不同類型亞寒帶湖泊夏季溫室氣體通量研究: R??m E I, Lauringson V, Laas A, et al. Summer greenhouse gas fluxes in different types of hemiboreal lakes[J]. Science of the Total Environment, 2022, 843: 156732. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.156732
湖泊是全球碳循環(huán)的重要組成部分,盡管其面積僅占地球表面積的約3%,卻是重要的溫室氣體(GHG)排放源,特別是在中高緯度地區(qū)。二氧化碳(CO?)、甲烷(CH?)和氧化亞氮(N?O)是主要的湖泊溫室氣體,而不同類型湖泊在氣體交換方面存在顯著差異。本研究《Summer greenhouse gas fluxes in different types of hemiboreal lakes》由R??m等人(2022)發(fā)表在《Science of the Total Environment》,系統(tǒng)比較了愛沙尼亞亞寒帶地區(qū)9個不同類型湖泊(包括淺湖、深湖、溪流型湖泊和沼澤型湖泊)在夏季的溫室氣體通量,評估其對區(qū)域和全球碳平衡的潛在影響 。 研究的主要目標是:1)量化不同類型湖泊夏季的GHG通量;2)評估湖泊理化因子對通量的影響;3)識別不同湖泊在碳排放格局中的角色和機制差異。這項研究有助于填補北半球亞寒帶湖泊在GHG研究中的知識空白,并為氣候模型的改進提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
1.研究區(qū)域與湖泊分類
研究選取了位于愛沙尼亞的9個湖泊,涵蓋以下四種類型,每個湖泊在2020年夏季進行了兩到三次采樣。
淺型湖泊(shallow polymictic lakes);
深型湖泊(deep stratified lakes);
流動型湖泊(fluvial lakes);
沼澤型湖泊(bog lakes) 。
2. 數(shù)據(jù)采集與分析
采樣數(shù)據(jù)包括水體上層和底層的溫度、溶解氧、電導(dǎo)率、pH、營養(yǎng)鹽(總氮、總磷)、葉綠素a、溶解有機碳(DOC)以及溫室氣體(CO?、CH?、N?O)濃度。
其中溶解氧/溫度傳感器(Ponsel OPTOD)和溶解二氧化碳傳感器(AMT Analysenmesstechnik GmbH)被部署在最多四個深度。在所有湖泊中,上層傳感器放置在0.5米深度,其他傳感器的位置根據(jù)分層情況決定,以充分表征所有不同層次,覆蓋從0.5米到20米的深度。
溫室氣體濃度通過密閉室法(floating chambers)和水體溶解氣體采集與氣相色譜儀分析法共同獲得。其中浮動室用于評估氣體的擴散通量,結(jié)合風(fēng)速、氣壓和水溫進行通量估算。湖泊的形態(tài)特征(深度、水體體積、表面積等)以及沉積物和周圍土地利用也被考慮在內(nèi),作為通量影響因子之一。
1. CO2 通量
各湖泊CO?通量變化顯著,從-1122 mg/m2/day(Coastal)到6600 mg/m2/day(Alk)不等。三類湖泊為CO?排放源:堿性湖(Alk)、分層堿性湖(StratAlk)、黑水湖(DarkSoft);而沿海湖(Coastal)、大湖(V-Large)、淺色軟水湖(LightSoft)為CO?匯。
CO?通量與表層DCO?濃度呈顯著正相關(guān)(R > 0.9),表明表層過飽和是主要驅(qū)動力;
含碳酸鹽湖(如Alk,HCO??濃度達293 mg/L)因碳酸鈣沉淀釋放CO?,成為“CO?煙囪”。
2. CH4 通量
CH?通量變異更為劇烈,Coastal湖型日通量達629.3 mg/m2,LightSoft為229.8 mg/m2,StratAlk為88.8 mg/m2,其他湖泊均低于50 mg/m2。
CH?排放以擴散與氣泡形式共存,氣泡釋放主要出現(xiàn)在淺湖與沿海湖;
CH?通量與湖泊中層至底層的CO?梯度、電導(dǎo)率梯度相關(guān),提示CH?來源于底泥;
淺型非分層湖(如Large, MedAlk)排放較低,可能因良好的氧化層抑制了產(chǎn)甲烷過程。
3. N2O 通量
大多數(shù)湖泊N?O通量接近檢測下限,僅Alk湖表現(xiàn)出顯著正通量(4.12 mg/m2/day)(,可能與其高NO?-N濃度(3.13 mg/L)與高N/P比(38)相關(guān)。
DarkSoft和Coastal湖型出現(xiàn)弱N?O吸收現(xiàn)象;
其他湖泊因夏季浮游植物競爭氮源或底層缺氧導(dǎo)致脫氮完成,N?O轉(zhuǎn)化為N?,通量極低。
1. 愛沙尼亞湖泊溫室氣體排放估算
日平均總CO?排放量:-8.16 × 10? mol,顯示全國湖泊為CO?匯;
通過將 CH4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CO2當量,所有愛沙尼亞湖泊的總排放量(8 TC day ?1)變?yōu)閺娬担好刻?2720 T CO2 當量:2720噸CO?e;
若僅考慮CH?,則湖泊系統(tǒng)為顯著溫室氣體源。
Peipsi湖(V-Large)因面積占全國湖泊面積?,其CO?匯作用使全國CO?凈通量為負(-142 mg/m2/day),成為抑制GHG排放的重要生態(tài)系統(tǒng)。
2. 各湖型貢獻分析
雖然堿性湖(Alk)面積僅占全國湖泊面積0.09%,但因單位面積通量極高,在總排放中作用顯著;
沿海湖(Coastal)雖面積不大,但CH?排放強度極高,日均釋放達630 kg CH?。
本研究表明,湖泊類型是影響夏季溫室氣體通量的關(guān)鍵因素,特別是水深、DOC濃度、氧化還原環(huán)境對CH?和CO?通量有顯著調(diào)控作用。沼澤型和淺型湖泊在GHG排放中起著主導(dǎo)作用,盡管其表面積可能較小,但其單位面積的排放通量顯著高于其他類型湖泊。研究強調(diào)了將湖泊類型納入碳通量估算模型的必要性,并指出需特別關(guān)注對陸地–水體碳耦合過程的管理。同時,也為未來跨季節(jié)和多年份研究提供了對比基礎(chǔ)。
Ponsel OPTOD溶解氧傳感器
光學(xué)溶解氧(OPTOD)傳感器基于發(fā)光光學(xué)技術(shù),已通過ASTM國際方法D888-05認證。傳感器無需校準,并得益于超低功耗技術(shù),OPTOD傳感器滿足現(xiàn)場工作和短期或長期活動的需求。且測量沒有氧氣消耗,這種技術(shù)使能夠在幾乎所有情況下進行精確測量,特別是在極低氧氣濃度的情況下。
AMT CO2傳感器
水中溶解二氧化碳(不包括HCO3-和CO32-)的測量是水質(zhì)監(jiān)測中最重要的參數(shù)之一。AMT GmbH現(xiàn)已開發(fā)出一種新型覆膜光學(xué)CO2傳感器,該傳感器具有鈦合金外殼和其他改進特性。因此,新的AMT-CO2傳感器適用于深度達1,000米的環(huán)境,具有模擬或數(shù)字輸出、低電流消耗,并具備自動內(nèi)部溫度補償功能。該傳感器設(shè)計為可與CTD探頭系統(tǒng)、自有測量系統(tǒng)外部連接,或作為獨立傳感器使用。
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