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威尼人登录网址:威尼人登录网址陈仲晗课题组研究成果:人类活动对感潮河流二氧化碳排放影响的数值模拟研究

发布时间: 2023-11-28  来源:海洋生态环境研究中心
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  近日,威尼人登录网址(威尼人登录网址生态环境应急研究所)陈仲晗课题组在环境领域知名期刊《Journal of Environmental Management》(中科院一区Top期刊,影响因子:8.7)发表论文“Development of a Two-Dimensional Model to Assess Carbon Dynamics and Anthropogenic Effects on CO2 Emissions in the Tan River, Southern China”。威尼人登录网址陈仲晗高级工程师为第一作者,赵庄明副研究员为共同通讯作者。论文DOI:https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.119490。 

  一、成果简介 

  感潮河流是陆海碳输送的主要通道,在全球碳循环中发挥着重要作用。随着气候变化和人类活动的加剧,河流CO2交换通量、分布格局等将会改变。以土地利用格局梯度明显、城市化进程较快的潭江流域为研究对象,建立耦合碳循环模块的二维水动力生态模型,并结合现场监测、统计分析、情景模拟等手段,研究河流碳分布格局、碳循环机理及人类活动对流域CO2排放的影响。结果表明,区域CO2排放通量为226.1±84.9 mmol m-2 d-1且具有显著的时空分布差异,夏秋季城市河网区是主要的CO2源,郊区支流是主要的TOC源;城市河网区以有机碳消耗过程为主,其有机碳滞留效率为66.87%;未来气温升高及污染减排可有效缓解流域温室效应,但增加上游流量策略在提升下游DO的同时会提升CO2排放量。本研究优化构建的模型框架可为水环境碳排放提供定量估算手段,为统筹考虑河流温室效应的水质改善决策提供技术支撑。 

  本研究得到国家自然科学基金(42006138)、广西重点研发计划(桂科AB22035065)、中央级公益性科研院所基本科研业务专项(PM-zx703-202004-140)的资助。 

  二、引言 

  河流碳排放是研究热点。据估算,全球河流每年向大气排放的CO2相当于全球陆地生态系统年净吸收碳量的约70%;其中,约1/3的CO2在污染汇集、水文复杂的感潮河流河口区被释放。因此,感潮河流是陆-海-气CO2交换的活跃区,在区域及全球碳循环中具有极为重要的意义。但其影响因素多元、生化过程复杂、变化时间尺度。龌谑挡馐莼蚣蚧P湍岩宰既饭浪闾寂欧殴毕、明确碳动态平衡过程及机理。本研究基于数值模拟,结合现场实测、统计分析,研究潭江流域CO2交换的通量、规律及影响因素,揭示沿海城市河网中碳的循环过程机理,预测气候变化和人类活动对流域碳排放的影响。 

   

  图1   采样点位置分布及研究区域土地利用类型分区示意图 

  三、图文导读 

 。ㄒ唬┧-气CO2交换及碳循环过程的数值模型构建 

  建立潭江流域的二维水动力生态模型。生态模拟过程主要考虑浮游植物生长繁殖、营养盐循环和无机碳平衡等过程;模型模拟了碳氮磷等元素在水柱内、水气界面、底泥与上覆水之间的交换过程。采用实测数据对模拟的流量、温盐、DO、营养盐及碳相关指标开展参数率定和结果验证,结果表明该模型可较好的描述潭江流域水动力过程、碳浓度分布特征及物质循环过程。 

   

  图2   生态模型反应过程示意图 

   

  图3   水动力生态模型验证的Target-Taylor示意图 

 。ǘ)潭江流域碳的时空分布格局及影响因素分析 

  流域CO2通量、TOC及TIC均具有显著时空差异,CO2通量与TIC分布格局相似,而与TOC分布格局相反。季节上,夏秋季潭江CO2排放通量相对较大;空间上,城市河网区较郊区干支流的CO2排放通量相对较大,郊区支流的TOC相对较高;相关性分析结果也可一定程度解释其分布规律。由此推断,夏秋季感潮城市河网区是主要的CO2源,由于其丰富的有机质、潮水顶托带来的充分矿化分解以及复杂的水体扰动交换等。 

  图4   不同季节、不同分区CO2通量及TOC、TIC浓度的箱线图 

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  利用水动力生态模型定量评估碳负荷及碳循环过程速率,并测算关键断面的碳生产速率和滞留效率。潭江干流、镇海水及新昌水汇入城区的全年碳负荷分别为10.59 Gg C yr-1、5.67 Gg C yr-1和1.11 Gg C yr-1,TOC占比59.82%;经城区后下游流出15.31 Gg C yr-1,TOC占比提升至66.87%。对比来看,支流汇集区(D3、D4断面)净无机碳生产速率较高,由于其有机碳矿化分解速率较高;初级生产效率较高的河网断面(W4)有机碳生产效率相对较高。整体来看,区域有机碳滞留效率为50.7%,碳滞留效率合计为11.8%。 

   

  图5   出入流断面TOC和TIC年通量及关键断面碳的产生消耗速率分布 

 。ㄋ模┢虮浠叭死嗷疃訡O2排放的影响预测 

  情景分析结果表明,气温升高1.5℃可能导致该区域CO2交换通量降低2.56±4.41 mg C m-2 d-1;污染减排也可有效降低该区域CO2排放通量3.28±6.58 mg C m-2 d-1;但上游调水在提升下游DO浓度的同时,也会同时增加CO2排放,且镇海水库调水的影响较潭江干流调水更为明显。 

   

  图6  不同情景CO2释放通量(ΔFCO2)差异分布 

  四、结论 

  本研究构建耦合碳循环模块的水动力生态模型框架,并在潭江流域开展模拟预测。考虑时空差异特征,高精度估算区域CO2排放通量为226.1±84.9 mmol m-2 d-1,城市河网区是其主要贡献源。气候变化及人类活动会影响流域CO2排放通量及格局,因此,未来制定流域环境质量改善策略时,建议统筹考虑其对碳排放的影响,推动实现水环境治理的减污降碳协同控制。 

  五、作者简介 

                 

  陈仲晗:海洋生态环境研究中心高级工程师,主要从事水环境数值模拟、近岸海域综合治理、陆海统筹环境管理等工作。近年来,主持或参与国家自然科学基金、广西重点研发、广东生态环保专项、广州市基础与应用基础研究等项目10余项。在Science of the Total Environment、Frontiers in Marine Science、环境科学学报等国内外期刊发表论文11篇。 

                  

  赵庄明:海洋生态环境研究中心副研究员,海洋生态环境研究中心海域治理室副主任,南方海洋实验室(珠海)创新团队成员,担任重点海域攻坚战国家技术支持专家、国家、省自然科学基金评审专家、广东省科技厅人才专家库专家。主要从事海洋环境数值模拟、海域污染溯源和入海排污口相关研究。主持国家自然科学基金、国家生态环境标准、广东省自然科学基金等国家或省部级项目20余项,获部及以上采纳报告建议20余份;发表论文20余篇,获发明专利或软件著作权10余项。 

  
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