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亞熱帶巖溶區地下水補給型水庫溶解無機碳的遷移與轉化

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文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117905

在研究區域碳循環過程和制定碳中和目標時，平衡碳收支是非常重要的。內陸水體(湖泊、水庫、小溪、河流等)在碳運輸、儲存和內部轉化中起著關鍵作用。根據2018年國家水利開發統計公報，當年我國有98822座水庫，大部分位于云南、貴州和廣西三省，并處于烏江、紅水和盤江流域等典型巖溶（喀斯特）地區。分布在巖溶地區或主要接受巖溶水補給的水庫叫做巖溶水庫，是我國西南地區主要的水庫類型。

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圖1.大龍洞水庫的位置

溶解無機碳（DIC）主要是溶解的CO2和碳酸氫鹽，是天然淡水系統的重要成分之一，是有機生產力的基礎。在大多數水庫中，DIC是水-氣界面CO2通量、內源有機碳形成和碳埋藏的重要決定因素。由于碳酸鹽巖石的溶解，巖溶水庫中的DIC濃度明顯高于非巖溶區。
許多研究人員研究了水庫中的碳轉化過程，然而，水庫有兩種主要的補給方式：一種是江河小溪（地表水補給型水庫），一種是地下水（地下水補給型水庫）。在巖溶地區，大部分巖溶水庫屬于地下水補給型水庫。人們對于富含DIC的地下水補給型水庫中碳的復雜內部轉化仍未完全了解。

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圖2. 巖溶地下水補給型水庫碳循環模式

針對上述科學問題，重慶師范大學蒲俊兵課題組在我國西南亞熱帶地區典型巖溶地下水補給型水庫(大龍洞水庫)中，開展了溶解無機碳(DIC)、CO2分壓(pCO2)、碳同位素比值(δ13CDIC)的測量，并使用美國PP SYSTEMS公司生產的EGM-5便攜式CO2/H2O分析儀結合浮箱法長期監測氣-水界面CO2交換通量(FCO2)。
研究結果“Transport and transformationof dissolved inorganic carbon in a subtropical groundwater‑fed reservoir, southChina”發表在Water Research（IF=11.236）雜志上。

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圖3. 浮箱法長期監測氣-水界面CO2交換通量(FCO2)

亞熱帶地區的大多數水庫在一年中都要經歷水柱熱結構的周期性變化：熱分層時期之后是混合時期。本研究發現，混合期的CO2排放量遠高于熱分層期(尤其是從分層到混合的轉換時期)，這是水庫混和過程中底水層積累的溶解二氧化碳(CO2aq)上升和釋放所致，但質量平衡計算表明整體來看水-氣界面CO2排放通量僅占水庫DIC庫的小部分(<1%)。

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圖4.大龍洞水庫中DIC、pCO2、δ13CDIC和Sic的時空變化

DIC與δ13CDIC之間的關系表現為兩種不同的模式，主要受水體深度差異和熱分層的影響：
(1)從表水層到底水層，DIC濃度升高，δ13CDIC值降低；
(2) δ13CDIC值隨DIC濃度的增加而降低，但在熱分層期間，δ13CDIC在底部逐漸富集。

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圖5.大龍洞水庫中DIC、pCO2、δ13CDIC、Sic和FCO2的季節變化

此外，本研究還發現巖溶地下水補給型水庫中三種不同的DIC積累和消耗過程：
(1)由于分層效應的影響，在分層期DIC在深水層滯留和積累；
(2)分層效應限制了水體上下交換過程，導致分層期表水層DIC被大量消耗；
(3)沿水庫上游到下游DIC平均濃度和pCO2顯著增加，而平均δ13CDIC值卻逐漸偏負。
這些結果表明，巖溶地下水補給型水庫的無機碳遷移、轉化過程受到生物地球化學過程和水庫熱結構季節變化的綜合控制。因此，在采樣和監測時應充分考慮這些因素，合理確定采樣和監測時間及頻率，以便準確評估水體的碳收支和碳匯效應。
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