河壩干涸沉積物CO2通量的時間模式和驅(qū)動因素
眾所周知，大陸碳向海洋的運輸主要受河流調(diào)節(jié)。河流中的碳可通過沉積和光合作用暫時儲存，也可通過生物呼吸釋放。河流的一個顯著特征是它們的水位經(jīng)常變化。低水位時，先前淹沒的河流沉積物將暴露于大氣中并干涸。研究表明，這些暴露的沉積物是大氣中CO2的主要來源之一。
鑒于河壩干沉積物CO2排放來源的不確定性以及時間和空間上的差異，德國馬格德堡大學景觀生態(tài)研究所的Matthias Koschorreck利用美國PP Systems公司的CFLUX-1全自動土壤碳通量測定系統(tǒng)和EGM-5土壤碳通量測定系統(tǒng)分別測量了沉積物CO2排放的時間變異和空間變異，并結合其他多種方法，確定了德國一條大河流河壩干沉積物的CO2排放的主要來源，了解其時間模式和驅(qū)動因素。該研究結果“Temporal patterns and drivers of CO2 emission from dry sediments in a groyne field of a large river”發(fā)表在Biogeosciences期刊（IF=5.092）上。
圖1 試驗地點
該河流表現(xiàn)出典型的夏季流量情況。水位大多在1m以下，因六月底出現(xiàn)了一次高流量，僅在初夏的6周、8月第一周和9月的短時間內(nèi)出現(xiàn)了大量的干涸沉積物，在這些時期使用CFLUX-1全自動土壤碳通量測定系統(tǒng)進行CO2通量長期自動測量。CFLUX-1的位置會隨水位的變化而變化，其中5月17日，由于水位變化，CFLUX-1被移至更高處（離水位零點103cm），5月20日后水位下降，CFLUX-1被移至新出現(xiàn)的沉積物處。研究發(fā)現(xiàn)，CO2通量顯示較高的波動。整個測量階段，通量在-120~1135mmol/m2/d之間波動，平均值為149±155mmol/m2/d。在更靠近水面處測量的CO2通量比高坡度處測量的更低，變化也更小。6月份之后尤其9月份的日波動增大。
圖2 CO2通量和水位的長期變化
觀察到的CO2通量較高的日波動表明其受溫度調(diào)節(jié)。如果將所有CO2通量數(shù)據(jù)和溫度一起作圖，CO2通量的溫度響應不是很清晰（圖3a），但如果繪制一天的數(shù)據(jù)，則出現(xiàn)了一個明確的響應模式（圖3b）：CO2通量的溫度響應受時間的影響，產(chǎn)生典型的滯后曲線——白天氣溫上升導致CO2通量的指數(shù)級增加，下午氣溫冷卻，通量仍較高，其溫度響應明顯延遲了。
圖3 CO2通量的溫度響應
以9月份的某一周數(shù)據(jù)為例，可觀察到溫度、非飽和帶厚度和降水是如何調(diào)節(jié)CO2通量的（圖4）。溫度驅(qū)動著CO2通量非常明顯的日波動，但通量的絕對水平隨著非飽和帶厚度的增加而增大。9月25日的降水事件導致沉積物濕度突然增加，但CO2通量明顯下降。
圖4 CO2通量、沉積物溫度、沉積物含水量、降水和非飽和帶厚度的一周變化
使用EGM-5便攜式土壤碳通量測定系統(tǒng)對離水面不同距離處的沉積物CO2通量進行測量發(fā)現(xiàn)，在沉積物濕度最高的水面附近，CO2通量最低，隨著與水面的距離增加，CO2通量增加（圖5）。這與長期監(jiān)測結果是一致的，這也與觀測到的CO2通量與非飽和帶厚度之間的正相關關系相一致。這些都表明，沉積物的呼吸作用是其CO2通量的主要驅(qū)動因素。
圖5 CO2通量與沉積物含水量的空間變化
為了評估地下水脫氣，作者進行了222Rn測量。結果表明，沉積物CO2通量不是來源于地下水。為了檢驗觀察到的CO2通量是否可用沉積物中的微生物呼吸來解釋，進行了實驗室培養(yǎng)。結果發(fā)現(xiàn)，實驗室孵育測定的沉積物呼吸速率在8月份為0.9±0.45μmol/g/d，9月份為0.64μmol/g/d，且呼吸速率隨與河流的距離增加而增大。根據(jù)這些速率計算出的潛在CO2通量與原位測量的CO2通量相似或更高（圖6）。實驗室培養(yǎng)也進行了溫度驗證，結果也與原位測量的溫度響應相似（圖7）。因此，沉積物呼吸足以解釋觀測到的CO2排放。
圖6 室內(nèi)培養(yǎng)與原位測量的沉積物CO2通量的比較
圖7 室內(nèi)培養(yǎng)沉積物CO2通量對溫度的響應
綜上所述，作者得出以下結論：河壩干涸沉積物的CO2通量主要是由沉積物中的微生物呼吸驅(qū)動的，其還受溫度和非飽和帶厚度的調(diào)節(jié)。而且，溫度對沉積物CO2通量的影響具有滯后現(xiàn)象，因此在衡量沉積物CO2通量的年度變化時，需要考慮沉積物CO2通量的時間動態(tài)問題。
