文献总结 | WR:浅水湖泊溶解二氧化碳和甲烷浓度对变暖的响应

文摘   2024-03-08 17:12   江苏  

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研究背景
RESEARCH BACKGROUND
浅水湖泊生态系统因其较高的水面体积比而对大气温度波动高度敏感。目前已有的研究主要关注湖泊CO2CH4与季节温度变化的关系,但对这些温室气体在湖泊系统中对气候变化的响应仍不清楚。
本研究基于室外中型生态系统进行了为期5个月的气候变暖模拟,设置了对照组和温度增加3.5℃的升温组,研究气候变暖对浅水湖泊中CO2CH4浓度变化的潜在影响。具体而言,该研究旨在:(1) 确定水生系统中CO2CH4浓度变化的主要驱动因素;(2) 研究3.5℃的空气温度升高对CO2CH4浓度的影响;以及(3) 对温度和营养物质对CO2CH4浓度的具体影响进行分析比较。
研究方法
使用 CyberScan PCD 650 多参数水质探头记录一系列水质参数,包括水温(WT)、pH 值、电导率(EC)和溶解氧浓度(DO)。使用有机玻璃管采集水面至底部以上 0.2 米处的水样。采集的水样用于营养物质和Chl-a的化学分析。用 Millipore MCE 过滤器(孔径 0.45 μm)过滤 1 升采样水,过滤后的样品用于化学分析。总磷 (TP)、磷酸盐 (PO43-)、总氮 (TN)、硝酸盐 (NO3-)、亚硝酸盐 (NO2-) 和铵 (NH4+) 的浓度采用基于中国国家标准的紫外分光光度法测定。取样当天用Whatman GF/C 过滤器过滤 1 升取样水,以测定 Chl-a。采用丙酮萃取法测定 Chl-a 浓度。使用 TOC 分析仪对溶解有机碳(DOC)浓度进行定量。

在整个实验过程中,采用顶空瓶每月测量地表水 pCO2 和 dCH4。从地表下约 10 厘米深处采集 70 毫升水样,用 100 毫升气密注射器注入 30 毫升大气空气进行平衡。剧烈振荡 5 分钟以促进平衡后,将平衡空气注入预先抽真空的气密铝箔采样袋中,静置 3 分钟。在研究过程中分析了两份重复样品,相对误差小于 10%。然后使用岛津 GC2014 气相色谱仪进行分析。使用 Koschorreck 等人开发的 R 脚本测定水的 pCO2(μatm)。根据温度和顶空比值,利用亨利定律计算出 dCH4(nmol L-1),计算公式如下:

数据的正态性采用 Shapiro-Wilk 检验法进行评估。对于非正态分布数据,则采用自然对数转换。采用方差分析和HSD 检验来评估对照组和增温处理之间 pCO2、dCH4、理化变量和 Chl-a 的差异以及时间变化的统计学意义。

研究结果
1. 中试系统的水质条件

加温处理的 WT 和 EC 明显更高(图1A 和1 D)。加温处理显示出设计的温度控制性能,温度比对照处理高 2 - 4 ◦C。不出所料,加温处理的导电率比对照处理高出约 1.13 至 1.36 倍。除个别月份外,升温处理与对照处理的溶解氧、pH 值、溶解氧和 Chl-a 均无显著差异(图1 B、C、E 和 F)。在研究的几个月中,所有这些参数都出现了时间波动。平均温度在 7 月份达到最高值 36.29 ◦C,与 8 月份的平均温度相比上升了 0.98 ◦C。此外,6 月份比平均气温高 4.18 ◦C,5 月份比平均气温高 12.13 ◦C,4 月份比平均气温高 12.96 ◦C(图 G)。EC 值介于 155.5 至 398 μS cm-1 之间,7 月最低,8 月最高,其余三个月相近(图J)。溶解氧从 4 月到 7 月明显下降,8 月略有上升(图 H),而 pH 值则随着时间的推移呈下降趋势(图1 I)。相比之下,DOC 和 Chl-a 含量的平均值随着时间的推移逐渐增加,并在 8 月份达到峰值(图1 K 和 L)。

2. 中试系统营养物质的变化

随着时间的推移,营养物质(特别是 TP 和 PO43-)的浓度在加温处理和对照组之间出现了显著差异(图 2A 和2 B)。总体而言,与对照处理相比,增温处理的 TP 和 PO43-含量明显更高(p<0.05)。在研究期间,TP 和 PO43- 的平均浓度从 4 月到 8 月逐渐增加,波动范围分别为 0.006 至 0.320 mg/L和 9.0 × 10-4 至 0.271 mg/L(图 2G 和2 H)。在氮的种类方面,除七月和八月外,增温处理与对照处理之间没有显著差异,增温处理的氮含量总体较高(图2C)。在研究期间,4 月份的 TN 浓度最低,并呈现出明显的月度变化,8 月份的 TN 浓度高出约两倍(图 2I)。大部分 TN 以 NO3- 的形式存在,与 NO2- 和 NH4+ 相比,其变化更大(图2 D-F、J-L)。

3. 中试系统中CO2CH4排放的变化

3.5℃升温对CO2和CH4浓度和排放的影响有限(图3A和3B。这表明在这一特定升温水平下,温度的影响微乎其微。相反,在二氧化碳和甲烷排放量方面观察到了很大的时间变化(图3C 和3 D)。平均 pCO2 从 4 月的 234.4 μatm 逐渐增加到 8 月的 471.2 μatm(图 3),表明与大气相比,水中溶解的 CO2 从不饱和过渡到饱和。二氧化碳通量的变化规律与二氧化碳浓度的变化一致,从-7.79 g m-2 h-1(4 月)波动到 36.57 g m-2 h-1(8 月)。此外,dCH4 的平均浓度从 5 月(64.39 nmol L-1)上升到 7 月(560.78 nmol L-1),然后在 8 月下降(343.25 nmol L-1)。此外,4 月份的平均浓度(74.98 nmol L-1)与 5 月份相似(图 3)。CH4 通量从 0.0032 g m-2 h-1 (5 月)到 0.29 g m-2 h-1 (7 月)不等。这些通量和浓度都超过了水-大气平衡值,表明中试系统中的CH4 严重过饱和。

4. 环境因素与CO2CH4浓度的关系

线性回归显示,pCO2与氮和磷呈显著正相关,与pH和DO呈负相关(图4)。dCH4浓度与TP、TN、NO2−、WT和DOC呈显著正相关,但与pH、DO和电导率(EC)呈负相关(图4)。

总结讨论

研究表明,虽然在预期的气候变化范围内,气温升高(3.5℃的升温)的影响微乎其微,但CO2/CH4浓度与每月气温变化之间存在正相关。此外,碳循环还受到营养物质的显著影响,营养物质对CO2和CH4的影响也呈现出多变性。CH4浓度受月平均温度调控,而CO2与温度呈非线性关系。与环境变暖或温度变化相比,营养水平对CO2的影响更大,而且营养水平还能调节温度对CO2浓度的影响。进一步的研究对于揭示营养水平在温度阈值中的调节作用以及温度对湖泊碳排放的影响至关重要。由于浅水湖泊中的沉积物会释放大量营养物质,因此有效的湖泊管理必须控制内源营养物质水平。这不仅有助于改善水质,还在减少温室气体(GHGs)排放方面发挥着关键作用。

✎ 编者注

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原文链接 ↓
https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121116

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团队介绍

湖泊遥感与智慧流域创新团队,主要围绕湖泊开展历史重构、现状观测和未来变化模拟等模型研制和应用实践工作,并在流域尺度开展大数据智慧管理平台研究,保障湖泊水质安全。团队拥有博士和硕士导师4人(段洪涛,罗菊花,刘东,谭振宇),可分别在中国科学院南京地理与湖泊研究所、西北大学以及南京信息工程大学(国科大南京学院联合培养)等招收博、硕士研究生,欢迎报考!同时,长期招收联合培养研究生,欢迎咨询!

联系人:段洪涛研究员,htduan@niglas.ac.cn

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