碳匯研究 | 沉水植物可否捕獲CO2

環(huán)境修復(fù)網(wǎng)訊:含有大量沉水植物的水體（特別是水底沉積物表層）可能是一大碳匯（和營養(yǎng)物質(zhì)）。因此，實(shí)施保護(hù)或修復(fù)這些沉水植物的舉措實(shí)際上有助于實(shí)現(xiàn)《巴黎氣候協(xié)定》之目標(biāo)。在使用狐尾藻的圍隔實(shí)驗(yàn)中研究發(fā)現(xiàn)，水溫提高4 oC會使藻類生物量及降解率有所增加。然而，這也會使藻體本身更易被分解，最終在水底形成高水平碳、氮和磷之封存量。以上結(jié)果表明，在一定水溫條件下，含有旺盛沉水植物的水體均具有捕獲一部分人為碳排放之能力。

引言

含有大量沉水植物的水生生態(tài)系統(tǒng)具有潛在的碳捕捉能力。而在水生植物衰亡后，含有大量碳及其營養(yǎng)物質(zhì)的生物質(zhì)會與土壤巖屑混合形成水底有機(jī)層，產(chǎn)生碳封存作用。基于此，類似系統(tǒng)是否也能夠降低大氣中的CO2？若水體溫度因溫室效應(yīng)而升高，其碳捕捉能力將會受到何種影響？

水生植物不僅為其它水生生物提供養(yǎng)分和棲息地，而且還能夠在體內(nèi)封存碳和其它營養(yǎng)物質(zhì)。此外，成叢的水生植物還能夠減少水體紊流。這有助于衰敗有機(jī)質(zhì)沉降并防止水質(zhì)混濁。水生植物還為生物膜的粘附與生長提供支撐結(jié)構(gòu)及擴(kuò)張條件，而這些生物膜衰亡后也將轉(zhuǎn)化為水底沉積物。

由水生植物或生物膜等形成的水底有機(jī)層能夠形成對碳和其他營養(yǎng)物質(zhì)的封存作用，這對于實(shí)現(xiàn)氣候協(xié)定的目標(biāo)和防止地表水富營養(yǎng)化都具有非凡的意義。然而，人們對這些系統(tǒng)究竟能夠捕獲多少碳和營養(yǎng)物質(zhì)仍是未知數(shù)。

沉入水底的大部分植物在再循環(huán)之前便被微生物所降解。這種礦化過程取決于水溫等因素。預(yù)計(jì)到2100年，溫室效應(yīng)將導(dǎo)致荷蘭氣溫上升約3.5 °C。這將會加快水生植物生長，導(dǎo)致植物量的大幅增加。由于水生植物主要由碳（C）、氮（N）和磷（P）等元素組成，所以，在實(shí)驗(yàn)中可以在較高溫度下加入這些元素。然而，在這個過程中，有機(jī)質(zhì)的沉積量和降解量也會因此增加。迄今為止，學(xué)界對二者平衡情況仍然未知。

基于此，研究以圍隔實(shí)驗(yàn)形式探究了溫度升高4 °C對狐尾藻（Myriophyllumspicatum）生長以及有機(jī)物質(zhì)沉積和降解情況的影響。對照實(shí)驗(yàn)在半野生條件下的水箱中進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

用8個1 000 L圍隔容器裝滿自來水以及來自瓦格寧根的一個中營養(yǎng)水平淺水池沉積物和狐尾藻，進(jìn)行了為期1年實(shí)驗(yàn)。其中，包含兩種水溫條件：1）按荷蘭當(dāng)?shù)刈匀患竟?jié)性水溫變化動態(tài)調(diào)控；2）在相同季節(jié)性水溫變化基礎(chǔ)上，整體升高4°C（加熱）。每月測定所沉積的有機(jī)質(zhì)（衰亡狐尾藻等碎屑）等沉積物。其中，經(jīng)過1/2、1、2、4、6和8個月后對放置在沉積物表面垃圾袋中的干樹葉進(jìn)行取樣和標(biāo)號，以此確定微生物的降解能力。實(shí)驗(yàn)后期，對狐尾藻進(jìn)行取樣。并將所獲植物、沉積物和降解物樣品置于60 °C條件下干燥，進(jìn)而分析其干重和C、N和P含量。這些元素的降解率k和殘留分?jǐn)?shù)s（礦化后）使用兩相分解模型進(jìn)行描述。

C、N和P封存量采用預(yù)算模型（Velthuis等人，2018年）進(jìn)行計(jì)算。其中，假設(shè)計(jì)算中的殘留分?jǐn)?shù)s和降解率k代表沉積物中相關(guān)元素礦化和封存情況；這樣，該模型便能夠近似表征實(shí)驗(yàn)期間沉積物中的可降解和殘留物質(zhì)的動力學(xué)特征。系統(tǒng)中C、N和P封存量可由實(shí)驗(yàn)結(jié)束時可降解物質(zhì)與殘留物質(zhì)總和進(jìn)行表征。

促進(jìn)生長與提高降解率

溫度升高導(dǎo)致圍隔實(shí)驗(yàn)中狐尾藻生物量增加了80 %，且其中碳與氮含量也顯著增加（+83 %和52 %）；但磷含量沒有發(fā)生顯著變化（圖3）。此外，有機(jī)碳和氮的沉降量提高了1.5倍，并且分解過程中的碳和氮礦化度增加了1倍以上；同樣，磷的沉降量與礦化度并沒有發(fā)生顯著變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，較高溫度下的大植物生物量會導(dǎo)致更多的N和P向沉積物方向遷移。這是由于植物生物量與其中N、P含量以及沉積物中N、P含量之間呈正相關(guān)關(guān)系（圖4）。此外，植物生物量與沉積碳之間也呈現(xiàn)出不太顯著（P=0.07）正相關(guān)趨勢。

結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，以水生植物為主的系統(tǒng)對碳和其它營養(yǎng)物質(zhì)捕捉能力與溫度變化無關(guān)。即，在較高溫度水體中所增加的生物量和沉積量可以通過增加的礦化量予以抵消。

不同水溫條件下，沉積物中對碳與其它營養(yǎng)物質(zhì)的捕捉量均比植物生物量中對二者的捕捉量更大。其中，在較高溫度水體中，微生物可以快速分解50~75 %沉積碳和營養(yǎng)物質(zhì)。但盡管如此，相當(dāng)一部分碳與其它營養(yǎng)物質(zhì)仍殘留于沉積物中，這顯然與溫度無關(guān)。這也進(jìn)一步說明，以水生植物為主的系統(tǒng)對有機(jī)C、N和P的封存具有顯著作用。

同時，沉積物質(zhì)量也起著重要作用。事實(shí)上，令人驚訝的是，溫度升高并沒有明顯提高植物對P的攝取，但狐尾藻總生物量卻實(shí)實(shí)在在地提高了。眾所周知，水生植物能夠靈活利用營養(yǎng)物質(zhì)，因此，其體內(nèi)磷含量將隨環(huán)境因素的改變而產(chǎn)生差異。而較高溫度水體能夠使植物更加有效地利用磷。因此，在它們實(shí)現(xiàn)相同增長量時所需的資源量將會降低。這也就解釋了為何水溫的升高不會提高P攝入量之問題。

進(jìn)一步研究與應(yīng)用

這項(xiàng)為期1年的實(shí)驗(yàn)并沒有涵蓋溫度升高所造成的長期影響。例如，如何將這些結(jié)果與物質(zhì)積聚過程以及甲烷（CH4）排放（比CO2強(qiáng)25倍之溫室氣體）聯(lián)系起來？仍需進(jìn)一步研究。

如果假設(shè)這些結(jié)果可以轉(zhuǎn)化為實(shí)際情況，那么，將大量沉水植物生物量與低降解量相結(jié)合，將有利于對碳和其它營養(yǎng)物質(zhì)最佳吸收和封存條件的研究。而這些植物在系統(tǒng)底部積累，最終產(chǎn)生積聚作用。這也將作為潛在研究與應(yīng)用的一部分。

可以探討是否能夠設(shè)計(jì)一個具有自然低降解率的水生植物系統(tǒng)；

清淤和修剪水生植物是如何影響這些過程的。這些措施很有可能對其捕捉和封存能力造成負(fù)面影響；

是否有可能提高全年溫度和水底含氧量均較低之深池塘或含有大量挺水植物之淺池塘的碳封存量？

原標(biāo)題:碳匯研究 | 沉水植物可否捕獲CO2