生物碳泵效应对水环境的改善机制——基于平寨和普定喀斯特水库的研究

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生物碳泵效应是喀斯特地表水生生态系统的重要碳汇机制,对全球碳循环的研究具有重要意义。传统认为,硅酸盐风化碳汇是主要的陆地风化碳汇,碳酸盐风化在长时间尺度上没有碳汇。最新研究发现,硅酸盐的风化速率低,从短时间尺度上来看,碳酸盐风化才是陆地水生生态系统的主要风化碳汇,占岩石风化碳汇的94%,因此,喀斯特地表水生生态系统的碳汇显得尤为重要。生物碳泵效应作为一种稳碳和固碳过程,是形成长期稳定碳酸盐风化碳汇的重要机制,是碳循环的重要环节。生物碳泵效应的核心控制元素是碳元素,该效应在富含溶解无机碳(DIC)的喀斯特地表水生生态系统中发挥着重要作用。为了弄清喀斯特地表水生生态系统生物碳泵效应对水环境的影响和碳-氮-磷耦合循环机制,进一步揭示生物碳泵的水环境效应和富营养化缓解机制,本文选择贵州省三岔河流域上游的平寨水库流域和中游的普定水库流域为研究对象,于2017年4月至2018年1月,对水库进行空间上的多点采样和对水库坝区进行垂直分层采样。目前,对已有数据进行分析,结果表明:  (1)平寨水库流域和普定水库流域的水化学特征为典型的喀斯特地表水,水体处于方解石过饱和状态。夏季和秋季,两个水库存在明显温跃层(大约为10-20m)。水温越高,pH值和溶解氧(DO)含量越高,电导(EC)、DIC和[Ca2+]越低,即受到阳光照射的表层水体pH值和DO高于下层水体,而EC、DIC和[Ca2+]较下层水体低。这是温度影响了水生光合生物的活动,进一步影响水化学参数变化的缘故。冬季无明显温跃层,水生光合作用弱。平寨水库和普定水库具有相似的水化学变化特征,属于相同类型的喀斯特水库,且平寨水库受到水生生物的影响强于普定水库;  (2) DIC与叶绿素a浓度负相关,氮磷浓度与叶绿素a浓度无明显相关性,生物碳泵效应是水生生物增长的主要机制。生物碳泵效应越强,pH值和DO越高。夏季和秋季,化学需氧量(CODMn)与叶绿素a浓度之间存在正相关关系,可能间接证明了生物碳泵效应是重要的碳汇机制;  (3)溶解CO2是水生生物生长的直接碳源。夏季和秋季,溶解CO2浓度与叶绿素a浓度之间呈现较好的负相关关系。当溶解CO2浓度约低于0.02mmol/L,该段生物碳泵效应逐渐达到最大;当CO2浓度约高于0.08mmol/L,生物量与溶解CO2浓度无关,生物量稳定在较低的值,此时可能是氮磷等其他营养元素限制了生物量的增长;处于两值之间时,以生物碳泵效应为主,并在某种程度上受到氮磷元素的共同控制;  (4)水生生物生长会影响营养元素耦合化学计量比,营养元素耦合化学计量比反过来控制水生生物生长。不同元素对水生生物生长影响的相对强弱,主要由元素化学计量比决定。溶解二氧化碳/总溶解氮(CO2/TDN)比值高于0.20时,生物生长受到TDN的限制,溶解二氧化碳/总溶解磷(CO2/TDP)比值高于40时,生物量增长受到了TDP的限制,CO2/TDN比值低于0.20和CO2/TDP比值低于40时,水生生物生长受到碳-氮-磷耦合化学计量比的影响;  (5)铁/锰(Fe/Mn)比值与DIC负相关,与DO正相关,这是生物碳泵效应使DO增加,再进一步增加Fe/Mn的结果;Fe/Mn值与TDP负相关,说明生物碳泵效应可能具有一定的除磷机制;  文章最后对未来的研究方向进行了展望,提出了“生物生长控制”和“生物碳泵效应的富营养化缓解”机制。
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