中国南方一个亚热带源头流域中溶解无机碳的来源、分布及动态

《Journal of Hydrology》：Source, distribution and dynamics of dissolved inorganic carbon in a subtropical headwater catchment in Southern China

碳酸盐岩溶解对华南喀斯特源头溪流无机碳时空动态及同位素组成的影响研究。采用长期监测数据，分析DIC浓度与δ13CDIC的季节和空间变化，揭示碳酸盐溶解、土壤CO?排放、水体光合作用及CO?释放对DIC转化的贡献率，分别为4–7%和15–17%。发现旱季DIC浓度较高，主要受碳酸盐溶解驱动；雨季因强CO?释放和光合作用导致DIC浓度降低，δ13CDIC值呈现干季正偏、湿季负偏的特征。研究为喀斯特区域碳汇评估提供依据。

　　本研究聚焦于中国南方广东省北部的喀斯特地区，特别关注其源头水系中溶解无机碳（DIC）及其稳定同位素组成（δ13C DIC）的空间与时间动态变化。通过长期的监测数据，研究探讨了DIC浓度的季节性波动和纵向分布，识别了DIC的主要来源与去向，并评估了土壤CO?在碳酸盐溶解中的作用以及水体光合作用和CO?逸散对DIC去除的影响。研究结果揭示了DIC浓度在旱季较高、雨季较低，其中中游河段显示出相对较高的DIC浓度。这表明，碳酸盐溶解是DIC的主要来源，而水体光合作用和CO?逸散则分别占不同河段DIC损失的4–7%和15–17%。这些发现强调了无机碳动态对亚热带喀斯特流域季节性水文条件和河床地貌的高度敏感性，并为南方喀斯特地区碳预算评估提供了区域视角，揭示了喀斯特水系可能如何响应环境和气候变化。

喀斯特地区占据地球大陆表面的大约15%，是研究水文、碳酸盐风化与碳循环相互作用的天然实验室。碳酸盐岩石的高溶解度以及快速的水岩和气水交换，使得DIC的生成与转化尤为显著。在这些地区，DIC浓度和同位素组成（δ13C DIC）受到多种过程的共同控制，包括碳酸盐溶解、土壤CO?释放、地下水补给、CO?逸散以及水体光合作用。这些过程受到水文动态和季节变化的强烈影响，进而改变水体与大气系统之间碳通量的方向和强度。尽管过去二十年内，已有大量研究探讨了喀斯特河流中DIC动态和CO?通量，但大多数研究集中于大型河流、湖泊和水库，而忽略了源头水系的详细研究。由于源头水系是河流网络的起源，也是连接土壤、地下水和大气的第一道界面，因此其DIC来源、传输机制和同位素演变尚未被充分理解。这种研究空白限制了我们对碳如何在河流传输的最初阶段被动员和转化的认知。

为了填补这一空白，本研究在中国南方广东省北部喀斯特源头水系中开展，重点分析了碳酸盐溶解对水体化学特征的影响，以及DIC的来源和传输机制。研究团队实施了一项为期一年的现场采样与监测计划，收集了132个水样，采样频率为每两周一次。其中，W1和W2位于硅酸盐岩区（上游），而W3至W7位于碳酸盐岩区（中下游）。采样结果显示，碳酸盐溶解是DIC的主要来源，而水体光合作用和CO?逸散在不同河段对DIC的去除作用也有所不同。具体而言，水体光合作用和CO?逸散分别占DIC损失的4–7%和15–17%。这些结果为区域碳循环和喀斯特系统作为碳汇的潜力提供了新的视角。

研究区域的水文和生物地球化学特性表明，源头水系对环境变化反应迅速，其陡峭的地形、短的水流路径以及土壤与地表水的强耦合，使其成为CO?逸散和短期碳周转的重要场所。季节性的旱季和雨季交替，显著改变了水体的流速、气体交换速率和生物活动，从而影响DIC浓度和δ13C DIC的特征。这些快速变化可能对下游碳输出和区域碳汇的长期稳定性产生重要影响。然而，在亚热带季风区，如中国南方，关于喀斯特源头水系DIC动态及其影响因素的研究仍显不足，特别是对土壤CO?排放如何调控DIC浓度和同位素组成，以及CO?排放与水体光合作用如何共同影响DIC转化的深入机制分析仍缺乏。

本研究采用长期的现场采样和监测，结合离子比和稳定碳同位素分析，识别DIC来源，探讨DIC传输过程，并阐明驱动DIC损失的机制。具体目标包括：（1）研究DIC浓度和δ13C DIC值在源头水系中的季节性和空间分布；（2）识别控制DIC转化的主要过程，特别是CO?逸散与水体光合作用之间的相互作用；（3）评估这些过程对区域碳循环和喀斯特系统碳汇功能的潜在影响。通过这种方法，研究团队能够更全面地理解DIC在水体中的来源、传输和转化机制，为喀斯特流域的碳循环研究提供新的数据支持。

研究区域的水文特征表明，水体的pH值在旱季平均为6.52，雨季平均为5.86，显示出弱酸性条件。这一特性与喀斯特水体通常呈现的弱碱性有所不同。水体的氧化还原电位（ORP）在旱季和雨季分别平均为199.7 mV和183.54 mV，显示出不同的氧化还原状态。在旱季，W1处的ORP显著高于其他采样点，这表明该区域的氧化条件较强，有机物分解产生的氧气消耗相对较少，而微生物还原过程则较弱。水体的总溶解固体（TDS）和DIC浓度在旱季均高于雨季，这可能与水体的流速、水体停留时间和碳酸盐溶解的强度有关。在雨季，由于降水的频繁和较高的水温，水体与岩石的相互作用时间较短，导致DIC的损失主要来自于CO?逸散和水体光合作用。

在水化学特征分析中，Piper图被用于直观展示不同水体的化学组成和演变特征。结果显示，大部分水样在阳离子三角的左下角，表明Ca2?是该区域的主要阳离子。阴离子在旱季和雨季之间也有所不同，旱季时HCO??为主要阴离子，而雨季时Cl?和SO?2?的贡献增加。这一变化可能与降水带来的离子输入有关，因为降水是陆地生态系统中Cl?和SO?2?的重要输入途径。此外，碳酸盐溶解在该区域的影响尤为显著，使得中游和下游水体的DIC浓度明显高于上游。

进一步分析显示，DIC浓度在旱季高于雨季，这主要归因于水体在旱季的停留时间较长，使得碳酸盐岩石能够更充分地溶解，从而增加了HCO??的浓度。在雨季，由于水体流速较快，水体与岩石的接触时间较短，导致DIC的损失更多地来自于CO?逸散和水体光合作用。然而，水体光合作用对DIC的去除作用在雨季并不显著，这可能与水体中HCO??的供应量和消耗量有关。在雨季，HCO??的浓度下降，而CO?的浓度保持稳定或略有上升，这表明HCO??在雨季更倾向于转化为CO?，并通过逸散过程从水体中移除。

通过对DIC同位素特征的追踪，研究发现，碳酸盐溶解是DIC的主要来源，其同位素特征与土壤CO?排放的特征相近。在雨季，由于水体pH值较低，CO?在DIC中的比例增加，这使得DIC更容易通过逸散过程被移除。此外，研究还指出，DIC的同位素组成在不同河段之间存在差异，这种差异可能反映了不同碳源的贡献。例如，W4、W5和W6处的δ13C DIC值接近碳酸盐溶解的同位素特征，而W1和W2处的δ13C DIC值则更接近土壤CO?的同位素特征。这表明，DIC的来源不仅包括碳酸盐溶解，还受到土壤CO?输入的影响。

研究还探讨了DIC在传输过程中的转化与损失机制。在W4至W5之间，DIC的损失主要归因于水体光合作用，因为该区域的DO浓度显著增加，表明水体中CO?被藻类和浮游植物吸收并转化为O?。而在W5至W6之间，DIC的损失则主要来自于CO?逸散，因为该区域的DO浓度并未显著增加，而CO?的浓度却明显下降。这种差异可能与该区域的水流速度较快以及河床中砾石较多有关，这些因素导致水体产生较强的湍流，从而促进CO?的逸散。此外，研究还发现，土壤CO?排放和水体光合作用在不同季节对DIC的贡献存在显著差异，这种差异可能与水体停留时间、温度变化以及生物活动的强度有关。

本研究的结果为理解喀斯特流域的碳循环提供了新的视角，同时也揭示了DIC在水体中的动态变化与环境因素之间的关系。研究发现，碳酸盐溶解在控制DIC的生成和演变中起着关键作用，而水体光合作用和CO?逸散则在DIC的去除过程中占据重要地位。此外，研究还指出，土壤CO?排放对DIC浓度和同位素组成的影响在源头水系中更为显著，这与中大型河流中土壤CO?的影响较小形成对比。因此，研究结果不仅对喀斯特流域的碳预算评估具有重要意义，也为环境管理和生态保护提供了科学依据。

总体而言，本研究通过长期监测和同位素分析，揭示了喀斯特源头水系中DIC的来源、传输和转化机制，以及这些过程如何受到水文条件和季节变化的影响。研究结果表明，碳酸盐溶解是DIC的主要来源，而水体光合作用和CO?逸散则在不同河段对DIC的去除起到关键作用。这些发现不仅加深了我们对喀斯特水系碳循环机制的理解，也为未来在该领域进行更深入的研究提供了基础。通过进一步整合连续监测和同位素追踪技术，未来研究可以更精确地量化DIC通量，并完善喀斯特地区碳循环的概念模型。