亚热带岩溶区地下水补给型水库溶解无机碳的迁移与转化

【仪器应用案例】—— EGM-5便携式CO₂/H₂O分析仪

本期分享一篇使用EGM-5便携式CO₂/H₂O分析仪结合浮箱法长期监测气-水界面CO₂交换通量(FCO₂)的文章——《亚热带岩溶区地下水补给型水库溶解无机碳的迁移与转化》。

题目：Transport and transformation of dissolved inorganic carbon in a subtropical

groundwater?fed reservoir, south China

期刊：Water Research（中科院1区，h-index:263，CiteScore:15.60）

DOI：https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117905

在研究全球和区域碳循环过程和制定碳中和目标时，陆地水体碳收支评估是非常重要的。 内陆水体(湖泊、水库、小溪、河流等)在碳运输、储存和内部转化中起着关键作用。岩溶水库是指分布在岩溶地区或主要接受岩溶水补给的水库，是我国西南地区主要的水库类型。

图1 大龙洞水库取样监测示意图

溶解无机碳（DIC）主要是溶解的CO₂和碳酸氢盐，是天然淡水系统的重要成分之一，是有机生产力的基础。在大多数水库中，DIC是水-气界面CO₂通量、内源有机碳形成和碳埋藏的重要决定因素。由于碳酸盐岩石的溶解，岩溶水库中的DIC浓度明显高于非岩溶区。许多研究人员研究了水库中的碳转化过程，然而，水库有两种主要的补给方式：一种是江河小溪（地表水补给型水库），一种是地下水（地下水补给型水库）。在岩溶地区，大部分岩溶水库属于地下水补给型水库。人们对于富含DIC的地下水补给型水库中碳的复杂内部转化仍未完全了解。

图1 岩溶地下水补给型水库碳循环模式

针对上述科学问题，重庆师范大学蒲俊兵课题组在我国西南亚热带地区典型岩溶地下水补给型水库(大龙洞水库)中，开展了溶解无机碳(DIC)、CO₂分压(pCO₂)、碳同位素比值(δ¹³C_DIC)的测量，并使用美国PP SYSTEMS公司生产的EGM-5便携式CO₂/H₂O分析仪结合浮箱法监测气-水界面CO₂交换通量(FCO₂)。

研究结果“Transport and transformationof dissolved inorganic carbon in a subtropical groundwater?fed reservoir, southChina”发表在Water Research（IF=11.236）杂志上。

图3. 浮箱法监测气-水界面CO₂交换通量(FCO₂)

亚热带地区的大多数水库在一年中都要经历水柱热结构的周期性变化：热分层时期之后是混合时期。本研究发现，混合期的CO₂排放量远高于热分层期(尤其是从分层到混合的转换时期)，这是水库混和过程中底水层积累的溶解二氧化碳(CO₂aq)上升和释放所致，但质量平衡计算表明整体来看水-气界面CO₂排放通量仅占水库DIC库的小部分(<1%)。

图4 大龙洞水库DIC参数的时间和垂直变化特征 a:DIC浓度、b:水体二氧化分压（pCO₂）、c:δ¹³C_DIC、d:方解石饱和指数（SIc）

DIC与δ¹³C_DIC之间的关系表现为两种不同的模式，主要受水体深度差异和热分层的影响：

(1)从表水层到底水层，DIC浓度升高，δ¹³C_DIC值降低；

(2) δ¹³C_DIC值随DIC浓度的增加而降低，但在热分层期间，δ¹³C_DIC在底部逐渐富集。

图5.大龙洞水库中DIC、pCO₂、δ¹³C_DIC、SIc和FCO₂的季节变化

此外，本研究还发现岩溶地下水补给型水库中三种不同的DIC积累和消耗过程：(1)由于分层效应的影响，在分层期DIC在深水层滞留和积累；(2)分层效应限制了水体上下交换过程，导致分层期表水层DIC被大量消耗；(3)沿水库上游到下游DIC平均浓度和pCO₂显著增加，而平均δ¹³C_DIC值却逐渐偏负。这些结果表明，岩溶地下水补给型水库的无机碳迁移、转化过程受到生物地球化学过程和水库热结构季节变化的综合控制。因此，在采样和监测时应充分考虑这些因素，合理确定采样和监测时间及频率，以便准确评估水体的碳收支和碳汇效应。