Picarro G2201-i在太湖甲烷和二氧化碳排放途径研究中的应用

研究背景

内陆湖泊是全球碳循环的一个重要组成部分，这些湖泊中的碳途径可能随着它们的富营养状态而发生变化。导致富营养化的一个因素是湖泊地下水排放（LGD），它也是甲烷和二氧化碳进入湖泊的关键途径。然而，LGD对这些湖泊中CH₄和CO₂行为的调节作用仍然不清楚。为了解决这一空白，作者在太湖——中国一个大型浅层富营养化湖泊的两个具有不同藻类密度的地点进行了²²²Rn、CH₄和CO₂以及δ¹³C的连续监测，旨在调查LGD和藻类生物量对CH₄和CO₂途径及排放的协同作用。研究发现有机物（OM）降解是控制湖泊中CH₄和CO₂产生的主导因素，并且这一过程似乎是由高藻密度地点的充足OM和较低的氧气水平所促进的。此外，LGD被发现是湖泊中CH₄和CO₂的重要贡献者，LGD衍生的营养物质在调节湖泊藻类增殖中起着关键作用。随着藻类密度的增加，像CH₄冒泡和CO₂扩散这样的气体排放被放大，而湖泊中的CH₄氧化和大气CO₂交换等过程则被减弱。当OM降解成为一个更显著的贡献者时，LGD对湖泊中CH₄和CO₂库存的贡献也减少了。

研究方法

太湖位于中国长江三角洲附近，是全国第三大淡水湖。一个复杂的河流网络与湖泊相连，第四纪含水层在湖盆中广泛分布。水主要从西侧进入湖泊，从东侧流出，水的停留时间大约为184天。太湖自20世纪80年代以来由于高度发达的城市化带来的过量营养负荷而面临严重的富营养化。随后，藻类繁殖成为一个反复出现的问题。为了确保全面和具有代表性的数据收集，本研究选择了两个具有显著不同藻类生物量的站点。A站点位于湖西岸，因其高度富营养条件和相应的高藻密度而被选中。B站点位于湖中岛屿的东岸附近，表现出适中的富营养水平和较低的藻类生物量。

图1 太湖的野外调查设置及藻类生物量分布。(a)湖泊的地质设置和藻类分布。(b)各监测点的现场情况。

现场监测在2020年10月进行，在每个站点连续测量了2天，现场安装了氡仪器检测²²²Rn活度。从附近的家用井中收集地下水样本，并在监测站点附近的湖岸通过推点法提取。收集80毫升水样到玻璃血清瓶中，用于CH₄/CO₂浓度及其碳同位素组成的分析。其他水样储存在离心管中，用于分析δ¹³C-DIC、DOC和溶解无机氮（DIN）和溶解反应性磷（SRP）的营养盐。为了收集排放的CH₄和CO₂并捕获CH₄冒泡的速率，一个8升的浮动室被部署在水面上。直接通过室顶部的管子用气体紧固注射器提取40毫升的顶部空间气体，并将其注入真空玻璃瓶中。

在香港大学生物科学学院中心实验室使用流动注射分析仪分析DIN和SRP的营养盐。使用CO₂SYS程序方法基于pH和总碱度测量计算DIC，并使用同位素比质谱仪分析δ¹³C-DIC。在相同的实验室使用TOC分析仪在用6 mol/L HCl酸化后进行DOC的测定。样品使用顶部空间平衡技术进行预处理。为了创建顶部空间，将30毫升的零气体注入80毫升的玻璃血清瓶中，替换等量的水。然后将瓶子倒置至少6小时，以确保水和顶部空间之间的气体平衡。使用香港大学浙江研究院地球与环境研究所稳定同位素实验室的PICARRO G2201-i提取并分析气体。使用基于它们在顶部空间中浓度的亨利定律计算水中的CH₄/CO₂浓度。

研究结果

图2 监测站点地下水和湖水的端元特征。

图2a显示了地下水和湖水中²²²Rn的活度。地下水中的²²²Rn活度显著高于湖水，这表明²²²Rn可以作为湖泊地下水排放的一个有效示踪剂。

图2b展示了地下水和湖水中溶解无机氮(DIN)和溶解反应性磷(SRP)的浓度。地下水中的营养盐浓度远高于湖水，表明地下水是湖泊营养盐的一个重要来源。

图2c显示了地下水和湖水中溶解有机碳(DOC)、CO₂和CH₄的浓度。与湖水相比，地下水通常含有较高水平的气态碳，这表明地下水对湖泊的碳输入有显著贡献。

在A站点，地下水中的DOC浓度范围很广，平均值远高于湖水中的DOC浓度。而在B站点，湖水中的DOC浓度高于地下水。

地下水中的CH₄和CO₂浓度显著高于湖水，这表明地下水不仅为湖泊提供了营养盐，还提供了大量的碳。

图2强调了地下水和湖水在²²²Rn活度、营养盐浓度以及CH₄和CO₂浓度方面的显著差异，这些差异对于理解湖泊生态系统中碳和营养盐的循环至关重要。

图3 ²²²Rn、CH₄和CO₂在两个站点的时间序列变化。

站点A和站点B：分别代表了高藻密度和中等藻密度的区域。站点A（高藻密度）CO₂浓度与²²²Rn活度波动一致，表明可能存在某种相关性或共同的生物地球化学过程。CH₄浓度保持极低水平，接近0，表明在高藻密度区域CH₄的产生或保留可能受到限制。站点B（中等藻密度）CO₂浓度与²²²Rn活度没有明显的相关性，表明CO₂的来源或过程可能与²²²Rn不同。CH₄浓度整体上随着²²²Rn活度的增加而增加，表明在中等藻密度区域，地下水排放可能对CH₄的产生有直接影响。不同藻密度区域的LGD对CH₄和CO₂途径的影响存在差异，高藻密度可能促进有机物降解，影响CH₄和CO₂的产生和排放。

图4 太湖监测站点的地下水和湖水中CH₄和CO₂的稳定碳同位素¹³C组成。

地下水中的δ¹³C–CH₄和δ¹³C–CO₂值与湖水中的值存在明显差异，表明两个不同水体的碳源和转化过程可能不同。站点A地下水和湖水中的δ¹³C–CH₄值范围分别为-42.9‰和-57.3至-48.8‰，而δ¹³C–CO₂值在两个水体中都显示出较窄的范围，分别为-22.1‰和-20.8至-17.3‰。站点B地下水的δ¹³C–CH₄平均值为-28.5‰，湖水中的δ¹³C–CH₄值范围为-35.6至-13.5‰。δ¹³C–CO₂在地下水和湖水中分别为-23.2‰和-16.9至-13.9‰。在两个站点，排放的CH₄和CO₂的δ¹³C值与湖水中的值相似，表明湖泊水体中的碳可能直接参与了气体的排放过程。

图5 在LGD和藻类生物量协同作用下的二氧化碳和甲烷通路的概念模型。

文中提供了一个概念模型，描述了湖泊地下水排放（LGD）和藻类生物量对CH₄和CO₂途径及排放的协同作用：

藻类消耗水中的氧气，增加水中有机物含量，形成缺氧环境，促进生物可降解碳的降解，产生CH⁴和CO₂。

产甲烷作用（AM）在缺氧条件下产生CH₄和CO₂。

由于冒泡作用强烈，LGD和AM产生的CH₄在水体中的保留较弱，大量排放到大气中。

湖水中的CO₂主要由OM降解和LGD输送控制，积累显著，并通过水-气界面增强扩散。

由于藻类密度降低，有机物的降解作用减弱，减少了CH₄和CO₂的产生。

AM产生的CH₄冒泡作用减弱，部分CH₄通过氧化、扩散和冒泡过程损失。

在低藻密度条件下，湖水为甲烷氧化细菌提供了较好的生存环境，增加了CH₄的氧化作用。

LGD输送的CO₂和OM降解产生的CO₂在湖水中的库存较低，导致CO₂的扩散减少，而与大气的CO₂交换增加。

研究结论

文章的研究结论提供了对湖泊地下水排放（LGD）和藻类生物量如何影响CH₄和CO₂通量的综合理解。

研究确认了LGD是湖泊水体中CH₄和CO₂的重要来源，对湖泊的碳循环有显著影响。

藻类生物量的变化显著影响湖泊中CH₄和CO₂的产生、转化和排放途径。高藻密度区域促进了CH₄和CO₂的产生，并通过冒泡作用增强了这些气体的排放。

CH₄的排放主要通过冒泡作用，尤其是在高藻密度区域。而CO₂的排放则主要由扩散过程控制，但其通量也受到LGD的贡献。

LGD和藻类生物量之间的协同作用对湖泊中CH₄和CO₂的生物地球化学途径和排放具有重要影响。LGD不仅贡献了碳，还通过改变湖泊的营养状态和N:P比率，间接影响了藻类的生长和碳通量的调节。

湖泊中的有机物降解和产甲烷作用是CH₄和CO₂产生的主要内部生物地球化学过程，这些过程受到LGD和藻类生物量的共同调控。

研究结果强调了将LGD纳入湖泊碳循环研究的重要性，这对于全面理解和预测全球变化下湖泊作为碳源的角色至关重要。