黄土塬区包气带-饱水带界面碳的迁移转化及其控制因素

According to our findings, the carbon stock in deep loess is a poorly-studied but active stock, probably with a non-stop transport and transformation of carbon driven by microbe effect and water cycle, and there are two results that indicate a carbon sink in shallow groundwater in loess: (1) an influx of CO2 is observed at the unsaturated-saturated interface of loess section and (2) the dominant population in groundwater is a chemoautotrophic microbe that can absorb CO2. However, the related evidence and mechanisms are still unknown and needed to be further studied. Therefore, this study will focus on the carbon stock at the unsaturated-saturated interface of Dudian loess in Lingtai, capture the pathways and flux rate of carbon transport and transformation by investigating the hydro-geochemical characteristics of groundwater and CO2 flux from loess section. The multi-methods including pedogeochemistry, molecular biology(Real-time PCR, Microbial diversity sequencing and Whole genome sequencing) and isotopic geochemistry, etc. will be employed to unravel their controlling factors of carbon cycle at the interface from different angles of "loess, gas, water, microbe". The aims of this study are to offer a scientific support to the accurate evaluation of the potential of carbon sink and CO2 emission for loess, and to provide a theoretical basis for the selection of paleoclimate proxy in loess.

申请者通过前期研究发现黄土深层碳库在微生物和水的驱动下可能一直发生着永不停歇的迁移转化，包气带-饱水带界面附近的黄土CO2出现负通量现象，地下水微生物优势种群为固定CO2的化能自养微生物，暗示存在微生物碳汇效应，但目前相关的证据和机理仍不十分清晰。本项目拟以灵台县独店黄土塬区包气带-饱水带界面的黄土碳库为主要研究对象，通过地下水水化学特征（包括阴阳离子、DIC、DOC和POC等）、土壤气体通量（CO2浓度及通量）等捕捉包气带-饱水带界面碳的迁移转化途径，结合土壤地球化学、分子生物学（定量PCR、微生物多样性测序与宏基因组测序）以及同位素地球化学等研究手段，从“土-气-水-生”综合角度揭示其控制因素，为黄土碳库的固碳潜力和温室气体排放的精确评估提供科学支撑，为黄土古气候定量重建指标的遴选提供理论依据。

我国北方黄土贮存了大量的无机碳与有机碳，是一个巨大的碳库，在区域及全球碳循环中扮演着重要作用。然而目前我们对黄土深层（～100 m）碳库的稳定性及其碳循环机制仍知之甚少，尤其是包气带-饱水带界面附近。本项目在甘肃省灵台县秋射村建立了黄土深层碳循环野外观测试验场。利用便携式气体监测设备对黄土包气带土壤CO2浓度特征及其向大气碳库的迁移通量进行了较为详细的观测，通过相关样品的测试分析以及碳同位素技术查明了CO2的成因机制，并结合地下水微生物种群结构特征，初步研究了黄土水-碳耦合机制。研究成果的主要创新点包括： 1）梯田后壁的CO2侧向排放通量约占地表土壤CO2垂向通量的一半，是黄土高原土壤CO2通量的一个重要但常被忽略的排放途径。2）查明了不同黄土-古土壤层位土壤CO2的浓度有所差异，包气带-饱水带界面附近夏季的CO2浓度观测结果最高，但由于土壤空隙度较低，该层位土壤碳的侧向通量较低。2）人类工程开挖活动导致其后一年内该新剖面土壤CO2浓度的迅速升高，随后逐年下降。土壤CO2的δ13C （-21.27 ‰ ~ -19.22 ‰，平均-20.11‰）与1/[CO2]成正相关关系，揭示了黄土CO2的成因除来源于微生物分解土壤有机碳（贡献比约为80%）外，可能也与碳酸盐矿物-CO2-H2O化学平衡体系中碳酸盐沉淀的脱气作用有关（贡献比约为20%）。4）基于高通量测序的技术进行的区内地下水中微生物种群结构研究结果表明，研究区地下水中的微生物种群极其丰富，优势种群是一种厌氧化能异样菌，可降解有机碳，但也有化能自养菌(厌氧氨氧化菌)，可能存在微生物碳汇效应。5）黄土-古土壤序列（L9和L15）高分辨率地球化学研究表明有机长期耦合作用。6）黄土磁化率在垂直深度上表现出了黄土-古土壤的明显差异，但是在水平上还是有差异。在年际时间尺度内，黄土深层土壤碳库也是较为活跃的碳库，其通过降雨-入渗-排泄过程及黄土剖面的侧向气体排泄（主要是CO2）与大气进行着密切碳交换。