岩溶水体碳形态转化特征新认识

来源:地调局岩溶地质研究所作者:中国地质调查成果快讯发布时间:2018-11-19

摘要：碳酸盐岩溶解消耗大气/土壤中CO₂并转移到水体中，产生碳汇效应，水生植物通过光合作用将岩溶水中1/3的无机碳转化为相对稳定的有机碳储存于植株体，好氧不产氧光合异养细菌可以将光能转化成化学能，减少了呼吸作用对有机碳的消耗，利用“微型生物碳泵”机制使更多有机碳长期保存在环境中。

1.项目概况

该成果为“长江、珠江、黄河岩溶流域碳循环综合环境地质调查”项目的工作内容之一，归属于“岩溶地区水文地质环境地质综合调查”工程，由自然资源部中国地质科学院岩溶地质研究所承担。项目周期为2016—2018年。总体目标任务之一是在典型岩溶区开展 1∶5万岩溶碳循环综合环境地质调查，查明岩溶碳循环的发生、迁移过程、转化特征及碳汇通量。

2.成果简介

2.1水生植物可以利用岩溶水体高浓度溶解无机碳转化为有机碳

水生植物光合作用将岩溶水体中无机碳转化为有机碳，实现岩溶地质碳汇与生态碳汇融合。水体是携带HCO₃^-迁移的主要载体，岩溶水体中的HCO₃^-含量通常达到3~5mmol/L，比外源水水体中的要高出1 个数量级；电导率通常达到300~500us/cm，比外源水高出1~2个数量级；典型岩溶水的pH值也通常比典型外源水高出1~2 个单位。

在水生生态系统中，挺水植物的光、水和CO₂充足，具有较陆生植物更高的初级生产力，而沉水植物受到水下光照条件和碳源的制约，高浓度HCO₃^-的岩溶水则提供了丰富的碳源，可刺激大量水生植物滋生，使无机碳向有机碳转化。

在桂林寨底地下河出口至潮田河间有一条512m明流，生长有多种水生植物（图1）。沿流程方向，岩溶地表河中海菜花、竹叶眼子菜、苦草和黑藻的稳定碳同位素呈梯度分布。其中，最小值均出现在地下河出口处，分别为-40.48‰、-39. 16‰、-35.06‰和-38.56‰；最大值均出现在汇入地表河处，分别为-27.83‰、-23.70‰、-25.29‰和-26.32‰（表1）。水化学、溶解无机碳及稳定碳同位素昼夜变化显示，岩溶地表河水生态系统具有强烈的净光合作用。沉水植物稳定碳同位素的梯度分布与水体中光合作用碳源游离CO₂浓度下降一致。在岩溶地表河中，具有低碳同位素值的高浓度岩溶水是控制沉水植物碳同位素组成的控制因子。

图1 桂林寨底地下河水生植物
表1 桂林寨底地下河上游至下游四种植物的稳定碳同位素组成

水生植物固碳是岩溶碳汇研究的重要组成部分。以地下河补给的寨底河为研究对象，利用溶解氧法估算沉水植物对岩溶碳汇的固定量，对比溶解氧法与水化学法计算水生植物对岩溶碳汇固定量的差异。结果表明，寨底河水生生态系统中水生植物日平均初级生产量为32.70mg/L的当量氧气，呼吸作用速率为21.42mg/L的当量氧气，净初级生产力为11.27mg/L的当量氧气（图2），寨底河水生生态系统具有较高的净初级生产力。利用溶解氧法计算水生植物光合作用转化的岩溶水中无机碳量为1.02mmol/L的氧气，净固定量为0.35mmol/L；利用水化学流量法计算HCO₃^-减少量为0.12mmol/L。水生植物对输入系统的总无机碳利用量为36.32%，被固定为有机碳的量为12.52%。若以水生植物对岩溶水中无机碳净固定量为例计算，则水化学流量法计算的水生植物对岩溶碳汇固定量仅占溶解氧法计算结果的34.29%。因此，水化学流量法计算结果严重低估了岩溶水体中水生植物对岩溶碳汇的固定量。

图2 寨底地下河上游和下游溶解氧含量随时间变化曲线

2.2 岩溶水体中AAPB的发现与岩溶碳汇的稳定性

微生物是水体生物地球化学循环的主要驱动者，也是能量代谢的主要参与者，在水体生态系统多样性与稳定性方面发挥着举足轻重的作用。好氧不产氧光合异养细菌(Aerobic AnoxygenticPhoto-trophicBacteria,AAPB)是一类兼具自养和异养双重特点的功能细菌，它可以利用光能产生化学能，减少细胞代谢对有机碳的消耗，利用“微型生物碳泵”机制使更多有机碳长期保存在环境中。

为探讨岩溶区AAPB反馈作用下的五里峡水库坝前水体化学特征，对坝前不同层位水体进行实地监测，在获得不同层位水体溶解有机碳和颗粒有机碳稳定碳同位素特征的基础上，采用荧光定量PCR技术检测、研究了坝前水体不同层位AAPB分布规律。结果表明：取样期五里峡水库坝前水体为HCO₃^--Ca²⁺-Mg²⁺贫中营养型；通过水体溶解氧、δ¹³C_POC、δ¹³C_DOC和碳氮比综合分析得出，坝前水体有机碳主要由微型生物产生；AAPB占总浮游细菌的相对丰度范围在1.33%~1.60%之间（表2），且AAPB在不同层位的丰度变化强度要高于总浮游细菌的丰度变化强度，表明相较于总浮游细菌，AAPB对水化学特征的反馈作用更加敏感。

表2 五里峡水库坝前水体¹⁶S rRNA与pufM基因归一化基因拷贝数

针对海洋环境而言，寡海洋海域中AAPB 虽然丰度仅为2%~4%，但其生产率却占总细菌生产率的4%~50%，AAPB 产生的巨大的海洋RDOC碳库的储碳周期长达数千年。泥炭沼泽水体中，AAPB 的丰度与水体中的pH、电导率呈正相关。岩溶环境下AAPB反馈作用对揭示CO₂-水-碳酸盐岩-微生物代谢体系具有重要的启示意义。

3.成果意义

在岩溶水生生态系统中，水生植物通过光合作用将岩溶水中相对不稳定的无机碳转化为相对稳定的有机碳储存于植株体，通过这一过程，岩溶作用起到了将大气/土壤中的CO₂转移到水体供水生植物光合作用利用的施肥效应。水生植物对岩溶水中无机碳的固定发挥着重要作用，岩溶水体中AAPB的发现促进了岩溶碳汇的稳定性，以水生植物为代表的初级生产者对岩溶碳汇的固定作用不可忽视。

（自然资源部中国地质科学院岩溶地质研究所曹建华张春来李强供稿）