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研究背景
內(nèi)陸湖泊是全球碳循環(huán)的一個(gè)重要組成部分,這些湖泊中的碳途徑可能隨著它們的富營養(yǎng)狀態(tài)而發(fā)生變化。導(dǎo)致富營養(yǎng)化的一個(gè)因素是湖泊地下水排放(LGD),它也是甲烷和二氧化碳進(jìn)入湖泊的關(guān)鍵途徑。然而,LGD對這些湖泊中CH4和CO2行為的調(diào)節(jié)作用仍然不清楚。為了解決這一空白,作者在太湖——中國一個(gè)大型淺層富營養(yǎng)化湖泊的兩個(gè)具有不同藻類密度的地點(diǎn)進(jìn)行了222Rn、CH4和CO2以及δ13C的連續(xù)監(jiān)測,旨在調(diào)查LGD和藻類生物量對CH4和CO2途徑及排放的協(xié)同作用。研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)物(OM)降解是控制湖泊中CH4和CO2產(chǎn)生的主導(dǎo)因素,并且這一過程似乎是由高藻密度地點(diǎn)的充足OM和較低的氧氣水平所促進(jìn)的。此外,LGD被發(fā)現(xiàn)是湖泊中CH4和CO2的重要貢獻(xiàn)者,LGD衍生的營養(yǎng)物質(zhì)在調(diào)節(jié)湖泊藻類增殖中起著關(guān)鍵作用。隨著藻類密度的增加,像CH4冒泡和CO2擴(kuò)散這樣的氣體排放被放大,而湖泊中的CH4氧化和大氣CO2交換等過程則被減弱。當(dāng)OM降解成為一個(gè)更顯著的貢獻(xiàn)者時(shí),LGD對湖泊中CH4和CO2庫存的貢獻(xiàn)也減少了。
研究方法
太湖位于中國長江三角洲附近,是全國第三大淡水湖。一個(gè)復(fù)雜的河流網(wǎng)絡(luò)與湖泊相連,第四紀(jì)含水層在湖盆中廣泛分布。水主要從西側(cè)進(jìn)入湖泊,從東側(cè)流出,水的停留時(shí)間大約為184天。太湖自20世紀(jì)80年代以來由于高度發(fā)達(dá)的城市化帶來的過量營養(yǎng)負(fù)荷而面臨嚴(yán)重的富營養(yǎng)化。隨后,藻類繁殖成為一個(gè)反復(fù)出現(xiàn)的問題。為了確保全面和具有代表性的數(shù)據(jù)收集,本研究選擇了兩個(gè)具有顯著不同藻類生物量的站點(diǎn)。A站點(diǎn)位于湖西岸,因其高度富營養(yǎng)條件和相應(yīng)的高藻密度而被選中。B站點(diǎn)位于湖中島嶼的東岸附近,表現(xiàn)出適中的富營養(yǎng)水平和較低的藻類生物量。
圖1 太湖的野外調(diào)查設(shè)置及藻類生物量分布。(a)湖泊的地質(zhì)設(shè)置和藻類分布。(b)各監(jiān)測點(diǎn)的現(xiàn)場情況。
現(xiàn)場監(jiān)測在2020年10月進(jìn)行,在每個(gè)站點(diǎn)連續(xù)測量了2天,現(xiàn)場安裝了氡儀器檢測222Rn活度。從附近的家用井中收集地下水樣本,并在監(jiān)測站點(diǎn)附近的湖岸通過推點(diǎn)法提取。收集80毫升水樣到玻璃血清瓶中,用于CH4/CO2濃度及其碳同位素組成的分析。其他水樣儲存在離心管中,用于分析δ13C-DIC、DOC和溶解無機(jī)氮(DIN)和溶解反應(yīng)性磷(SRP)的營養(yǎng)鹽。為了收集排放的CH4和CO2并捕獲CH4冒泡的速率,一個(gè)8升的浮動(dòng)室被部署在水面上。直接通過室頂部的管子用氣體緊固注射器提取40毫升的頂部空間氣體,并將其注入真空玻璃瓶中。
在香港大學(xué)生物科學(xué)學(xué)院中心實(shí)驗(yàn)室使用流動(dòng)注射分析儀分析DIN和SRP的營養(yǎng)鹽。使用CO2SYS程序方法基于pH和總堿度測量計(jì)算DIC,并使用同位素比質(zhì)譜儀分析δ13C-DIC。在相同的實(shí)驗(yàn)室使用TOC分析儀在用6 mol/L HCl酸化后進(jìn)行DOC的測定。樣品使用頂部空間平衡技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理。為了創(chuàng)建頂部空間,將30毫升的零氣體注入80毫升的玻璃血清瓶中,替換等量的水。然后將瓶子倒置至少6小時(shí),以確保水和頂部空間之間的氣體平衡。使用香港大學(xué)浙江研究院地球與環(huán)境研究所穩(wěn)定同位素實(shí)驗(yàn)室的PICARRO G2201-i提取并分析氣體。使用基于它們在頂部空間中濃度的亨利定律計(jì)算水中的CH4/CO2濃度。
研究結(jié)果
圖2 監(jiān)測站點(diǎn)地下水和湖水的端元特征。
222Rn活度
圖2a顯示了地下水和湖水中222Rn的活度。地下水中的222Rn活度顯著高于湖水,這表明222Rn可以作為湖泊地下水排放的一個(gè)有效示蹤劑。
營養(yǎng)鹽濃度
圖2b展示了地下水和湖水中溶解無機(jī)氮(DIN)和溶解反應(yīng)性磷(SRP)的濃度。地下水中的營養(yǎng)鹽濃度遠(yuǎn)高于湖水,表明地下水是湖泊營養(yǎng)鹽的一個(gè)重要來源。
碳含量
圖2c顯示了地下水和湖水中溶解有機(jī)碳(DOC)、CO2和CH4的濃度。與湖水相比,地下水通常含有較高水平的氣態(tài)碳,這表明地下水對湖泊的碳輸入有顯著貢獻(xiàn)。
DOC濃度
在A站點(diǎn),地下水中的DOC濃度范圍很廣,平均值遠(yuǎn)高于湖水中的DOC濃度。而在B站點(diǎn),湖水中的DOC濃度高于地下水。
CH4和CO2濃度
地下水中的CH4和CO2濃度顯著高于湖水,這表明地下水不僅為湖泊提供了營養(yǎng)鹽,還提供了大量的碳。
端元差異
圖2強(qiáng)調(diào)了地下水和湖水在222Rn活度、營養(yǎng)鹽濃度以及CH4和CO2濃度方面的顯著差異,這些差異對于理解湖泊生態(tài)系統(tǒng)中碳和營養(yǎng)鹽的循環(huán)至關(guān)重要。
圖3 222Rn、CH4和CO2在兩個(gè)站點(diǎn)的時(shí)間序列變化。
站點(diǎn)A和站點(diǎn)B:分別代表了高藻密度和中等藻密度的區(qū)域。站點(diǎn)A(高藻密度)CO2濃度與222Rn活度波動(dòng)一致,表明可能存在某種相關(guān)性或共同的生物地球化學(xué)過程。CH4濃度保持極低水平,接近0,表明在高藻密度區(qū)域CH4的產(chǎn)生或保留可能受到限制。站點(diǎn)B(中等藻密度)CO2濃度與222Rn活度沒有明顯的相關(guān)性,表明CO2的來源或過程可能與222Rn不同。CH4濃度整體上隨著222Rn活度的增加而增加,表明在中等藻密度區(qū)域,地下水排放可能對CH4的產(chǎn)生有直接影響。不同藻密度區(qū)域的LGD對CH4和CO2途徑的影響存在差異,高藻密度可能促進(jìn)有機(jī)物降解,影響CH4和CO2的產(chǎn)生和排放。
圖4 太湖監(jiān)測站點(diǎn)的地下水和湖水中CH4和CO2的穩(wěn)定碳同位素13C組成。
地下水中的δ13C–CH4和δ13C–CO2值與湖水中的值存在明顯差異,表明兩個(gè)不同水體的碳源和轉(zhuǎn)化過程可能不同。站點(diǎn)A地下水和湖水中的δ13C–CH4值范圍分別為-42.9‰和-57.3至-48.8‰,而δ13C–CO2值在兩個(gè)水體中都顯示出較窄的范圍,分別為-22.1‰和-20.8至-17.3‰。站點(diǎn)B地下水的δ13C–CH4平均值為-28.5‰,湖水中的δ13C–CH4值范圍為-35.6至-13.5‰。δ13C–CO2在地下水和湖水中分別為-23.2‰和-16.9至-13.9‰。在兩個(gè)站點(diǎn),排放的CH4和CO2的δ13C值與湖水中的值相似,表明湖泊水體中的碳可能直接參與了氣體的排放過程。
圖5 在LGD和藻類生物量協(xié)同作用下的二氧化碳和甲烷通路的概念模型。
文中提供了一個(gè)概念模型,描述了湖泊地下水排放(LGD)和藻類生物量對CH4和CO2途徑及排放的協(xié)同作用:
高藻密度水體中的情景 (圖5a)
有機(jī)物(OM)降解
藻類消耗水中的氧氣,增加水中有機(jī)物含量,形成缺氧環(huán)境,促進(jìn)生物可降解碳的降解,產(chǎn)生CH4和CO2。
CH4和CO2的產(chǎn)生
產(chǎn)甲烷作用(AM)在缺氧條件下產(chǎn)生CH4和CO2。
CH4的排放
由于冒泡作用強(qiáng)烈,LGD和AM產(chǎn)生的CH4在水體中的保留較弱,大量排放到大氣中。
CO2的排放
湖水中的CO2主要由OM降解和LGD輸送控制,積累顯著,并通過水-氣界面增強(qiáng)擴(kuò)散。
低藻密度水體中的情景 (圖5b)
有機(jī)物降解減少
由于藻類密度降低,有機(jī)物的降解作用減弱,減少了CH4和CO2的產(chǎn)生。
CH4的排放減少
AM產(chǎn)生的CH4冒泡作用減弱,部分CH4通過氧化、擴(kuò)散和冒泡過程損失。
CH4的氧化
在低藻密度條件下,湖水為甲烷氧化細(xì)菌提供了較好的生存環(huán)境,增加了CH4的氧化作用。
CO2的排放
LGD輸送的CO2和OM降解產(chǎn)生的CO2在湖水中的庫存較低,導(dǎo)致CO2的擴(kuò)散減少,而與大氣的CO2交換增加。
研究結(jié)論
文章的研究結(jié)論提供了對湖泊地下水排放(LGD)和藻類生物量如何影響CH4和CO2通量的綜合理解。
LGD作為碳源的角色
研究確認(rèn)了LGD是湖泊水體中CH4和CO2的重要來源,對湖泊的碳循環(huán)有顯著影響。
藻類生物量對碳通量的影響
藻類生物量的變化顯著影響湖泊中CH4和CO2的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化和排放途徑。高藻密度區(qū)域促進(jìn)了CH4和CO2的產(chǎn)生,并通過冒泡作用增強(qiáng)了這些氣體的排放。
CH4和CO2的排放途徑
CH4的排放主要通過冒泡作用,尤其是在高藻密度區(qū)域。而CO2的排放則主要由擴(kuò)散過程控制,但其通量也受到LGD的貢獻(xiàn)。
LGD和藻類生物量的協(xié)同作用
LGD和藻類生物量之間的協(xié)同作用對湖泊中CH4和CO2的生物地球化學(xué)途徑和排放具有重要影響。LGD不僅貢獻(xiàn)了碳,還通過改變湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)和N:P比率,間接影響了藻類的生長和碳通量的調(diào)節(jié)。
生物地球化學(xué)過程的調(diào)控
湖泊中的有機(jī)物降解和產(chǎn)甲烷作用是CH4和CO2產(chǎn)生的主要內(nèi)部生物地球化學(xué)過程,這些過程受到LGD和藻類生物量的共同調(diào)控。
對全球碳循環(huán)的貢獻(xiàn)
研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了將LGD納入湖泊碳循環(huán)研究的重要性,這對于全面理解和預(yù)測全球變化下湖泊作為碳源的角色至關(guān)重要。
原文鏈接
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