地化所揭示喀斯特湖泊在维持水体净自养上的潜在作用
近日，中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验刘再华课题组利用季节性昼夜尺度观测数据、水文地球化学模拟和bookkeeping模型等研究手段，对典型喀斯特湖泊水体-抚仙湖的代谢过程与溶解无机碳(DIC)的相关关系来调控碳与物质能量在湖泊生态系统中的转移过程并对水体碳源汇展开了分析，并特别针对监测期日间午后水体代谢显著降低的现象进行了细致的机理分析。
当前，由全球CO2高排放量引发的气候危机受到国际学界和政界的高度关注，急需采取行动以降低本国碳排放或寻找新的碳汇途径。此前研究已证实，“耦联水生光合作用的碳酸盐风化(CCW)”是重要的碳汇机制，全球推演发现其规模可能与海洋、森林碳汇在一个数量级。该碳汇机制主要基于DIC在水生生态系统中可以部分地被水生光养生物利用并产生内源有机碳(AOC)汇，使碳酸盐矿物在沉淀过程中产生的CO2并未完全脱气至大气，实现大气CO2的捕获与稳定。然而，由于缺乏对相关过程的精细刻画，该机制对水体尤其是高DIC水体碳循环的潜在影响仍知之甚少，限制了人们准确评估与预测碳汇规模的能力。
针对上述问题，研究组设计了从水化学季节性昼夜监测-净生态系统生产力(NEP)-碳循环过程的研究路线。研究揭示了昼夜尺度上的水体理化指标和同位素特征受水生光养生物的代谢控制(图1)，发现经bookkeeping模型量化后的NEP与DIC循环之间存在显著关系(图2Ⅰ-Ⅳ)，阐明了DIC施肥在支持喀斯特湖泊高初级生产力方面的作用。依据上述相关关系，研究组还发现，较低的CO2/O2增加了水生植物光呼吸的潜在风险，这可能是造成水体中的光合作用强度在日间午后普遍降低(图2Ⅰ-Ⅳ)的原因。
图1 喀斯特湖泊昼夜尺度上的水文地化-NEP-碳循环过程间的关系模式图
图2 量化后的湖泊代谢指标与碳循环之间的关系以及对水体碳源汇的调控作用
研究团队进一步指出抚仙湖表现出的净自养生态系统(GPP/R>1，NEP>0)，更像是一个大气CO2汇(图2Ⅴ)，水生植物代谢产生的有机碳汇高达833-902 t C km-2 yr-1，比海洋生物泵效应产生的碳汇量高出一个数量级。若进一步考虑碳酸盐风化碳源的碳汇量，其规模达650–704 t C km-2 yr-1，证明了代谢过程在湖泊碳循环中的潜在的重要作用，以及耦合水生光合生物的碳酸盐风化的碳中和潜力。在气候变化和湖泊富营养化的全球背景下，大量产出的AOC可能足以推动水生生态系统(尤其是喀斯特水生生态系统)走向净自养，并充当CO2汇(图2Ⅵ)。因此，未来研究应更好地关注并量化湖泊代谢与碳循环之间的关系，以更全面地评估水体特别是喀斯特水体在区域和全球碳收支中的作用，并制定相关管控政策以调节该碳汇规模。
基于上述成果以“Lake metabolic processes and their effects on the carbonate weathering CO2 sink: insights from diel variations in the hydrochemistry of a typical karst lake in SW China”为题，于2022年7月25日在环境科学与生态领域顶级国际期刊Water Research (Nature Index期刊；IF=13.400)在线发表。
中科院地化所贺海波博士为论文第一作者；中科院地化所刘再华研究员为论文唯一通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金(42141008、42130501、42007296、41921004和41977298)、中国科学院战略性先导科技专项(XDB40020000)以及中国博士后科学基金第14批特别资助(站中)(2021T140582)的支持。
论文信息：Haibo He, Yuyouting Wang, Zaihua Liu*, Qian Bao, Yu Wei, Chongying Chen, Hailong Sun, 2022. Lake metabolic processes and their effects on the carbonate weathering CO2 sink: insights from diel variations in the hydrochemistry of a typical karst lake in SW China. Water Research, 118907.
(刘再华课题组/供稿)