用生成并通过地下水补给进入的无机碳经过生物碳泵作用被藻类等水生光合生物转化为内源有机碳。然后,由内源有机碳与外源有机碳混合组成的水中沉降颗粒物(SPOC)发生沉降作用,部分降落到大龙洞水库底层形成表层沉积物,随后一部分有机碳被分解回到水体中,另一部分继续沉积埋藏,最终形成相对稳定的有机碳。(2)沉降颗粒物和表层沉积物有机碳主要来源是藻类、土壤,其中,表层沉积物藻类占45.82%,沉降颗粒物藻类来源占31.57%。通过生物碳作用,大龙洞水库藻类沉降有机碳的沉降效率为54.25%。在沉降过程和分解、保存过程中,沉积物受到地质环境、水源来源方式和水库水化学参数以及气候(气温和降雨)引起的热分层效应、水位波动和流速变化等的制约。此外,藻类利用岩溶水中大量的无机碳,并与无机碳发生共沉淀作用,这些过程不仅有利于藻类有机质的沉降和保存,同时也减缓藻类有机质的矿化作用,提高碳储量。(3)建库以来,大龙洞水库环境演变主要受到人类活动的影响,例如“退耕还林”、石漠化治理、土地利用方式改变和水库建设,其通过地下水影响沉积物,并发现碳同位素值偏轻的岩溶地下水会使沉积物碳同位素值更加偏轻。同时,长期环境演变中,藻类仍然是柱状沉积物的主要来源,占总量的60.84%,其次分别是土壤(22.93%)、生活污水(14.56%)和陆源植物(1.67%)。(4)大龙洞水库有机碳积累速率(OCAR)和无机碳积累速率(ICAR)都随时间变化而对数上升趋势,OCAR平均值为116.42 gC.m-2.a-1,ICAR为185.99 gC.m-2.a-1;在空间分布上,中游>上游>下游。有机碳和无机碳沉降通量分别为126.85 gC.m-2.a-1和275.14gC.m-2.a-1。沉积物经过长期埋藏后,有机碳和无机碳堆积埋藏通量分别为107.55 gC.m-2.a-1和136.86 gC.m-2.a-1。综合水库碳循环过程中不同过程的碳收支情况,大龙洞水库地下水无机碳碳收入约为10478.65 t C.a-1;大龙洞水库的碳总支出为11565.63 t C.a-1,其中无机碳支出为9566.66 t C.a-1,有机碳支出为1998.97 t C.a-1,无机碳主要的输出方式为水电站排水,有机碳主要的输出方式是有机碳沉降过程,这是一个碳汇过程。
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