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亞熱帶巖溶區(qū)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(qū)域碳循環(huán)過程和制定碳中和目標時，平衡碳收支是非常重要的。內(nèi)陸水體(湖泊、水庫、小溪、河流等)在碳運輸、儲存和內(nèi)部轉化中起著關鍵作用。根據(jù)2018年國家水利開發(fā)統(tǒng)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(qū)。分布在巖溶地區(qū)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(qū)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(tǒng)的重要成分之一，是有機生產(chǎn)力的基礎。在大多數(shù)水庫中，DIC是水-氣界面CO2通量、內(nèi)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(qū)。
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(qū)，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(nèi)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(huán)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(qū)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(chǎn)的EGM-5便攜式CO2/H2O分析儀結合浮箱法長期監(jiān)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(fā)表在Water Research（IF=11.236）雜志上。

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圖3. 浮箱法長期監(jiān)測氣-水界面CO2交換通量(FCO2)

亞熱帶地區(qū)的大多數(shù)水庫在一年中都要經(jīng)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(fā)現(xiàn)，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(zhì)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(xiàn)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(jié)變化

此外，本研究還發(fā)現(xiàn)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(jié)變化的綜合控制。因此，在采樣和監(jiān)測時應充分考慮這些因素，合理確定采樣和監(jiān)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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