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CFLUX-1/EGM-5]河坝干涸沉积物CO2通量的时间模式和驱动因素
2023-1-9
来源:未知
点击数: 682          作者:英驰科技
  • 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CFLUX-1全自动土壤碳通量测定系统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。


    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517日,由于水位变化,CFLUX-1被移至更高处(离水位零点103cm),520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。


    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。


    3 CO2通量的温度响应

    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。925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。


    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。


    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/d9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。


    室内培养与原位测量的沉积物CO2通量的比较


    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。

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