Picarro G2131-i | 揭秘中國湖泊：二氧化碳濃度與碳同位素的神秘面紗
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.envres.2024.119826
引言
湖泊作為內(nèi)陸水系統(tǒng)的重要組成部分，從陸地地表水積累了大量的碳，從而對全球碳源/匯、區(qū)域氣候調(diào)節(jié)、維持區(qū)域碳預(yù)算和生態(tài)系統(tǒng)平衡產(chǎn)生了強(qiáng)烈影響。根據(jù)估計(jì)，全球湖泊每年的CO2排放量約占全球海洋每年CO2碳匯總量的14%到28%。因此，準(zhǔn)確估計(jì)湖泊的CO2排放對于理解不同生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)和預(yù)測全球氣候變化至關(guān)重要。
穩(wěn)定碳同位素值（δ13C）是碳循環(huán)的重要指標(biāo)，可以用來定性或定量地追蹤碳源、指示碳循環(huán)過程，并確定供應(yīng)的端元。然而，在關(guān)于湖泊溶解CO2的研究中，通常更多關(guān)注CO2濃度的變化及其與環(huán)境因素的關(guān)系，而關(guān)于湖水中CO2的δ13C值的報(bào)道較少。
在這項(xiàng)研究中，研究人員在中國的青藏高原、黃土高原和長江平原的33個(gè)湖泊中測量了CO2濃度和δ13C值。尤其是使用了能夠進(jìn)行現(xiàn)場連續(xù)在線測量的設(shè)備，從6個(gè)湖泊中獲得了高空間分辨率數(shù)據(jù)，以及一些基本的環(huán)境參數(shù)。該研究的目標(biāo)是：（1）利用高分辨率湖泊數(shù)據(jù)評估湖泊CO2濃度和δ13C值的空間變化；（2）檢查影響湖泊CO2濃度和δ13C值的環(huán)境因素；（3）探索湖水中CO2濃度與CO2/DIC δ13C值之間的關(guān)系。
測量方法
研究調(diào)查的湖泊位于中國青藏高原東北部、黃土高原和長江平原地區(qū)。2022年6月和7月，分別在青藏高原的托蘇湖和克魯克湖，以及黃土高原地區(qū)的什郎湖、富地湖、臨高湖和天池進(jìn)行了高空間分辨率調(diào)查。為確保CO2濃度比較的準(zhǔn)確性，觀測在上午10點(diǎn)至下午3點(diǎn)之間進(jìn)行，以盡量減少日變化的影響。
快速響應(yīng)自動化氣均衡系統(tǒng)作為流量機(jī)制運(yùn)行，通過將氣流引入恒定水流中，創(chuàng)建最小的氣頭頂空，用于連續(xù)測量。質(zhì)量流量控制器用于保持150 ml/min的恒定載氣流速，而蠕動泵以500 ml/min的速率提取水樣,然后將這些水樣在氣水混合單元（一個(gè)10 ml塑料注射器）中混合。隨后，被引導(dǎo)至氣水分離單元（一個(gè)30 ml塑料注射器），以將頂空氣體與水分離。研究使用Picarro G2131-i二氧化碳濃度及同位素分析儀對湖泊水樣品中溶解的CO2濃度進(jìn)行測量，并使用兩瓶可溯源的同位素標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行校準(zhǔn)。
研究中湖泊采樣的位置示意圖
結(jié)果與討論
眾多研究已經(jīng)探討了特定湖泊中CO2濃度/通量的空間變化，都顯示出明顯的差異。然而，目前對湖泊中CO2的δ13C值空間變化的研究還相對有限。在本研究中，我們在中國黃土高原和青藏高原的6個(gè)湖泊進(jìn)行了連續(xù)的現(xiàn)場觀測，監(jiān)測了CO2濃度和δ13C值。天池的數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，但仍然超過1000個(gè)，而富地湖、什郎湖、克魯克湖和托蘇湖的數(shù)據(jù)點(diǎn)大約在2000-4000個(gè)，臨高湖的數(shù)據(jù)點(diǎn)超過7000個(gè)。。
這些高空間分辨率數(shù)據(jù)顯示了湖泊中CO2濃度和δ13C值的顯著空間變化（如下圖）。具體來說，什郎湖、天池、臨高湖和托蘇湖的CO2濃度空間變化通常低于6 μmol/L，而克魯克湖的空間變化約為13 μmol/L。值得注意的是，富地湖顯示出最大的CO2濃度空間變化，高達(dá)24 μmol/L。關(guān)于CO2的δ13C值，富地湖和什郎湖的水表現(xiàn)出相對較小的空間變化（小于2‰），而克魯克湖和托蘇湖的空間變化約為4-5‰，天池和臨高湖的空間變化約為6‰。在本研究中，我們沒有對長江平原則的湖泊進(jìn)行高空間分辨率調(diào)查。相反，在該地區(qū)，我們通常在每個(gè)湖泊內(nèi)采樣了多個(gè)點(diǎn)位。這些湖泊的CO2濃度和δ13C數(shù)據(jù)的分析表明，湖水中CO2濃度的變化范圍更廣（大多在30到100 μmol/L之間），而湖水中CO2的δ13C值的變化通常保持在2-4‰的范圍內(nèi)。
因此，在估計(jì)全球、區(qū)域或個(gè)別湖泊的CO2排放時(shí)，考慮到湖水中CO2濃度的空間變化導(dǎo)致的不確定性至關(guān)重要。特別是對于濃度較高的湖泊，由于它們CO2濃度的空間變化導(dǎo)致的估計(jì)不確定性可能很大。相反，湖水中CO2的δ13C值的空間變化通常有限（通常在2到6‰之間）。鑒于中國不同地區(qū)湖泊水體中CO2的δ13C值存在較大差異（變化高達(dá)17‰），空間變化對于比較中國不同地區(qū)水體的δ13C值的影響相對較小。
各湖泊內(nèi)CO2濃度的空間分布
結(jié)論
本研究對中國三大湖區(qū)的33個(gè)湖泊進(jìn)行了深入的溶解CO2濃度及碳同位素δ13C值的分析，揭示了湖泊在碳循環(huán)中的關(guān)鍵作用及其對氣候變化的潛在影響。研究發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)湖泊的CO2濃度和δ13C值表現(xiàn)出明顯空間差異，其中長江平原湖泊的CO2濃度顯著高于青藏高原和黃土高原。δ13C值的變化趨勢也反映了不同湖泊的碳源和生物地球化學(xué)過程的差異，青藏高原湖泊的δ13C值更正，而黃土高原湖泊的δ13C值更負(fù)，這可能與土壤碳庫和植被類型有關(guān)。
本研究的結(jié)論不僅強(qiáng)調(diào)了在估算湖泊CO2排放量時(shí)考慮空間變化的重要性，也指出了δ13C值在理解湖泊碳源和碳循環(huán)過程中的應(yīng)用潛力。通過這些發(fā)現(xiàn)，我們可以更好地預(yù)測和管理湖泊對全球碳循環(huán)的貢獻(xiàn)，以及它們在氣候變化中的作用。這項(xiàng)研究為全球碳循環(huán)研究和氣候變化預(yù)測提供了寶貴的數(shù)據(jù)和新的視角，有助于我們更深入地理解湖泊生態(tài)系統(tǒng)在全球碳平衡中的作用。
通過對湖泊CO2濃度和δ13C值的綜合分析，本研究為湖泊碳循環(huán)研究領(lǐng)域提供了新的見解，并為未來的湖泊生態(tài)系統(tǒng)管理和氣候變化適應(yīng)策略的制定提供了科學(xué)依據(jù)。隨著氣候變化對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響日益顯著，這些發(fā)現(xiàn)對于制定有效的環(huán)境政策和保護(hù)措施具有重要意義。
