近日,我院陈能汪教授等在海陆界面碳氮循环方面取得新进展,相关成果以 “Greenhouse gas emissions (CO2-CH4-N2O) along a large reservoir-downstream river continuum: the role of seasonal hypoxia”为题,发表于 Limnology and Oceanography. 研究发现亚热带大型电站水库季节性缺氧加剧了水库-坝下河流连续体温室气体排放,为科学评估海岸带入海河流系统碳、氮的源汇收支和气候效应提供科学依据。
研究背景
中国是世界上拥有水库大坝数量最多的国家。河流筑坝增加了水体停留时间,增强了水库中有机质的异养呼吸分解,影响碳氮循环及三种温室气体(CO2、CH4和N2O)的生产和排放。在亚热带水库(如福建闽江下游的水口电站水库),春夏季节易出现热分层,并伴随湖下层水体有机质分解引起的持续缺氧现象,进入秋冬季后则因降温促进水体垂向混合和复氧,因此产生缺氧(分层)-有氧(混合)的季节周期变化(Yan et al., 2021)。此外,洪水事件会干扰上述周期变化。亚热带水库的季节性缺氧具有普遍性,因此研究无氧-有氧周期变化和洪水扰动如何影响水库-坝下河流连续体中三种温室气体排放具有重要意义。
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研究结果
研究团队于2020-2021年对闽江水口水库过渡区和湖泊区水柱剖面及其上、下游河流连续体开展了季节性调查,调查结果表明,水口水库春夏季出现水体分层和缺氧(除梅雨季洪水事件外),秋冬季呈现水体翻转和富氧(图1)。
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图1 水口水库过渡区和湖泊区表层和底层温度(a, b)、溶解氧DO(c, d)和叶绿素a(e, f)时序图。分层指数RTRM>50表示水库处于分层状态,<50则表示混合状态。底层溶解氧<2 mg L-1表示水库处于缺氧状态。叶绿素a浓度高于20 μg L-1表示水库发生藻华
研究发现,春夏季的分层水库下层的有氧呼吸主导CO2的产生,且该产率受温度调控,温度越高产率越大(图2)。
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图2 水口水库湖下层CO2产率与温度的关系
水库分层后期,底层水及沉积物缺氧严重,厌氧呼吸产CO2的贡献增加,并伴随大量的CH4和N2O产生。基于水气平衡浓度计算的水中O2浓度偏离量(ΔO2)与CO2浓度偏离量(ΔCO2)之间的关系,可用来指示不同过程对这两者关系的潜在影响(图3)。春季和夏季缺氧期间,底层水和沉积物主要通过生物厌氧矿化产生CO2(图3a, c);洪水期间的CO2释放与观测期间水温升高和富CO2的外源水输入有关(图3b)。
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图3 水库湖泊区湖下层各时段溶解氧偏移量(ΔO2) 与CO2 偏移量(ΔCO2) 关系图(a: 春季; b: 春汛; c: 夏季; d: 秋季和冬季) 。图d中各箭头指示不同过程对这两者关系的潜在作用
此外,研究还发现春季藻华发生后,活性有机质会随着藻体死亡后的沉降过程进入底层水,促进水库好氧和厌氧矿化,释放更多的CO2和CH4。与以往大部分的单点短时观测不同,本研究基于长期观测发现春季藻华期间水库仍是CO2的源,即此时水库是一个以外来有机物分解为主导的净异养呼吸系统。
总体上,水库季节性缺氧增加了水库惰性有机质的产生(Qu et al., 2022),却同时增强了温室气体的排放,关于二者的综合估算对评估水力发电水库的碳中和问题至关重要。
研究团队及资助
我院博士后余丹和2019级硕士生吴泽涛为论文共同第一作者,黄金城官方网站陈能汪教授和郭卫东教授为共同通讯作者。合作者还包括中国海洋大学刘茜副教授、荷兰乌特勒支大学Jack Middelburg教授、美国加利福尼亚大学戴维斯分校Randy A. Dahlgren教授、温州大学瞿理印博士、黄金城官方网站李权龙教授、余其彪博士后以及张明真博士生。该研究获得国家自然科学基金面上项目(42276041, 41376082, 42276040)的联合资助
论文来源及链接
Wu Z#., Yu D#., Yu Q., Liu Q., Zhang M., Dahlgren R.A., Middelburg J.J., Qu L., Li Q., Guo W*., and Chen N*. (2024). Greenhouse gas emissions (CO2-CH4-N2O) along a large reservoir-downstream river continuum: the role of seasonal hypoxia, Limnology and Oceanography, 9999, 1-15.
拓展阅读
Yan J., Chen N*., Wang F., Liu Q., Wu Z., Middelburg J. J., Xie Y., Guo W., Zhang X. (2021). Interaction between oxygen consumption and carbon dioxide emission in a subtropical hypoxic reservoir, southeastern China. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 126, e2020JG006133.
Qu L.Y., He C., Wu Z.T., Dahlgren R.A., Ren M.X., Li P.H., Shi Q., Li Y., Chen N.W*., and Guo W.D*. (2022). Hypolimnetic deoxygenation enhanced production and export of recalcitrant dissolved organic matter in a large stratified reservoir, Water Research, 219, 118537.
文、图 | 余丹
责任编辑 | 陈能汪
排版 | 吴晓倩