應(yīng)用案例

Picarro G2201-i（陸地DOM的輸入伴隨著DO和pH值的下降并加劇了千島湖的CO?排放）

發(fā)表時(shí)間：2024-08-26

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https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121155

摘要

陸地輸入和隨后湖泊生態(tài)系統(tǒng)中溶解有機(jī)物（DOM）的降解會(huì)導(dǎo)致溶解氧（DO）的快速消耗。陸地DOM（包括有機(jī)酸）的輸入也會(huì)導(dǎo)致pH值下降。然而，迄今為止，很少有研究調(diào)查陸地DOM輸入、水體中的DO和pH水平以及湖泊生態(tài)系統(tǒng)的二氧化碳（CO₂）排放之間的聯(lián)系。根據(jù)2020年5月至2021年4月在中國(guó)主要人工飲用水水庫(kù)千島湖100個(gè)站點(diǎn)的月度實(shí)地采樣活動(dòng)，我們估計(jì)該湖的年二氧化碳排放量（FCO₂）為37.2±29.0 gC m^?2 yr^?1，相當(dāng)于0.02±0.02 TgC yr^?1。FCO₂隨著DO、葉綠素a（Chl-a）和δ²H-H₂O的降低而顯著增加，而FCO₂隨著比紫外吸收率（SUVA₂₅₄）和陸地類腐殖成分（C2）的增加而增加。我們發(fā)現(xiàn)DO濃度和pH隨著陸地DOM輸入的增加（即SUVA₂₅₄和陸地類腐殖C2水平的增加）而下降。垂直剖面采樣顯示，CO₂的分壓（pCO₂）隨著陸地DOM熒光（FDOM）的增加而增加，而DO、pH和δ¹³C-CO₂隨著陸地FDOM的增加而下降。這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了陸地DOM輸入在改變物理化學(xué)環(huán)境和促進(jìn)該湖泊和潛在的其他水生生態(tài)系統(tǒng)的二氧化碳排放方面的重要性。

圖形摘要

研究目的

確定中國(guó)主要水庫(kù)之一的千島湖中溶解有機(jī)質(zhì)（DOM）的化學(xué)組成和活性如何影響溶解氧（DO）濃度和pH，從而影響二氧化碳（CO₂）的排放。陸地DOM輸入及其隨后的降解與水體中DO和pH水平以及CO₂排放之間的聯(lián)系。

研究方法

2020年5月至2021年4月期間，每月在千島湖的100個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)采樣。研究者測(cè)量了溶解氧（DO）、pH、水溫和陸地DOM熒光（FDOM），并收集了水樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，包括DOC、Chl-a、δ²H-H₂O、SUVA254等。此外，還使用超高效分辨率質(zhì)譜（FT-ICR MS）來(lái)追蹤DOM的分子組成，同時(shí)使用Picarro G2201-i同位素分析儀來(lái)測(cè)量CO₂的穩(wěn)定同位素組成，并進(jìn)行垂直剖面采樣以研究pCO₂和δ¹³C-CO₂的垂直變化。

Picarro 儀器的使用

Picarro G2201-i同位素分析儀被用于測(cè)量水樣中CO₂的濃度及穩(wěn)定同位素組成，這是離散采樣測(cè)量。在文章中，展示了2022年5月、8月和2023年3月在水庫(kù)中進(jìn)行的三次垂直剖面采樣期間收集的pCO₂和δ¹³C-CO₂的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是通過(guò)Picarro G2201-i儀器獲得的。

Picarro G2201-i儀器提供的數(shù)據(jù)用于分析CO₂的穩(wěn)定同位素組成（δ¹³C-CO₂），這有助于研究者們理解CO₂的來(lái)源和產(chǎn)生過(guò)程。通過(guò)這些數(shù)據(jù)，研究者們發(fā)現(xiàn)隨著陸地DOM熒光（FDOM）的增加，pCO₂增加，而DO、pH和δ¹³C-CO₂減少。這表明陸地DOM的輸入和隨后的降解導(dǎo)致了DO的消耗和pH的降低，從而促進(jìn)了CO₂的排放。這些發(fā)現(xiàn)支持了研究的結(jié)論，即陸地DOM的積累和降解是水庫(kù)CO₂排放的關(guān)鍵過(guò)程，并且這些排放與水體中DO的消耗和pH的降低有關(guān)。這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了在模擬湖泊和水庫(kù)碳平衡的變異性時(shí)，應(yīng)考慮DOM的化學(xué)組成和活性對(duì)DO和pH變化的影響。

結(jié)論

我們估計(jì)千島湖的年CO₂排放量為0.02±0.02 TgC yr^?1。我們的研究結(jié)果表明，陸地DOM的積累和降解會(huì)加劇CO₂排放，同時(shí)伴隨著DO的消耗和水體pH值的下降。結(jié)果表明，DO和pH水平隨著陸地DOM的增加而下降，δ¹³C-CO²隨陸地FDOM的增加而降低；隨著pH值的降低，pCO₂增加，而δ¹³C-CO₂的穩(wěn)定同位素特征降低。這些結(jié)果突出了DOM的陸地輸入在驅(qū)動(dòng)CO₂排放中的重要性。鑒于DOM在全球碳生物地球化學(xué)循環(huán)中的重要性，在模擬湖泊和水庫(kù)中碳平衡的變化時(shí)，應(yīng)考慮DOM的化學(xué)成分和生物不穩(wěn)定性對(duì)DO和pH的變化以及CO₂排放的影響。