河口潮间带湿地碳素在水沙驱动下的多相循环机制

The Yangtze Estuary is chosen as the study object where the in-site soil and water samples will be taken to the laboratory. Carbon flux between soil and atmosphere interface will be analyzed to illustrate effect mechanisms of water level and soil organic carbon on carbon flux in the lab conditions. Then the controlling factor of interface carbon flux will be found to define the critical conditions of carbon sink or source of intertidal wetland soil. Carbon flux model of water-sediment interface will be established to simulate carbon transformation and transportation in soil and waterbody over a tidal period, in which a couple of process are considered, such as, suspension and settlement of particle organic carbon, mineralization of organic carbon in sediment, and carbon transformation between aerobic and anaerobic sediment layers. Afterwards, a multi-dimension and multi-phase carbon cycle model is built combining soil- atmosphere and water-soil interface modules according to moving-boundary technique. And a switch for module selection is based on the water level that is critical for carbon flux. The model will be applied to simulate carbon cycle under various environmental conditions in horizontal and vertical directions of intertidal wetlands. The results about controlling mechanism of carbon cycle will provide basic theories and implementation methods for carbon sink remediation of disturbed intertidal wetlands in estuaries.

选择长江口北支光滩湿地为研究对象，采集原状土样和水样，实验室条件下研究土壤碳通量与水位、土壤有机碳的协同效应及响应模式，分析碳通量变异性控制因子，确定土壤碳汇/源的临界指标及量值。建立潮间带淹水条件下水-土界面碳通量模型，考虑颗粒态有机碳的悬浮和沉降、有机碳在沉积物中的矿化、沉积物好氧层和厌氧层中不同形态碳的转化等过程，模拟潮周期内碳素在土壤和水体间的交换过程。构建河口潮间带湿地多维多相碳循环模型，根据气-土界面碳通量对水位的胁迫效应，应用动边界技术界定各个计算时刻选用的气-土或水-土界面通量模块，模拟不同环境条件下潮间带湿地垂向碳释放以及水平碳输移，研究碳循环控制机制，为河口湿地生态系统碳汇功能保育及修复措施提供理论依据。

潮间带湿地碳循环过程受气候条件及人类活动的影响，发挥着“碳汇”和“碳源”两方面的作用，研究湿地碳循环对解决全球性环境问题有着重要意义。本研究选择江苏沿海裸露潮滩为研究对象，通过野外观测、室内实验、数学模型等研究手段，研究潮间带湿地碳循环过程、主要控制因素及相互作用机制。.采用便携式土壤通量测量系统，分别于冬季、春季在长江口北岸协兴港附近裸露潮滩开展湿地CO2通量监测，结果表明，光滩土-气界面CO2浓度随时间呈下降趋势，表现为CO2的吸收汇，净固定CO2量约0.004~0.035mol/(m2•d)。高潮带和中潮带的CO2净通量大于低潮带，这与土壤有机碳含量、叶绿素a含量、土壤温度以及潮汐引起的地下水位变化密切相关。.采用自主研发的潮间带CO2通量室内模拟实验装置，模拟可控环境条件下土壤CO2通量变化过程，分析其对温度、光照条件以及地下水位等环境要素的响应特征。研究表明，土壤呼吸CO2释放量与土壤温度极其显著相关，温度每增高10℃，CO2释放量增加6~8 mmol/m2•d；地下水位是CO2释放的另一主要影响因素，土壤呼吸作用随地下水位降低而加强。湿地的CO2固定作用主要由土壤表层叶绿素a的光合作用决定，叶绿素a含量越高、光照强度越强，土壤固定CO2通量越大。同时，温度也对土壤表层藻类光合作用存在影响。地下水位与土壤碳固定通量的相关性不显著。.基于野外观测和室内实验研究结果，采用Stella软件构建潮间带湿地土壤-大气界面碳循环动力学模型。模型综合考虑土壤温度、光照、地下水位等环境因子，模拟得到江苏沿海光滩湿地全年的碳固定量约为80gC/m2。将水-土界面碳通量模型与近海三维水质泥沙数学模型耦合，可实现潮间带湿地碳在水、土、气等多个环境介质中的迁移和归宿模拟。.本项目研究成果可为潮间带湿地碳通量估算以及制定受损湿地碳汇功能保育和修复措施提供重要技术支撑。