长江下游-河口区河流碳的环境化学过程、转化机理及水气界面CO2释放机制

河流碳通量与过程研究为进一步了解人为CO2"未知"汇提供线索，特别是对定量评估区域碳收支及碳的"源/汇"功能方面，有重要意义。河流碳的形态转化及二氧化碳在水气界面的释放是河流碳迁移转化的重要过程之一。人类活动显著影响了河流的碳通量过程，并进一步影响二氧化碳的收支。围绕河流输送碳通量过程、转化机理及水-气界面CO2的释放机制这一核心问题，本项目选择长江下游-河口区，通过采用常规野外原位观测、13C同位素机理分析、模型模拟的通量过程计算三位一体方法，结合长江流域水系主要站点的历史水文水化学数据，深入研究长江下游-河口区碳的形态组成、迁移转化的环境化学过程和主要影响因素，及水气界面二氧化碳分压的变化规律和释放通量，评价主要影响因素对河流水气界面二氧化碳释放量的影响；本研究为阐明我国"陆地-河流-河口/近海地表过程中"碳循环的源/汇作用的耦合关系提供基础资料, 为区域可持续发展提供科学依据。

本项目选择长江下游河口区和赣江-鄱阳湖支流，通过野外观测、室内分析和模型模拟等方法，研究河流碳形态的组成、特别是DOC的形态组成和分子特征、不同形态碳的稳定同位素组成变化、河流二氧化碳分压的时空变化、释放通量、模型及影响因素。研究表明河流二氧化碳分压存在显著时空差异，长江水系二氧化碳均处于过饱和状态，是大气释放的源。对长江DOC的化学和分子组成分析表明，长江下游河口区丰水期和枯水期DOC的化学组成有显著差异，丰水期DOC的腐殖质含量显著高于枯水期，表明长江丰水期DOC主要来自陆地土壤有机碳的侵蚀，而枯水期长江DOC的组成中，易降解的蛋白质类含量显著高于丰水期，表明枯水期长江DOC可能来自点源污水的排放。丰水期DOC的分子量显著小于枯水期的分子量，说明水温对DOC的降解有重要影响。对长江碳稳定同位素的研究表明，长江POC和DOC碳同位素值较接近，均值在-25.0‰左右，表明流域陆地土壤有机碳是长江有机碳的主要来源。长江DIC同位素的均值为-7.29‰，长江DIC的来源主要是流域岩石和土壤风化。本项目研究了长江输送DOC的通量模型，发现长江上游输入长江干流的DOC通量大于长江向河口的输出量，表明长江在输送DOC的过程中存在显著的截留作用。研究揭示：近三十年来，人类活动（施肥和大气酸沉降）导致的长江水体酸化，显著增加了长江水体二氧化碳分压，也相应地增加了河流二氧化碳的释放量。在长江碳收支方面，长江水系整体上释放二氧化碳的通量为4.25×109 kg/yr，是长江向河口输送DIC通量（2.59×109 kg/yr）的1.64倍，约占全球河流二氧化碳通量的0.2%。本项目的开展为评估我国河流系统二氧化碳释放通量和区域碳收支，提供研究方法和技术支撑，并为模型估算提供理论依据。