中国南方一个由分层地下水补给的储水系统中无机碳和有机碳的来源与转化过程

本研究以广西Dalongdong喀斯特水库为对象，通过水化学分析、稳定碳同位素和贝叶斯混合模型，揭示热分层期溶解无机碳（DIC）、溶解有机碳（DOC）和颗粒有机碳（POC）的时空动态及转化机制，阐明温度分层对碳循环的调控作用，为喀斯特水体碳汇评估提供理论支撑。

　　
碳循环是生态系统功能和全球气候稳定的核心要素，但喀斯特水系统作为独特的碳汇，长期存在研究空白。中国西南部喀斯特地貌区发育的Dalongdong水库，因其典型性成为揭示碳动态机制的重要对象。该研究通过整合水文化学数据、稳定碳同位素分析和贝叶斯混合模型，系统解析了温度分层（TS）对DIC（溶解无机碳）、DOC（溶解有机碳）和POC（颗粒有机碳）多路径转化的调控机制，为喀斯特碳汇评估提供了新范式。

**研究背景与科学问题**
全球碳循环模型对喀斯特水系统的参数化存在显著偏差。传统认知侧重于碳酸岩溶解-沉淀的无机碳循环，而忽视其在转化为有机碳（DOC/POC）后的长期固存潜力。 subtropical karst reservoirs兼具高 DIC背景（可达常规湖泊的6-10倍）、频繁温度分层和独特的水岩作用，其碳转化机制具有典型研究价值。然而现有研究多聚焦单一碳组分或分层阶段，缺乏对DIC-OC全链条动态的系统解析。

**研究设计与方法创新**
项目团队采用多周期（分层期、混合期）、多参数（物理化学指标、同位素组成、微生物群落）的协同分析方法。创新性体现在：①建立温度分层期（夏季）与混合期（冬季）的碳动态对比框架；②开发基于水层垂直分异特征的三维碳追踪模型；③首次将碳酸盐岩表面溶蚀速率与微生物碳代谢进行耦合分析。

**核心发现与机制解析**
1. **温度分层期的碳转化特征**
- 表皮层（0-2.5m）：光热驱动藻类光合作用，DIC向POC（藻类生物量）和DOC（胞外多糖）转化效率达68%-72%。碳同位素δ13C值显示POC约55%-59%来自细菌分解有机碎屑，印证微生物在碳形态转化中的关键作用。
- 温跃层（2.5-7.5m）：水体分层加剧导致DIC再分配。溶解氧梯度引发异养菌代谢，促使POC向DOC转化，该过程贡献底层碳输入的43%-47%。
- 底层（>7.5m）：厌氧环境激活硫酸盐还原菌，使POC矿化速率提升至2.1mg/(m3·d)，同时释放的CO?重新参与碳酸盐岩溶解，形成"碳泵"循环。

2. **混合期的碳稳定性突变**
水体垂直混合使表层有机碳（DOC）向底层迁移，触发连续12天的微生物矿化高峰。同位素分析显示，约31%的底层DOC源自表层POC的溶解，而35%-39%的POC因重力沉降被埋藏，形成碳封存"时间胶囊"。

3. **水岩作用的关键调控**
碳酸盐岩表面积达23.5m2/m3，溶蚀速率在分层期达1.2mm/yr，显著高于混合期的0.3mm/yr。这种动态变化直接影响DIC浓度：分层期表层DIC为582mg/L，混合期骤降至397mg/L，但底层因CO?溶解度升高维持在721mg/L。

**理论突破与实践价值**
研究首次揭示喀斯特水系统"双路径碳固存"机制：①光合驱动型（表层POC年产量达12.4t/km2）；②微生物矿化型（底层OC年沉积量达8.7t/km2）。碳同位素δ13C数据显示，表层POC的源贡献从分层期的54%向混合期的76%转变，印证了水动力条件对碳源识别的关键作用。

该成果为全球碳模型修正提供新参数：喀斯特水库单位面积的碳汇效率（144g C/m2·yr）较传统湖泊（22g/m2·yr）提升6倍，但需考虑其区域性波动。研究建议在双碳目标下，应将喀斯特水系统纳入重点监测网络，其碳汇潜力可能被低估达300%-500%。

**方法论贡献**
开发的"三阶段-四维度"分析模型（图4）突破传统单层采样局限，通过分层期（7-8月）、混合期（11-12月）的连续跟踪，结合同位素示踪（13C/12C比值）和有机碳指纹图谱技术，实现碳流路径的精准溯源。特别建立微生物功能群与碳形态的关联矩阵，发现异养菌丰度每增加10^4 CFU/m3，POC矿化速率提升1.8倍。

**生态管理启示**
研究证实喀斯特水库在碳封存方面具有"时空双优势"：分层期通过光合作用快速转化无机碳，混合期通过水体扰动增强碳封存稳定性。据此提出"分层期强化藻类增殖，混合期调控水体交换"的生态管理策略，在广西某喀斯特流域试点中使碳汇效率提升19.3%。

该研究通过建立"水文-岩溶-生物"三位一体的碳循环解析框架，不仅完善了喀斯特生态系统碳动态理论，更为区域碳汇核算和碳中和路径设计提供了关键数据支撑。其方法论可扩展至其他喀斯特水资源评价，对实现《中国碳中和行动方案》中"提升生态系统碳汇增量"的目标具有重要参考价值。