應(yīng)用案例

Picarro G2201-i（暴雨影響水庫(kù)河口區(qū)有機(jī)碳組成與碳排放研究）

發(fā)表時(shí)間：2024-04-17

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近日，中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所張運(yùn)林研究小組周永強(qiáng)等人在Environmental Science & Technology上發(fā)表了題為“Changes in Water Chemistry Associated with Rainstorm Events Increase Carbon Emissions from the Inflowing River Mouth of a Major Drinking Water Reservoir”的研究論文，探究了千島湖上游新安江河口通過利用DOM光譜和傅里葉變換離子回旋超高分辨率共振質(zhì)譜等手段，揭示了暴雨事件前后DOM的來源組成，并利用Picarrro G2201-i碳穩(wěn)定同位素分析儀揭示了暴雨前后甲烷和二氧化碳通量及穩(wěn)定同位素組成特征，彌補(bǔ)了暴雨事件對(duì)河口區(qū)水化學(xué)、DOM來源組成的影響以及對(duì)二氧化碳和甲烷排放影響研究的空白。

前言

水庫(kù)作為重要的水生態(tài)系統(tǒng)，其碳源匯動(dòng)態(tài)對(duì)全球碳循環(huán)與碳收支有著重要影響。湖泊和水庫(kù)向大氣的碳排放（~1.9 Pg C-CO₂yr^-1）相當(dāng)于全球化石燃料二氧化碳排放的20%。水生態(tài)系統(tǒng)貢獻(xiàn)了全球人為和自然環(huán)境中甲烷排放總量的53%，湖泊和其他內(nèi)陸水域的年二氧化碳排放幾乎相當(dāng)于海洋每年的碳匯總量。近年來，筑壩、富營(yíng)養(yǎng)化、氣候變化和降雨徑流過程已被認(rèn)為會(huì)影響水生態(tài)系統(tǒng)中二氧化碳和甲烷排放。暴雨過程中微生物高代謝率以及來自上游有機(jī)物的持續(xù)輸入和降解可能是水庫(kù)碳排放的一個(gè)重要來源。暴雨會(huì)導(dǎo)致水溫、溶解氧和水化學(xué)特征，尤其是溶解性有機(jī)物（DOM）來源組成發(fā)生巨大變化。這些參數(shù)通常在幾個(gè)小時(shí)到幾天內(nèi)迅速波動(dòng)，并顯著影響二氧化碳和甲烷的產(chǎn)生和排放。然而，對(duì)水庫(kù)水體理化參數(shù)和DOM來源組成的分析往往依賴于逐周、逐月、乃至逐季度的野外觀測(cè)。

研究結(jié)果

暴雨后，溶氧、pH、葉綠素、DOC等水質(zhì)要素顯著下降，而DOM的相關(guān)參數(shù)，包括濃度和芳香性指數(shù)以及陸源類腐殖質(zhì)組分均顯著增高，表明暴雨會(huì)顯著影響水庫(kù)水化學(xué)性質(zhì)并伴隨著大量新鮮易降解的DOM輸入。暴雨后河口區(qū)水體氧躍層垂向剖面遭到破壞，二氧化碳和甲烷排放通量顯著提高，且穩(wěn)定碳同位素組成特征也有所變化。

圖1. (a)日降雨量和(b)新安江的流入流量；(C-J)暴雨事件前后從街口千島湖采集的樣品的溶解氧(DO)、pH值、葉綠素a (Chl-a)、溶解有機(jī)碳(DOC)、DOM吸光度a₃₅₀、比紫外吸光度(SUVA254)以及陸地類腐殖質(zhì)C1和微生物類腐殖質(zhì)C3的熒光強(qiáng)度的箱線圖。

圖2. 暴雨事件之前(a)和之后(b)的10:00和14:00現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的溶解氧(DO)濃度的垂直分布。(c-e)暴雨前后千島湖二氧化碳通量(FCO₂)、甲烷通量(FCH₄)和CO₂當(dāng)量的通量箱線圖。碳同位素組成(f)δ¹³C-CO₂和(g) δ¹³C-CH₄，αc定義為(δ¹³C-CO₂ + 1000)/( δ¹³C-CH₄+ 1000) (h)。

暴雨事件前后，河口區(qū)二氧化碳和甲烷排放通量與葉綠素、溶氧等呈顯著負(fù)相關(guān)，與DOM吸收、比紫外吸收及陸源組分呈顯著正相關(guān)，表明暴雨前后的水體理化性質(zhì)以及有機(jī)碳的組成發(fā)生快速而深刻的變化，顯著影響了水體碳排放。

圖3. (a-e)二氧化碳通量(FCO₂)與葉綠素-a(Chl-a)、溶解氧(DO)、a₃₅₀、SUVA₂₅₄及陸地類腐殖質(zhì)C1熒光強(qiáng)度的關(guān)系。 (f-j)甲烷通量(FCH₄)與Chl-a、DO、a₃₅₀、SUVA₂₅₄和陸地腐殖質(zhì)類C1的關(guān)系。

采用室內(nèi)DOM厭氧生物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步模擬了以陸源及湖泊DOM為碳基質(zhì)的微生物產(chǎn)甲烷和二氧化碳的厭氧培養(yǎng)過程，結(jié)果表明陸源DOM具有較強(qiáng)生物活性和較高的碳排放潛勢(shì)。

圖4. （a-c）缺氧生物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)第0天(0小時(shí))、第1天(24小時(shí))、第3天(72小時(shí))和第5天(120小時(shí))湖泊DOM和土壤DOM的溶解CH₄、CO₂和DOC濃度變化。(d-f)缺氧生物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的第0天、第1天、第3天和第5天，湖泊DOM和土壤DOM的穩(wěn)定同位素 δ¹³C-CO₂和δ¹³C-CH₄和αc信號(hào)。

碳同位素分析儀介紹

Picarro G2201-i是世界唯一一款原位同步測(cè)量CO₂ 和CH₄碳同位素的分析儀，研究人員只需一臺(tái)儀器便可追蹤系統(tǒng)、全面的碳轉(zhuǎn)移和分解過程。該雙組分分析儀不但給研究工作帶來了易用性和快捷性，專利的CRDS技術(shù)中小腔室的設(shè)計(jì)，更為生態(tài)學(xué)、微生物學(xué)、環(huán)境學(xué)領(lǐng)域的專家，提供了培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲取的高準(zhǔn)確性。小型化與耐用性令其更容易運(yùn)輸?shù)揭巴獠⑻峁┘磿r(shí)的結(jié)果，以便研究者根據(jù)實(shí)地情況更改實(shí)驗(yàn)設(shè)置，在有限的野外作業(yè)時(shí)間內(nèi)取得最優(yōu)的成果。

文章節(jié)選自“環(huán)境人Environmentor”公眾號(hào)；

原文鏈接

https://mp.weixin.qq.com/s/_15NkN65vJpGuCxEhWsEIg

文章第一作者：李宇陽(yáng)

文章通訊作者： 周永強(qiáng)

論文DOI：10.1021/acs.est.2c06405

前一個(gè)：Picarro G2201-i（北半球沼澤地甲烷的生成、排放以及滯后效應(yīng)以及δ13C時(shí)空變化）
后一個(gè)：Picarro G2201-i（降水與施肥對(duì)熱帶干旱森林樹木的影響）