Picarro G2131-i | 揭秘中国湖泊：二氧化碳浓度与碳同位素的神秘面纱

江苏海兰达尔环境科技有限公司

2024/08/30 15:34

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Picarro G2131-i | 揭秘中国湖泊：二氧化碳浓度与碳同位素的神秘面纱

江苏海兰达尔

2024年08月30日 15:01 江苏

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.envres.2024.119826

引言

湖泊作为内陆水系统的重要组成部分，从陆地地表水积累了大量的碳，从而对全球碳源/汇、区域气候调节、维持区域碳预算和生态系统平衡产生了强烈影响。根据估计，全球湖泊每年的CO₂排放量约占全球海洋每年CO₂碳汇总量的14%到28%。因此，准确估计湖泊的CO₂排放对于理解不同生态系统中的碳循环和预测全球气候变化至关重要。

稳定碳同位素值（δ¹³C）是碳循环的重要指标，可以用来定性或定量地追踪碳源、指示碳循环过程，并确定供应的端元。然而，在关于湖泊溶解CO₂的研究中，通常更多关注CO₂浓度的变化及其与环境因素的关系，而关于湖水中CO₂的δ¹³C值的报道较少。

在这项研究中，研究人员在中国的青藏高原、黄土高原和长江平原的33个湖泊中测量了CO₂浓度和δ¹³C值。尤其是使用了能够进行现场连续在线测量的设备，从6个湖泊中获得了高空间分辨率数据，以及一些基本的环境参数。该研究的目标是：（1）利用高分辨率湖泊数据评估湖泊CO₂浓度和δ¹³C值的空间变化；（2）检查影响湖泊CO₂浓度和δ¹³C值的环境因素；（3）探索湖水中CO₂浓度与CO₂/DIC δ¹³C值之间的关系。

测量方法

研究调查的湖泊位于中国青藏高原东北部、黄土高原和长江平原地区。2022年6月和7月，分别在青藏高原的托苏湖和克鲁克湖，以及黄土高原地区的什郎湖、富地湖、临高湖和天池进行了高空间分辨率调查。为确保CO₂浓度比较的准确性，观测在上午10点至下午3点之间进行，以尽量减少日变化的影响。

快速响应自动化气均衡系统作为流量机制运行，通过将气流引入恒定水流中，创建最小的气头顶空，用于连续测量。质量流量控制器用于保持150 ml/min的恒定载气流速，而蠕动泵以500 ml/min的速率提取水样,然后将这些水样在气水混合单元（一个10 ml塑料注射器）中混合。随后，被引导至气水分离单元（一个30 ml塑料注射器），以将顶空气体与水分离。研究使用Picarro G2131-i二氧化碳浓度及同位素分析仪对湖泊水样品中溶解的CO₂浓度进行测量，并使用两瓶可溯源的同位素标准气体进行校准。

研究中湖泊采样的位置示意图

结果与讨论

众多研究已经探讨了特定湖泊中CO₂浓度/通量的空间变化，都显示出明显的差异。然而，目前对湖泊中CO₂的δ¹³C值空间变化的研究还相对有限。在本研究中，我们在中国黄土高原和青藏高原的6个湖泊进行了连续的现场观测，监测了CO₂浓度和δ¹³C值。天池的数据点较少，但仍然超过1000个，而富地湖、什郎湖、克鲁克湖和托苏湖的数据点大约在2000-4000个，临高湖的数据点超过7000个。

这些高空间分辨率数据显示了湖泊中CO₂浓度和δ¹³C值的显著空间变化（如下图）。具体来说，什郎湖、天池、临高湖和托苏湖的CO₂浓度空间变化通常低于6 μmol/L，而克鲁克湖的空间变化约为13 μmol/L。值得注意的是，富地湖显示出最大的CO₂浓度空间变化，高达24 μmol/L。关于CO₂的δ¹³C值，富地湖和什郎湖的水表现出相对较小的空间变化（小于2‰），而克鲁克湖和托苏湖的空间变化约为4-5‰，天池和临高湖的空间变化约为6‰。在本研究中，我们没有对长江平原则的湖泊进行高空间分辨率调查。相反，在该地区，我们通常在每个湖泊内采样了多个点位。这些湖泊的CO₂浓度和δ¹³C数据的分析表明，湖水中CO₂浓度的变化范围更广（大多在30到100 μmol/L之间），而湖水中CO₂的δ¹³C值的变化通常保持在2-4‰的范围内。

因此，在估计全球、区域或个别湖泊的CO₂排放时，考虑到湖水中CO₂浓度的空间变化导致的不确定性至关重要。特别是对于浓度较高的湖泊，由于它们CO₂浓度的空间变化导致的估计不确定性可能很大。相反，湖水中CO₂的δ¹³C值的空间变化通常有限（通常在2到6‰之间）。鉴于中国不同地区湖泊水体中CO₂的δ¹³C值存在较大差异（变化高达17‰），空间变化对于比较中国不同地区水体的δ¹³C值的影响相对较小。

各湖泊内CO₂浓度的空间分布

结论

本研究对中国三大湖区的33个湖泊进行了深入的溶解CO₂浓度及碳同位素δ¹³C值的分析，揭示了湖泊在碳循环中的关键作用及其对气候变化的潜在影响。研究发现，不同地区湖泊的CO₂浓度和δ¹³C值表现出明显空间差异，其中长江平原湖泊的CO₂浓度显著高于青藏高原和黄土高原。δ¹³C值的变化趋势也反映了不同湖泊的碳源和生物地球化学过程的差异，青藏高原湖泊的δ¹³C值更正，而黄土高原湖泊的δ¹³C值更负，这可能与土壤碳库和植被类型有关。

本研究的结论不仅强调了在估算湖泊CO₂排放量时考虑空间变化的重要性，也指出了δ¹³C值在理解湖泊碳源和碳循环过程中的应用潜力。通过这些发现，我们可以更好地预测和管理湖泊对全球碳循环的贡献，以及它们在气候变化中的作用。这项研究为全球碳循环研究和气候变化预测提供了宝贵的数据和新的视角，有助于我们更深入地理解湖泊生态系统在全球碳平衡中的作用。

通过对湖泊CO₂浓度和δ¹³C值的综合分析，本研究为湖泊碳循环研究领域提供了新的见解，并为未来的湖泊生态系统管理和气候变化适应策略的制定提供了科学依据。随着气候变化对湖泊生态系统的影响日益显著，这些发现对于制定有效的环境政策和保护措施具有重要意义。

编辑人：陆文涛

审核人：史恒霖

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