河流作为连接陆地、海洋和大气的重要管道，在区域和全球碳循环中扮演着关键角色。全球陆地生态系统净生产的约四分之一的碳（~3.16 PgC/year）会在水文循环的驱动下（比如地表径流的冲刷、土壤优先流和地下水排泄等）泄漏到河流中，然而其中只有约四分之一的泄漏碳（~0.81 PgC/year）最终会随着河流汇入海洋，其余的四分之三则通过河流与大气的交换和河流内部的生物地球化学过程转化掉。由于河流与地下水、河流与大气之间的碳的物理交换和河流内部的碳生物地球化学转化紧密耦合，并呈现出高度的时空动态变化，导致河流碳循环过程的识别和定量研究具有极大的挑战性。
针对这一挑战，太阳官网谢月清教授课题组在陕西榆林选取了一条代表性的河流，构建了河流-地下水监测剖面，并利用气体平衡膜进样质谱仪对河流和地下水中的多种天然溶解性气体进行了高精度监测（见图1）。
图1 河流-地下水监测剖面
高精度的监测结果表明，河流中天然溶解的多种气体均呈现出显著的昼夜变化，且不同气体的变化规律和驱动因子各不相同（见图2）。在此基础上，本团队创新性地提出了利用水体中天然溶解的气体信号解译碳循环的新思路。其中，惰性气体He、Ar和Kr因其生物和化学惰性，只受到物理交换和混合的影响。因此，可以用来确定河流-地下水界面以及河流-大气界面的气体交换速率。在物理交换过程确定的基础上，高精度的反应性气体O2、CO2和CH4数据可以用来联合解译河流内部碳的生物代谢、碳酸盐缓冲和产CH4等过程。
图2 河流中天然溶解性气体浓度的高精度时间序列数据
通过耦合联用高精度的惰性气体和反应性气体浓度数据，本团队识别并定量确定了“地下水–河流–大气”连续体中碳迁移转化的过程，并总结出了如下概念示意图（见图3）。本研究发现：（1）地下水是河流稳定的碳源，地下水的排泄为河流贡献了约60%的CO2和30%的CH4，从而维持了河流向着大气源源不断地排放CO2和CH4；（2）河流内部生物代谢的昼夜变化调控着O2和CO2的动态变化，还导致了碳酸盐缓冲作用的发生。其中，白天以碳酸盐沉降为主，晚上以碳酸盐溶解为主；（3）地下水排泄不仅仅直接输入了CO2和CH4到河流中，还将河床底部累积产生的CH4冲刷到了河流中，维持着河流CH4的超饱和状态。本研究成功地利用高精度天然溶解性气体捕捉并解译了“地下水–河流–大气”连续体中的碳循环过程，论证了水体中天然溶解气追踪碳循环的潜力和前景。本团队展示的高精度的碳迁移转化速率为理解“地下水–河流–大气”连续体中碳循环过程提供了机理性的、定量的认识。
图3 昼夜尺度“地下水–河流–大气”连续体碳循环概念示意图
相关成果于2023年8月以“Quantifying Carbon Cycling across the Groundwater–Stream–Atmosphere Continuum Using High-Resolution Time Series of Multiple Dissolved Gases”为题发表于《Environmental Science & Technology》。论文第一作者为博士生研究生汪钏，通讯作者为谢月清教授，合作者包括瑞士联邦水科学技术研究院Matthias S. Brennwald博士、Rolf Kipfer教授、西澳大学James L. McCallum教授、太阳集团tyc539博士研究生戴鑫和吴吉春教授。此研究得到了国家自然科学基金、关键地球物质循环前沿科学中心、中央高校基本科研基金、太阳集团tyc539登峰人才计划B层次、江苏特聘教授项目和瑞士碳中和及碳封存DemoUpStorage项目的联合资助和支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.3c03378
