内蒙古草原区河流碳逸出与碳输移的时空变化研究

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内陆河连接陆地生物圈、岩石圈以及大气圈三大碳库,其碳循环对全球气候变化有重要的影响。本文以内蒙古自治区锡林郭勒盟锡林河及其流域作为研究区,根据不同的土地利用类型(沼泽、沙地、养殖区、草地、水库、景观湖和工厂)划分布设18个样点,在2018年4月、6月、8月、10月和2019年4月、6月进行野外采样,分析环境因子、碳分压(pCO2、pCH4)、碳通量(FCO2、FCH4)以及碳输移的时空变化特征,开展环境因子与碳逸出、碳浓度的相关性分析,阐明环境因子对碳逸出与碳输移的影响机制,主要结果如下:1.锡林河CO2分压(pCO2)和通量(FCO2)变化呈现8月和6月高于4月和10月的趋势,河流水体CO2的时间差异性源于气温、径流量、降雨量、流速的共同影响。在不同土地利用类型影响下,p CO2和FCO2值均呈现:沙地>沼泽>养殖区>工厂>草地>水库>景观湖,陆源CO2输入、地下水补给以及人类活动影响造成河流水体CO2浓度变化,锡林河表现为CO2的“源”。CH4分压(pCH4)和通量(FCH4)变化呈现10月和6月较高,4月和8月较低,其时间差异性主要源于气温、溶解氧浓度、径流量的影响。在不同土地利用类型影响下,pCH4值和FCH4值呈现:养殖区>工厂>沼泽>沙地>草地>水库,CH4的空间差异性受水温、陆源有机质和微生物活动的共同影响。但在水库区域FCH4值为负值,表现为CH4的“汇”,原因在于CH4在水体内被氧化,导致水体CH4不饱和。综合而言,锡林河流域草地、水库和景观湖的碳逸出量占全流域水体逸出量的77.84%,其余土地利用类型影响下的碳逸出仅占22.16%,外源输入物质的差异是影响碳逸出量的主要原因。2.锡林河溶解无机碳(DIC)浓度和颗粒无机碳(PIC)浓度呈现:10月和6月高于8月和4月,水体中总无机碳(TIC)浓度变化的时间差异性主要源于径流影响。在不同土地利用类型影响下,DIC浓度呈现:工厂>水库>景观湖>草地>沙地>养殖区>沼泽;PIC浓度呈现:养殖区>沼泽>工厂>草地>水库>沼泽=沙地;无机碳主要来源于地下水补给、化学风化和物理侵蚀,城市建设、水利建设等人类活动也产生一定影响。溶解有机碳(DOC)浓度和颗粒有机碳(POC)浓度均为4月最高,总有机碳(TOC)浓度受温度影响较大,同时还受到径流、净初级生产力(NPP)的影响。在不同土地利用类型影响下,DOC浓度呈现:景观湖>水库>工厂>草地>养殖区>沼泽>沙地,POC浓度呈现:沙地>沼泽>养殖区>工厂>草地>水库>景观湖,河流有机碳以陆源有机质输入为主,同时人类活动对其有一定影响。TOC/TIC呈现沼泽>养殖>景观湖>草地>水库>沙地的变化趋势,在所有土地利用类型影响下该比值均小于1,表明锡林河流域河流碳以无机碳为主,外源碳输入及生物化学反应的差异是导致不同土地利用类型下TOC/TIC发生改变的主要原因。3.在河流碳输移过程中,碳以不同的形式进行输送。锡林河DIC浓度和DOC浓度从上游到下游呈现逐渐增大的趋势,陆源可溶性碳在河流侵蚀过程中被不断溶解带入河道,导致溶解碳浓度随着河流迁移逐渐增大,同时不同程度的人类活动对河流溶解碳的输移也产生一定影响;PIC浓度和POC浓度从上游到下游呈现波动型变化,颗粒碳随河流流动不断沉降于河流底部,加之河岸带受到不同程度人类活动的影响,导致陆地土壤的颗粒碳被带入河流,造成河流碳输移过程中颗粒碳浓度不断变化。4.河流碳逸出及碳浓度影响机制研究表明,碳逸出主要受pH和DO影响,溶解碳浓度(DIC和DOC)主要受pH、Sal、EC、TDS、Alk和Vw影响,水化学参数通过影响水体内的生物化学进程来控制河流碳浓度。河流碳浓度与CO2、CH4紧密相关,相关性分析表明,碳浓度的增加会促进CO2、CH4的产生,而二者过度饱和则会造成水环境改变,继而通过一系列生物化学作用反作用于碳浓度。
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