耦合碳酸盐缓冲体系和生物碳泵机制的岩溶河流水气界面CO2脱气过程

The central query in carbon sink effect caused by karst processes is the CO2 degassing of karst water. However, research about obvious spatial-temporal differences in the intensity and direction of CO2 degassing in different karst water is insufficient. At present, some studies showed that CO2 degassing across the water-air interface in karst water is greatly limited including significant decrease in strength and direction change, while the roles and contributions of carbonate buffering system and "biologicalcarbon pump" mechanism in limiting CO2 degassing are poorly studied. In this proposal, the typical karst river-Lijiang main stream will be chosen to reveal the transformation mechanism and change of CO2 degassing direction across water-air interfaceby multi-parameters high-resolution researches, the thin boundary layer model method, floating chamber method, and the CO2 exchange coefficient in different spatial-temporal scale. The mechanism and contribution ratio of carbonate buffering and "biologicalcarbon pump" mechanism in limiting CO2 degassing were clarified by stoichiometry and laboratory simulation experiments. The anticipative results, if approved, will provide new insights into accurately assessing the carbon flux and process across the water-air interface of karst rivers and limiting greenhouse gas emissionsin karst rivers, and provide scientific basis for solving the stability of karst carbon sinks. Generally, these results also help to make new scientific contributions to balancing regional carbon budget and enacting reasonable measures for carbon sinks/carbon mitigation.

一直质疑岩溶作用碳循环产生碳汇效应的关键就是岩溶水体的CO2脱气，然而不同类型岩溶水体CO2脱气过程及其强度和方向存在高度的时空差异，但研究不足。目前的研究也表明岩溶水体水气界面CO2脱气受到极大的限制（强度的显著下降和方向的变化），而对于碳酸盐缓冲体系和“生物碳泵”机制在限制CO2脱气中的作用及贡献则十分缺乏研究。本项目拟选择我国典型岩溶河流-漓江干流为研究对象，通过不同时空尺度上多参数高分辨率研究，利用模型法和浮游箱法，结合CO2交换系数，揭示岩溶河流水气界面CO2交换方向的转换机理及变化；利用化学计量法和室内模拟实验，阐明碳酸盐缓冲体系和“生物碳泵”机制在限制CO2脱气中的作用机制及贡献比；研究成果将会在准确评估岩溶区河流水气界面碳通量及过程和岩溶区河流限制温室气体排放方面取得新认识，为解决岩溶碳汇稳定性问题提供科学依据，从而为平衡区域碳收支和制定合理的增汇减排措施做出新的科学贡献。

全球河流水气界面碳排放一直存在不确定性问题的关键就是CO2交换显著的时空异质性。本项目针对岩溶区河流水气界面CO2交换显著存在的负通量（即吸收大气CO2）在不同时间尺度转变及其控制机制这一科学问题，以典型岩溶区河流—漓江流域为研究区，利用改进的浮游箱法、模型法以及气体示踪法监测计算CO2交换系数，研究CO2交换通量的时间动态及其方向转变的关键控制机制、CO2脱气来源，通过三年的研究获得了以下几个方面的新认识：（1）首次获得了亚热带岩溶区河流的CO2交换系数（k600）值预测模型。岩溶区河流k600值表现出显著的季节和空间变化，且受到河流湍流（包括流速和坡度）的控制，同时，由于岩溶区河流冬季低湍流和高碱度、pH值的影响，受到化学增强效应（Chemical Enhancement）的限制，表现出较低的k600值；（2）碳酸盐缓冲体系和水生生物代谢过程是控制岩溶区河流水-气界面CO2交换负通量时空转变的关键，使得岩溶区河段在白天下午时间段，尤其是冬季表现出显著的吸收大气CO2的现象；（3）CO2交换量的日变化具有明显的周期性，对于河流水气界面碳排放通量模型构建具有重要意义。河流水气界面CO2交换通量表现出昼降夜升的日变化模式，但这一模式会受到个体事件（如降雨）干扰而被打断，且其日变化“本底值”受到季节变化的控制；（4）利用δ13C和Δ14C建立的混合模型表明非岩溶区断面CO2脱气主要来源于大气CO2、有机碳以及碳酸盐岩，平均比例分别为34.2%、34.4%以及32.4%，进入岩溶区后，碳酸盐岩贡献显著增加，但是受到水生生物代谢过程和碳酸盐缓冲体系的影响，限制了CO2脱气通量，脱气通量仅占风化碳汇通量的10.4%，漓江流域形成了可观的岩溶碳汇通量，约为0.04TgC/yr。