岩溶地表水体水—气界面CO2交换通量的时空差异及其控制机制

The central question in karst-related carbon cycle researches is that the captured CO2 in karst processes will be returned to the atmosphere (CO2 degassing) if carbonates redeposit occurred as calcite. However, CO2 degassing is controlled by multi factors and show obvious spatial-temporal difference in earth system interactions. In this proposal, two typical karst water systems (surface stream and karst reservoir) which both fed by karst groundwater will be chosen to solve the key scientific hypothesis that spatial-temporal differences and controlling mechanisms of CO2 flux across water-air interface in karst surface water. By multi-parameters high-resolution researches in different spatial-temporal scale, it aims to reveal the spatial-temporal characteristics of CO2 flux across water-air interface and to evaluate exchange amounts. Especially, some isotope parameters of CO2 gas samples across water-air interface such as Δ14C and δ13C will be tested to trace the origin of degassed CO2 and to calculate the origin proportion of organic and inorganic carbon, combining with the analysis of organic and inorganic carbon isotope (Δ14C, δ13C, etc) and hydrochemical data of surface water at same time scale and sampling site. Furthermore, controlling mechanisms of CO2 flux across water-air interface and quantitative carbon sink effects in karst processes will be obtained in two research sites according to the integrating analysis of all monitoring data. The anticipative results, if approved, will new scientifically contribute to the clearer exposition of carbon sink processes and effects in karst system, to improve the status of geological processes-related carbon cycle in global carbon cycle, and to reasonably enact some measures of carbon sinks/carbon mitigation.

一直以来质疑岩溶碳汇的焦点是随着碳酸盐沉积，岩溶水中的CO2又返回了大气。然而，在地球各圈层相互作用中,这一脱气过程受到诸多因素的影响，并存在高度的时空差异。本项目针对岩溶地表水体水—气界面CO2交换通量的时空差异及其控制机制这一科学问题，以岩溶地下水排泄地表后的两种不同水体（溪流和水库）为研究对象，通过不同时空尺度上多指标的高分辨率研究，揭示岩溶地表水体水—气界面CO2交换通量的时空变化特征，评价其交换通量;通过对不同时空尺度下近水面CO2气体的Δ14C和δ13C分析，同步结合水体相关无机碳、有机碳的Δ14C、δ13C和水化学的分析，揭示CO2气体的无机和有机来源，并计算其比例;综合分析前述监测研究数据，揭示水—气界面CO2交换通量的控制机制,并定量评价研究区的岩溶碳汇效应,从而为正确评估岩溶碳汇过程及碳汇量,提高地质碳汇在全球碳循环评估中的地位,为合理制定减排增汇措施提供新的科学依据。

岩溶水体水-气界面CO2交换受诸多因素影响，是平衡岩溶区碳收支的关键。本项目针对岩溶地表水体水-气界面CO2交换通量的时空差异及其控制机制这一科学问题，以接受岩溶地下河补给的官村地表溪流和大龙洞水库以及流经岩溶区的大型河流（桂江）为研究区，研究其水-气界面CO2交换通量的时空变化特征，通量，逸出CO2的来源和控制机制。通过四年的研究获得了以下几方面新的认识：（1）官村地表溪流、大龙洞水库水-气界面CO2交换具有高度的时空异质性。官村地表溪流从地下河出口到下游1300m的河口区，pCO2和CO2脱气通量降幅达68.6%，且主要集中出口以下500多米的河段，大龙洞水库由于水库效应的影响其脱气的空间规律较为复杂，不像官村地表溪流那样随流程而下降。桂江CO2脱气显示出中游支流和中游明显大于上游和下游的空间特征，且岩溶区河段监测点冬季出现显著吸收大气CO2 的现象；（2）水生光合生物新陈代谢作用和水体碳酸盐缓冲体系是改变流动水体（溪流、河流）水-气界面CO2交换的重要控制机制，而对于岩溶水库而水-气界面CO2交换虽与pH和HCO3-密切相关，但初步分析发现热分层效应对水库CO2脱气具有较强的抑制作用。对于地表河流，降雨导致的水位剧烈的上升或雨后下降阶段CO2交换受到水位变化的控制；（3）岩溶溪流中，通过同位素分析发现溪流有机碳的氧化产生的CO2以及来自碳酸盐岩沉淀产生的CO2影响了水体中逸出CO2的Δ14C值。岩溶河流断面尺度水-气界面逸出CO2受到碳酸盐岩，水气交换过程和有机质分解的共同影响；（4）官村地表溪流释放到大气中的CO2总量仅为研究期间官村地下中DIC损失通量的1.71-5.62%。桂江河段，由于河流DIC强烈的光合吸收作用，不仅出现了吸收大气CO2的现象，同时也限制了CO2脱气，使得河流CO2脱气量仅占碳酸盐岩风化碳汇量的5.5%。研究结果较为系统地分析了不同类型岩溶地表水体水-气界面CO2交换过程的高度时空异质性特征及影响因素，发现了一些新的影响岩溶水体碳循环过程的规律，从而为准确评估岩溶碳汇过程及碳汇量提供了新的科学依据。