西南岩溶地表水生系统碳-氮耦合循环及环境效应的典型研究

Previous data and results showed that the biogeochemical cycles of carbon and nitrogen in karst processes, including the carbonate rock weathering and precipitation and dissolved of calcite, have been disturbed by the anthropogenic nitrogen additions. In this proposal, two typical underground river systems with pure limestone and different anthropogenic inputs of nitrogen will be selected to carry out research on the carbon-nitrogen coupling cycle of karst aquatic system and its environmental effects. It aims to evaluate quantificationally the impact of biogeochemical processes of aquatic system on the precipitation and dissolved of calcite in karst watersheds. Especially, the impact of photosynthesis of subaquatic vegetation and microbe and their utilization efficiency under different conditions of weather, hydrology and anthropogenic nitrogen inputs on DIC and NO3- will be investigated and determined, and the control mechanism to carbon-nitrogen coupling cycle in karst aquatic system during the precipitation and dissolved of calcite will be unveiled. Furthermore, the estimation of the net carbon and nitrogen sinks resulted from the carbon-nitrogen coupling cycle in karst aquatic system will be obtained. The project, if approved, will provide basic data and innovative methodology for the study of carbon-nitrogen coupling cycle of the karst aquatic systems in southwest China karst region and beyond, and the relationships between carbon-nitrogen coupling cycle of inland aquatic systems and climate/environment changes, and offer scientific support for combating global climate change.

监测数据和研究成果表明，人类N的输入改变了岩溶地表水生系统的C、N生物地球化学循环过程。本项目选择岩性较纯的灰岩和不同人类N输入影响下的西南两个典型岩溶流域，开展岩溶地表水生系统C-N耦合循环对碳酸钙沉降/溶解过程及碳、氮通量变化的影响研究。在探讨不同气象/水文/N输入条件下岩溶地表水生系统水文地球化学过程变化的基础上，利用水化学与碳、氮同位素技术方法定量评估不同输入条件下地表水生系统生物地球化学过程对碳酸钙沉降与溶解的影响强度，厘定不同条件下水生植物/微生物光合作用对DIC和NO3-的利用效率，揭示岩溶地表水生系统C-N耦合循环的主要控制过程与机制，并估算其净碳、氮汇量；为整个西南乃至全球地表水生系统碳-氮耦合循环与气候和环境变化之间的相互作用与影响研究提供基础数据与新的思路，为应对气候变化的国家层面战略决策提供科学支撑。

四年来，项目选择西南地区三个典型岩溶地表水生系统——重庆雪玉洞、重庆南山老龙洞和广西漓江为研究对象，通过野外定位动态监测、实验室分析以及实验室模拟实验获取相关数据，重点围绕岩溶地表水生系统C-N耦合循环的关键控制过程及环境效应有关的重要科学问题开展了研究。结果表明：（1）不同季节由于温度的差异，岩溶水生系统C-N耦合循环存在明显的差异，表现为温度高的夏、秋季C-N耦合循环速度明显快于温度低的冬、春季；（2）水动力条件影响岩溶水生系统C-N耦合循环过程，流动的水能够加快C-N耦合循环过程；（3）水生系统植物类型对C-N耦合循环的影响存在明显的差异，表现为沉水植物影响下C-N耦合循环过程消耗的C/N比明显高于水生藻类和微生物影响下C-N耦合循环过程消耗的C/N比；（4）沉水植物和微生物的光合作用是岩溶水生系统C-N耦合循环的主要控制过程，其C:N的变化取决于沉水植物与微生物的光合作用途径；（5）岩溶水生系统C-N耦合循环的环境效应表现在两个方面，一方面将碳酸盐岩的风化产物DIC（溶解无机碳）转变为DOC（溶解有机碳），减少了因碳酸钙沉降而向大气释放的CO2量，而利用DIC形成的DOC成为一个重要的碳汇，另一方面沉水植物和微生物通过光合作用利用NO3-，降低了水体NO3-的污染；（6）最重要的发现是——岩溶地表水生系统中微生物（如放线菌门的norank_f_ACK-M1）通过C-N耦合循环不仅将DIC转变为DOC，而且将DOC转变为RDOC（惰性有机碳），从而形成长久的碳汇。该项目的研究成果能够为寻找全球遗漏C、N汇以及人类活动干预下的C-N等元素的生物地球化学循环与全球气候/环境变化之间的相互作用与影响的研究提供新的思路。