干旱区地下水补给与排泄对土壤碳通量的调控作用研究

The CO2 sink from the inorganic carbon dissolution in the global water cycle has been demonstrated by chinese scientists according to the theoretical calculation and the observed records. This may be a new branch in the discussion of the missing carbon sink, however, the migration and storage process of the dissolved inorganic carbon in the arid regions have been ignored in the past time. Therefore, this project will have a long-time and large -scale observation of soil CO2 fluxes and a measurement of the soil profile data based on the isotope technology over the Manasi River Basin. The isotope ecology of the CO2 exchange between the groundwater-soil system and atmosphere is also discussed. The correlation relationships of the organic/inorganic carbon, CO2 in the soil and the organic/inorganic carbon, CO2, δ13C in the groundwater are detected. The distribution procedures of the gas phase, liquid phase and solid phase about 13CO2 are simulated using the 13CO2 isotope labeling method and a homemade experimental apparatus. The process model for the chnages of soil CO2 flux following the recharge and discharge of the groundwater is established. Some reliable numerations for the model are presented. The implication of the recharge and discharge of the groundwater on soil CO2 fluxes in the arid regions is evaluated. The project aims to motivate the research of the soil carbon sink and source in the arid regions. Furthermore, it will provide some important datasets and methods in the study of the carbon balance affected by the water cycle in the arid region on regional/global scales.

我国科学家在理论计算和野外观测数据证明的基础上发现，全球水循环可能以无机碳溶解的形式产生重要的CO2汇，将成为对“碳失汇”问题进行探知的一个新方向，而干旱区可溶性无机碳的迁移存储过程长期被忽略。因此，本项目基于同位素技术，在玛纳斯河流域开展长期、大范围的土壤碳通量观测及土壤剖面数据测试，进行地下水—土壤系统与大气之间CO2交换过程的同位素生态学分析，建立土壤有机碳/无机碳、土壤CO2和地下水有机碳/无机碳δ13C的相关关系；基于13CO2的同位素标记法，借助自制的实验装置，模拟13CO2在地下水−土壤系统中气相，液相与固相分配过程，构建土壤碳通量随地下水补给与排泄变化的过程模型，并提供可靠的数值解法，量化评估干旱区地下水补给与排泄对土壤碳通量的调控作用，为推动干旱区土壤碳源、碳汇问题研究，进一步揭示干旱区水循环过程对区域及全球碳平衡的贡献提供部分数据资料与方法支持。

我们重新认识了盐碱土二氧化碳吸收作为换取工业减排途径的可能性，提出干旱区二氧化碳吸收可以作为很好的补充途径，对于这项技术存在的困难和瓶颈进行了深入的探讨。我们发展和改进了传统的碳平衡方程，形成了一篇观点性论文，在国际上正式公布我们接近了碳迷失的真相。对于如何更有效地利用干旱区的碳吸收，也提出了大胆的设想--nanodesert，即利用纳米颗粒材料作为辅助介质抑制沙漠碳排放、强化土壤碳吸收。我们将图像、视频识别技术作为洞察干旱区地下水碳迁移、转化和分配过程与机制的一个新的应用工具，作为第一次有益的尝试，我们获得了成功，利用图像识别技术，我们减少了典型样地选择过程中的工作量，而借助视频识别技术，我们帮助科学家理解这一特殊地下过程的发生机制，进一步增加干旱区碳吸收的国际认可度。我们认识到目前灭菌分离法的工作量很大，试图从数学的角度，减少碳吸收站点观测和大尺度吸收规模评估的工作量。我们提出的数学模型是基于传统的土壤碳通量模型，综合野外获取的观测数据与部分室内实验数据，借助碳吸收和碳通量之间近似的线性关系，逐步推导演化出了一个全新的干旱区碳通量模型。在此基础上，以亚洲中部干旱区为研究本底，开展了气候变化的归因分析，结果显示，地表植被覆盖的变化驱动了亚洲中部干旱区气候的生态偏移。初步认为，具有特殊碳过程的干旱区，其气候驱动机制可能也有其特殊性。进而，在宏观尺度上，由气候演化格局主导的区域水平衡发展格局也可能受地表植被覆盖的变化。地表植被覆盖的变化就可能对干旱区地下水补给与排泄的时空格局产生特殊影响，并影响其对土壤碳通量的调控作用。最后，探讨了干旱区土壤-地下水系统中δ13C 对CO2地下迁移、转化与分配的响应，试图解释干旱荒漠区土壤及地下水有机碳和无机碳的转化关系，并在此基础上完成了对土壤系统中有机碳与无机碳转化关系的定向分析。