喀斯特筑坝河流中生物碳泵效应的碳施肥及对水化学时空变化的影响——以贵州平寨水库及红枫湖为例

耦联水生光合作用的碳酸盐风化碳汇是全球碳循环的重要组成部分,而生物碳泵效应是稳定碳酸盐风化碳汇的关键机制.河流筑坝后,生物碳泵效应的变化、控制因素及对水化学影响的研究甚少.本研究对2个喀斯特筑坝河流平寨水库和红枫湖进行系统采样,以研究河流筑坝后生物碳泵效应的变化、控制因素及对水化学的影响.研究结果表明,入库河流的水化学变化不明显,而2个水库的水化学则表现出显著的季节变化特征,具体表现为水库的水温和pH均呈现出夏季高、冬季低的变化特征,而电导率(EC)、HCO-3浓度和p CO 2则表现出夏季低、冬季高的季节变化特征.以叶绿素a(Chl.a)浓度和溶解氧(DO)饱和度指代的生物碳泵效应则是在夏季最强、冬季最弱.生物碳泵效应利用溶解性无机碳(DIC),形成有机质并释放出氧气,是造成夏季水库pH值和DO饱和度升高,电导率(EC)、HCO-3浓度和p CO 2降低的主要因素.空间上,水库的Chl.a浓度及DO饱和度均大于河水,EC、HCO-3浓度和p CO 2均小于河水,这表明河流筑坝后,由于水库的“湖泊化”导致水库的生物碳泵效应显著提高.通过对Chl.a与碳、氮和磷浓度及化学计量比的相关性分析发现,平寨水库和红枫湖的生物碳泵效应受到碳施肥的影响.平寨水库和红枫湖水库生物碳泵效应碳施肥机制的发现,表明在喀斯特地区,生物碳泵效应不仅受到氮磷元素的控制,也受到碳元素的控制,因此在富营养化湖泊治理时,也应考虑碳的影响.

生物碳泵效应对水化学及浮游藻类演替的影响——以大理洱海为例

为了探究喀斯特地表水体生物碳泵效应(BCP)对水化学时空变化和浮游藻类演替的影响,于2020年7月至2021年4月对洱海进行了4个季度的监测采样,对水化学和营养盐及浮游藻类进行了定性定量测定。结果表明,洱海水化学参数时空变化明显。空间上,洱海内水温、pH、电导率(EC)和HCO^(-)_(3)浓度均低于主要入湖河流。季节上,水温、EC、溶解氧(DO)和叶绿素a(Chl-a)浓度夏秋季高,冬春季低;HCO^(-)_(3)浓度则呈夏秋季低而冬春季高。在营养盐控制方面,通过对碳、总氮(TN)和总磷(TP)浓度化学计量比与Chl-a的相关性分析发现,洱海浮游藻类的生长在春夏季受控于C浓度,秋冬季受制于P浓度。此外,通过对浮游藻类群落结构的变化分析发现,浮游藻类生长消耗水体溶解CO_(2),进而影响其群落结构的演替,而当CO_(2)浓度高于10μmol/L时,浮游群落中蓝藻比例不断下降。研究表明,BCP效应不仅受控于N、P,同时也受到C的影响,且浮游藻类对CO_(2)的消耗会进一步影响水体中浮游藻类的群落结构,因此在水体富营养化的治理中,应关注C的影响。

岩溶区水生生态系统微藻的生物碳泵效应

微藻在水生生态系统的碳固定中扮演重要角色。本文综述了岩溶区水生生态系统生物碳泵的提出、岩溶区微藻生物碳泵作用、影响微藻固碳的主要环境因素以及岩溶区微藻固碳的研究进展,并提出了亟待解决的关键科学问题,为深入研究岩溶区水生生态系统微藻固碳能力及生物碳泵机制、科学认识岩溶生态系统的碳汇潜力、丰富和完善岩溶碳循环理论提供参考。

水生光合生物对茂兰拉桥泉及其下游水化学和δ^(13)C_(DIC)昼夜变化的影响

碳酸盐风化能否形成稳定持久碳汇很大程度上取决于风化产生的溶解无机碳(DIC)能否被水生光合生物利用及其利用程度,后者可通过地表水水化学和?13CDIC的昼夜变化进行探讨。本研究对冬季茂兰拉桥表层岩溶泉及其中游和下游池水的温度、pH、电导率(EC)和溶解氧(DO)进行了为期30 h(1月27日10:00至1月28日16:00)高分辨率(15 min/次)的昼夜动态监测和?13CDIC定期取样(白天每隔2 h,夜间每隔4 h)测定,以了解水生光合生物对水化学和?13CDIC昼夜动态变化的影响。同时,结合水面静态箱CO2测定获得的岩溶水与空气CO2交换通量,对生物碳泵效应进行了估算。结果表明,在少有沉水植物生长的泉口及其下游水池,水化学和?13CDIC的昼夜变化明显偏小,而在沉水植物(轮藻为主)大量生长的中游水池,水的DO、pH、SIC(方解石饱和指数)和?13CDIC在白天呈逐渐增加趋势,而在夜间逐渐降低,与水生生物的新陈代谢进程(白天以光合作用为主,晚上以呼吸作用占优势)相一致;另一方面,水的EC、3HCO?、Ca2+和p(CO2)(二氧化碳分压)呈现相反的变化趋势,即白天下降,晚上上升。计算得到中游水池因类似海洋"生物碳泵"效应固定下来的有机碳通量达到336 t C/(a·km2),是海洋的51倍,表明陆地水生生态系统应该作为"遗失碳汇"的一个重要方面继续进行研究。

珠江流域水化学组成的时空变化特征及对岩石风化碳汇估算的意义

基于水-岩-气-生相互作用的碳酸盐风化碳汇模型表明,陆地碳酸盐风化碳汇是大气CO_2汇的重要组成部分;然而,碳酸盐风化碳汇的过程、机制和控制因素仍有待进一步的研究。本文采用野外监测、现场滴定和样品室内测试相结合的方法,对珠江流域支干流分旱季和雨季进行了4次野外监测取样,研究其水化学组成的时空变化特征。结果表明:珠江流域支干流的水化学组成受流域岩石风化、气候和水生光合作用的共同影响,并具有明显的时空变化特征。空间上,南盘江下游双江口段至红水河上游蔗香段,水流较慢,水质清澈,水生光合作用强烈,电导率、[HCO_3^-]和[Ca^(2+)]的空间变化主要受水生光合作用控制;从红水河上游蔗香段至肇庆西江大桥监测点,反映的是流域岩石风化对水化学空间变化的影响。季节变化上,西江的电导率、[HCO_3^-]和[Ca^(2+)]呈现出夏季低、冬春季高的特征,主要反映稀释效应的控制。西江干流河水的溶解氧具有明显的季节变化,在上述南盘江下游双江口段至红水河上游蔗香段,DO是夏季高冬季低,其他监测点是冬季高而夏季低;DO的季节变化受水生光合作用强度的控制。在南盘江下游双江口段至红水河上游蔗香段,温度是光合作用强度的限制因子,而其他监测点的光合作用限制因子为浊度影响的光照。造成上述差异的原因是监测点的水文环境不同。通过对梧州水文站流量和[HCO_3^-]变化的分析发现,[HCO_3^-]的季节变化幅度相对流量小得多,显示在西江流域中,HCO_3^-也存在化学稳定性行为。因此在西江流域中,流量变化是岩溶碳汇通量变化的主控因子。研究还发现,西江流域中具有强烈的生物碳泵效应,由内源有机碳形成的碳汇通量约占传统计算模式碳汇(溶解无机碳-DIC)通量的40%。因此,在估算珠江流域碳酸盐风化碳汇时,必须考虑水生生态系统光合生物对DIC的利用形成的有机碳的贡献。

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.

喀斯特筑坝河流表层悬浮颗粒物中磷形态的时空变化及其控制因素分析——以贵州平寨水库和红枫湖水库为例

喀斯特地区生物碳泵过程中碳酸钙与溶解性磷酸盐的共沉淀是喀斯特水体的一种“自净机制”,对于缓解水体富营养化具有重要意义。为研究喀斯特筑坝河流中生物碳泵对水中磷的去除机制,在平寨水库和红枫湖进行了系统采样,通过分析悬浮颗粒物中总磷(TP)及磷形态的沉降通量与水化学参数及Chl-a的关系,明确了生物碳泵的除磷机制。结果表明,平寨水库和红枫湖悬浮颗粒物中TP沉降通量有夏季高、冬季低的季节性变化特点;在空间上有上游的TP沉降通量大,下游大坝处的沉降通量小的特点。此外,金属氧化物结合态磷(NaOH-SRP)、氧化还原敏感磷(BD-P)和钙结合态磷(HCl-P)的沉降通量还受到生物碳泵的影响。Ca2+浓度与HCl-P沉降通量、pH和DO%与NaOH-SRP、BD-P的相关性分析进一步证实生物碳泵在喀斯特湖库中的除磷效果。

抚仙湖水生植物HCO^(-)_(3)利用效率及与之相关的内源有机碳沉积通量研究

因可能是全球“遗失碳汇”的重要组分,耦合生物碳泵效应的碳酸盐风化碳汇日益受到学界关注,并且其对不同时间尺度上的气候变化都可能产生重要影响。由碳酸盐风化产生的HCO^(-)_(3)能否形成稳定的碳汇尚缺乏足够论证,厘清这一问题的关键在于如何有效评估水生植物固定HCO^(-)_(3)的能力,尤其是植物残体进入沉积物后的实际碳固定量。本文基于已发表的抚仙湖数据,利用碳同位素端元模型估算了抚仙湖水生植物光合固定HCO^(-)_(3)碳量,发现无机碳源中约有57%是以HCO^(-)_(3)的形式被水生植物光合固定下来,碳汇通量达24.76 tC/(km^(2)·a)。而可能由于微生物分解等作用,抚仙湖现代沉积物中真正被埋藏下来的内源有机碳沉积通量,即耦合生物碳泵效应的碳酸盐风化碳汇通量仅为9.2~16.4 tC/(km^(2)·a),这大致相当于水生植物所固定HCO^(-)_(3)的一半。尽管如此,水生植物的光合作用和碳酸盐风化耦合作用仍表现出巨大的碳汇潜力。因此,在未来的全球碳循环和气候变化模型中需考虑碳酸盐风化碳汇的影响。