喀斯特地表水生生态系统生物碳泵的碳汇和水环境改善效应

碳汇研究是全球碳循环研究的重要内容.近年来,陆地水生生态系统的碳汇日益受到重视,被认为是"遗失碳汇"的重要组成部分.最新研究发现,碳酸盐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.目前生物碳泵效应的研究主要集中在两个方面:(1)内外源有机碳的区分是准确评价和计算生物碳泵效应碳汇的关键;(2)发现生物碳泵效应影响水环境指标和水质状况.未来,一方面应精确地对陆地水生生态系统碳汇量进行估算,研究不同气候和土地利用对碳汇量的影响;另一方面,揭示生物碳泵效应与水环境的相互作用机制.重点包括以下4个方面:(1)验证地表水生生态系统"元素比值控制假说";(2)生物碳泵效应对水体元素化学计量比的调控潜力;(3)形成不同碳汇机制(生物碳泵效应和富营养化机制)的根本原因;(4)生物碳泵效应通过物理-化学-生物耦合作用改善水环境的可能机制.最后,探究微生物碳泵效应应用于陆地水生生态系统的可能性.     

河蚬壳体δ~(13)C:由水体溶解无机碳重建过去环境变化的代用指标

溶解无机碳(DIC)是陆地生态系统水体重要的组成物质.其含量、组成以及碳的来源决定于汇水区域环境条件和流域水体碳循环特征.如果能够反演水体DIC的地球化学特征,则可以为重建过去环境变化提供一条新途径.河蚬是陆地生态系统水体中广泛分布的底栖双壳类动物,其壳体由碳酸盐矿物构成,是软体在生长过程中依次分泌的结果,因而具有DIC代用指标的潜质.通过对中国西江流域河蚬壳体及其环境水体DIC的分析,发现了二者碳同位素组成之间显著的相关关系(P0.01,r=0.63),表明河蚬壳体碳同位素组成的变化记录环境水体DIC的相应变化,其时间分辨率很容易达到季节变化的水平.新陈代谢作用虽然使壳体的碳同位素组成平均低于水体DIC同位素组成1.4‰,但整体上并未改变壳体与水体DIC同位素组成变化的相关性.分水岭地区小溪流DIC同位素组成在时间上变化较大,因而对壳体样品选取的空间分辨率要求较高,不宜作为代用指标的首选.该结果为利用湖泊滨岸和/或河流阶地沉积物中河蚬化石的分析重建流域过去环境变化和碳循环提供了科学基础和技术途径.     

筑坝对喀斯特河流水体溶解性无机碳地球化学行为的影响

为探究筑坝对河流溶解性无机碳（DIC）地球化学行为的影响, 对乌江流域的水库及河流进行了半月1次为期1年的现场监测和取样分析. 相对于入库河流, 库区叶绿素a浓度平均提高了5.6倍, 库区表层DIC中HCO₃^-和溶解CO₂比重下降, CO₃^2-比重和DIC碳同位素值（δ¹³C_DIC）上升, 而水库下泄水中DIC各组分却表现出与库区表层相反的地球化学行为. δ¹³C_DIC变化范围为-10.2‰~2.5‰, 表明碳酸盐岩风化、光合作用及呼吸作用共同控制了δ¹³C_DIC的变化. 河流筑坝后浮游植物生物活动增强, 显著影响了原始河流DIC的地球化学行为, δ¹³C_DIC可以用来判断这种变化过程. 河流-水库水体高频率监测对于准确评估筑坝河流CO₂释放通量和明确碳循环过程中的源汇关系是非常必要的.     

岩石风化碳汇研究的最新进展和展望

自气候变化的岩石风化控制学说提出至今,学界普遍认为,是硅酸盐的化学风化碳汇作用在控制着长时间尺度的气候变化,而在短时间尺度上硅酸盐风化碳汇与碳酸盐风化碳汇也是旗鼓相当的.然而,最新的研究发现,碳酸盐溶解的快速动力学和硅酸盐岩流域中微量碳酸盐矿物的风化在控制该流域溶解无机碳(DIC)浓度和碳汇上的重要性,使得碳酸盐风化碳汇占整个岩石风化碳汇的94%,而硅酸盐风化仅占6%左右.另一方面,水生光合生物对DIC的利用及其形成的有机质(内源有机碳)的埋藏,使得碳酸盐风化碳汇在任何时间尺度气候变化的控制上可能都是重要的.此外,岩石风化碳汇研究的另一重要进展是发现了碳汇随全球变暖和土地利用变化显著增加,即形成了气候变化的负反馈机制.未来应通过岩石风化碳捕获和储存过程及其控制机理的进一步研究,揭示岩石风化碳汇过程及其气候和土地利用调控潜力,以服务于各国应对气候变化的国家政策制定.重点研究:①岩石风化碳汇过程及其物理、化学和生物控制机理;②硅酸盐岩流域中微量碳酸盐矿物的风化在控制流域DIC浓度及其碳汇上的重要性;③陆地水生光合生物利用DIC产生内源有机碳的效率;④气候变化和土地利用调控岩石风化碳汇的潜力.     

湿地碳计量方法及中国湿地有机碳库初步估计

湿地碳计量是湿地资源保护和增汇技术实施的前提条件. 在全面整理碳计量方法和探讨湿地碳计量的困难性后, 认为清单法是在国家尺度上估算中国湿地有机碳库的一种现实可行的方法. 为了弄清楚我国湿地到底固了多少有机碳? 在先前的研究基础之上, 利用改进后的清单法进行了研究. 主要结果如下: (1) 中国湿地有机碳库总计达5.39~7.25 Pg, 约占全球湿地碳储量(154~550 Pg)的1.3%~3.5%. (2) 中国湿地土壤有机碳库(5.04~6.19 Pg)>中国水体有机碳库(0.22~0.56 Pg)>中国湿地植被碳库(0.13~0.50 Pg), 分别占中国湿地有机碳库的85.4%~93.5%, 4.1%~7.7%和2.4%~6.9%. 本文估算的中国湿地土壤有机碳库要高于先前的研究结果3.67 Pg, 但低于前人的研究结果12.20和8~10 Pg. 在讨论和不确定性分析的基础上, 对今后深入研究的方向进行了展望.     

乌江流域梯级水库中溶解无机碳及其同位素分异特征

选择长江右岸最大支流乌江干流上三座不同时期建造的梯级水库作为研究对象, 于2006年4月、7月、10月和2007年1月按水体表层、水深20, 40, 60和80 m分别采集了三座水库的坝前水体分层水样. 分析其中水化学特征、溶解无机碳含量及其同位素组成. 水库表层水体中溶解无机碳(DIC)及其同位素(δ¹³C_DIC)组成总体特征表现为: DIC浓度夏、秋季较低, 冬、春季较高; δ¹³C_DIC值则相反, 夏、秋季节偏正, 冬、春季节相对偏负. 在垂直剖面上, 水体中DIC浓度随水深的增加逐渐上升, 而δ¹³C_DIC随水体深度增加而偏负. 各水库的溶解无机碳同位素组成与天然河流中的差异较大, 而接近自然湖泊情况. 另外, 通过调查不同拦截时间的水库, 发现在水库的上层水体中, δ¹³C_DIC随着水库库龄的增长而偏负, 水库的营养水平随着库龄的增长而逐渐增高. 上述结论表明水坝拦截后河流水化学性质发生了改变, 蓄水河流趋向于向湖沼化方向发展; 溶解无机碳同位素组成分异在一定程度上可用于示踪水库的演化过程.     

“05-06”西江特大洪水对河流碳输出通量的影响

2005年6月西江(珠江主干流)发生了一次重现期近200年的特大洪水事件. 在此洪水过程中, 通过系列采样, 对河水总悬浮物(TSS)、溶解无机碳(DIC)、溶解有机碳(DOC)、颗粒有机碳(POC)进行实验室测定, 对洪水水体的碳含量及其变化特征作了讨论. 这些参数反映了流域地表和地下径流在洪水过程中的变化. 洪水事件对西江POC通量的估算影响最大, 其次为DOC, 而对DIC影响较小. 通过分别对西江全年及洪水期(2005年6月21~28日)的碳通量进行估算, 结果表明洪水期DIC, DOC和POC的通量分别为1.52×10⁶, 0.24×10⁶, 0.54×10⁶ g·km^−2·a^−1, 分别占全年碳通量的14.87%, 24.75%和44.89%, 洪水期间碳输出量对河流碳输出总量及构成方式有不可忽略的贡献, 研究洪水事件的碳通量对于准确认识洪水频发河流的碳通量有着重要的意义.     

玄武岩风化是重要的碳汇机制吗?

在全球碳循环的研究中,硅酸盐化学风化被认为是大气CO_2的一个重要汇.自1996年Gislason开展对冰岛玄武岩(硅酸盐岩的一种)风化碳汇的研究以来,玄武岩风化引起的"大气"CO_2高消耗更成为研究热点.在对相关文献进行全面系统梳理的基础上,发现玄武岩流域的所谓"大气"CO_2高消耗(碳汇)可能与下述原因有关:(1)碳通量较高的玄武岩研究区多位于热带或洋岛-岛弧地区,该区雨量充沛,河流径流量大,进而造成碳通量较大;(2)硅酸盐岩流域高的溶解无机碳(DIC)浓度并非来自硅酸盐矿物的风化,而是来自广泛分布在硅酸岩中的痕量碳酸盐矿物的快速风化,而这应该归为碳酸盐风化对岩石风化碳通量的贡献;(3)外源酸溶解痕量碳酸盐矿物,贡献HCO_3~-,但并未构成大气碳汇;(4)玄武岩流域中参与岩石风化的CO_2并非全部来自大气和土壤,其中一部分可能来自深源CO_2,而深源CO_2参与形成的DIC不仅不能归为大气碳汇,反而是碳源.由此可见玄武岩风化是否是一个重要的碳汇机制值得进一步研究厘定.     

化能自养微生物的固碳功能及人工调控策略

生物固碳是地球碳循环过程的重要组成部分,也是控制碳排放的有效方法.在海洋深处、水体沉积物、地表土壤甚至极端环境中,化能自养微生物可通过硫化物、氨、氢气等还原性物质的氧化获取化学能固定无机碳.诸多研究表明化能自养微生物的固碳功能对吸收大气、海洋、湿地、土壤和极端环境中的CO₂具有重要作用,特别是对深海、湖泊深层等无光环境以及深海热液区等极端生境中初级生产的重要贡献.然而,目前区域生态系统碳汇核算模型的建立普遍忽视了化能自养微生物类群及固碳潜能,低估自然生态系统实际碳汇能力.本文基于化能自养微生物固碳研究的现状,阐述了化能自养微生物在不同生态系统中的固碳潜能,介绍了参与化能自养固碳过程的主要微生物类群的代谢特征及固碳途径,重点分析了基于固碳途径和能量代谢提升自养微生物固碳效率的人工调控策略及应用进展.最后,本文对区域生态系统化能自养微生物碳汇功能的精准量化、开发人工增汇技术等未来研究方向进行了展望,为认识和调控化能自养微生物驱动的自然碳汇过程,助力实现“双碳”战略目标提供参考.     

沼泽环境中有机质碳同位素组成特征

对不同环境中现代生物和现代沉积物的有机质碳同位素特征的研究国外做了许多工作,研究发现植物的δ~(13)C值变化范围为—4到—34‰,影响植物碳同位素组成变化的主要因素是植物的生长环境和植物的光合作用特征。不同沉积环境的有机质碳同位素组成有着明显的差别。如太平洋沉积物中富里酸和腐殖酸的δ~(13)C值分别为—20.4‰和—22.3‰。滨海沉积物中富里酸和腐殖酸的δ~(13)C值分别为—24.1‰和—25.1‰。而美国加里福尼亚州沼泽     

叶凋落物碳、氮和磷元素对模拟淋溶的响应

叶凋落物是陆地和水生生态系统有机质和营养元素的重要来源.虽然淋溶是凋落物碳和养分释放的重要途径,但不同物种对淋溶响应的差异性很少被量化.此外,不同元素的可溶性是否存在显著差异,凋落物的性状能否用于预测凋落物对淋溶的响应还不清楚.本研究选择15个亚热带森林常见树种的凋落物进行6 h的模拟淋溶实验,测定了淋溶后凋落物的质量损失、碳、氮和磷元素的溶出量.同时测定了11个凋落物性状,分析了这些性状与淋溶结果的关联性.结果发现,不同物种淋溶后的质量损失、碳、氮和磷溶出量均存在显著差异(P0.001).碳、氮和磷的可溶性也存在显著差异(P0.001),磷的平均溶出量为12.99%,显著高于碳(2.53%)和氮(2.97%),这表明淋溶是磷元素释放的重要途径.同时,这也导致淋溶后凋落物C:P和N:P值显著升高(P0.001).凋落物性状与淋溶结果有显著关联性,最大持水力是影响碳溶出的最重要因子,而比叶面积是影响氮和磷溶出的最重要因子.本研究表明,短期的淋溶过程就可以导致较大比例的元素释放,这改变了凋落物的化学组成,进而可能会影响后续生物驱动的分解.但淋溶对不同元素的影响程度不同,因此不同元素不能同等对待.凋落物性状可以预测凋落物对淋溶的响应.     

一种由全球水循环产生的可能重要的CO2汇

关于全球CO₂汇的位置、大小、变化和机制目前仍不确定, 还存有争议. 在理论计算和野外观测数据证明的基础上发现, 可能存在一种由全球水循环产生的重要的CO₂汇(以溶解无机碳-DIC的形式). 这个汇达到0.8013 Pg C/a(约占人类活动排放CO₂总量的10.1%, 或占所谓的遗漏CO₂汇的28.6%), 它是由水对CO2的溶解吸收形成的, 并随着碳酸盐的溶解及水生植物光合作用对CO₂的消耗的增加而显著增加. 这部分汇中有0.5188 Pg C/a通过海上降水(0.2748 Pg C/a)和陆地河流(0.244 Pg C/a)进入海洋, 有0.158 Pg C/a再次释放进入大气, 还有0.1245 Pg C/a储存在陆地水生生态系统中. 因此, 净沉降是0.6433 Pg C/a. 随着全球变暖引起的全球水循环的加强、CO₂和大气圈中碳酸盐粉尘的增加, 还有造林地区的增多(会引起土壤CO₂的增加进而导致水中DIC浓度的增大), 这部分汇也可能增加.     

共和盆地更尕海湖泊现代水环境与碳酸盐碳氧同位素组成变化

通过分析更尕海轮藻碳酸盐结壳、软体动物壳体等碳氧同位素的季节变化,结合湖水溶解无机碳(DIC)碳同位素(δ13CDIC)和湖水氧同位素(δ18OLake),探讨其与现代湖泊水体环境的关系.结果表明,5~8月,轮藻植物生长速率约为5~6 cm/月;期间,沉水植物强烈的光合作用和碳酸盐的析出导致湖水pH升高,同时湖水DIC和Ca2+含量显著下降.结合流域水体氧同位素、气温和降水量等观测资料,指出更尕海湖泊水位季节变化是区域降水量与蒸发作用平衡的结果;湖水氧同位素组成主要受入湖水氧同位素组成、湖泊内蒸发过程和降水量等的影响.软体动物壳体氧、碳同位素组成可分别代表δ18OLake与δ13CDIC的年际变化.然而,轮藻结壳氧同位素与δ18OLake之间非平衡分馏效应显著,有待于进一步开展工作.     

电化学沉积法制备类石墨相氮化碳

用Si(100)基片做衬底, 1︰1.5的三聚氯氰和三聚氰胺的丙酮饱和溶液为沉积液, 在室温常压下用电化学的方法沉积了CNx薄膜. X射线衍射(XRD)测试显示, 衍射花样中出现的衍射峰所对应的晶面间距与文献计算的类石墨相氮化碳(g-C₃N₄)的结构数据较为吻合, 实验晶胞参数为a = 4.79, c = 6.90, 与文献的值a = 4.74, c = 6.72的误差分别为1.05%和2.68% . X射线光电子能谱(XPS)结果表明沉积的薄膜中主要元素为C, N, 且N/C = 0.75, C1s和N1s的结合能谱中287.72 eV的碳和400.00 eV的氮是样品中碳氮的主体, 以C₃N₃杂环的形式存在. 傅里叶转换红外光谱(FTIR)在800, 1310和1610 cm^-1的吸收峰也表明薄膜中存在三嗪环(C₃N ₃), 和X射线光电子能谱的分析结果一致. Teter等人预言的g-C₃N₄在结构形式上和三聚氰胺的完美脱胺缩聚物是一样的, 红外光谱和X射线光电子能谱表明在样品中存在三嗪环(C₃N₃), 支持XRD的实验结果. 以上结果说明CNx薄膜中有g-C₃N₄晶体存在.     

华北北部中元古界洪水庄组埋藏有机碳与古生产力的相关性

总有机碳(TOC)是直接表征古生产力状况的传统指标,但是,TOC并不仅仅受到初始有机质输入量的控制,还可能受到氧化-还原环境和陆源碎屑物输入状况的影响.本文采用元素地球化学指标评价了冀浅1井洪水庄组氧化-还原环境和古生产力状况,进而探讨了埋藏有机碳与古生产力的相关性.碳-硫关系,V/Cr和Mo含量表明,洪水庄组白云岩形成于氧化环境,大部分黑色页岩形成于静海环境.洪水庄组沉积物中P/Ti可类比于被认为是中等-高生产力的日本Ubara二叠-三叠系剖面的P/Ti,Ba/Al仅略低于被认为是高生产力的中加利福尼亚大陆边缘薄层沉积物的Ba/Al,表明洪水庄组沉积期古生产力状况为中等-高.洪水庄组沉积物埋藏有机碳含量与氧化还原环境指标(V/Cr和Mo含量)呈正相关,与反映古生产力的参数(P/Ti和Ba/Al)呈弱或无直接相关性,说明洪水庄组沉积期虽然总体生产力水平较高,但埋藏有机碳含量主要受控于氧化-还原环境,与古生产力之间无直接关系.     

扬子克拉通及华北克拉通大陆岩石圈地幔碳同位素组成及其差异: 金刚石碳同位素原位测试证据

金刚石碳同位素组成和对比是了解克拉通大陆岩石圈地幔物质组成及其演化的窗口. 本文用二次离子质谱(SIMS)方法对产于华北克拉通(山东蒙阴和辽宁瓦房店)和扬子克拉通(湖南沅水流域)的11颗金刚石不同生长层的碳同位素组成进行了123个点高精度原位(in-situ)测试. 结果显示, 华北克拉通和扬子克拉通金刚石碳同位素组成存在一定差异; 华北克拉通金刚石早期生长“核心”碳同位素δ¹³C组成平均为-3.0‰(VPDB), 分布范围为-6.0‰~-2.0‰, 与全球橄榄岩型金刚石一致; 扬子克拉通金刚石早期“核心”δ¹³C平均为-7.4‰, 分布范围为-8.6‰~-3.0‰, 和榴辉岩型金刚石特点一致; 3个产地单颗金刚石不同生长层碳同位素变化不具有一致性, 与是否含包裹体无关, 但与金刚石是否存在溶蚀间断明显有关, 证实金刚石生长过程地幔流体碳同位素组成不均一, 碳储库(介质)不均一性对金刚石生长过程碳同位素变化的影响较分馏作用更为明显; 与此同时, 现有的测试结果显示, 华北和扬子克拉通金刚石中心-边缘生长层碳同位素变化与氮含量之间缺乏相关性, 反映我国两个克拉通金刚石生长过程中地幔流体碳和氮元素之间存在复杂的交换、地球化学环境可能相对开放. 上述结果暗示, 金刚石形成时扬子克拉通和华北克拉通地幔交代流体碳的组成及来源存在差异.     

海草床沉积物储碳机制及其对富营养化的响应

海草床是近岸海域生产力极高的生态系统,具有重要的储碳功能,其碳主要存储于沉积物中.海草床沉积物有机碳(sediment organic carbon,SOC)储量受其来源、组成和转化的共同影响,同时,近岸海域的富营养化会影响到SOC的储存.通过综述海草床SOC的来源、组成、转化、存储及其对富营养化响应等方面内容,总结其储碳研究进展.研究表明,海草床SOC来源多样,主要来源为海草和悬浮颗粒物;SOC形态组成主要包括活性有机碳和惰性有机碳,海草床沉积物中微生物活性较高,对SOC具有较高的利用效率;海草床沉积物碳储量呈现显著的地理差异和海草种类差异;富营养化会导致海草床藻类来源的SOC增加,从而提高SOC中活性组分,促进微生物的活性,加快SOC的利用与转化;从而影响海草床SOC存储.最后提出未来海草床沉积物储碳的重点研究方向:(1)开展海草床储碳量的全球普查;(2)加强环境变化对海草床沉积物储碳机制的影响研究;(3)发展海草床碳汇扩增技术;(4)开发惰性有机碳的研究方法.我国也应加强海草床储碳相关研究,并为我国未来的气候谈判和CO_2交易提供科学依据.     

中国西藏色龙二叠系-三叠系界线剖面的碳同位素特征及其意义

Magaritz等通过对南阿尔卑斯二叠系-三叠系界线(P/T)剖面δ~(13)C值变化研究认为,δ~(13)C值在P/T剖面上的变化是判断存在沉积间断的重要标准。他认为因煤山和上寺等P/T界线剖面的δ~(13)C值在界线附近的变化有明显的突然性,从P/T界线上下δ~(13)C值下降到恢复之间的间距太小(<2m),而认为这两个P/T界线剖面在界线附近存在沉积间断。我们通过研究西藏色龙P/T界线剖面的生物地层学和δ~(13)C值,以及对比现代海洋溶解无机碳的δ~(13)C的变化后认为,用扩δ~(13)C值在剖面中的分布特征是否渐变,以及其在剖面中下降-恢复的距离大小,来判别剖面的沉积记录完整性的观点,尚需进一步推敲。     

海洋生物碳泵的地质演化:微生物的碳汇作用

包括生物泵(biological pump, BP)和微型生物碳泵(microbial carbon pump, MCP)在内的海洋生物碳泵,是海洋生态系统通过碳循环调节地球环境变化的关键途径之一,对宜居地球起到增氧、减碳和降温等方面的作用.总体上,人们对地质时期海洋生物碳泵了解得很少,基本是粗线条的框架性认识.生物经历了从原核生物到藻类再到多细胞动物的演化,生态系统也经历了从扁平到立体的大革新.生物圈的这些变化导致海洋生物碳泵出现阶段性的演化.总体缺氧的太古宙海洋主要以单细胞微生物为主,合成有机质的微生物个体很难沉降,但能够在海洋里形成大量的惰性溶解有机碳(recalcitrant dissolved organic carbon, RDOC), MCP的贡献比较大,而BP相对较弱.藻类在元古宙起源而加入了生物碳泵,因细胞变大而增强了BP的作用,但MCP的作用也大,在晚新元古代形成大型溶解有机碳(dissolved organic carbon, DOC)库.在整体氧化的显生宙海洋,多细胞动物虽不能固碳但却加强了BP作用.生物的这些演化导致BP的效率不断提高,使得海洋对碳循环的缓冲作...     

墨西哥湾北陆坡区冷泉碳酸盐岩脂肪酸及碳同位素特征

对墨西哥湾北部水深约540m的上陆坡GC185区(GC-F样品)和水深约2200m的下陆坡AC645区(AC-E样品)冷泉碳酸盐岩中的脂肪酸及其单体化合物的δ13C进行了分析.在AC-E和GC-F冷泉碳酸盐岩样品中检测到了30多种脂肪酸化合物,均以主峰碳为C16的低碳数(C20)脂肪酸为主,具偶碳优势,主要包括正构脂肪酸、异构(i-)/反异构(ai-)脂肪酸以及带支链的(iso/anteiso)奇碳数脂肪酸.其中n-C12:0,n-C13:0,i-C14:0和n-C14:0具有明显偏低的δ13C值(-39.99‰~-32.36‰),可能来源于冷泉生物.n-C18:2和C18:1△9具有相同的碳同位素值,可能来源于冷泉渗漏区贝氏硫细菌属/辫硫菌属.支链奇碳数脂肪酸(iso/anteiso-C13~C17)具有特别负的δ13C值(-63.95‰~-44.17‰),明显不同于其他类别脂肪酸的碳同位素值,推断这类化合物是海底渗漏区甲烷厌氧氧化过程中的硫酸盐还原细菌生命活动的产物.