华南所（应急所）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

　　近日，生态环境部华南环境科学研究所（生态环境部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”。华南所（应急所）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、变化时间尺度小，仅基于实测数据或简化模型难以准确估算碳排放贡献、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 

　　（一）水-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 

　　（二）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 

　　（三）流域碳循环过程速率及效率的定量评估 

　　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 

　　（四）气候变化及人类活动对CO2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。