研究生知识库

随着大量研究的开展，以及对地球系统科学岩溶观认识的不断加深，岩溶作用碳循环的研究逐步向着“水-岩-气-生”相互作用方向发展。特别是近年来的研究成果，碳酸盐（包括碳酸盐岩）溶解与水生植物的光合作用耦合对全球碳汇的贡献也作为其中一个新的研究方向，引起了国内外的关注。而碳酸盐岩风化能否形成稳定持久碳汇很大程度上取决于风化产生的溶解无机碳(DIC)能否被水生光合生物利用及其利用程度，后者可通过地表水水化学、水中溶解无机碳同位素（δ13CDIC）和溶解有机碳（DOC）的昼夜变化进行探讨。本研究选取普定喀斯特生态系统观测研究站内所建设的大型水-碳模拟试验场不同土地利用条件下的泉-池系统作为研究对象，对泉水及对应的池水进行昼夜高分辨率(15 min/次)的动态监测以获得五组不同泉-池系统的水化学昼夜变化情况，同时测定δ13CDIC组成变化，以揭示不同土地利用覆盖类型和水生植物新陈代谢对水化学和δ13CDIC时空变化的影响及控制机理。此外，还测定了五组不同泉-池系统溶解有机碳（DOC）和颗粒有机碳（POC）在不同季节的变化，以揭示不同岩溶水生生态系统有机质生成的控制机制。最后，通过水面静态箱法监测水面CO2浓度昼夜变化，以获得水-气界面碳交换通量。结合不同土地利用覆盖下的DIC（溶解无机碳）和总有机碳（TOC）的浓度变化，根据质量守恒估算了生五组不同泉-池系统中的小池在不同季节因“水生碳泵”产生的碳汇能力。监测取样时间为2015年7月至2016年4月，分为春季时段（2016年4月26~28日）、夏季时段（2015年7月19~21日）、秋季时段（2015年10月24~26日）、冬季时段（2016年1月23日~25日）。结合样品的采集和野外及室内试验数据分析和相关模型计算，获得了以下一些认识：（1）在不同土地利用覆盖下的模拟泉水处，水化学昼夜变化不显著。在水生植物大量生长的五个小池中，pH、DO、SIC在白天呈逐渐增加趋势，在夜间逐渐降低，与水生生物的光合作用和呼吸作用进程相一致；而EC、HCO3-、Ca2+和pCO2呈现相反的变化规律：白天下降，晚上上升。（2）水中溶解无机碳同位素（d13CDIC）在生长有大量水生植物的五个小池中昼夜动态变化明显，光合作用优先利用较轻的碳同位素（12C）而使水中富集较重碳同位素（13C）使得d13CDIC偏正；呼吸作用释放富集较轻的碳同位素12C使得13CDIC偏负。春夏季d13CDIC泉口和池水较偏负，而秋冬季较偏正。（3）不同土地利用条件下的五组泉-池系统在同一季节，其水化学和d13CDIC之间差异明显，主要表现为S4-P4（草地）中的EC、HCO3-、Ca2+和pCO2最高，其次S3-P3（玉米地），之后是S5-P5（灌木地），最后是S2-P2（荒地）和S1-P1（裸岩地）。d13CDIC则是S4-P4最偏负，其次是S5-P5，之后是S3-P3，S2-P2和S1-P1相近。这一实验结果反映了土地利用覆盖类型对岩溶泉-池系统的控制作用。（4）不同土地利用所调控的五个自养型小池中，P4的DOC和POC净合成量为五个小池中最高，其次是P3和P5，最低为P1和P2。与五个小池中的DIC浓度呈正相关，即小池中的DIC浓度越高，自养型小池系统中生成的DOC和POC越高，水生生态系统的固碳能力越强。这对碳酸盐岩地区，特别是西南石漠化严重的碳酸岩地区植被修复与增汇有重要的指示意义。（5）在五个小池中水生植物生长旺盛的季节，在白天进行光合作用时，水生植物不仅能利用DIC，还能从空气中吸收大气CO2作为无机碳源进行光合作用固碳。岩溶水生生态系统水生碳泵固碳能力在一个水文年中表现为：夏季>秋季>春季>冬季，且P4>P3>P5>P2>P1。五个不同土地利用类型下的小池系统分别为：春季，P1=119 t C a-1km-2，P2=190 t C a-1km-2，P3=341 t C a-1km-2，P4=416 t C a-1km-2，P5=311 t C a-1km-2；夏季，P1=375 t C a-1km-2，P4=616 t C a-1km-2，P5=579 t C a-1km-2；秋季，P1=156 t Ca-1km-2，P2=238 t C a-1km-2，P3=414 t C a-1km-2，P4=494 t C a-1km-2，P5=399 t C a-1km-2；冬季，P1=-34 t C a-1km-2，P2=-56 t C a-1km-2，P3=-71 t C a-1km-2，P4=-51 t C a-1km-2，P5=-24 t C a-1km-2。（6）水生生态系统沉水植物固定的有机质含量（Moc）与溶解无机碳(DIC)含量之间在生长季节呈明显的指数正相关关系，DIC浓度越高，MOC也就越高，岩溶地区水生生态系统DIC施肥效应显著。普定站水-碳通量模拟试验场的泉-池系统生物碳泵作用的碳汇效应受气候条件和土地利用方式共同控制。