文献信息
https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2024.131927
Huo, P., Gao, P., 2024. Seasonal changes of dissolved CO2 and its linkage with optical characteristics of DOM in groundwater in agricultural areas. Journal of Hydrology, 643, 131927.
摘要
地下水溶解性CO2在全球碳循环扮演着重要角色。溶解性有机物(DOM)是地下水系统中微生物群落的主要碳源和能量来源，但其光学特性与溶解性CO₂浓度之间的关系尚不明确。本文阐述了农业区地下水中溶解CO₂浓度和DOM光学特性的季节和垂直分布变化，并评估了它们之间的关系。结果表明，地下水溶解性CO₂在夏季最高，冬季最低，呈现浅井高于深井的垂直分布特征，年平均浓度为11300 ± 5788 ppm。质量平衡计算表明，由于地下水抽取引发的过饱和CO₂的脱气导致关中平原每年排放40092吨CO₂。基于平行因子分析和三维荧光光谱(EEM-PARAFAC)识别出五个DOM组分：C1、C2、C3和C4为类腐殖质，C5为与蛋白质结构相关的类色氨酸物质。组分特征和荧光指数分析表明，地下水DOM主要来源于内源，并混合了部分陆源输入。主成分分析(PCA)解释了DOM光学特性和溶解CO₂浓度季节变化的74.7%，揭示了DOM分解促进了地下水中CO₂的超饱和。但在雨季或农业灌溉期，浅层含水层CO₂更可能来源于包气带的淋溶。本研究加深了对农业地下水碳动态的理解。
研究背景
地下水是全球重要的淡水资源，在全球碳循环中发挥着显著作用。尽管CO2在水中的溶解性较弱，但地下水CO2浓度通常超过大气中CO2水平的1至4个数量级。地下水溶解性CO2主要来源于多种人类活动与自然过程，包括包气带CO2的淋溶、生物过程、水岩作用、碳酸盐岩的热变质，以及地质碳捕集与封存过程中的泄漏。溶解有机碳(DOC)的分解与转化在地下环境中频繁发生，成为地下水CO2的潜在来源。溶解有机物(DOM)是DOC的载体，在地下水微生物代谢中发挥着重要作用。最近的几项研究发现，地表水系统中DOM对温室气体(CO2、CH4和N2O)的产生和排放具有重要影响。DOM在水生环境中固有的不稳定性，使其在河流网络输送过程中由于光降解和生物降解而大量损失，这可能导致温室气体释放到大气中。这些发现为理解水生环境中的碳循环和明确温室气体源汇问题提供了新的证据。
然而，尽管先前的研究发现了地下水DOC和CO2浓度呈现显著的正相关，但DOM的光学特性与地下水CO2之间的关系尚不明确。因此，本研究假设地下水DOM对CO₂的生成具有重要作用。为了验证这一假设，本研究以中国关中平原中西部地区为例，测定了地下水溶解CO2浓度和理化参数，并分析了DOM的组成，旨在：(1)了解地下水溶解性CO2和DOM的时空特征；(2)揭示地下水DOM光学特性与CO₂的联系；(3)阐明地下水中CO2的潜在来源和排放。
研究方法
本研究在中国关中平原中西部农业区域进行，该地区年均气温为12.9℃，年降水量约为650.6毫米，季节性变化明显。含水层主要由潜水含水层和深浅承压含水层组成，地下水的主要补给来源包括灌溉、侧向渗漏和降水，排放则主要通过人为使用和向河流补给。在2021年9月至2022年6月期间，每3个月采集1次地下水样品，涵盖四个季节，采样前用潜水泵抽水5分钟以清除管道滞水。现场测量地下水的pH、温度和电导率等理化指标。使用聚乙烯瓶和注射器分别收集样品以测定溶解有机碳(DOC)、溶解无机碳(DIC)和溶解CO2，所有样品在48小时内分析，最终获得86个有效样本。溶解CO2气体通过与高纯氮气的顶空平衡得到。通过荧光分光光度计获取激发-发射矩阵（EEM）荧光数据，并计算DOM的吸收系数。采用三维荧光平行因子分析技术表征DOM的来源与组成，并通过主成分分析探讨溶解CO2浓度与DOM光学参数的关系。此外，本研究通过计算地下水中溶解CO2浓度与当地大气CO2浓度的差值，并将该差值乘以地下水使用量，以此估算可能释放的CO2总量。
图1 关中平原中西部地区地下水采样点分布图
结果与讨论
1. 地下水理化指标的季节性和垂直分布特征
表1. 地下水理化参数的季节和垂直分布
2. 地下水溶解性和井口CO2浓度的季节性与垂直分布特征
图2. 地下水和井口溶解CO2浓度的变化特征。(a)地下水中溶解CO2的季节和垂直分布特征；(b)井口CO2浓度的季节和垂直分布特征。
3. 地下水DOM光学参数的季节性与垂直分布特征
图3. 地下水DOM组分和载荷图
图4. 地下水中DOM荧光强度(a)与各组分相对丰度的季节和垂直变化(b)。
图5. 地下水深井和浅井荧光参数的季节性变化
4. 地下水DOM光学参数与溶解性CO2的联系
图6. 不同季节DOM光学指数和CO2浓度的主成分分析
结论
本研究主要发现地下水溶解CO₂浓度夏季高于冬季，浅井高于深井。地下水DOM来源于陆地和微生物的混合源。主成分分析(PCA)和Pearson相关分析表明，类腐殖质的分解可能是地下水中CO₂过饱和的因素之一。值得注意的是，由于包气带和浅层含水层之间紧密的连通性，浅井中CO₂可能主要来源于深层土壤CO₂的淋溶。深层地下水CO₂可能主要受微生物源DOM的腐殖化分解和水岩相互作用的影响。关中平原地下水抽取导致每年约40092吨的CO₂脱气，未来的碳收支应重视到地下水CO₂的潜在排放。
供稿人及团队：霍盼，西北农林科技大学资源环境学院高鹏程老师课题组2023级博士研究生，主要从事水体温室气体产生与排放的研究。
