黄土塬区包气带土壤CO2的变化特征、成因机制及其碳循环意义

Loess is an important terrestrial carbon stock in China. The study results on microbial diversity, organic carbon in groundwater from the quaternary loess aquifer show that carbon stock in deep loess (unsaturated - saturated zone) is involved into the active carbon cycle based on water-soil-gas -microbe interaction and exchanges intimately with atmospheric carbon stock by lateral CO2 efflux in loess gully cliff, recharge-discharge of groundwater. However, the research on the carbon cycle mechanisms in deep loess is poorly known, which gives us a severe limitation to exactly estimate the carbon stock in deep soil and its turnover. Thus, to disclose further the carbon cycle in deep loess based on water-soil-gas-microbe interaction from the angles of gas, soil, microbe combining with the concluding study on groundwater in loess aquifer, the focuses of this research will be mainly on (1) the vertical and seasonal change of CO2 concentration in loess profile and lateral CO2 efflux in loess gully cliff. (2) the exploration of the origin and control factors of soil CO2 according to the determination of soil water content, soil CO2 and its δ13C, carbonate and its δ13C, organic carbon and its δ13C, total bacterial count and diversity in loess.

黄土是中国重要的陆地碳库之一。黄土浅层地下水中微生物种群、有机碳等的研究结果表明，黄土深层（包气带-饱水带）碳库也存在着较活跃的水-土-气-生相互作用的碳循环过程，并以黄土沟壁的CO2侧向释放、降雨入渗补给-地下水排泄等方式与大气碳库进行着密切的碳交换。但截至目前，人们对黄土深层碳循环机制的研究仍很少, 这严重制约着人们对黄土碳库及其周转速率的深入认识与精确估算。基于此，本申请拟以黄土塬区包气带为研究对象，监测其土壤CO2浓度及侧向释放通量的深度和季节变化特征，通过相应层位的土壤含水率、土壤CO2的碳同位素、碳酸盐含量及碳同位素、有机碳含量及同位素、土壤细菌总数及微生物种群等研究土壤CO2的成因及其控制因素，结合项目组前期从黄土地下“水”角度的相关研究，从“气、土、生”等其他视角进一步探索水-土-气-生相互作用的黄土塬区包气带-饱水带碳循环机制，为黄土碳库的固碳机理和潜力研究提供科学依据。

我国北方黄土高原与南方岩溶区一样，也属巨大的碳库。然而目前对黄土碳库的研究主要集中在地表，黄土深层碳库尤其是针对包气带-饱水带（～100 m）的研究很少。深层黄土碳库及其碳循环是一个水-土-气-生相互作用的复杂的生物地球化学循环，这一循环中涉及诸多的科学问题。土壤CO2是水-土-气-生相互作用下碳循环的重要纽带。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，并结合黄土剖面出露泉水的水化学及其H、O和C同位素组成、地下水微生物种群结构特征，初步研究了黄土深层碳循环机制及其潜在的碳汇效应。研究成果的主要创新点包括： 1）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，达6970 μL/L。2）观测了土壤CO2的δ13C（主要集中在-21.3‰～-15.4‰之间），发现了其与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。并估算了微生物降解有机碳对土壤CO2的贡献比例平均为65%，碳酸盐矿物风化/沉积过程对土壤CO2的贡献比例平均为35%，有机碳的贡献随深度递减，碳酸盐矿物沉积过程的贡献随深度递增。3）黄土泉水和井水的δ13C-DIC值大约在-8.9‰～-9.3‰，其偏正的δ13C与碳酸盐风化-沉积过程中反复的碳同位素交换有关。估算得到研究区的碳酸盐风化碳汇为2.82 mmol/L。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，其优势种群属于化能自养微生物，通过参加Calvin循环吸收CO2。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。