煤炭学报

作者：路平, 张浩然, 任峰, 袁涛, 刘怡君,

关键词：采煤塌陷湿地, 沉积物−水界面, 交换通量, 溶解性碳, 响应面法,

湿地作为陆地生态系统最重要的碳汇，是减缓全球大气中二氧化碳含量上升和全球气候变暖的重要途径。目前研究多针对于自然湿地中储碳量和碳密度的研究，对于因煤炭开采形成的采煤塌陷湿地碳密度及其变化研究则相对较少。基于对采煤塌陷湿地水体和沉积物中碳含量和影响因子的调查，研究采煤沉陷湿地沉积物−水界面不同形态碳交换通量规律，评估沉积物对于上覆水中碳素的源/汇特征，探讨不同环境因子单一及交互作用下沉积物−水界面各形态碳的交换通量的变化规律。针对徐州九里湖采煤塌陷湿地沉积物和水体进行研究，分别于 2020年12月、2021年4月和2021年8月采集沉积物和上覆水，分析沉积物和水体中碳素的赋存特征以及影响碳素含量的关键因子。通过室内模拟试验，进行沉积物−水界面溶解性碳交换通量研究，并探讨主要环境因子对溶解性碳交换通量的影响。最后基于响应面法构建沉积物−水界面溶解性碳交换通量回归模型，预测采煤沉陷湿地溶解性碳最小释放条件，估算采煤塌陷湿地溶解性碳释放总量。结果如下：温度升高会导致溶解性碳交换通量增大，而pH对其影响较小；在高氧(9.0 mg/L)和低氧(3.0 mg/L)条件下，溶解性有机碳(DOC)和溶解性无机碳(DIC)交换通量相对较高，在中氧(6.0 mg/L)条件下，相对较小。得出在环境因子交互作用下的最优化条件，当温度为 5.69 ℃、pH为7.18、溶解氧DO为6.38 mg/L时，DOC和DIC交换通量区的最小值分别为2.32、3.54 mg/(m2·h)。估算出湿地8月沉积物DOC和DIC释放总量最高，分别为1.75、5.76 t；12月沉积物DOC和DIC释放总量最低，分别为0.98、2.01 t。结果表明，环境因子对 DOC 和 DIC 交换通量均有不同程度影响，温度通过改变吸附能力和生物活性的方式使 DOC 和DIC 交换通量随温度增加而增大；pH 影响着沉积物中碳酸盐的溶解度使得 DIC在碱性环境中增加不明显，但对 DOC 交换通量影响较小。DOC和DIC释放总量变化规律一致，夏季温度较高，沉积物微生物活性强，促进DOC和DIC向上覆水中大量释放，冬季温度低，释放作用显著下降。沉积物−水界面溶解性碳交换通量只考虑了温度、pH 和 DO三个条件，然而影响物质在沉积物−水界面的迁移转化还包括沉积物自身特性、生物扰动以及重金属等因素，对于因采煤形成的湿地，沉积物中金属离子对溶解性碳的释放更应引起注意，在后面的研究中可以微生物为切入点，探究沉积物碳“源”与“汇”转换的临界条件。

来源：2023年第7期

《煤炭学报》期刊编辑部

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