生物碳泵效应对青藏高原鄂凌湖有机质来源和沉积的影响
2021-04-12
如何对大气碳收支进行准确有效的评估一直以来被视为全球碳循环研究中的重大挑战之一。其中需要解答的一个重要科学问题是区域乃至全球碳源、汇的分布，大小及其变化。就目前而言，已知的碳源、汇之间尚未达到平衡，还存在着相当量的“遗失碳汇”。尽管有很大一部分碳失汇被认为存在于陆地生态系统中，但其具体去向和量的大小仍具争议。为了解答碳失汇可能的去向，地球系统科学研究中心贺海波博士、李祥忠研究员等在碳酸盐风化碳循环模式研究的基础上提出了耦合水生生物光合作用的岩石风化碳汇新机制（CRW）（图 1），认为该碳循环过程是水、碳酸盐岩、硅酸盐岩、CO2气体以及水生光合生物各环节之间相互耦合、共同作用的结果，并特别强调了陆地水生光合作用在其中所发挥的重要作用，这为全球碳循环中“遗失碳汇”的去向提供了一种新的可能。然而，相关野外工作的缺乏阻碍了我们对岩石风化和碳循环的认识。
图1 耦合水生生物光合作用的岩石风化碳汇新机制
为此，我们以青藏高原淡水湖泊鄂陵湖为例，分析了水体中pH、[HCO3-]、溶解无机碳的碳同位素 (δ13CDIC），以及表层沉积物总有机碳含量（TOC）及碳同位素组成(δ13Corg）、总氮含量（TN）、TOC/TN、碳酸钙含量（CaCO3）及其同位素组成(δ13Ccarb）。结果表明水生植物的光合作用可能是影响鄂凌湖δ13CDIC变化的主要因素；表层沉积物TOC的增加伴随着CaCO3的增加，同时(δ13Corg和δ13Ccarb呈现良好的正相关性，尤其是在浅水区（<10米），这些观测结果表明，生物碳泵（BCP）效应是导致沉积物中TOC和CaCO3同步增加及其碳同位素变化的主要机制；此外，表层沉积物中相对较低的C/N比和δ13Corg，表明了内源有机碳对有机碳的贡献占主导地位，即水生植物通过BCP效应将岩石风化形成的DIC转化为OC。因此，BCP效应对岩石风化碳汇的稳定起着重要作用。我们的结果强调了耦合水生光合作用的岩石风化碳汇在湖泊碳循环演变中的重要性。该研究得到国家自然科学基金项目（41888101、42007296、41672163和41991323）、云南省基础研究计划（202001AV070012、202001BB050023）及中科院青促会（Y201759）等的资助，研究成果以“Coupled action of rock weathering and aquatic photosynthesis: Influence of the biological carbon pump effect on the sources and deposition of organic matter in Ngoring Lake, Qinghai–Tibet Plateau, China”为题发表于环境科学-地球科学综合领域国际知名期刊《Catena》上。