厦门大学海洋与地球学院

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厦门大学郭卫东教授等揭示层化水库湖下层水体脱氧过程对惰性有机碳的形成与向海输运的促进作用
COE COE 2022/5/13 1179 返回上页

近日,厦门大学海洋与地球学院郭卫东教授与环境与生态学院陈能汪教授等合作在Water Research期刊上发表了题为“Hypolimnetic deoxygenation enhanced production and export of recalcitrant dissolved organic matter in a large stratified reservoir”的论文,揭示了层化水库湖下层水体脱氧过程对惰性溶解有机质(RDOM)的形成及其通过水库-河流连续体向海输运的促进作用。该研究表明水库、湖泊等内陆湖下层水体在地球系统碳循环中可能发挥重要作用,为科学评估陆海界面碳的源、汇收支提供了理论依据。

受河流筑坝的影响,目前全球长度大于1000 km的河流仅有23%处于自由流通状态。全球坝高超过15 m的大坝在58 000座以上。河流筑坝既破坏了河流连通性,导致河水停留时间延长,也引起库区水体的季节性层化、初级生产加强和有机碳埋藏增加等一系列过程。与光合作用占优势的湖上层水体不同,层化期水库(及深水湖泊)湖下层水体被异养呼吸作用所主导,并伴随出现季节性的脱氧现象。基于湖下层水体在湖库总体积中占据的主导地位,探究这一氧消耗过程如何影响河流碳的转化与陆海碳的源汇收支具有重要意义。

研究团队于2020-2021年对闽江水口水库水柱剖面及其上、下游河流连续体开展了季节性调查(图1),发现水口水库存在春夏季分层(除梅汛期洪水事件外)、秋冬季翻转混合的水文学变化特征。基于对DOM的光谱及分子组成表征,结合颗粒有机质(POM)、溶解无机碳(DIC)和营养盐的同步观测,发现层化期类腐殖质荧光组分(FDOMH)、DIC及营养盐(NO3-N, SRP)随深度增加而快速增加且与表观耗氧量(AOU)呈显著正相关,同时DOC和POC浓度、溶解及颗粒蛋白质荧光组分随深度减少。与湖上层水体相比,湖下层水体中相对活泼的不饱和脂肪族化合物显著减少,并伴随稠环芳烃等惰性有机组分的增加。这表明,水库湖下层水体存在与微生物脱氧矿化密切相关的活泼DOM/POM组分降解,以及相应的RDOM组分的生产过程(图2)。基于质量平衡模型,估算出春季和夏季从水库输出到闽江下游的惰性FDOMH通量分别增加了10.8%和32.1%。

图1 闽江水口库区与坝下河流采样站位图(左)及调查期间闽江水文过程线和水库分层-混合特征(右)

 

图2 水库湖下层脱氧过程驱动惰性碳形成与输出过程概念图

湖下层RDOM的生产过程受到温度、活泼碳源供应及水体停留时间等多个因子的调控。夏季水库上层的藻华过程为下层提供了大量沉降的生源DOM/POM,由于水体停留时间短,湖下层温度较高,因此夏季RDOM的生产效率显著高于春季(图3)。秋季水体停留时间长,但下层的低氧限制了RDOM的生产。冬季水库有充足的活泼碳源及溶解氧供应,水体停留时间也较长,但低温限制了RDOM的生产。

图3 内陆水域湖下层与海洋无光层中FDOMH生产效率与温度的关系

 

通过与日本琵琶湖以及开阔大洋及边缘海盆(南海、日本海、地中海)的对比分析,发现内陆水库和湖泊湖下层惰性FDOMH单位耗氧时的生产效率显著高于海洋无光层(图3),其生产速率更是比海洋无光层高出4-5个数量级,周转时间(~20天)则远快于海洋无光层(通常>100年),表明层化水库(及深水湖泊)湖下层是全球水生态系统中碳转化的热点区域。

本研究从碳-氧耦合的角度解析了大坝建设对河流RDOM形成与陆源碳向海洋输出的影响,为科学评估陆海界面碳的源、汇收支提供了理论依据。

 

研究团队

厦门大学海洋与地球学院博士生瞿理印为论文第一作者,郭卫东教授和环境与生态学院陈能汪教授为共同通讯作者。其他作者还包括中国石油大学(北京)何晨博士、美国加利福尼亚大学戴维斯分校Randy A. Dahlgren教授、中山大学李朋辉博士、厦门大学李炎教授及硕士生吴泽涛、任明星等。该研究工作受到国家自然科学基金面上项目(41876083、41276064)的资助。

 

文献来源

Qu, L.Y., He C., Wu Z.T., Dahlgren R.A., Ren M.X., Li P.H., Shi Q., Li Y., Chen N.W*., and Guo W.D*. (2022). Hypolimnetic deoxygenation enhanced production and export of recalcitrant dissolved organic matter in a large stratified reservoir, Water Research, 219, 118537.

论文链接: https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.118537.

 




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