河壩干涸沉積物CO2通量的時(shí)間模式和驅(qū)動(dòng)因素

眾所周知，大陸碳向海洋的運(yùn)輸主要受河流調(diào)節(jié)。河流中的碳可通過沉積和光合作用暫時(shí)儲存，也可通過生物呼吸釋放。河流的一個(gè)顯著特征是它們的水位經(jīng)常變化。低水位時(shí)，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。

圖1 試驗(yàn)地點(diǎn)
 

該河流表現(xiàn)出典型的夏季流量情況。水位大多在1m以下，因六月底出現(xiàn)了一次高流量，僅在初夏的6周、8月第一周和9月的短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了大量的干涸沉積物，在這些時(shí)期使用CFLUX-1全自動(dòng)土壤碳通量測定系統(tǒng)進(jìn)行CO₂通量長期自動(dòng)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(diǎn)103cm），5月20日后水位下降，CFLUX-1被移至新出現(xiàn)的沉積物處。研究發(fā)現(xiàn)，CO₂通量顯示較高的波動(dòng)。整個(gè)測量階段，通量在-120~1135mmol/m²/d之間波動(dòng)，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(dòng)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(dòng)表明其受溫度調(diào)節(jié)。如果將所有CO₂通量數(shù)據(jù)和溫度一起作圖，CO₂通量的溫度響應(yīng)不是很清晰（圖3a），但如果繪制一天的數(shù)據(jù)，則出現(xiàn)了一個(gè)明確的響應(yīng)模式（圖3b）：CO₂通量的溫度響應(yīng)受時(shí)間的影響，產(chǎn)生典型的滯后曲線——白天氣溫上升導(dǎo)致CO₂通量的指數(shù)級增加，下午氣溫冷卻，通量仍較高，其溫度響應(yīng)明顯延遲了。
 

圖3 CO₂通量的溫度響應(yīng)
 

以9月份的某一周數(shù)據(jù)為例，可觀察到溫度、非飽和帶厚度和降水是如何調(diào)節(jié)CO₂通量的（圖4）。溫度驅(qū)動(dòng)著CO₂通量非常明顯的日波動(dòng)，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(dǎo)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(tǒng)對離水面不同距離處的沉積物CO₂通量進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)，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(jiān)測結(jié)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(guān)關(guān)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(qū)動(dòng)因素。
 

圖5 CO₂通量與沉積物含水量的空間變化

為了評估地下水脫氣，作者進(jìn)行了222Rn測量。結(jié)果表明，沉積物CO₂通量不是來源于地下水。為了檢驗(yàn)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)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(jù)這些速率計(jì)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(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)也進(jìn)行了溫度驗(yàn)證，結(jié)果也與原位測量的溫度響應(yīng)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(nèi)培養(yǎng)與原位測量的沉積物CO₂通量的比較
 

圖7 室內(nèi)培養(yǎng)沉積物CO₂通量對溫度的響應(yīng)
 

綜上所述，作者得出以下結(jié)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(qū)動(dòng)的，其還受溫度和非飽和帶厚度的調(diào)節(jié)。而且，溫度對沉積物CO₂通量的影響具有滯后現(xiàn)象，因此在衡量沉積物CO₂通量的年度變化時(shí)，需要考慮沉積物CO₂通量的時(shí)間動(dòng)態(tài)問題。