河流水-氣界面碳交換研究進(jìn)展及趨勢

丁　虎，劉叢強(qiáng)，郎赟超，李思亮， 李曉東，汪福順

（1.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽　550002；2.上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，上?！?00444）

河流水-氣界面碳交換研究進(jìn)展及趨勢

丁虎1，劉叢強(qiáng)1，郎赟超1，李思亮1， 李曉東1，汪福順2

（1.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽550002；2.上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，上海200444）

河流水-氣界面碳交換是區(qū)域和全球碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，對陸地碳平衡核算和碳循環(huán)模型優(yōu)化具有重要意義.介紹了全球河流水-氣界面碳交換研究的相關(guān)進(jìn)展，以及現(xiàn)有研究存在的問題，并在此基礎(chǔ)上提出今后相關(guān)的研究應(yīng)關(guān)注不同地質(zhì)-生態(tài)和人類活動干擾背景下河流及中小河流水-氣界面碳交換，要綜合利用雙碳同位素示蹤、化學(xué)計(jì)量學(xué)、生物標(biāo)志物等方法辨識河流系統(tǒng)中CO2，CH4及其他形態(tài)碳的來源和遷移轉(zhuǎn)化過程，同時還要利用野外原位觀測、傳統(tǒng)采樣分析和室內(nèi)培養(yǎng)的方法開展“水-土/沉積物-氣”多界面碳交換的系統(tǒng)綜合研究，揭示控制河流系統(tǒng)水-氣界面碳交換的關(guān)鍵因子，為相關(guān)預(yù)測模型的建立以及流域的科學(xué)管理提供依據(jù).

河流碳循環(huán)；水-氣界面碳交換；陸地碳平衡；人類干擾

河流連接著陸地與海洋，在向海洋輸送碳（0.9 Pg C yr-1）的同時會向大氣釋放大量的碳（1.8 Pg C yr-1）［1］，這一量級與政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）最新估計(jì)的陸地生態(tài)系統(tǒng)凈吸收碳量（2.6 Pg C yr-1）相當(dāng).這種新認(rèn)識更新了陸地碳支出核算［2］，已經(jīng)被納入IPCC最新公布的全球碳循環(huán)模型.因此，河流水-氣界面CO2交換研究對區(qū)域和全球碳循環(huán)都具有重要的意義.

本工作對國內(nèi)外河流水-氣界面碳交換研究的現(xiàn)狀、進(jìn)展、存在問題以及未來發(fā)展趨勢等問題進(jìn)行了深入探討.

1　研究進(jìn)展

河流中CO2分壓(）大于其在大氣中的分壓，這種認(rèn)識已有40多年的歷史，其中早期研究主要關(guān)注湖泊和河口水域，且以往河流碳循環(huán)研究主要集中在河流碳的橫向搬運(yùn)，而對界面交換研究較少.自Richey等［3］報道亞馬遜河干流河段向大氣釋放的CO2達(dá)470 Tg C yr-1，是其入海碳通量的6.5倍左右后，非河口區(qū)河流水-氣界面CO2交換問題逐漸引起人們的廣泛關(guān)注.近十多年以來，河流水-氣界面碳交換的相關(guān)研究在測定技術(shù)、影響因素和全球河流碳交換通量估算等方面均取得了較多進(jìn)展.

1.1河流水-氣界面碳交換通量測定/計(jì)算方法

由于自然水體中的一氧化碳（carbon monoxide，CO）和易揮發(fā)有機(jī)物（volatile organic compound，VOC）含量較低，河流水-氣界面碳的交換特指CO2和CH4氣體的交換.水-氣界面碳交換通量可以通過計(jì)算公式得到，以CO2為例，有

式中，F(xiàn)CO2表示氣體CO2的交換通量，K表示氣體傳輸系數(shù)，ΔpCO2表示河水中CO2的分壓與其在大氣中的分壓差.水-氣界面碳交換的方向由ΔpCO2決定：當(dāng)ΔpCO2＞0時，河水向大氣釋放CO2；反之，河水吸收大氣中的CO2.氣體傳輸系數(shù)K由特定溫度下的氣體傳輸速率（k）和氣體在水中的溶解度（s）決定，有

式中，s由Weiss公式得到，k值則通過液面氣體擴(kuò)散模型得到.由于在具體研究中采用的擴(kuò)散模型可能有所不同，k值在以往大多數(shù)研究中都利用風(fēng)速的函數(shù)獲得［4］，而在最新的研究中，則通過流速、比降、水深和水寬等估算［5-6］.在實(shí)際研究中，k值的估算存在較大爭議，這也是水-氣界面碳交換通量估算存在爭議的主要因素之一［4］.另外，k值也可通過添加易揮發(fā)氣體示蹤［7］或利用通量箱法［8］、渦度相關(guān)法［9］測定獲得.野外條件等因素限制了人工添加示蹤劑的測量方法，而通量箱法和渦度相關(guān)法則較多被用于河口、湖泊等流速緩慢的水體.目前，k值不同測定方法之間的對比研究比較缺乏［5］.為了避免k值對水-氣界面碳交換通量計(jì)算結(jié)果的影響，科學(xué)家根據(jù)化學(xué)平衡、同位素分餾和質(zhì)量平衡理論提出了利用堿度、pCO2和無機(jī)碳同位素組成（13C-DIC）估算水-氣界面FCO2的模型［10］，但該模型局限于偏酸性水體，迄今尚未得到廣泛應(yīng)用.

近年來光譜技術(shù)在河水pCO2的研究中得到了廣泛應(yīng)用.目前使用較多的光譜檢測裝置可以分為外部檢測裝置和原位測試裝置：前者或利用平衡器配合CO2檢測器測定［11］，或利用防水透氣膜將CO2抽到檢測器測定［12］；而后者則直接將改進(jìn)的CO2傳感探頭插入水中測定［13］.相比較而言，外部檢測裝置多用于湖泊/水庫和河口/河灣區(qū)走航測量，強(qiáng)調(diào)CO2的空間變化.目前，外部檢測裝置在國內(nèi)已廣泛使用［14］.原位測試裝置由于操作簡單，可以實(shí)現(xiàn)快速、高時間分辨率原位測定水中pCO2，側(cè)重于CO2的剖面和時間變化，在最近幾年的研究中逐漸得到應(yīng)用［15］.紅外檢測儀結(jié)合通量箱在野外直接測定河流水-氣界面碳交換通量，該方法在近年也得到了廣泛應(yīng)用［16］.然而，通量箱法也存在一些缺陷，在相關(guān)研究中需要引起重視［17］.

1.2影響河流水-氣界面碳交換的因素

由式（1）和（2）可知，水-氣界面碳交換的方向和強(qiáng)度主要受氣體分壓（pCO2）和氣體傳輸速率（k）的影響，二者具有極大的時空變化特征，這使全球范圍內(nèi)河流水-氣界面的碳交換方向及強(qiáng)度也具有顯著的區(qū)域性差異.

1.2.1pCO2的影響因素

水體中的pCO2主要由溫度、CO2濃度和堿度決定，其中溫度受太陽能量輸入、水氣界面熱交換、水氣混合層厚度等物理過程控制，而CO2濃度和堿度則主要由光合作用、呼吸作用和鈣化作用等生物過程控制.光合作用會吸收CO2，從而使水中的pCO2降低，而呼吸作用和生物鈣化作用以及碳酸鹽礦物沉淀的形成則產(chǎn)生CO2，使pCO2升高.另外，富含CO2和養(yǎng)分的底層水體上涌到表層，也會造成CO2濃度和堿度的變化.因此，與這些物理和生物過程相關(guān)的環(huán)境因子，包括氣溫、降雨量、植被類型、酸堿度（pH）、水化學(xué)組成和營養(yǎng)物質(zhì)含量、基巖/土壤類型、水中浮游植物和微生物的含量、水力條件以及人類活動等的差異都可能導(dǎo)致pCO2的變化.

上述環(huán)境因子的時空差異使pCO2存在明顯的時間和空間變化特征.如晝間受光合作用和呼吸作用的影響，而夜間只受呼吸作用影響，因此白天的pCO2較低［12］；暖季由于溫度較高、生物活動強(qiáng)烈，通常水量也較大，而冷季則相反，因此河流中pCO2一般在暖季較低［18］.也有研究指出，北方溪流水體中夏季pCO2遠(yuǎn)高于春、秋季節(jié)［19］，而美國克拉克河中的pCO2則在冬季最低，秋季最高［12］.另外，降雨量也會對pCO2產(chǎn)生影響［6，15］，流量對河流pCO2的季節(jié)變化也起關(guān)鍵作用［3，12］.氣候變化和人類活動使溫度、水量、覆被和水中的化學(xué)物發(fā)生改變，這些都是可能造成pCO2具有時間變化特征的原因.據(jù)估算，隨著長江流域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，從20世紀(jì)60年代起，長江水體中的pCO2持續(xù)降低［20］.

另外，不同地區(qū)、河段和氣候帶河流的氣溫、降水量、土壤和覆被類型、坡度和流速、人類活動強(qiáng)弱等均可導(dǎo)致pCO2不同.例如：上游河道的植被覆蓋較好，土壤氣體pCO2較高，地下水更容易進(jìn)入河水，從而使河源區(qū)河段具有較高的pCO2［21］；中下游區(qū)域往往處于平原地區(qū)，更容易受到人類活動的影響，如河岸改造、大壩建設(shè)、污染物排放等，使得中下游河段情況變得較為復(fù)雜；對于河口河段而言，則有可能受到海水影響，pCO2與鹽度密切相關(guān)［22］.也有研究指出，隨著河流級別的升高和流域面積的增加，河流表層水體中的pCO2通常逐漸降低［6，23-24］，支流河道的pCO2通常高于干流河道［3，23，25］.從區(qū)域分布看，森林和沼澤地區(qū)由于土壤和地下水富含CO2，從而具有較高的pCO2［3］；碳酸鹽巖地區(qū)由于較強(qiáng)的緩沖能力，河水的pH偏中性到堿性，其pCO2較偏酸性水體低［26］；熱帶地區(qū)的河流較溫帶和寒帶地區(qū)具有較高的pCO2值［1，6］.

1.2.2k值的影響因素

對于溶解度較低的氣體（如CO2，CH4，N2O）而言，水-氣界面氣體傳輸速率主要受水面湍流的控制，具體則由風(fēng)速、水流速度和水深決定.然而，目前絕大部分的河流水-氣界面氣體交換研究中都利用風(fēng)速估算k值，與真實(shí)情況往往存在較大差距［4］.k值對通量結(jié)果的影響甚至大于分壓，需要予以重視［5］.研究指出，k值與水流速度和風(fēng)速存在明顯的正相關(guān)關(guān)系：當(dāng)風(fēng)速較?。ǎ?.5m/s）時，流速對k值的影響更明顯；而在風(fēng)速較大（＞2m/s）時，則影響較?。?7］.另外，小河流與大河流相比具有更高的k值，更容易受到水流的影響.隨著河流級別的升高，k值有逐漸降低的趨勢［1，5］.可見，影響風(fēng)速、水流速度和水深的環(huán)境因子，如氣候、水量、流域面積、河床坡度、河流寬度等均可以引起k值的變化.上述指標(biāo)的時空差異使k值也具有較強(qiáng)的變化特征，需要開展更多的研究.

1.3全球河流水-氣界面碳交換通量估算

傳統(tǒng)的碳循環(huán)模型將碳庫分為陸地、海洋和大氣，河流僅作為連接陸地和海洋的碳的通道，因此在陸地碳平衡核算時將河流入海的碳通量（0.9 Pg C yr-1）作為陸地在水的作用下流失的碳總量.然而，最近十多年的研究發(fā)現(xiàn)，由于忽略河流向大氣碳的釋放，陸地碳匯能力評估存在問題.河流體系向大氣釋放的碳可占到周圍生態(tài)系統(tǒng)凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（net ecosystem productivity，NEP）的1%～50%，如果考慮河流體系中的溶解態(tài)碳以及其向大氣釋放的碳，溫帶泥沼地的碳匯能力可能被減弱甚至變?yōu)樘荚矗?8］.然而，目前對全球河流水-氣界面碳交換的估算還存在差異，例如：Cole等［29］根據(jù)全球范圍內(nèi)80條大河的數(shù)據(jù)得到的全球河流釋放的CO2通量約為0.23 Pg C yr-1；Aufdenkampe等［23］在不同氣候帶河流評估的基礎(chǔ)上得到全球河流向大氣排放的CO2為0.56 Pg C yr-1；而Butman等［6］則認(rèn)為，僅北半球溫帶（25?N～50?N）河流向大氣釋放的CO2通量就可達(dá)0.54 Pg C yr-1，全球河流的釋放量顯然更高；而據(jù)Raymond等［1］的結(jié)果，全球河流向大氣釋放的CO2可以達(dá)到1.80 Pg C yr-1，是河流入海碳通量（0.90 Pg C yr-1）的2倍.此外，Abril等［30］指出，由于河水流量的周期性變化，僅亞馬遜河中部河岸帶濕地及沖積平原釋放的CO2就可以達(dá)到0.21 Pg C yr-1，因此全球河流水-氣界面碳釋放評估中不可忽略這部分碳.綜上可以看出，隨著研究的深入，全球河流水-氣界面碳交換數(shù)據(jù)不斷變化，更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)有待于在全球范圍內(nèi)開展系統(tǒng)深入的研究后得到.

2　存在的問題

2.1研究區(qū)域代表性不足

目前已發(fā)表的相關(guān)研究成果涉及的地區(qū)（流域）包括美洲的亞馬遜河及其支流、密西西比河、育空河和魁北克北部河流和溪流、歐洲的英國泥炭地溪流、瑞典不同級別的河流和亞洲的部分河流.盡管全球河流水-氣界面碳釋放通量的估計(jì)不同，但河流總體上是以向大氣釋放CO2為主，這些碳釋放是區(qū)域和全球碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)［23，30-31］.特別是最新的研究表明，全球河流向大氣釋放的CO2達(dá)1.8 Pg C yr-1，是全球河流入海的碳通量的2倍［1］.河流釋放CO2存在巨大的區(qū)域性差異，特別是亞洲和非洲河流可能是碳釋放的“熱點(diǎn)”區(qū)域［2］，全球河流碳釋放的科學(xué)評估亟需在這2個地區(qū)開展更多研究.

2.2已有研究大多基于水化學(xué)估算，實(shí)測研究不多

目前，河流水-氣界面碳交換通量研究使用最廣的方法是水-氣界面氣體分壓差法，即通過CO2分壓差和氣體傳輸速率估算.已有的研究中pCO2大多基于水化學(xué)數(shù)據(jù)估算，而氣體傳輸速率的值則大多基于風(fēng)速、水速和坡度等估算，而直接測定pCO2和k值的研究較少，這就使估算結(jié)果存在較大的不確定性.最近有研究指出，基于水化學(xué)計(jì)算得到的pCO2與現(xiàn)場實(shí)測的結(jié)果相差較大，特別是富含有機(jī)質(zhì)以及低酸度水體，理論與實(shí)測值的差異更為顯著［32］，因此需要通過更多的實(shí)測數(shù)據(jù)來修正目前的通量估算結(jié)果［33］.另外，氣體傳輸速率的值受風(fēng)速、河床坡度、水流流速等多種因素的影響，具有顯著的時空變化特征［25］，而在大多數(shù)河流水-氣界面碳交換通量研究中并沒有考慮這些變化，這顯然不能達(dá)到科學(xué)評估碳通量的要求.

2.3河源區(qū)和間歇性河流未得到重視

現(xiàn)有研究大多集中于大江大河，而對河源區(qū)河流關(guān)注不夠.河源區(qū)水體往往因具有更高的CO2分壓和更大流速（比降大）而具有更大的CO2釋放通量［5-6］.另外，目前缺乏對全流域沿流向的系統(tǒng)采樣和觀測數(shù)據(jù)，且大多以河流某幾個點(diǎn)來代表河流的整體情況，因此所得到的結(jié)果往往不能代表整條河流的水平.有研究表明，小流域上游水體中pCO2遠(yuǎn)高于下游水體，并且在溪水流經(jīng)200 m距離內(nèi)釋放了90%以上的CO2［7］，顯然僅通過下游水體的觀測無法捕捉到這些過程.

間歇性河流系統(tǒng)由于周期性干濕交替而具有多變的生物群落和生物地球化學(xué)循環(huán)，該過程是河流生物多樣性和物質(zhì)來源的重要供給者［34］.據(jù)Datry等估計(jì)，全球范圍內(nèi)間歇性河流釋放的CO2達(dá)0.28 Pg C yr-1，與湖泊的CO2釋放量相當(dāng)［1］.全球間歇性河流的長度達(dá)全球河流網(wǎng)絡(luò)的50%以上，且由于氣候變化因素在數(shù)量和長度上具有增加趨勢［35］，因此將間歇性河流納入?yún)^(qū)域和全球河流碳循環(huán)研究具有重要意義.另外，全球3/4的河漫灘由間歇性濕地構(gòu)成，這些濕地生物地球化學(xué)循環(huán)活躍，是河流中各形態(tài)碳的主要供給區(qū)之一，同樣對河流碳排放具有重要意義［30］，因此也需要在今后的區(qū)域和全球河流碳釋放評估中引起重視.

2.4缺乏高分辨率研究

水文過程是控制河水中碳循環(huán)及通量的關(guān)鍵過程［36］.降雨期成為河流物質(zhì)循環(huán)的重要時段，如我國西南喀斯特地區(qū)小流域在降雨時的碳（及其他養(yǎng)分）的輸出通量明顯增多［37］；美國森林小流域暴雨期間的溶解性有機(jī)碳（dissolved organic carbon，DOC）輸出量占全年輸出量的86%以上［38］；洪水期間密西西比河流域陸地流失的DOC明顯增加，且由于微生物作用，下游墨西哥海灣北部水域由CO2的匯變?yōu)镃O2的源［39］.降雨時河流中的CO2濃度變化也較大，如在洪水（暴雨）期，河流釋放的CO2可達(dá)全年釋放總量的71%［15］，由于以往的研究多以現(xiàn)場單次采樣為主，因此無法滿足高頻次觀測的需要［13］.迄今為止，區(qū)域和全球河流釋放碳評估中還無法考慮關(guān)鍵水文過程對河流CO2釋放通量估算的影響［40］.

2.5CO2的來源需要進(jìn)一步明確

河流碳來源及去向的判斷以及其通量的科學(xué)評估是全球及區(qū)域碳循環(huán)研究的重要環(huán)節(jié)，辨識水中CO2的來源不僅關(guān)系到河流在碳循環(huán)中的“源匯”角色，也是理解水-氣界面CO2交換過程機(jī)制的前提［3］.研究表明，土壤C、河道中有機(jī)質(zhì)（organic matter，OM）降解［42］以及碳酸鹽礦物的溶解［43］是河水中CO2的主要來源.然而，由于缺乏系統(tǒng)辨識研究，CO2的具體來源及周轉(zhuǎn)尚存爭議.如就OM的來源問題，美國東北部的Hudson河的CO2主要源于陸源OM的降解［44］，亞馬遜河主要源于新碳降解［42］，城市河流則可能主要源于污水中OM的降解［45］.室內(nèi)培養(yǎng)研究表明，育空河中年輕的OM優(yōu)先發(fā)生降解［46］，而加拿大南部河流中較老的OM被選擇性地降解［47］.同一條河流向大氣釋放的CO2來源存在空間差異，如密西西比河上游主要來源于土壤呼吸和農(nóng)業(yè)施用的石灰溶解，而下游則主要源于內(nèi)源OM的呼吸作用［48］.

2.6對人類活動的響應(yīng)研究不足

河流中的碳通量和來源受農(nóng)業(yè)活動、森林砍伐、城市建設(shè)和發(fā)展、大壩建設(shè)等人類活動的影響.例如，農(nóng)業(yè)活動導(dǎo)致密西西比河堿度增加［49］，農(nóng)業(yè)為主流域的無機(jī)碳通量是背景區(qū)河流的3～4倍［50］，農(nóng)田開發(fā)和森林砍伐在增加陸地碳流失的同時，還導(dǎo)致大量較老的土壤OM進(jìn)入水體［51］.城市發(fā)展嚴(yán)重干擾了河流中碳的循環(huán)，其程度甚至大于農(nóng)業(yè)，如農(nóng)業(yè)流域轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘泻蟮?5年，河流堿度增加了17%［52］.城市化率越高的地方無機(jī)碳通量也越高［50］，如英國石灰?guī)r城市流域溶解無機(jī)碳（dissolved inorganic carbon，DIC）含量是自然流域的266%［53］.另外，大壩建設(shè)改變了河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，引發(fā)了河流一系列的物理、化學(xué)和生物變化，從而導(dǎo)致河流水-氣界面CO2交換的過程和通量發(fā)生改變［14］.據(jù)估算，工業(yè)革命以來，人類活動導(dǎo)致陸地碳流失加劇，其中河流垂向（水-氣界面）CO2的增加量是其橫向流失的4倍［54］，這表明河流向大氣釋放CO2的過程對人類活動的響應(yīng)更為敏感.由于缺乏相關(guān)的研究，尚不足以評估和預(yù)測人類活動影響下河流CO2的釋放通量和過程.

2.7河流甲烷排放研究較少

CH4的溫室效應(yīng)是CO2的25倍，因此大氣中CH4的微小波動可能會引起氣候的波動.據(jù)估計(jì)，全球內(nèi)陸水釋放的CH4可達(dá)1.5 Tg C yr-1［55］，是全球碳循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié).然而，上述估計(jì)主要基于湖泊和水庫，河流數(shù)據(jù)較少.通常認(rèn)為，溪流和河流覆蓋范圍有限，不利于CH4的產(chǎn)生.然而，最近的研究表明，溪流中釋放的CH4同樣是陸地碳流失的一個重要途徑［8］，僅亞馬遜河釋放的CH4即可達(dá)0.58 Tg C yr-1［56］.然而，針對河水CH4釋放的研究較少，且目前已發(fā)表的數(shù)據(jù)不足以評估CH4釋放在區(qū)域乃至流域尺度碳循環(huán)中的作用.

3　研究展望

我國對河流體系碳循環(huán)的研究主要關(guān)注河流輸送碳通量、流域風(fēng)化與碳循環(huán)、河流有機(jī)碳的來源、水庫（湖泊）碳循環(huán)以及河口地區(qū)碳循環(huán)等.河流水-氣界面碳交換的研究較多，但主要基于水化學(xué)估算，且大多限于河口水域的直接測定.因此，今后的研究應(yīng)主要關(guān)注以下4個方面.

3.1各種地質(zhì)-生態(tài)背景下的各級別河流研究

受地質(zhì)-氣候等因素的影響，河流碳釋放的時空差異非常明顯，全球河流碳釋放估算依然存在諸多不確定性.中國是世界上江河湖泊眾多的國家之一，天然河道總長40多萬公里，是全球河流碳循環(huán)的重要組成部分.截至目前，我國的河流碳釋放研究主要集中于黃河、長江、珠江等大河，而對中小型河流的報道較少.然而這一類型河流，特別是河源區(qū)河流和間歇性河流很可能因具有更大的碳釋放潛力，成為目前全球河流碳循環(huán)研究中的薄弱環(huán)節(jié).另外，還應(yīng)加強(qiáng)對特定巖性背景下河流水-氣界面碳交換研究.例如，碳酸鹽巖喀斯特地區(qū)河流游離CO2含量較低，但這些河水無機(jī)碳含量較高，極易受外界的干擾而向大氣釋放C，加之地下河的pCO2遠(yuǎn)高于地表水，活躍的地表和地下水交換使喀斯特水體具有較大的CO2釋放潛力［43，58］，甚至可能是全球超過半數(shù)的湖泊向大氣釋放CO2的主要因素之一.全球碳酸鹽巖喀斯特廣泛分布，約占地表總面積的13%［60］，開展這些特殊巖性條件下的河流碳釋放研究對精確核算陸地碳收支以及深入理解區(qū)域和全球碳循環(huán)都具有重要意義.

3.2綜合使用多種技術(shù)手段研究河流水-氣界面碳交換

近年來各種新設(shè)備、新技術(shù)和新方法極大地促進(jìn)了河流碳循環(huán)研究，使河流碳釋放通量的精確評估以及其過程機(jī)制的深入理解成為可能.今后的河流碳釋放研究應(yīng)該更加注重野外在線儀器的使用，獲得CO2和CH4連續(xù)的氣體濃度或通量數(shù)據(jù)、捕捉關(guān)鍵時段的氣體釋放過程，為更精確的氣體釋放通量估算提供基礎(chǔ).同時，要結(jié)合在線水質(zhì)參數(shù)儀開展長時間野外觀測，以便于通過高分辨率的CO2和CH4的濃度、酸堿度、溶解氧（dissolved oxygen，DO）、溫度、電解質(zhì)（electricity conductivity，EC）、葉綠素含量等數(shù)據(jù)辨識控制水-氣界面碳交換的過程機(jī)制，并嘗試?yán)眠@些數(shù)據(jù)建立模型或方程，為制定減少河流碳釋放、科學(xué)流域管理策略提供科學(xué)依據(jù).另外，要綜合利用化學(xué)計(jì)量學(xué)（如C/N比值）、生物標(biāo)志化合物、有機(jī)質(zhì)熒光光譜特征和雙碳（13C和14C）同位素等技術(shù)手段，配合室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，對河水中各形態(tài)碳如POC（particulate organic carbon），DOC，DIC等，進(jìn)行系統(tǒng)的研究，明確河水中CO2的來源、轉(zhuǎn)化及歸趨，加深對河流碳循環(huán)的理解.除此之外，還應(yīng)該重視GIS（geographic information system）手段在流域邊界和面積、地形高程、土地利用/覆被類型等方面的作用，為通量估算和模型建立提供基礎(chǔ).

3.3人類活動對河流水-氣界面碳交換的影響

全球范圍內(nèi)幾乎所有河流都不同程度地受人類活動的影響，特別是在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，因此開展人類活動對河流碳釋放的影響研究十分有必要.如農(nóng)業(yè)種植改變了自然覆被和土壤結(jié)構(gòu)，施肥可能改變河水的酸堿度及營養(yǎng)狀態(tài)等，這些均可能導(dǎo)致河流中CO2的來源和循環(huán)過程發(fā)生改變.城市發(fā)展一方面改變了土地利用類型（城市建設(shè)、綠化等），另一方面產(chǎn)生了大量生活廢水，這些廢水處理與否，以及具體的處理方式都會對河水中的氣態(tài)碳，特別是CH4的生物地球化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生重要影響.工業(yè)和生活燃煤等產(chǎn)生的致酸離子隨大氣沉降進(jìn)入水體后也可導(dǎo)致河水中的酸堿度發(fā)生變化而影響到水面CO2釋放.大壩建設(shè)打斷河流連續(xù)體，改變河流原有的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，導(dǎo)致水體養(yǎng)分循環(huán)和水環(huán)境發(fā)生改變.在電力短缺和傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型的背景下，我國進(jìn)一步發(fā)展水電已經(jīng)勢在必行.梯級水電開發(fā)的“蓄水河流”正逐漸成為我國河流生態(tài)景觀格局的重要形式，河水中碳的釋放也會發(fā)生相應(yīng)的變化.以上農(nóng)業(yè)和工業(yè)活動、城市化和大壩建設(shè)等人類活動都會對河流中的CO2和CH4的循環(huán)產(chǎn)生影響，其具體的過程和程度的進(jìn)一步研究和量化將為預(yù)測人類影響下河流碳循環(huán)趨勢，減少河流人為成因碳釋放等提供依據(jù).

3.4“水-土/沉積物-氣”多界面碳交換系統(tǒng)綜合研究

科學(xué)家在最近幾年提出了“無邊界碳循環(huán)（boundless carbon cycle）”［31］的概念，強(qiáng)調(diào)“陸-海水生連續(xù)體”（land-ocean aquatic continuum）在碳循環(huán)中的作用［54］，認(rèn)為陸地-河流系統(tǒng)碳循環(huán)是多界面綜合關(guān)聯(lián)的過程.因此，河流碳釋放不能僅關(guān)注水-氣界面的碳交換，還應(yīng)該重視其所在流域的土-水、土-氣界面以及河床沉積物-水界面碳交換過程，這是水向大氣釋放碳的來源辨識和過程機(jī)制理解的前提.今后的相關(guān)研究應(yīng)該選定多種地質(zhì)-氣候背景下的流域，開展“水-土/沉積物-氣”多界面的同步觀測和系統(tǒng)研究，揭示控制陸地碳淋失的過程機(jī)制，明確河流系統(tǒng)沉積物-水界面的沉淀和溶解、氧化還原過程對河流中CO2，CH4及其他形態(tài)碳的影響，為合理評價河流的碳“源匯效應(yīng)”提供依據(jù).

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Recent advances in the research of gaseous carbon exchange between river water and air interface

DING Hu1，LIU Cong-qiang1，LANG Yun-chao1， LI Si-liang1，LI Xiao-dong1，WANG Fu-shun2
（1.State Key Laboratory of Environmental Geochemistry，Institute of Geochemistry，Chinese Academy of Sciences，Guiyang 550002，China；
2.School of Environmental and Chemical Engineering，Shanghai University，Shanghai 200444，China）

Gaseous carbon exchange between river water and air interface is an important link of regional and global carbon cycle.It is essential to the precious estimation of terrestrial carbon budget and optimization of carbon cycle model.In this paper，the importance and recent progress in the study of riverine CO2/CH4exchange between water-air interface are introduced，and insufficiency in the related study is pointed out.In the future，more researches need to be carried out on CO2/CH4exchange between water-air interface of rivers under various geo-eco system and human impacts.Methods of paired carbon isotopes，stoichiometry，biomarker，etc.，should be used to trace the sources of gaseous carbon（and other carbon forms）and their relative contributions，and to discover related carbon turn over processes.It is suggested that researches combining filed in-situ observing，traditional sample analysis，and laboratory experiments be conducted in the study of carbon exchangebetween multi-interfaces of soil-water，soil-air，sediment-water and water-air.Key factors that affect carbon exchange between water-air interface should be revealed.The study will provide abasis for related model development and watershed management.

riverine carbon cycle；carbon exchange between water-air interface；terrestrial carbon budget；human disturbance

X 142

A

1007-2861（2015）03-0275-11

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.008

2015-05-07

國家重大科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013CB956700）；國家自然基金資助項(xiàng)目（41203090，41372376）；貴州省科學(xué)基金資助項(xiàng)目（[2011]2350，[2013]2298）

丁虎（1982—），男，副研究員，博士，研究方向?yàn)榈乇砦镔|(zhì)循環(huán).E-mail：hu.ding@hotmail.com