垂向潜流带CO₂产量主控因素转变阈值研究

摘要

河流碳排放是全球碳循环的关键环节，潜流带作为其重要组成部分，对碳排放具有显著影响。潜流带CO₂产生和排放过程受河流温度和溶解氧（dissolved oxygen, DO）等动态因素控制，然而，目前大多数模型仍基于稳态条件，难以准确捕捉CO₂产量动态变化，导致碳排放估算存在较大不确定性。为此，本研究构建了典型沙丘形态的潜流带生物地球化学耦合模型，引入日周期性变化的河流温度和DO,将其作为潜流带边界条件，利用COMSOL Multiphysics对耦合模型进行数值求解，并通过达姆科勒数（Damk9hler number,Da）和相关系数来分析河流温度和DO波动边界条件对垂向潜流带CO₂产量的动态影响及调控机制。研究结果表明，温度和DO对CO₂产生速率具有显著调控作用且存在竞争关系。在潜流带平均滞留时间小于15.7 h时，存在温度阈值，使CO₂产生速率的主控因素随河流平均温度发生转换。具体表现为：在温度阈值以下，主控因素为温度波动；而在温度阈值以上，主控因素为DO波动。更为重要的是，当平均滞留时间大于15.7 h时，主控因素转换机制不存在。本研究揭示了河流温度和DO波动对潜流带中CO₂产生速率的调控机制，为理解河流碳循环提供了新视角，有助于准确评估潜流带在全球碳循环中的作用，并为预测河流生态系统对气候变化的响应提供理论依据。

关键词

潜流带 / 有氧呼吸 / 温度阈值 / CO₂ / 生物地球化学过程 / 耦合模型