中科院地理资源所生态水文课题组在《ACS earth and space chemistry》揭示吞吐型湖泊水—气界面碳交换驱动机制

　　一、研究背景 

　　湖泊代谢(metabolism)指湖泊生物不断进行的光合和呼吸作用，可通过湖泊总初级生产力（GPP）和湖泊总呼吸（RE）量化。水体二氧化碳分压（pCO2)指溶解在水中的二氧化碳（CO2）分子产生的压力，可用来量化量溶解在水中的二氧化碳的量。pCO2与其他参数，如 pH 值、溶解性无机碳和碱度一样，都用来描述水体的无机碳系统（CO2 (aq)、HCO3-、CO32-）的浓度和形态。湖泊pCO2不仅受水温，盐度，pH等物理因素的影响，还直接受湖泊代谢的调控。 

　　我们使用18O technology计算湖泊代谢。该方法成立的基础理论是湖泊生物进行光合作用和呼吸作用时，即产生GPP和RE时，会将水分子转化为DO，且生物总是倾向于优先利用较轻的δ16O ，从而使剩余水体中富集δ18O。该方法假设大气中O2的同位素组成为常数，各同位素分馏效应可以估算出。通过测定水体水分子氧同位素和DO浓度和同位素，就可以得到GPP和R的通量。 

　　二、主要结果 

　　我们在鄱阳湖的低水位时期（2020年11月），中水位时期（2021年4月），和高水位（2022年7月）均进行了采样，计算了各水位时期湖泊代谢。鄱阳湖整体呈现弱的净异养状态。鄱阳湖GPP和R存在显著的线性相关关系（p<0.01）。 

　　无论是在高水位时期还是低水位时期，碟型湖的GPP显著高于主航道。高水位时期东部湖区碟型湖之间的个体差异较大，且距主航道越远，GPP越高（图3a）。低水位时期东部湖区的GPP显著高于西部湖区（p<0.05）。NEP的波动范围（-26.3至23.3 g O2 m-2 d-1）在高水位时期显著大于低水位时期（-5.9至4.4 g O2 m-2 d-1），特别是在碟型湖区。在高水位时期，鄱阳湖大部区域NEP分均为负值，仅有东部碟型湖区部分点和入长江口部分出现正值。 

　　鄱阳湖水体pCO2的范围为85.5 至1701.5 μatm，均值为586.0 μatm。大部分处于高于大气pCO2（413 μatm）的状态。碟型湖湖区pCO2显著高于主航道区域，中水位时期pCO2（均值918.8 μatm）显著高于高水位时期和低水位时期（均值339.1 μatm），且中水位时期波动范围更广。当NEP属于-30至6 g O2 m-2 d-1范围内时，湖泊代谢净消耗的CO2越多，pCO2越高。 

　　为了更清晰地解析水情—生源要素—GPP—pCO2相关关系，我们构建了结构方程模型。吞吐型湖泊水位通过影响生源要素（包括阴阳离子，pH， CO2和O2分子）的浓度，进而作用于湖泊代谢，最终影响到pCO2。水位升高时，阴阳离子，和溶解态的CO2和O2分子浓度降低，水温升高，pH升高（图6），受到生源要素的影响，湖泊代谢增加，光合作用和呼吸作用都升高，NEP的空间差异增加。NEP和pCO2之间存在以6 g O2 m-2 d-1为界限的正负调节机制。 

　　对于吞吐型湖泊来说，相较于高水位和低水位时期，中水位时期是水体更新更快速，湖水与周边水系交流更广泛的时期。此时pCO2最大，湖泊的整体水-气界面排放的碳量最多。此时，湖泊NEP最接近于0，湖泊内部有机质的供给和消耗达到平衡，大量流域输入的DIC被排放至大气中，是鄱阳湖泊碳排放的主要时期。在高水位时期，部分湖区NEP过高（大于6 g O2 m-2 d-1），导致CO2被大量消耗，pCO2急剧降低，该部分湖区pCO2小于大气pCO2, 呈现净碳吸收状态。 

　　三、论文信息 

　　研究成果以“Water Conveyance-Type Lake Systems Shift toward Carbon Sources under Regulatory Balanced Water Level Metabolic Processes”为题，于2022年发表在美国化学学会国际期刊《ACS earth and space chemistry》，高扬研究员为通讯作者，博士生陆瑶为第一作者。本研究得到国家自然科学基金碳中和项目（No. 42141015）的支持。 

　　四、引用信息 

　　Yao Lu, Yang Gao,* Junjie Jia, Shuoyue Wang, Kun Sun, Xianrui Ha, and Zhaoxi Li (2022) Water Conveyance-Type Lake Systems Shift toward Carbon Sources under Regulatory Balanced Water Level Metabolic Processes. ACS earth and space chemistry. 

　　doi: 10.1021/acsearthspacechem.2c00141 

　　（图1： pCO2与湖泊代谢关系） 

　　（图2 ：18O technology估算湖泊生产力流程图） 

　　（图3：主航道—碟型湖不同水位时期代谢关系） 

　　（图4：鄱阳湖GPP和NEP的空间分布） 

　　（图5：pCO2随NEP的增大而增大） 

　　（图6：GPP,NEP与pCO2与DC的相关关系） 

　　（图7：水位—生源要素—湖泊代谢—pCO2关系机理） 

　　（来源：http://www.igsnrr.cas.cn/news/kyjz/202210/t20221009_6520898.html）