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河壩干涸沉積物CO2通量的時間模式和驅動因素

瀏覽次數:2130 發布日期:2022-12-9  來源:漢莎


 

眾所周知,大陸碳向海洋的運輸主要受河流調節。河流中的碳可通過沉積和光合作用暫時儲存,也可通過生物呼吸釋放。河流的一個顯著特征是它們的水位經常變化。低水位時,先前淹沒的河流沉積物將暴露于大氣中并干涸。研究表明,這些暴露的沉積物是大氣中CO2的主要來源之一。



鑒于河壩干沉積物CO2排放來源的不確定性以及時間和空間上的差異,德國馬格德堡大學景觀生態研究所的Matthias Koschorreck利用美國PP Systems公司CFLUX-1全自動土壤碳通量測定系統EGM-5土壤碳通量測定系統分別測量了沉積物CO2排放的時間變異和空間變異,并結合其他多種方法,確定了德國一條大河流河壩干沉積物的CO2排放的主要來源,了解其時間模式和驅動因素。該研究結果“Temporal patterns and drivers of CO2 emission from dry sediments in a groyne field of a large river”發表在Biogeosciences期刊(IF=5.092)上。
 


圖1 試驗地點

 

該河流表現出典型的夏季流量情況。水位大多在1m以下,因六月底出現了一次高流量,僅在初夏的6周、8月第一周和9月的短時間內出現了大量的干涸沉積物,在這些時期使用CFLUX-1全自動土壤碳通量測定系統進行CO2通量長期自動測量。CFLUX-1的位置會隨水位的變化而變化,其中5月17日,由于水位變化,CFLUX-1被移至更高處(離水位零點103cm),5月20日后水位下降,CFLUX-1被移至新出現的沉積物處。研究發現,CO2通量顯示較高的波動。整個測量階段,通量在-120~1135mmol/m2/d之間波動,平均值為149±155mmol/m2/d。在更靠近水面處測量的CO2通量比高坡度處測量的更低,變化也更小。6月份之后尤其9月份的日波動增大。
 


圖2 CO2通量和水位的長期變化

 

觀察到的CO2通量較高的日波動表明其受溫度調節。如果將所有CO2通量數據和溫度一起作圖,CO2通量的溫度響應不是很清晰(圖3a),但如果繪制一天的數據,則出現了一個明確的響應模式(圖3b):CO2通量的溫度響應受時間的影響,產生典型的滯后曲線——白天氣溫上升導致CO2通量的指數級增加,下午氣溫冷卻,通量仍較高,其溫度響應明顯延遲了。
 


圖3 CO2通量的溫度響應

 

以9月份的某一周數據為例,可觀察到溫度、非飽和帶厚度和降水是如何調節CO2通量的(圖4)。溫度驅動著CO2通量非常明顯的日波動,但通量的絕對水平隨著非飽和帶厚度的增加而增大。9月25日的降水事件導致沉積物濕度突然增加,但CO2通量明顯下降。
 


圖4 CO2通量、沉積物溫度、沉積物含水量、降水和非飽和帶厚度的一周變化

 

使用EGM-5便攜式土壤碳通量測定系統對離水面不同距離處的沉積物CO2通量進行測量發現,在沉積物濕度最高的水面附近,CO2通量最低,隨著與水面的距離增加,CO2通量增加(圖5)。這與長期監測結果是一致的,這也與觀測到的CO2通量與非飽和帶厚度之間的正相關關系相一致。這些都表明,沉積物的呼吸作用是其CO2通量的主要驅動因素。
 


圖5 CO2通量與沉積物含水量的空間變化

注:白線為植物線,此線下方無植物。
 

為了評估地下水脫氣,作者進行了222Rn測量。結果表明,沉積物CO2通量不是來源于地下水。為了檢驗觀察到的CO2通量是否可用沉積物中的微生物呼吸來解釋,進行了實驗室培養。結果發現,實驗室孵育測定的沉積物呼吸速率在8月份為0.9±0.45μmol/g/d,9月份為0.64μmol/g/d,且呼吸速率隨與河流的距離增加而增大。根據這些速率計算出的潛在CO2通量與原位測量的CO2通量相似或更高(圖6)。實驗室培養也進行了溫度驗證,結果也與原位測量的溫度響應相似(圖7)。因此,沉積物呼吸足以解釋觀測到的CO2排放。
 


圖6 室內培養與原位測量的沉積物CO2通量的比較

 


圖7 室內培養沉積物CO2通量對溫度的響應

 

綜上所述,作者得出以下結論:河壩干涸沉積物的CO2通量主要是由沉積物中的微生物呼吸驅動的,其還受溫度和非飽和帶厚度的調節。而且,溫度對沉積物CO2通量的影響具有滯后現象,因此在衡量沉積物CO2通量的年度變化時,需要考慮沉積物CO2通量的時間動態問題。

發布者:漢莎科學儀器有限公司
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