CFLUX-1/EGM-5]河坝干涸沉积物CO2通量的时间模式和驱动因素

众所周知，大陆碳向海洋的运输主要受河流调节。河流中的碳可通过沉积和光合作用暂时储存，也可通过生物呼吸释放。河流的一个显著特征是它们的水位经常变化。低水位时，先前淹没的河流沉积物将暴露于大气中并干涸。研究表明，这些暴露的沉积物是大气中CO₂的主要来源之一。

鉴于河坝干沉积物CO₂排放来源的不确定性以及时间和空间上的差异，德国马格德堡大学景观生态研究所的Matthias Koschorreck利用美国PP Systems公司的CFLUX-1全自动土壤碳通量测定系统和EGM-5土壤碳通量测定系统分别测量了沉积物CO₂排放的时间变异和空间变异，并结合其他多种方法，确定了德国一条大河流河坝干沉积物的CO₂排放的主要来源，了解其时间模式和驱动因素。该研究结果“Temporal patterns and drivers of CO₂ emission from dry sediments in a groyne field of a large river”发表在Biogeosciences期刊（IF=5.092）上。

图1 试验地点

该河流表现出典型的夏季流量情况。水位大多在1m以下，因六月底出现了一次高流量，仅在初夏的6周、8月第一周和9月的短时间内出现了大量的干涸沉积物，在这些时期使用CFLUX-1全自动土壤碳通量测定系统进行CO₂通量长期自动测量。CFLUX-1的位置会随水位的变化而变化，其中5月17日，由于水位变化，CFLUX-1被移至更高处（离水位零点103cm），5月20日后水位下降，CFLUX-1被移至新出现的沉积物处。研究发现，CO₂通量显示较高的波动。整个测量阶段，通量在-120~1135mmol/m²/d之间波动，平均值为149±155mmol/m²/d。在更靠近水面处测量的CO2通量比高坡度处测量的更低，变化也更小。6月份之后尤其9月份的日波动增大。

图2 CO₂通量和水位的长期变化

观察到的CO₂通量较高的日波动表明其受温度调节。如果将所有CO₂通量数据和温度一起作图，CO₂通量的温度响应不是很清晰（图3a），但如果绘制一天的数据，则出现了一个明确的响应模式（图3b）：CO₂通量的温度响应受时间的影响，产生典型的滞后曲线——白天气温上升导致CO₂通量的指数级增加，下午气温冷却，通量仍较高，其温度响应明显延迟了。

图3 CO₂通量的温度响应

以9月份的某一周数据为例，可观察到温度、非饱和带厚度和降水是如何调节CO₂通量的（图4）。温度驱动着CO₂通量非常明显的日波动，但通量的绝对水平随着非饱和带厚度的增加而增大。9月25日的降水事件导致沉积物湿度突然增加，但CO₂通量明显下降。

图4 CO₂通量、沉积物温度、沉积物含水量、降水和非饱和带厚度的一周变化

使用EGM-5便携式土壤碳通量测定系统对离水面不同距离处的沉积物CO₂通量进行测量发现，在沉积物湿度最高的水面附近，CO₂通量最低，随着与水面的距离增加，CO₂通量增加（图5）。这与长期监测结果是一致的，这也与观测到的CO₂通量与非饱和带厚度之间的正相关关系相一致。这些都表明，沉积物的呼吸作用是其CO₂通量的主要驱动因素。

图5 CO₂通量与沉积物含水量的空间变化

注：白线为植物线，此线下方无植物。

为了评估地下水脱气，作者进行了222Rn测量。结果表明，沉积物CO₂通量不是来源于地下水。为了检验观察到的CO₂通量是否可用沉积物中的微生物呼吸来解释，进行了实验室培养。结果发现，实验室孵育测定的沉积物呼吸速率在8月份为0.9±0.45μmol/g/d，9月份为0.64μmol/g/d，且呼吸速率随与河流的距离增加而增大。根据这些速率计算出的潜在CO₂通量与原位测量的CO₂通量相似或更高（图6）。实验室培养也进行了温度验证，结果也与原位测量的温度响应相似（图7）。因此，沉积物呼吸足以解释观测到的CO₂排放。

图6 室内培养与原位测量的沉积物CO₂通量的比较

图7 室内培养沉积物CO₂通量对温度的响应综上所述，作者得出以下结论：河坝干涸沉积物的CO₂通量主要是由沉积物中的微生物呼吸驱动的，其还受温度和非饱和带厚度的调节。而且，温度对沉积物CO₂通量的影响具有滞后现象，因此在衡量沉积物CO₂通量的年度变化时，需要考虑沉积物CO₂通量的时间动态问题。