碳汇研究 | 沉水植物可否捕获CO2

含有大量沉水植物的水体（特别是水底沉积物表层）可能是一大碳汇（和营养物质）。因此，实施保护或修复这些沉水植物的举措实际上有助于实现《巴黎气候协定》之目标。在使用狐尾藻的围隔实验中研究发现，水温提高4 oC会使藻类生物量及降解率有所增加。然而，这也会使藻体本身更易被分解，最终在水底形成高水平碳、氮和磷之封存量。以上结果表明，在一定水温条件下，含有旺盛沉水植物的水体均具有捕获一部分人为碳排放之能力。

引言

含有大量沉水植物的水生生态系统具有潜在的碳捕捉能力。而在水生植物衰亡后，含有大量碳及其营养物质的生物质会与土壤岩屑混合形成水底有机层，产生碳封存作用。基于此，类似系统是否也能够降低大气中的CO2？若水体温度因温室效应而升高，其碳捕捉能力将会受到何种影响？

水生植物不仅为其它水生生物提供养分和栖息地，而且还能够在体内封存碳和其它营养物质。此外，成丛的水生植物还能够减少水体紊流。这有助于衰败有机质沉降并防止水质混浊。水生植物还为生物膜的粘附与生长提供支撑结构及扩张条件，而这些生物膜衰亡后也将转化为水底沉积物。

由水生植物或生物膜等形成的水底有机层能够形成对碳和其他营养物质的封存作用，这对于实现气候协定的目标和防止地表水富营养化都具有非凡的意义。然而，人们对这些系统究竟能够捕获多少碳和营养物质仍是未知数。

沉入水底的大部分植物在再循环之前便被微生物所降解。这种矿化过程取决于水温等因素。预计到2100年，温室效应将导致荷兰气温上升约3.5 °C。这将会加快水生植物生长，导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）等元素组成，所以，在实验中可以在较高温度下加入这些元素。然而，在这个过程中，有机质的沉积量和降解量也会因此增加。迄今为止，学界对二者平衡情况仍然未知。

基于此，研究以围隔实验形式探究了温度升高4 °C对狐尾藻（Myriophyllumspicatum）生长以及有机物质沉积和降解情况的影响。对照实验在半野生条件下的水箱中进行。

实验设计

用8个1 000 L围隔容器装满自来水以及来自瓦格宁根的一个中营养水平浅水池沉积物和狐尾藻，进行了为期1年实验。其中，包含两种水温条件：1）按荷兰当地自然季节性水温变化动态调控；2）在相同季节性水温变化基础上，整体升高4°C（加热）。每月测定所沉积的有机质（衰亡狐尾藻等碎屑）等沉积物。其中，经过1/2、1、2、4、6和8个月后对放置在沉积物表面垃圾袋中的干树叶进行取样和标号，以此确定微生物的降解能力。实验后期，对狐尾藻进行取样。并将所获植物、沉积物和降解物样品置于60 °C条件下干燥，进而分析其干重和C、N和P含量。这些元素的降解率k和残留分数s（矿化后）使用两相分解模型进行描述。

C、N和P封存量采用预算模型（Velthuis等人，2018年）进行计算。其中，假设计算中的残留分数s和降解率k代表沉积物中相关元素矿化和封存情况；这样，该模型便能够近似表征实验期间沉积物中的可降解和残留物质的动力学特征。系统中C、N和P封存量可由实验结束时可降解物质与残留物质总和进行表征。

促进生长与提高降解率

温度升高导致围隔实验中狐尾藻生物量增加了80 %，且其中碳与氮含量也显著增加（+83 %和52 %）；但磷含量没有发生显著变化（图3）。此外，有机碳和氮的沉降量提高了1.5倍，并且分解过程中的碳和氮矿化度增加了1倍以上；同样，磷的沉降量与矿化度并没有发生显著变化。

实验结果还表明，较高温度下的大植物生物量会导致更多的N和P向沉积物方向迁移。这是由于植物生物量与其中N、P含量以及沉积物中N、P含量之间呈正相关关系（图4）。此外，植物生物量与沉积碳之间也呈现出不太显著（P=0.07）正相关趋势。

结论

研究发现，以水生植物为主的系统对碳和其它营养物质捕捉能力与温度变化无关。即，在较高温度水体中所增加的生物量和沉积量可以通过增加的矿化量予以抵消。

不同水温条件下，沉积物中对碳与其它营养物质的捕捉量均比植物生物量中对二者的捕捉量更大。其中，在较高温度水体中，微生物可以快速分解50~75 %沉积碳和营养物质。但尽管如此，相当一部分碳与其它营养物质仍残留于沉积物中，这显然与温度无关。这也进一步说明，以水生植物为主的系统对有机C、N和P的封存具有显著作用。

同时，沉积物质量也起着重要作用。事实上，令人惊讶的是，温度升高并没有明显提高植物对P的摄取，但狐尾藻总生物量却实实在在地提高了。众所周知，水生植物能够灵活利用营养物质，因此，其体内磷含量将随环境因素的改变而产生差异。而较高温度水体能够使植物更加有效地利用磷。因此，在它们实现相同增长量时所需的资源量将会降低。这也就解释了为何水温的升高不会提高P摄入量之问题。

进一步研究与应用

这项为期1年的实验并没有涵盖温度升高所造成的长期影响。例如，如何将这些结果与物质积聚过程以及甲烷（CH4）排放（比CO2强25倍之温室气体）联系起来？仍需进一步研究。

如果假设这些结果可以转化为实际情况，那么，将大量沉水植物生物量与低降解量相结合，将有利于对碳和其它营养物质最佳吸收和封存条件的研究。而这些植物在系统底部积累，最终产生积聚作用。这也将作为潜在研究与应用的一部分。

可以探讨是否能够设计一个具有自然低降解率的水生植物系统；

清淤和修剪水生植物是如何影响这些过程的。这些措施很有可能对其捕捉和封存能力造成负面影响；

是否有可能提高全年温度和水底含氧量均较低之深池塘或含有大量挺水植物之浅池塘的碳封存量？