岩溶水体细菌群落对岩溶碳汇的影响研究——以柳州红花水库为例

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工业革命以来大气CO2增加所导致的全球气候变暖已引起了国际高度关注,固碳过程及储碳机制是目前科学研究面临的首要问题。岩溶碳汇由于其不稳定性一直被长时间的碳循环研究所忽略。但已有研究表明碳酸盐岩风化速率及其溶解度均高于硅酸盐岩,对气候变化的影响不可忽视。为解决岩溶碳汇的稳定性问题,基于水-岩-气-生相互作用的碳酸盐岩风化模型是目前岩溶碳汇研究的关键,已有研究表明岩溶作用产生的溶解无机碳会被海洋、河流、湖泊中浮游生物的光合作用所消耗,以稳定有机质的形式沉积,被长期存储,使岩溶作用成为净碳汇过程.目前多数研究主要集中于水生植物的光合作用对水体中碳酸氢根的光合利用。但90%的有机碳在沉降过程中被消耗,真正沉降下来的有机碳不足初级生产力的0.1%。焦念志等在微生物生态过程基础上提出“微型生物碳泵(MCP)”理论,指出微生物生态过程能吸收活性有机碳,并维持一个惰性有机碳碳库,使这部分碳长期存储在海洋中,其中好氧不产氧光合异养细菌由于其独特的生态功能,在这个过程中起着重要作用。然而相比水生植物对岩溶碳汇的影响及海洋中细菌对碳循环的研究,目前岩溶水体细菌生态作用对岩溶碳汇的影响的研究仍然相对较少,且多集中于对土壤、表生微生物对岩溶溶蚀速率的影响研究。因此本文选取柳江流域作为研究区,通过对河流水化学特征、水体细菌丰度及有机碳降解速率的研究,分析研究区水体细菌与环境因子、岩溶碳汇的耦合关系,进而讨论细菌生态作用对岩溶碳汇的贡献。  本研究选取柳江柳州断面及其下游红花水电站为研究区,分别于2016年3月、2016年6月、2016年9月及2016年12月对三个采样点进行分层采样,分析水体理化性质、细菌丰度、固碳效率的季节性变化及其影响因素。结果表明,柳江流域3个采样点水化学类型为HCO3-Ca型,水体物理化学性质及溶解离子质量浓度表现出明显的季节变化特征电导率及溶解离子质量均表现为冬季最高、夏季最低,溶解氧夏秋季高于春冬季。流域内Ca2+、Mg2+及HCO3-主要来源于流域内碳酸盐岩风化;Na+主要来源于流域内硅酸盐岩风化;NO3-主要来源于流域内氮肥及经济生产活动所产生的氮氧化物;SO42-主要来源于大气降水,并参与到流域内碳酸盐岩风化中。研究区内无机碳浓度表现为冬秋春夏,与土壤CO2风化碳酸盐岩所产生的溶解无机碳相比,同位素值明显偏正,主要受到流域内硫酸参与碳酸盐岩风化的影响。有机碳来源表现出明显的季节性差异,夏季主要受藻类及和细菌活动的影响以及部分地表径流带来的陆源植物物质,冬季陆源有机质占明显优势。研究区细菌丰度表现出明显的季节变化特征,春冬季高,夏秋季低。营养盐丰富的条件下,足以供细菌和藻类共同生存,且细菌更喜好利用藻类产生的有机碳,春冬季河流营养盐浓度高,水体叶绿素浓度较高,藻类较丰富,促进细菌生长,因此细菌丰度较高;而夏秋季受稀释作用影响,营养盐浓度较低,细菌与藻类存在竞争关系,细菌丰度偏小。通过14C法对研究区水体细菌固碳速率进行测定,结果表明研究区水体细菌及总浮游生物固碳速率均表现为秋季最高,垂直方向上表现为-5m最高,主要受光照影响。细菌固碳速率占研究区水体总浮游生物固碳速率的14.93%,主要受水温、电导率、DOC的影响,与细菌丰度并无明显相关性。研究区水体有机碳在细菌的作用下不断降解,降解过程主要集中在一个月之内,分析结果表明细菌更倾向于利用δ13C值较轻的有机碳。实验结果表明研究区水体中约存在2mg·L-1的半活性或惰性有机碳。对研究区水体有机碳降解速率及AAPB相对丰度的相关分析表明,AAPB功能细菌的存在降低了细菌对有机碳的降解速率,使更多的有机碳滞留在水体中,延长了岩溶水体有机碳的循环周期。
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