茂兰拉桥泉池系统温室气体排放和水生光合碳汇对比研究

Terrestrial aquatic photosynthetic carbon sink (biological carbon pump effect) could be an important mechanism for the “missing carbon sink”. It involves carbon sequestration originated from the absorption of atmospheric CO2 and the utilization of dissolved inorganic carbon by aquatic photosynthesis and part of which will release back to the atmosphere. The resulting net carbon sink could be hundreds of millions of tons per year. Previous studies consider mainly the CO2 emission of water, but rarely the CH4 emission which could counteract aquatic photosynthetic carbon sink. We found in Maolan that, in the meantime when biological carbon pump effect is the highest, CH4 flux is extremely high, further, with great variations between seasons. In consideration of the significant warming effect of CH4, which is 20 to 30 times greater than that of CO2, studies on CH4 emission are meaningful for evaluating net aquatic photosynthetic carbon sink. Therefore, based on previous researches, we take a spring-pool system in Laqiao, Maolan as an example, combining high resolution monitoring with floating static chamber-gas chromatograph technique, to study the emission of both CO2 and CH4 as well as aquatic photosynthetic carbon sink, to reveal the mechanism of the fluxes variations of CO2 and CH4, and to estimate the corresponding net aquatic photosynthetic carbon sink, so as to provide strong scientific support for further accurate assessment on the terrestrial carbon budget.

陆地水生光合碳汇（生物碳泵效应）可能是碳失汇的重要机制，它涉及光合作用对大气CO2的吸收和溶解无机碳的利用，其中部分固定的碳又通过呼吸作用以CO2的形式释放回大气，由此产生的净碳汇量达数亿吨每年。然而，前期相关研究仅考虑水体呼吸CO2，少有考虑因CH4释放产生的碳排放对水生光合碳汇的减弱。我们在茂兰的研究发现CH4排放通量在生物碳泵效应最强时具有异常的极高值（可与碳汇通量达到同样数量级），但变异也极大。考虑到CH4的温室效应是CO2的20-30倍，研究其排放通量及其变化对评价水生光合净碳汇意义重大。因此，本项目拟以茂兰拉桥泉池系统为研究对象，在前期研究基础上，结合水文水化学高分辨率监测及浮式静态箱-气象色谱法，对比研究该系统CO2、CH4排放和水生光合碳汇，旨在揭示CO2和CH4通量变化规律及其控制因素，并据此估算相应的水生光合净碳汇量，从而为陆地碳收支的进一步精确评估提供新的科学支撑。

碳酸盐风化能否形成长期稳定的碳汇很大程度上取决于水生光合生物对水中溶解无机碳（DIC）的利用（生物碳泵效应），这对区域碳收支平衡有重要影响。本项目以茂兰拉桥泉池系统为研究对象，通过对水化学动态和水气界面温室气体交换的监测，探讨其变化规律并估算生物碳泵效应产生的碳汇通量。研究发现：地表水水化学参数具有明显的昼夜变化，白天光合作用主导，夜晚呼吸作用占优，表现为DO、pH、SIC白天高夜晚低，EC、DIC、pCO2白天低夜晚高；白天光合作用较强的时候，甚至出现大气CO2向水中补充（负通量）的情况。以上现象在生物量较大的中游池和秋季更为显著。测算冬季和秋季中游池生物碳泵效应碳汇通量分别可达285 tC/km2·a和892 tC/km2·a，相当于海洋生物碳泵的43倍和135倍。在此基础上，选取普定喀斯特生态站岩溶水碳通量模拟试验场的泉池系统为研究对象，模拟不同DIC输入条件下的情况。同样的水化学变化规律在五个池子中均被发现，与水生生物光合作用和呼吸作用进程相一致；水中溶解无机碳同位素（δ13CDIC）变化也印证这一过程，光合作用优先利用较轻碳同位素12C而使水中富集较重碳同位素13C使得δ13CDIC偏正，呼吸作用释放并在水中富集较轻的碳同位素12C使得δ13CDIC偏负。气体交换方面，在白天光照较强时水生光合生物不仅能利用DIC，还能吸收大气CO2作为无机碳源进行光合作用固碳，从而形成CO2负通量；其余时段表现为CO2释放。而CH4的排放通量整体较小，且未与水生光合作用过程表现出显著的相关性。测算得到生物碳泵效应碳汇通量最高出现在夏季草地下覆的4号池，为616 tC/km2·a；输入的DIC浓度越高，碳汇通量就越高，表现出显著的DIC施肥效应。整体研究结果表明，陆地水生生物光合作用可以利用水中的DIC，此生物碳泵效应产生的碳汇量很大，这对于正确评估岩石风化碳汇有着重要的影响。