水生光合生物對茂蘭拉橋泉及其下游水化學和d13CDIC晝夜變化的影響

陳 波, 楊 睿, 劉再華, 晏 浩, 趙 敏

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水生光合生物對茂蘭拉橋泉及其下游水化學和13CDIC晝夜變化的影響

陳 波1,2, 楊 睿1,2, 劉再華2*, 晏 浩1,2, 趙 敏2

(1. 中國科學院大學, 北京 100049; 2. 中國科學院 球化學研究所 環(huán)境地球化學國家重點實驗室, 貴州 貴陽 550002)

巖溶水; 水化學; 碳同位素; 晝夜變化; 水生光合生物; 生物碳泵效應

0 引 言

巖溶作用對氣候環(huán)境變化具有特殊的敏感性, 表現(xiàn)在巖溶地區(qū)的水化學在年際、季節(jié)甚至晝夜尺度上都具有明顯的動態(tài)變化[1], 因而是研究全球氣候變化影響的一個很好載體, 這也使得越來越多的研究者關注巖溶地區(qū)[1–8]。巖溶地區(qū)地表水因為土壤淋濾和碳酸鹽巖溶蝕, 水中溶解無機碳(DIC)含量高, 是研究水與外界氣體交換、方解石沉積、水生光合生物的光合與呼吸作用的天然系統(tǒng)[9]。隨著研究的進一步深入, 劉再華等[10–11]提出了表征碳酸鹽風化(含巖溶作用)的水-巖-氣-生相互作用新模式, 并特別強調水生光合生物在巖溶作用過程中所發(fā)揮的重要作用。而要了解這一過程, 需要獲得更多的生物地球化學證據, 特別是水化學晝夜變化的信息。

水生生物光合作用放出氧氣, 而其呼吸作用耗氧產生CO2。在巖溶地區(qū), 水生光合作用的碳源是溶解無機碳(DIC), DIC的變化直接影響水的pH的變化。因此, 可以把水中溶解氧(DO)和pH作為衡量水中光合生物新陳代謝作用過程的主要指標。

不同的DIC來源其碳同位素組成不同, 而水中DIC同位素(13CDIC)組成能夠直接反映水中物理、化學和生物過程的變化[12]。通過測定地表水中13CDIC值可以了解碳的源、匯以及交換通量[13–17]。

水溫的晝夜變化會影響水中其他水化學參數以及水中溶解氣體的變化[12], 如pH、(CO2) (二氧化碳分壓)和DO (溶解氧)。一般而言, 在白天隨溫度的升高, 水中(CO2)和DO降低; 在晚上表現(xiàn)相反的規(guī)律。而由于巖溶水中(CO2)要遠高于大氣中的, CO2脫氣作用導致水中pH在白天升高, 晚上降低。同時DIC和13CDIC的晝夜變化也受到了水物理特性變化的影響, 如脫氣作用導致水中DIC的濃度降低, 而水中的氣體交換, 碳酸鹽巖的溶解沉淀等也會影響到13CDIC。De Montety.[18]認為: 在晝夜的時間尺度上, 主要控制巖溶水中的溶解氧(DO), 水中可溶性無機碳(DIC)和水中溶解無機碳同位素(13CDIC)變化的因素是水中光合生物的光合作用和呼吸作用, 而水溫以及脫氣作用可以忽略。這一結果與[19–21]中的認識也相一致。

本研究旨在通過對茂蘭拉橋表層巖溶泉及其中游和下游池水進行晝夜(30 h)高分辨率(15 min/次)的動態(tài)監(jiān)測, 獲得泉口、中游及下游池水水化學的晝夜變化情況, 同時測定水中溶解無機碳同位素(13CDIC)組成變化, 以揭示水生光合生物對水化學和13CDIC時空變化的影響。通過水面靜態(tài)箱法監(jiān)測水面CO2濃度晝夜變化, 以獲得水面CO2交換通量。最后, 結合池水出入口DIC的濃度變化, 估算在生長有大量沉水植物的中游池和幾乎沒有沉水植物的下游池, 因生物碳泵產生的不同的固碳能力。

1 研究區(qū)概況

茂蘭拉橋表層巖溶泉位于貴州省荔波縣國家自然保護區(qū)茂蘭鄉(xiāng)拉橋村(圖1), 巖溶峰叢地貌發(fā)育, 區(qū)內的森林覆蓋率達到87.3%。該地區(qū)主要分布著碳酸鹽巖。研究點的海拔高度為776 m, 年平均氣溫約15.3 ℃, 全年降水量1752.5 mm, 雨季主要集中在4月到9月。該區(qū)具有春秋溫暖冬無嚴寒夏無酷暑, 雨量充沛的中亞熱帶山地濕潤氣候特點。茂蘭地區(qū)的基巖以石炭紀白云質灰?guī)r為主[1,22]。研究區(qū)位于拉橋村的東南部, 泉水由頂部有原始森林覆蓋的兩座山間流出, 流量為0.05~30 L/s, 泉水的方解石飽和指數(SIC)都在0以上, 但沒有鈣華沉積[1]。本次進行晝夜自動監(jiān)測的時間為2013年1月27日到28日, 其中1月27日為晴天, 1月28日為陰天。此時正處于干冷的旱季, 泉水流量僅0.585 L/s。人為阻隔將泉水流經的區(qū)域分成了泉口、中游池和下游池(圖2), 經測量計算得到中游池和下游池的面積分別為283.7 m2和1311.36 m2。泉口可見少許沉水植物; 而中游池生長有大量的沉水植物, 以輪藻()為主, 且水深較淺(平均約20 cm); 下游池沉水植物較少, 但水面大且水較深(平均約80 cm) (圖2)。

圖1 茂蘭拉橋地理位置(根據姜光輝等[22]修改)

2 研究方法

本研究主要采取野外自動監(jiān)測和樣品實驗室分析相結合的方法。泉口及中游和下游的自動記錄使用德國WTW公司生產的MultilineP3多參數儀350i型, 可以自動記錄水溫、pH值、電導率(EC)和水中溶解氧(DO), 分辨率分別為0.1 ℃, 0.004 pH單位, 1 μS/cm和0.01 mg/L。對3個監(jiān)測點的自動記錄儀進行統(tǒng)一校正后在同一時間開始進行監(jiān)測記錄, 各個點自動記錄讀數間隔時間設定為15 min, 監(jiān)測周期為30 h。儀器在自動記錄之前進行校正, 其pH值用4和7兩種標準緩沖溶液進行校正, 而儀器的電導率(EC)用1412 μS/cm標準校正液校正, 實驗結束后將儀器的pH和電導探頭再放入標準液中進行驗證, 數據雖然有一定偏差, 但在5%以內。

[Ca2+] = 0.15EC – 0.78,2= 0.94;

[Mg2+] = 0.04EC + 0.22,2= 0.77;

圖2 茂蘭拉橋泉及其中游和下游池水監(jiān)測點

二氧化碳分壓(CO2)計算公式為:

方解石飽和指數(SIC) 則由:

得出, 式中K為方解石平衡常數。

泉口及中游和下游水池的水樣白天每隔2 h采一次, 晚上每隔4 h采一次, 采集的水樣經過0.45 μm濾膜過濾后裝在潤洗干凈的60 mL高密度聚乙烯瓶中。用于測陰離子的樣品直接密封后放于暗箱中保存; 用于測陽離子的樣品加超純HNO3酸化至pH＜2后密封放于暗箱中保存。另外用于13CDIC分析的樣品加入過飽和HgCl2溶液后密封放于暗箱中保存。所有樣品放入4 ℃冰箱保存直至實驗室分析。

樣品的13CDIC值在中國科學院地球化學研究所環(huán)境地球化學國家重點實驗室測定(MAT252氣體穩(wěn)定同位素比質譜儀)。碳同位素值為相對于國際通用的V-PDB標準表示(‰), 分析誤差小于0.15‰。

靜態(tài)箱法收集水面CO2氣體: 在收集氣體前, 先讓靜態(tài)箱與空氣中氣體平衡, 然后將靜態(tài)箱罩在水面上進行氣體的采集。采集時間間隔分別設置為2 min、2 min、2 min、2 min、10 min和10 min, 在氣體的采集過程中確保靜態(tài)箱密封, 不讓外界大氣混入箱內。氣體樣品用氣相色譜儀(型號: 安捷倫7890A)進行分析。

3 結果及分析

3.1 茂蘭拉橋泉水及中游和下游池水水化學的晝夜變化

3.1.1 泉水的物理-化學晝夜變化

3.1.2 中游池水物理-化學的晝夜變化

同泉口類似, 中游池水化學明顯的晝夜變化與水生光合生物的光合呼吸作用過程表現(xiàn)出一致性(由溶解氧的變化體現(xiàn)), 說明中游池水的晝夜變化主要是受光合水生生物的影響。經鑒定, 中游池水生光合生物優(yōu)勢種為沉水植物輪藻(), 其對水中碳的利用存在CO2富集機制(CCM), 與普通的C3植物不同, 即使在很低濃度的CO2條件下, 也能進行光合作用[24–25], 類似于C4植物, 但又不同于C4植物。輪藻的葉子在形態(tài)學上不存在陸地C4植物的花環(huán)結構, 所以其C4循環(huán)和卡爾文循環(huán)是獨立存在于不同的細胞中[26]。

表1 泉水的水化學參數晝夜變化特征

圖3 茂蘭拉橋泉水及中游和下游池水的物理-化學參數的晝夜變化

表2 中游池水物理和化學參數的晝夜變化特征

在白天, 水生光合生物消耗DIC, 促進碳酸鈣沉積; 在夜間, 水生植物沒有光合作用, 主要是呼吸產生CO2, 加速了碳酸鈣溶解。此過程中發(fā)生了以下反應:

3.1.3 下游池水的物理-化學特征變化

由圖3和表3可知, 下游池水的水化學變化明顯小于中游池水, 其中pH和EC的變異系數(CV)<1%。雖然下游池水中也生長了少量的沉水植物(輪藻), 但下游池水體積遠大于中游池和泉口, 庫效應占主導, 調蓄能力強, pH與EC幾乎看不出晝夜變化。1月27日光照較強, 白天下游池水溫呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢, 最高溫度達到了13.47 ℃, 出現(xiàn)在16: 00左右, 與中游的水溫變化相一致, 但變幅較小。而其他的水化學參數, 如(CO2)、SIC與DO的變化也不大, 甚至比泉水的還要小。

3.2 茂蘭拉橋泉水及中游和下游池水d13CDIC晝夜變化

泉口13CDIC的變化很小(圖4), 僅0.4‰左右, 平均值–11.82‰, 這與其他研究結果[15, 29–32]相似, 反映泉水的DIC主要來自于碳酸鹽巖風化和土壤呼吸產生的CO2溶解。

表3 下游池水的物理和化學參數晝夜變化特征

中游池水13CDIC變化范圍最大(圖4), 達2.61‰, 平均–7.84‰。影響13CDIC變化的因素包括生物過程(光合和呼吸作用)、與大氣的氣體交換、方解石的沉淀和溶解[9]。沉水植物光合利用DIC使之降低時, 由于優(yōu)先利用低能量的12C[33–34], 導致池水DIC中13C累積,13CDIC隨光合作用的進行逐漸升高[15,17,35]。晚上沒有光照不能進行光合作用, 呼吸作用產生CO2, 而其13C與水生生物的13C基本相同, 大約為–22.4‰[36], 這使得水的13CDIC降低。有趣的是, 在1月27日16: 00時所測的13CDIC沒有升高反而下降, 這可能是由于水生生物光合作用太強, DIC的強烈消耗使水中CO2<空氣CO2, 從而空氣中CO2溶解在水中, 發(fā)生動力分餾, 據Herczeg.[37]分餾系數甚至可以達到–13‰。1月28日, 中游池水中13CDIC并不像1月27日有明顯的周期變化, 分析可能原因是由于與27日不同, 由于光照強度明顯減弱, 水生生物光合作用強度明顯要弱于前一日, 在水中無機碳同位素的變化上表現(xiàn)就不明顯, 如泉水。下游池水13CDIC晝夜變化居中, 約0.6‰, 變化趨勢與中游池水相似, 但存在大約2 h的滯后, 這可能是下游水池水體大, 庫效應顯著的結果[38]。

3.3 茂蘭拉橋泉口、中游和下游池水水面CO2通量及生物碳泵效應估算

分別在1月27日中午(12: 00~13: 30)、晚上(18: 00~ 19: 30)和1月28日早上(8: 00~9: 30)測定得到泉口及中、下游水面靜態(tài)箱內CO2在0.5 h內的濃度變化值, 作圖得出變化斜率(CO2濃度變化速率), 利用下面的公式計算得到水面的CO2交換通量:

式中:表示靜態(tài)箱的體積, 經測量為14 L;表示靜態(tài)箱的面積, 為0.1256 m2; 44表示CO2的分子量; d/d表示靜態(tài)箱內CO2濃度的變化速率。

分別計算得到泉口及其中、下游池水水面在早上、中午和晚上的CO2交換通量, 取平均, 得到一天的碳通量值 (表4)。

泉口水面靜態(tài)箱收集氣體的位置位于泉水流出后的一個測量泉流量的小三角堰內, 堰內水中生長著少量的沉水植物, 對水面CO2濃度變化有一定影響, 在早上、中午和晚上三個時間所測定的CO2濃度變化速率并不相同(圖5a)。

引起水中DIC變化的原因包括方解石沉積/溶解、與空氣中的CO2交換以及沉水植物的新陳代謝(光合作用與呼吸作用)[9]。而從表2至表4可以看出, 泉水從泉口流出經過中游和下游水池, DIC的濃度是逐漸降低的。

表4 茂蘭拉橋泉及其中、下游水面CO2通量計算

圖5 茂蘭拉橋泉口及其中、下游池水水面靜態(tài)箱內早、中、晚CO2濃度變化

DIC從泉口出來, 除了方解石沉積(以Ca2+減少表征)和與空氣中CO2進行交換外, 其余部分以有機碳(OC)形式被固定下來。根據質量守恒定律, 水池中被生物碳泵產生的有機碳計算公式如下:

式中: M(OC)表示一天所能固定下來的有機碳(mg/d); Q代表流量(L/d); DICin、DICout分別代表進、出水池的濃度(mg C/L); Cain、Caout分別代表進、出水池的Ca2+的量(mg/L), 12/40是鈣換算為碳的因子; F代表與空氣交換CO2的通量(mg C/(m2 d)); A表示池水表面的面積。

由此可得中游池產生的有機碳:

(OC)=50544×(39.81–32.07)–50544×(48.53–39.15)×

下游池產生的有機碳:

(OC)=50544×(35.37–32.07)–50544×(43.15–39.15)×

因此, 中游池通過生物碳泵所產生的有機碳通量為920.23 mg/(d·m2), 也即是336 t C/(a·km2), 是海洋“生物碳泵”的51倍[43]。這說明, 巖溶地區(qū)光合水生生物對水中溶解無機碳DIC的利用對全球碳匯可能具有重要貢獻。

下游池水冬季能產生的有機碳通量為33.53 mg/ (d·m2), 也即是12.24 t C/(a·km2), 與中游相差一個數量級以上。

總之, 生物碳泵作用把DIC轉化成有機碳(TOC), 使得碳酸鹽風化在長時間尺度上也可能具有碳匯效應[44–45]。但轉化為有機碳(TOC)包括了溶解有機碳(DOC)和顆粒有機碳(POC), 其中DOC不穩(wěn)定, 容易被光輻射和生物降解[46–48], POC沉積下來也會有部分被微生物分解成為CO2和CH4等。因此, 對于真正能夠埋藏下來的穩(wěn)定有機碳(OC)匯的定量分析仍需更多的研究和探索。

4 結 論

從泉口流出的溶解有無機碳(DIC), 經由中游和下游后降低, 減少的DIC一部分轉換為碳酸鈣沉積, 一部分通過脫氣作用以CO2釋放到空氣中, 還有一部分DIC被水生生物通過光合作用轉化為有機碳(OC)。在分布有大量沉水植物(輪藻)的中游池, 即使是在冬季, 在有太陽光照的條件下, 還能從空氣中吸收CO2作為碳源進行光合作用固碳, 如在光合作用較強的時間段(1月27日13:00~19:00), 水中(CO2)甚至比空氣中(390×10–6)還要低, 大約在88.10×10–6~293.76×10–6之間, 類似于海洋中的“生物碳泵”效應。固碳通量達到了336 t C/(a·km2), 是海洋“生物碳泵”的51倍之多。然而, 被固定下來的內源有機碳(OCau)有多少被穩(wěn)定埋藏, 還需要以后的工作進一步確定。同時, 由于本文所研究的水域被人為地分為了泉口、中游池和下游池三個部分, 在一定程度上水流受到人為擾動的影響, 類似人工小水庫。對于自然無擾動的巖溶區(qū), 當存在富集沉水植物的小湖時, 其生物碳泵效應也應與中游池類似, 而貧沉水植物的小湖則應與下游池類似, 這些還有待實際的驗證。

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Effects of aquatic phototrophs on diurnal hydrochemical and13CDICvariations in an epikarst spring and two spring-fed ponds of Laqiao, Maolan, SW China

CHEN Bo1,2, YANG Rui1,2, LIU Zai-hua2*, YAN Hao1,2and ZHAO Min2

1. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 2. State Key Laboratory of Environmental Geochemistry, Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang 550002, China

karst water; hydrochemistry; stable carbon isotope; diurnal variations; aquatic phototrophs; biological carbon pump effect

P593

A

0379-1726(2014)04-0375-11

2013-09-22;

2013-11-30;

2014-01-02

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(2013CB956700); 國家自然科學基金項目(41172232)

陳波(1990–), 男, 碩士研究生, 主要從事生物地球化學研究。E-mail: bobchen1990@gmail.com

LIU Zai-hua, E-mail: liuzaihua@vip.gyig.ac.cn, Tel: +86-851-5895263