基于CCM机制的水生碳泵效应协同富营养化缓解研究进展

一直以来,由于陆地地表水体在全球所占比远小于海洋,在全球尺度碳循环的研究中,并未把陆地水生生态系统的作用作为一个重要部分进行考虑。然而,随着研究的不断增多,对陆地水生生态系统了解逐步深入。人们开始认识到,陆地水生生态系统中的水生光合生物除了能直接利用大气中的CO_(2)和CO_(2aq)作为无机碳源外,还能利用水中的HCO_(3)^(-),即存在显著的水生碳泵效应。水生碳泵效应作为一种稳碳和固碳过程,是形成长期稳定碳酸盐风化碳汇的重要机制,是碳循环的重要环节。陆地水生光合生物主要通过CCM机制在有限CO2水体中提升光合固碳能力,DIC施肥效应进一步放大这一固碳机制,增加碳酸盐风化碳汇量。陆地水生生态系统中耦合营养元素与生物碳泵效应能够有效对富营养化水体环境进行改善和修复,在增加生态碳汇实现碳中和过程中同步缓解富营养化。未来基于CCM机制的水生碳泵效应协同富营养化缓解在综合考虑气候和土地利用变化对生物群落结构和生态系统类型演变的影响等方面的研究将为喀斯特地表水体碳增汇以及有效应对气候变暖和富营养化治理与修复提供全新的科学支撑。

岩溶湖库生产力的溶解无机碳施肥及碳增汇和富营养化缓解效应

内陆水体在全球碳循环中的作用日益受到关注,特别是喀斯特地表水体与水生光合作用有关的生物泵(biological pump,BP)将溶解无机碳(dissolved inorganic carbon,DIC)转化为有机碳沉积,是形成长期稳定碳酸盐风化碳汇的关键.富营养化作为BP的特殊阶段,是地表水环境面临的主要环境问题之一.然而,通常认为富营养化的控制元素是磷(P)和氮(N),而BP的控制元素还包括碳(C),如喀斯特湖库尽管DIC浓度高,但其碱性环境使得水中的CO_(2)很低,因此BP效率受到C限制.同时BP产生的碳酸钙促进了水中P的共沉淀,缓解了水体向蓝藻型富营养化的发展,可能促成水质安全和水体碳增汇的双赢.未来需通过对不同气候(温度、降水差异)、不同土地利用(N-P营养输入差异)和不同岩性(碳酸盐岩-硅酸盐岩风化产生pH和DIC差异)条件下的喀斯特地表水体BP的DIC施肥及其碳增汇和富营养化缓解效应进行系统研究,重点揭示以下关键科学问题:(1)DIC对BP施肥的机制及控制因素;(2)水体C:N:P:Si与浮游-沉水植物群落结构/组成的耦合关系及机制;(3)DIC施肥下BP的碳增汇和富营养化缓解效应.系统研究将为HCO_(3)-Ca型地表水体碳增汇和水质安全调控提供新的理论依据和科学支撑.

水体CO_(2)施肥及其碳增汇和富营养化缓解效应

碳酸盐岩风化能否形成长期稳定的碳汇很大程度上受控于陆地水体中生物碳泵(BCP)的效率。水体富营养化是BCP效应的表现形式之一,有助于固碳增汇,但却负反馈于水体生境。如何实现碳增汇和富营养化缓解效应的双赢,是具有挑战性的环境科学问题。通常认为氮(N)、磷(P)是富营养化的主要控制元素,而BCP还受到碳(C)元素的控制,尤其是在富营养化及喀斯特水体中,由于密集的水华生长和喀斯特独特的碱性水体,使得C限制问题在水体生产力和富营养化的研究中与N-P同样重要。水体CO_(2)施肥能有效缓解水体碳限制问题,促进生产力实现水体碳增汇,并通过改变生物结构和提高BCP除磷效率实现对富营养化的抑制作用。基于此,本文综述了水体CO_(2)施肥实现碳增汇和富营养化缓解共赢的可能性,并揭示其作用机制,这主要包括水体CO_(2)对生物群落组成和演替以及对BCP除磷机制和效率的影响。在此基础上,展望了喀斯特水体在其中的特异性表现以及生物结构变化对碳增汇和富营养化缓解带来的影响。

厦门筼筜湖红树植物秋茄吸收氮、磷能力研究

红树林具有促淤保滩、巩固堤岸、抵御生态风险、维持生态平衡等多种功能,在净化水体和改善环境质量等方面有明显的优势和特殊贡献。为了探索红树林种植对水体富营养化的缓解能力,本研究以福建厦门市筼筜湖不同林龄的人工秋茄(Kandelia obovata)林为对象,对其各器官和凋落物中的氮(N)、磷(P)含量进行测定,进而估算红树林吸收筼筜湖N、P总量。结果显示,随着林龄的增加,植物各器官和凋落物的平均N、P含量均显著增加,其中植物叶片和凋落叶中的N、P含量相较于其他器官增幅更大。从1999年红树林种植至2013年,筼筜湖红树林以现存生物量的形式从筼筜湖吸收的N、P总量分别为1948.83、178.61 kg,2013年全年N、P归还总量分别为7.47、0.58 kg,2013年全年N、P吸收总量分别为201.68、19.57 kg。红树林可通过吸收N、P,缓解筼筜湖的水体富营养化。

喀斯特地表水生生态系统生物碳泵的碳汇和水环境改善效应

碳汇研究是全球碳循环研究的重要内容.近年来,陆地水生生态系统的碳汇日益受到重视,被认为是"遗失碳汇"的重要组成部分.最新研究发现,碳酸盐风化碳汇占岩石风化碳汇的94%,因此,喀斯特地表水生生态系统的碳汇显得尤为重要.生物碳泵效应作为一种稳碳和固碳过程,是形成长期稳定碳酸盐风化碳汇的重要机制,是碳循环的重要环节.生物碳泵效应的核心控制元素是碳元素,该效应在富含溶解无机碳(DIC)的喀斯特地表水生生态系统中发挥着重要作用.目前生物碳泵效应的研究主要集中在两个方面:(1)内外源有机碳的区分是准确评价和计算生物碳泵效应碳汇的关键;(2)发现生物碳泵效应影响水环境指标和水质状况.未来,一方面应精确地对陆地水生生态系统碳汇量进行估算,研究不同气候和土地利用对碳汇量的影响;另一方面,揭示生物碳泵效应与水环境的相互作用机制.重点包括以下4个方面:(1)验证地表水生生态系统"元素比值控制假说";(2)生物碳泵效应对水体元素化学计量比的调控潜力;(3)形成不同碳汇机制(生物碳泵效应和富营养化机制)的根本原因;(4)生物碳泵效应通过物理-化学-生物耦合作用改善水环境的可能机制.最后,探究微生物碳泵效应应用于陆地水生生态系统的可能性.