Nature Communications｜中国湖泊有机碳储量大幅增加
政务
2024-09-17 08:20
中国
转自：地球平衡与稳态
先前的研究通常假设湖水柱中的总有机碳 （OC） 储存是恒定的，而忽略了它在不断变化的世界中的显著变化。基于广泛的野外数据和卫星监测技术，我们证明了 1984 年至 2023 年期间中国 24,366 个湖泊的 OC 浓度和储存存在相当大的时空变化。在这里，我们表明西北咸水湖中的溶解 OC 浓度很高，而东南富营养化湖泊中的颗粒 OC 浓度很高。随着 OC 浓度和水量的增加，溶解和颗粒 OC 储存量分别增加了 44.6% 和 33.5%。人类活动加剧、水的输入和风干扰是增加 OC 储存量的关键驱动因素。此外，更高的 OC 存储进一步导致全国 OC 埋藏量增加 11.0%，西北湖泊的碳排放量从 71.1% 减少。全球正在发生类似的变化，这表明湖泊在碳封存中发挥着越来越重要的作用。中国包括 24366 个大于 0.01 km2 的湖泊，分布在五个地形和气候条件不同的湖滨区：内蒙古-新疆湖区 （IMXL）、青藏高原湖区 （TPL）、云贵高原湖区 （YGPL）、东北平原和山地湖区 （NPML） 和东部平原湖区 （EPL）。在中国各地，胡焕庸线两侧的气候条件和人类活动明显不同。与胡焕庸线西北 IXML 和 TPL 区相比，东南三个湖区降水量更高，人类活动更多。此外，近几十年来，气候变暖导致 TPL的湖泊扩大，而加剧的人类活动导致 EPL的普遍湖泊富营养化。因此，中国是探索不断变化的世界中湖 OC 储量时空变化的理想区域。在这项工作中，基于广泛的野外数据和卫星监测技术，我们从 Landsat 卫星数据中得出 DOC 和 POC 浓度，通过乘以水量来计算 DOC 和 POC 储量，并揭示了 1984 年至 2023 年期间中国 24366 个湖泊的 OC 浓度的显著变化和 OC 储量的大幅增加。在 HydroLAKES 数据集中面积为 > 0.01 km2 的研究湖泊中，即可以使用 Landsat 卫星数据 （N = 24,366） 观察到，DOC 浓度遵循西北高东南低的空间模式，并在 1984-2023 年期间不同湖泊呈总体上升趋势。在中国，西北部 IMXL 和 TPL 区的平均 DOC（25.71 ± 24.72 mg L-1）是东南部 YGPL 和 EPL 区（10.29 ± 7.27 mg L-1）的 2.5 倍。DOC 与西北部干旱/半干旱湖泊的盐度一起积累。相反，强降水稀释了中国东南部湖泊的 DOC 浓度。对于原位数据，对数 DOC 浓度和电导率之间存在显著的正相关，皮尔逊的 r = 0.56（N = 1636，p < 0.01）。此外，藻类增殖也导致淡水湖中的高 DOC 浓度 （<2000 μs cm-1），正如对数原位 DOC 与叶绿素-a （Chl-a） 浓度之间的正相关所表明的那样 （r = 0.23， N = 3624， p < 0.0001）。随着人类活动的加剧，东南部 NPML 和 EPL 区的 15,303 个淡水湖中有 11,055 个（即 72.2%）在 1984 年至 2023 年期间显示 DOC 浓度增加。然而，西北 TPL 区 48.7% 的湖泊显示 DOC 浓度降低，这可能是由于降水增加。总体而言，中国湖泊的平均 DOC 浓度从 1984 年的 14.79 ± 12.49 mg L−1 增加到 21 ± 18.14。75 年 2023 毫克 L-1，占湖面积的 65.4%，呈上升趋势。![]()
与 DOC 相反，1984—2023 年中国不同湖泊的 POC 浓度呈西北低、东南高的空间格局，并表现出明显的增加趋势。在西北部 TPL 区，平均 POC 浓度仅为 0.83 ± 0.19 mg L-1，但在东南部 NPML 和 EPL 区分别高达 4.85 ± 0.65 mg L-1 和 2.87 ± 1.08 mg L-1。对于胡线的 IMXL 和 YGPL 区，东南部地区的湖泊 POC 浓度也很高。高 POC 浓度主要是由于藻类增殖。包括藻类在内的总悬浮物 （TSM） 仅占 POC 浓度空间变化的 14.1%，由对数原位 TSM 和 POC 浓度之间的线性关系表示 （N = 2026，R 2 = 0.14，p < 0.0001）。然而，仅 Chl-a 就可以解释 71.0% （N = 2088）。因此，随着中国人口密度的增加，1984-2023 年期间，占总面积 80.6% 的 16,007 个湖泊的 POC 浓度增加。对于POC浓度较低的西北IMXL和TPL区，93.2%的湖泊面积呈增加趋势。然而，对于 POC 浓度较高的东南部 NPML 和 EPL 区，59.3% 的湖泊面积呈下降趋势，我们预计这是由于 2000 年以来的水污染控制。即，人类活动一直在减少 POC 浓度的空间差异。湖泊 DOC 主要储存在 TPL 区，1984—2023 年湖泊 DOC 储量的增加也主要发生在 TPL 区。结合 2015 年 HydroLAKES 数据集得出的 DOC 浓度和水量数据，我们估计中国湖泊总共含有 39.43 Tg C 的 DOC。其中 83.2% 储存在 TPL 区，其中西部内流区以其高 DOC 浓度而尤为显著。EPL 区 DOC 浓度低的湖泊仅储存了 6.5% 的 DOC，但储存了 24.6% 的水。总体而言，中国基于湖泊的 DOC 储量依赖于储水。对数 DOC 存量与对数水体积呈线性相关，R2 = 0.81 和 p < 0.01（补充图 6c）。由于 DOC 浓度（图 1b）和水量23 的增加，1984 年至 2023 年期间湖泊 DOC 储存量大幅增加。在具有水量时间序列数据的 1125 个湖泊中，63.7% 的湖泊的 DOC 存储量增加；此外，总增加的 92.0% 发生在 TPL 区，水量显著增加。根据 1125 个湖泊 96,295 t C yr-1 的平均增长率，我们估计 1984-2023 年期间，中国 24,366 个湖泊中新增了 ~13.05 Tg C 的 DOC，增长了 44.6%。反过来，我们认为中国湖泊通过储存更多的 DOC 起到了碳汇的作用。Lake OC 浓度受人为和自然因素的影响1,3。通过应用随机森林分析，我们量化了不同因素对 OC 浓度时空变化的相对贡献。结果表明，人类活动对 DOC 浓度空间变化的贡献率为 50.2%，气候因子对 POC 浓度的空间变化贡献率为 75.9%。此外，人类活动、水输入和风速通常贡献最大，并被确定为 1984-2023 年 OC 浓度年度变化的主要驱动因素。图 3：不同因素对 DOC 和 POC 变化的影响加剧的人类活动提高了湖泊 POC 浓度。1984 年至 2023 年期间，中国 70.7% 的湖泊在其流域内的种群密度不断增加；在 72.3% 的湖泊中，种群密度被确定为 POC 变化的主要因素，平均贡献为 33.1%。人为诱导的富营养化会增加湖泊浮游植物，而湖中浮游植物本身就是本地 POC 的重要来源。对于 EPL 区的富营养化湖泊，藻类增殖决定了 POC 的数量和组成，POC 和 Chl-a 之间的线性关系通常被报道。此外，Hou 等人研究称，在 1980 年代至 2010 年代，中国 88.9% 的淡水湖泊显示出藻华频率增加。与此同时，由于河流养分输入增加，偏远 TPL 区一半的盐湖也经历了 Chl-a 增加。随着 1984 年至 2023 年有机碳储存量的增加，湖泊在为中国到 2060 年实现碳中和的目标做出贡献方面发挥了积极作用。此外，湖泊中储存的 OC 数量预计将进一步增加。对于西北部 TPL 区，预计未来 40 年湖泊水量将增加。对于东南部湖泊，由于气候变暖，藻华可能会增加。此外，OC 浓度的变化也对 POC 沉积物的沉积和 CO2 排放到大气中产生重要影响。OC 埋藏在湖泊中是碳封存的重要方法。在全球范围内，湖泊和水库的总 OC 埋藏率为 150 Tg C yr-1，这与水柱储存的 OC呈正相关。纵观中国，东南部 POC 浓度较高的湖泊的 OC 积累率 （OCAR） 普遍高于西北 POC 浓度较低的湖泊，平均值分别为 22 ± 19.87 g C m-2 yr-1 和 7.78 ± 7.77 g C m-2 yr-1。对于不同的湖泊，1950 年代之后的 OCAR 与 1984-2023 年期间的气候平均 POC 浓度呈指数相关，R2 = 0.35 和 p < 0.01。根据拟合公式和卫星衍生的年平均 POC 浓度，我们估计中国湖泊中的 OC 总埋藏量从 1980 年代的 1.01 Tg C yr-1 增加到 2020 年代的 1.13 Tg C yr-1，增加了 11.0%。因此，在 1984-2023 年期间，湖泊 POC 浓度的增加促进了 OC 沉积物的沉积。研究发现，通过微生物分解和光化学氧化实现的 OC 矿化是必不可少的 CO2。在全球范围内，OC 浓度高的湖泊往往也具有较高的 CO2 排放量。然而，高 POC 浓度也表明高水平的光合作用，这会消耗湖泊的 CO2。这项研究表明，原位 CO2 浓度与 DOC 与 POC 的比率呈正相关。因此，我们发现 DOC 和 POC 浓度的变化导致 1984 年至 2023 年对湖泊 CO 2 排放产生不同的影响。对于东南部的 YGPL 和 EPL 区，由于 DOC 增加，67.2% 的湖泊的 CO2 浓度可能升高。相比之下，对于西北部的 IMXL 和 TPL 区，71.1% 的湖泊的 CO 2 浓度可能有所下降。这种下降主要是由于湖泊扩张导致 DOC 浓度降低。此外，水电导率降低和养分输入增加，通过这些西北地区的藻类增殖进一步增强了 CO2 的吸收。基于这些发现，全球湖泊碳循环也可能发生了重大变化。首先，湖 OC 储存量的增加可能在全球范围内普遍存在。全球卫星监测表明，80% 的湖泊在 2003 年至 2018 年期间经历了表面积扩大。此外，在 62 年代至 1980 年代 2010 年代期间，在 2010% 的淡水湖泊中检测到藻华频率增加。其次，由于藻类增殖，POC 浓度升高应增加沉积物中 POC 的沉积。例如，在过去的一个世纪里，欧洲的富营养化低地湖泊的 OCAR 值超过 50 g C m-2 yr-1。第三，预计湖泊 CO2 排放量会随着水体富营养化和/或膨胀而变化。已观察到富营养化可以减少美国中西部湖泊的 CO2 排放。而加拿大西部北方地区扩大的湖泊已经从 CO2 源转向汇。因此，迫切需要使用全球重访卫星数据监测水柱中的碳储存、向大气中排放的 CO 2 以及沉积物中的碳埋藏。Liu, D., Shi, K., Chen, P. et al. Substantial increase of organic carbon storage in Chinese lakes. Nat Commun 15, 8049 (2024). 【知识转载，翻译难免有误，详细查看原文，侵权联系删除】投稿、转载、合作、申请入群可在后台留言（备注：姓名+微信号）或发邮件至sthjkx1@163.com
