天津平原区浅层地下水水化学特征及碳酸盐风化碳汇研究

大气CO_(2)浓度在控制全球气候变化方面具有至关重要的作用,研究碳循环、CO_(2)收支平衡和精确评估是制定区域CO_(2)减排策略和寻找新的碳汇途径最重要的组成部分。碳酸盐风化碳汇是全球碳循环研究的一个重要方向。为此,本研究以天津平原区浅层地下水为研究对象,通过对地下水调查及水样的采集与分析,运用水化学分析方法分析了地下水水化学特征,并估算了地下水总储存量、DIC储量和碳酸盐风化碳汇量。研究结果表明:浅层地下水化学场自北部山前平原向南部冲积平原和滨海平原,呈现出自北而南和由北西向南东的水平水化学分带规律,地下水由低浓度的淡水、微咸水变为高浓度咸水,沿此方向水化学类型由HCO_(3)-Ca·Na·Mg→Cl·SO 4-Na→Cl·HCO_(3)-Na→Cl-Na型转变;淡水区、微咸水区和咸水区面积分别为733、3034和6564 km^(2)。地下水水化学组分中Ca^(2+)、Mg^(2+)和HCO^(-)_(3)主要来源于碳酸盐的溶解作用。研究区浅层地下水总储存量为2241640万m^(3),总DIC储量为8.13×10^(6) t,总碳汇量为4.11×10^(6) t。研究区浅层地下水淡水区、微咸水区和咸水区地下水储存量分别为157799万、6245936万和1459247万m^(3),DIC浓度分别为19~200、19~200和19~342 mg/L,DIC储量分别为0.67×10^(6)、1.65×10^(6)和0.58×10^(6) t,碳汇量分别为0.22×10^(6)、0.90×10^(6)和2.98×10^(6) t。沿地下水流向,DIC、储量和碳汇量的空间分布均呈现出由低到高的趋势。

气候变化及生态恢复对喀斯特槽谷碳酸盐岩风化碳汇的影响评估

评估气候变化及生态恢复对碳酸盐岩风化碳汇(CS)的复合影响机制是当前喀斯特生态系统碳循环及气候变化研究领域的一个重要任务。基于碳酸盐岩热力学溶蚀模型估算了1992-2017年中国西南喀斯特槽谷碳酸盐岩风化碳汇通量(CSF),利用Lindeman-Merenda-Gold模型定量评估了气候及生态恢复因子对槽谷CSF的相对贡献率。研究结果表明:(1)槽谷整体年均温及年降雨量均处于持续升高的趋势,增速分别为0.06℃/a及12 mm/a,进入21世纪之后,增速均有一定程度的放缓,年蒸散发在21世纪以前为增加的状态,2000年以后整体表现为减少的趋势;(2)槽谷植被覆盖度增加速率为0.004/a,其增加区域的面积占比达到了95.07%,槽谷生态系统恢复效果显著;(3)槽谷的年均CSF约为9.42 t C km-2 a-1,研究期间处于增加的状态,其年均增长速率约为0.2 t C km-2 a-1,CSF增加区域的面积占比约为89.28%;(4)槽谷CSF受到气候因素(降雨、蒸散发、温度)及生态恢复2方面的影响,其中降雨、温度及生态恢复反馈因子FVC与CSF呈正相关关系,ET与CSF呈负相关关系,降雨对于研究区CSF的贡献率最大,达到了70.36%;(5)本研究揭示了气候变化及生态恢复对岩石风化过程的复合影响机制。

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。

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。