应用案例

Picarro G2201-i（暴雨影响水库河口区有机碳组成与碳排放研究）

发表时间：2024-04-17

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近日，中国科学院南京地理与湖泊研究所张运林研究小组周永强等人在Environmental Science & Technology上发表了题为“Changes in Water Chemistry Associated with Rainstorm Events Increase Carbon Emissions from the Inflowing River Mouth of a Major Drinking Water Reservoir”的研究论文，探究了千岛湖上游新安江河口通过利用DOM光谱和傅里叶变换离子回旋超高分辨率共振质谱等手段，揭示了暴雨事件前后DOM的来源组成，并利用Picarrro G2201-i碳稳定同位素分析仪揭示了暴雨前后甲烷和二氧化碳通量及稳定同位素组成特征，弥补了暴雨事件对河口区水化学、DOM来源组成的影响以及对二氧化碳和甲烷排放影响研究的空白。

前言

水库作为重要的水生态系统，其碳源汇动态对全球碳循环与碳收支有着重要影响。湖泊和水库向大气的碳排放（~1.9 Pg C-CO₂yr^-1）相当于全球化石燃料二氧化碳排放的20%。水生态系统贡献了全球人为和自然环境中甲烷排放总量的53%，湖泊和其他内陆水域的年二氧化碳排放几乎相当于海洋每年的碳汇总量。近年来，筑坝、富营养化、气候变化和降雨径流过程已被认为会影响水生态系统中二氧化碳和甲烷排放。暴雨过程中微生物高代谢率以及来自上游有机物的持续输入和降解可能是水库碳排放的一个重要来源。暴雨会导致水温、溶解氧和水化学特征，尤其是溶解性有机物（DOM）来源组成发生巨大变化。这些参数通常在几个小时到几天内迅速波动，并显著影响二氧化碳和甲烷的产生和排放。然而，对水库水体理化参数和DOM来源组成的分析往往依赖于逐周、逐月、乃至逐季度的野外观测。

研究结果

暴雨后，溶氧、pH、叶绿素、DOC等水质要素显著下降，而DOM的相关参数，包括浓度和芳香性指数以及陆源类腐殖质组分均显著增高，表明暴雨会显著影响水库水化学性质并伴随着大量新鲜易降解的DOM输入。暴雨后河口区水体氧跃层垂向剖面遭到破坏，二氧化碳和甲烷排放通量显著提高，且稳定碳同位素组成特征也有所变化。

图1. (a)日降雨量和(b)新安江的流入流量；(C-J)暴雨事件前后从街口千岛湖采集的样品的溶解氧(DO)、pH值、叶绿素a (Chl-a)、溶解有机碳(DOC)、DOM吸光度a₃₅₀、比紫外吸光度(SUVA254)以及陆地类腐殖质C1和微生物类腐殖质C3的荧光强度的箱线图。

图2. 暴雨事件之前(a)和之后(b)的10:00和14:00现场测定的溶解氧(DO)浓度的垂直分布。(c-e)暴雨前后千岛湖二氧化碳通量(FCO₂)、甲烷通量(FCH₄)和CO₂当量的通量箱线图。碳同位素组成(f)δ¹³C-CO₂和(g) δ¹³C-CH₄，αc定义为(δ¹³C-CO₂ + 1000)/( δ¹³C-CH₄+ 1000) (h)。

暴雨事件前后，河口区二氧化碳和甲烷排放通量与叶绿素、溶氧等呈显著负相关，与DOM吸收、比紫外吸收及陆源组分呈显著正相关，表明暴雨前后的水体理化性质以及有机碳的组成发生快速而深刻的变化，显著影响了水体碳排放。

图3. (a-e)二氧化碳通量(FCO₂)与叶绿素-a(Chl-a)、溶解氧(DO)、a₃₅₀、SUVA₂₅₄及陆地类腐殖质C1荧光强度的关系。 (f-j)甲烷通量(FCH₄)与Chl-a、DO、a₃₅₀、SUVA₂₅₄和陆地腐殖质类C1的关系。

采用室内DOM厌氧生物培养实验，进一步模拟了以陆源及湖泊DOM为碳基质的微生物产甲烷和二氧化碳的厌氧培养过程，结果表明陆源DOM具有较强生物活性和较高的碳排放潜势。

图4. （a-c）缺氧生物培养实验第0天(0小时)、第1天(24小时)、第3天(72小时)和第5天(120小时)湖泊DOM和土壤DOM的溶解CH₄、CO₂和DOC浓度变化。(d-f)缺氧生物培养实验的第0天、第1天、第3天和第5天，湖泊DOM和土壤DOM的稳定同位素 δ¹³C-CO₂和δ¹³C-CH₄和αc信号。

碳同位素分析仪介绍

Picarro G2201-i是世界唯一一款原位同步测量CO₂ 和CH₄碳同位素的分析仪，研究人员只需一台仪器便可追踪系统、全面的碳转移和分解过程。该双组分分析仪不但给研究工作带来了易用性和快捷性，专利的CRDS技术中小腔室的设计，更为生态学、微生物学、环境学领域的专家，提供了培养实验结果获取的高准确性。小型化与耐用性令其更容易运输到野外并提供即时的结果，以便研究者根据实地情况更改实验设置，在有限的野外作业时间内取得最优的成果。

文章节选自“环境人Environmentor”公众号；

原文链接

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

文章第一作者：李宇阳

文章通讯作者： 周永强

论文DOI：10.1021/acs.est.2c06405