基于响应面法游湖沉积物-水界面溶解性碳交换通量

湿地作为陆地生态系统最重要的碳汇,是减缓全球大气中二氧化碳含量上升和全球气候变暖的重要途径。目前研究多针对于自然湿地中储碳量和碳密度的研究,对于因煤炭开采形成的采煤塌陷湿地碳密度及其变化研究则相对较少。基于对采煤塌陷湿地水体和沉积物中碳含量和影响因子的调查,研究采煤沉陷湿地沉积物-水界面不同形态碳交换通量规律,评估沉积物对于上覆水中碳素的源/汇特征,探讨不同环境因子单一及交互作用下沉积物-水界面各形态碳的交换通量的变化规律。针对徐州九里湖采煤塌陷湿地沉积物和水体进行研究,分别于2020年12月、2021年4月和2021年8月采集沉积物和上覆水,分析沉积物和水体中碳素的赋存特征以及影响碳素含量的关键因子。通过室内模拟试验,进行沉积物-水界面溶解性碳交换通量研究,并探讨主要环境因子对溶解性碳交换通量的影响。最后基于响应面法构建沉积物-水界面溶解性碳交换通量回归模型,预测采煤沉陷湿地溶解性碳最小释放条件,估算采煤塌陷湿地溶解性碳释放总量。结果如下:温度升高会导致溶解性碳交换通量增大,而pH对其影响较小;在高氧(9.0 mg/L)和低氧(3.0 mg/L)条件下,溶解性有机碳(DOC)和溶解性无机碳(DIC)交换通量相对较高,在中氧(6.0 mg/L)条件下,相对较小。得出在环境因子交互作用下的最优化条件,当温度为5.69℃、pH为7.18、溶解氧DO为6.38 mg/L时,DOC和DIC交换通量区的最小值分别为2.32、3.54 mg/(m^(2)·h)。估算出湿地8月沉积物DOC和DIC释放总量最高,分别为1.75、5.76 t;12月沉积物DOC和DIC释放总量最低,分别为0.98、2.01 t。结果表明,环境因子对DOC和DIC交换通量均有不同程度影响,温度通过改变吸附能力和生物活性的方式使DOC和DIC交换通量随温度增加而增大;pH影响着沉积物中碳酸盐的溶解度使得DIC在碱性环境中增加不明显,但对DOC交换通量影响较小。DOC和DIC释放总量变化规律一致,夏季温度较高,沉积物微生物活性强,促进DOC和DIC向上覆水中大量释放,冬季温度低,释放作用显著下降。沉积物-水界面溶解性碳交换通量只考虑了温度、p H和DO三个条件,然而影响物质在沉积物-水界面的迁移转化还包括沉积物自身特性、生物扰动以及重金属等因素,对于因采煤形成的湿地,沉积物中金属离子对溶解性碳的释放更应引起注意,在后面的研究中可以微生物为切入点,探究沉积物碳“源”与“汇”转换的临界条件。

钛双极板表面碳掺杂氮化钛耐腐蚀涂层制备

为改善钛双极板在质子交换膜(PEM)水电解槽环境中的耐腐蚀性能和导电性能,采用电泳沉积-热处理两步法在钛基底表面制备碳掺杂氮化钛(C-TiN)复合保护涂层,并在0.5 mol/L的H_(2)SO_(4)和5 mg/L的F-溶液中模拟PEM水电解槽阳极环境测试其电化学腐蚀性。结果表明,电泳沉积及热处理改善了氮化钛纳米颗粒的连通性,增强了涂层与衬底的粘附力,实现了电子在电活性材料中快速传递。400℃下制备的碳掺杂氮化钛涂层(C-TiN-400℃),其导电性与耐蚀性均得到明显提升;相比于未处理的样品,镀有C-TiN-400℃涂层的样品在146.3 N/cm^(2)压力下的接触电阻可达到2.25 mΩ·cm^(2)。

河流水-气界面碳交换研究进展及趋势

河流水-气界面碳交换是区域和全球碳循环的重要环节,对陆地碳平衡核算和碳循环模型优化具有重要意义.介绍了全球河流水-气界面碳交换研究的相关进展,以及现有研究存在的问题,并在此基础上提出今后相关的研究应关注不同地质-生态和人类活动干扰背景下河流及中小河流水-气界面碳交换,要综合利用双碳同位素示踪、化学计量学、生物标志物等方法辨识河流系统中CO_2,CH_4及其他形态碳的来源和迁移转化过程,同时还要利用野外原位观测、传统采样分析和室内培养的方法开展"水-土/沉积物-气"多界面碳交换的系统综合研究,揭示控制河流系统水-气界面碳交换的关键因子,为相关预测模型的建立以及流域的科学管理提供依据.

碳/碳复合材料表面的含氟磷灰石生物活性涂层

用超声电沉积与离子交换相结合的方法在碳/碳复合材料表面制备含氟磷灰石(FHA)生物活性涂层,研究了离子交换时间和氟化钠浓度对含氟磷灰石(FHA)生物活性涂层的形貌、结构和组成的影响,结果表明:离子交换后的涂层是羟基磷灰石(HA)和含氟磷灰石(FHA)混合物,离子交换前后其表面形貌均呈片状晶体,随着离子交换时间的延长或氟化钠浓度的增加,HA含量降低,FHA含量升高,涂层的晶粒尺寸和致密性均发生变化,离子交换后其涂层与基体的结合强度略有增强,其原因是FHA的热膨胀系数与碳/碳复合材料基体更为匹配,涂层的残余应力减小。

无机成因二氧化碳气-水界面交换反应表征与机制

天然气中二氧化碳组分和水体中溶解无机碳构成碳酸平衡体系及碳同位素分馏平衡体系。通过开展无机成因二氧化碳气体的气-水交换实验,揭示了二氧化碳气体在溶解过程中组分体积分数和碳同位素的精细变化。研究发现:在101 325 Pa和30℃条件下,二氧化碳气体经13 h与瓶中水体达到组分体积分数和碳同位素的分馏平衡;初始二氧化碳体积分数为2.0%,平衡后为1.1%;初始δ^(13)CCO_2值为-2.5‰,平衡后为-14.6‰,碳同位素分馏幅度高达12.1‰。经气-水界面交换反应,无机成因二氧化碳气体体积分数和碳同位素值随时间变化均可表征为负指数函数。黄河水样δ13CDIC值为-8.2‰,表明水体中大部分DIC来源于土壤有机质分解释放的CO2;富重碳同位素二氧化碳气体与水体DIC反应平衡后,二氧化碳气体由无机成因经混染改造为有机成因。

不同类型湖泊水-沉积物界面DIC交换通量研究

以乌梁素海(WLSH)和岱海(DH)为研究对象,采用柱状芯样模拟法,开展了2个湖泊水-沉积物界DIC的扩散通量研究。结果表明,在夏季90 d的时间内,浅水草型湖泊乌梁素海明水区沉积物约向上覆水体释放了8 443.63 t的DIC,对上覆水体DIC具有源的功能;而深水藻型湖泊岱海深、浅湖区沉积物对上覆水体DIC分别具有汇和源的功能,总体上岱海DIC在水-沉积物界面的转移扩散的矢量方向指向沉积物,即夏季岱海沉积物表现为上覆水中DIC的汇,约有7 335.52 t的DIC转入沉积物。不同深度沉积柱芯的DIC释放实验表明,疏浚能影响水-沉积物界面DIC的源汇通量方向,使湖泊沉积物作为上覆水体中DIC的源和汇功能发生转换。

白洋淀底泥-水界面溶解性碳交换通量及驱动因素研究

白洋淀是华北平原最大的淡水湖泊型湿地,底泥和水界面碳的交换过程及通量直接影响白洋淀碳“源汇”功能和水质变化.近年来极端强降水频率增加改变了湿地水动力条件,对底泥-水界面碳交换的影响不明.因此,本文选择白洋淀及其主要入淀河流—府河为研究对象,结合原位箱式培养法与柱状芯样模拟法,分别在极端降雨前后设置芦苇区与非芦苇区原位静态培养对照实验,探究降水条件变化对不同生物区上覆水溶解性碳时空变化及碳通量的影响.结果表明,极端降雨前,芦苇区与非芦苇区相比,河道与淀区监测点的溶解性有机碳(DOC)分别增加了25.27%和36.15%,溶解性无机碳(DIC)分别增加了26.10%和32.48%,溶解性碳(DC)分别增加了25.67%和34.44%,且芦苇区底泥-水界面溶解性碳交换通量比非芦苇区均较高,占比均超过85%;入淀口芦苇区与非芦苇区无显著性差异.极端降雨对上覆水溶解性碳浓度产生了稀释作用,芦苇对底泥-水界面溶解性碳迁移交换过程的影响程度被削弱;DIC由极端降雨前底泥向上覆水的释放转变为向底泥沉积,即底泥由“源”转变为“汇”.该研究可为白洋淀湿地生态系统健康发展提供理论支撑.

湖泊水-沉积物界面DIC和DOC交换通量及耦合关系

以乌梁素海和岱海为研究对象,采用柱状芯样模拟法,开展了2个湖泊水-沉积物界DIC和DOC交换通量及耦合关系研究.结果表明,在夏季90 d的时间内,乌梁素海明水区沉积物表现为上覆水中DIC和DOC的碳源,DIC和DOC的平均释放速率分别为71.07 mmol·(m2·d)-1和185.09 mmol·(m2·d)-1;岱海浅、深水区沉积物整体上表现为上覆水中DIC和DOC的碳汇,浅水区DIC和DOC的平均释放速率分别为155.75 mmol·(m2·d)-1和-1 478.08 mmol·(m2·d)-1,深水区DIC和DOC的平均释放速率分别为-486.53 mmol·(m2·d)-1和-1 274.02 mmol·(m2·d)-1;岱海浅水区和乌梁素海水-沉积物界面DIC与DOC耦合作用(含量、释放速率、总量变化量的同步变化)主要受微生物摄取、微生物或非生物降解及水生植物的影响;岱海深水区水-沉积物界面DIC与DOC耦合作用则主要与Ca CO3共沉淀作用及沉积物中无机碳形态分布特征等有关.总体上,不同类型湖泊或同一湖泊不同湖区的DIC或DOC源/汇功能差异是湖泊类型、离岸距离、湖泊水文地球化学及无机碳形态分布等多种因素综合作用的结果.