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淡水碳硅耦合循环机理及其对湖泊/水库光合固碳的新认识

2017-06-30 326

       硅酸盐矿物化学风化消耗大气CO2,并按一定的化学计量比生成溶解硅(DSi)和HCO3-; 这些溶质在河流和湖泊中通过光合作用合成为有机细胞体。因此,从理论上看碳硅循环可通过岩石化学风化和生命有机物的化学计量学耦合在一起,但实际上淡水体系的碳硅耦合循环并未引起应有的重视。这可能是由于: ① 全球尺度上河流中无机碳和溶解硅溶度变化很大,没有出现诸如Ca2+和HCO3-的显著相关性; ② 传统观点认为N和P是生态系统的限制因子,而不是C和Si。 在此背景下,天津大学表层地球系统科学研究院王宝利课题组通过整合了全球的大河、区域的长江流域、及美国和英国湖泊的溶解碳和硅的数据,来验证淡水体系C和Si地球化学循环的耦合程度,明确碳硅耦合循环的特征化学计量比。

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        结果表明:175条全球大河中DSi和HCO3-的平均浓度分别为165和1296μmol/L;尽管两者的浓度之间并未表现出相关性,但Na标准化的浓度(HCO3-/Na+和DSi/Na+)却显著正相关。Na标准化可以消除土地利用方式、降水、径流等因素的影响,所以其比值可以反映河水溶质的矿物风化来源。此外,DSi/ HCO3-87Sr/86Sr显著正相关,表明 DSi/ HCO3-也可以反映河流中溶质的岩石化学风化来源。在湖泊中这些化学风化的信息被藻类活动改变了。湖泊中 DSi:DIC和藻类Si:C的比值符合正态分布曲线关系,表明湖泊Si:C计量比受浮游植物负反馈调节控制;当体系达到平衡时浮游植物Si:C计量比(0.15)和溶解态的Si:C计量比(0.14)基本一致,符合Redfield比例。这些成果暗示湖泊中浮游植物固定的碳量是一定的,且受生物可利用硅浓度的限制。

        Relations between DSi:DIC and algal Si:C in the English Lake District. The data represent the means of Jan, Apr, Jul and Oct for 20 lakes over 5 years (1991, 1995, 2000, 2005, and 2010). Aver (cross) represents the seasonal means of 20 lakes over 5 years.

该成果得到了国家重点研发计划 (2016YFA0601001, 2013CB956703)、国家自然科学基金 (41473082) 等联合资助。该研究发表在国际学术期刊科学报告《Scientific Reports》上。(Wang, Baoli; Liu, Cong-Qiang; Maberly, Stephen C.; et al., 2016. Coupling of carbon and silicon geochemical cycles in rivers and lakes. Scientific Reports 6: 35832.)

全文链接:http://www.nature.com/articles/srep35832  

(地科院王宝利课题组供稿)