喀斯特洞穴甲烷动态及源汇关系研究

Methane is one of the most important greenhouse gases. Though flux observation systems, global atmospheric models and isotope ratios have been used to study methane source-sink fluxes quantitatively in wetland and paddy field, much uncertainties still entails. It reveals that karst caves may act as a methane sink. And the methane sink suggested here has been probably embedded in the soil uptake term of forward and inverse modeling studies before. So it is necessary to deepen researches on source-sink relationship and flux of methane in the karst cave atmosphere. We plan to use advanced instruments to monitor methane concentrations automatically and continuously, in order to analyze their temporal and spatial variation regularity. Also we will research scientifically on methane and carbon dioxide concentrations, carbon isotope ratios in atmosphere, soil and cave air, as well as concentrations of radon and anions in cave air. Meanwhile, we will use sequence analyses, nucleic acid extraction and PCR amplification to detect methanotroph and methanogen in soil and cave soil and rock surface. Based on studies above, we will interpret the source-sink relationship of methane in the karst cave atmosphere. After all, we will preliminarily estimate methane fluxes and effects of karst caves on region carbon cycle, combining with wind speed and directions in cave entrances.

甲烷是最重要的温室气体之一,尽管通量观测技术、全球大气模型以及同位素比值等手段被用来定量研究湿地、稻田等生态系统的甲烷源汇通量，但结果仍存在较大的不确定性。有研究表明，喀斯特洞穴可能是大气甲烷的汇，且这部分碳汇在此前的正反向模型计算时可能被纳入到土壤氧化分解中。因此，有必要对喀斯特洞穴甲烷源汇关系及通量大小进行深入研究。本项目拟运用现代监测手段对洞穴空气中的甲烷浓度进行连续自动观测，分析甲烷浓度的时空变化规律；同时，系统研究大气、土壤和洞穴空气中甲烷浓度、二氧化碳浓度和碳同位素比值以及洞内氡和负离子含量等指标，并采集洞顶土壤、洞内土壤和岩石表面物质，利用基因测序、核酸提取、PCR扩增技术，分析甲烷氧化菌和产甲烷菌群，从而解析洞内甲烷的源汇关系；结合洞口风速风向，初步估算喀斯特洞穴甲烷通量及其对区域甲烷碳循环的影响。

本项目以中国科学院普定喀斯特生态系统观测研究站内的喀斯特坡地生态系统为研究对象，围绕喀斯特洞穴甲烷的动态变化、去除机制及其对区域碳循环的影响，开展了大气、土壤以及洞穴的甲烷、二氧化碳和222Rn的观测研究。主要结果如下：（1）洞穴具有5种通风模式，即冷库型、热库型、平流型、烟囱效应A型和烟囱效应B型，本研究中的沙湾洞为烟囱效应A型洞穴；（2）喀斯特坡地生态系统是大气甲烷汇，大气甲烷通量主要由土壤贡献，同时，喀斯特地下空间（如洞穴）对大气甲烷通量有一定贡献（贡献率约为13.8%），甲烷在洞穴中的去除机制主要是甲烷氧化菌氧化作用；（3）喀斯特地下空间是大气的二氧化碳源，其本质是喀斯特土壤二氧化碳向下扩散以及土壤有机质下渗至包气带后分解导致的二氧化碳通过洞口和裂隙的再排放过程。由于大量的工作还在进一步深入的过程中，本报告中的部分研究结果还存在一定的不确定性，我们将在后续工作中不断完善，最终为构建喀斯特地区碳循环模式及评估洞穴对区域碳循环的影响提供科学依据。