西北高原所在高寒湿地温室气体排放研究方面取得新进展

水库温室气体排放是目前全球关注的热点问题。目前大部分研究主要集中在不同气候区大型水库温室气体排放通量及其影响,而很少关注小型水库在温室气体排放中的作用。全球有超过数百万的小型水库,其拦截和积累了大量陆地碳和氮,并因此成为潜在的温室气体排放热点区域。

近日,中国科学院重庆绿色智能技术研究院生态中心研究员李思悦通过和澳大利亚Newcastle
University及美国Washington State
University等单位合作研究,揭示了极端干旱水文对澳大利亚典型湖泊水质和界面物质交换的控制作用,以及全球水库水-气界面温室气体释放的关键影响因素及预测因子。相关成果发表在Journal
of Hydrology
, Science of the Total Environment 以及Bioscience上。

中国科学院西北高原生物研究所贺金生课题组于9月9日在《全球变化生物学》(Global
Change Biology
)在线发表了题为Molecular mechanisms of water table
lowering and nitrogen deposition in affecting greenhouse gas emissions
from a Tibetan alpine wetland

的研究论文,报道了高寒湿地温室气体(CO2、CH4和N2O)排放对水位降低和氮沉降的响应,并探讨了温室气体排放变化背后的微生物学机制。

中国科学院成都生物研究所研究员陈槐与重庆大学教授袁兴中合作,采用边界层模型法对分别位于重庆市城市区、农业区以及林地区的16个小型水库表层CO2、CH4和N2O浓度及排放通量进行评价,探讨了不同流域特征下小型水库温室气体排放强度和影响因素。研究发现:城市区小型水库由于污水排放的影响,CO2(4267
± 2831 μatm)、CH4(0.76 ± 0.43 μmol·L-1)和N2O(0.200 ± 0.179
μmol·L-1)浓度均最高,分别是林地区小型水库的3倍、7倍和10倍(CO2:1374 ±
1080 μatm,CH4:0.13 ± 0.03 μmol·L-1,N2O:0.020 ± 0.008
μmol·L-1)。与世界典型区域水库研究结果对比,城市区的小型水库温室气体溶存浓度和排放通量均达到极高水平,农业区小型水库达到较高水平,都是典型的温室气体排放热点。回归分析结果表明,TP、DOC以及叶绿素a是影响CO2的关键因子,而N、P含量与CH4和N2O浓度关系密切,具有较好的解释度。该研究有助于准确评价人类活动对全球变化的潜在影响,认为城市区小型水库的温室气体排放应得到更加广泛的关注,合理的污水减排以及绿色发展将有助于减缓城市小型水库温室气体排放。

人为活动引起的全球变化特别是极端水文情势强烈影响着自然湖泊和人为湖泊生态系统元素循环及水质状况,然而湖泊水质及界面物质通量对极端水文情势的响应及全球水库界面温室气体释放关键控制因素仍不清楚。研究以澳洲典型滨海湖泊(Lower
Lakes)为例,研究了近100年史上极端干旱水文条件下湖泊生态系统溶解性无机碳组成、水体酸化、富营养化及盐度特征时空演化。结果表明干旱水文显著增加水体的富营养化水平、盐度及酸化,并促成湖泊水-气界面从碳汇到碳源的转化。研究对Lower
Lakes应对极端气候变化的水质管理对策提供科学依据,并对预测淡水生态系统界面物质交换对全球变化的响应有显著的科学意义。

青藏高原高寒湿地是三江之源,亚洲的水塔。近年来高原经历的快速气候变化和日益增多的人为活动,导致了湿地水位的下降和氮沉降的增加,而这些变化可能极大地影响高寒湿地温室气体的排放。以前的相关研究多集中在高寒湿地温室气体排放的时空异质性,或局限于单种温室气体对环境变化的响应分析上,目前还没有研究探讨全球变化对高寒湿地三种温室气体综合温暖效应的影响这一重要科学命题。

研究结果已发表于《大气环境》(Atmospheric
Environment
)。该研究得到中科院“百人计划”项目资助。

针对水库在碳循环中的重要作用,科研人员在全球尺度上评估了界面温室气体(CO2,CH4和N2O)通量、关键预测因子以及测定方法对通量估算的影响。主要结果包括:估算了水库温室气体CO2
(36.8 Tg C-CO2/y), CH4 (13.3 Tg C-CH4/y) 及N2O (0.03 Tg
N-N2O/y)释放量,水体营养水平是影响水库温室气体CH4和N2O的关键因素,叶绿素和NO3-N分别预测CH4和N2O通量。成果发表在Bioscience上后引起了广泛的关注,成为该刊11月的Editor's
Choice,且Science
杂志对其进行了专题报道。研究为进一步系统评估水库的源汇效应以及预测未来全球变化背景下水-气界面物质交换通量提供科学依据。

为了解决这一问题,贺金生课题组在海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站利用中宇宙实验并结合宏基因组学方法(GeoChip
5.0),首次探讨了全球变化背景下高寒湿地三种温室气体排放的变化及其背后的分子生物学机制。

论文连接

上述研究成果得到中科院“百人计划”和国家自然科学基金项目资助。

通过三年的实验发现,水位降低导致CH4排放降低,但对生态系统净CO2交换量和N2O通量无显著影响;氮沉降增加了生态系统净CO2吸收和N2O排放,但对CH4排放没有显著影响;综合三种温室气体来看,水位降低和氮沉降均降低了高寒湿地温室气体排放的全球变暖潜势(global
warming potential,
GWP)。宏基因组学分析进一步表明,水位降低处理下,CH4产生潜势的降低而不是CH4氧化潜势的增加,是导致净CH4排放减少的原因;硝化潜势的降低和反硝化潜势的增加,共同影响了N2O通量的变化。该研究结果强调了微生物机制在调控生态系统尺度上温室气体对环境变化响应方面的重要性。

相关论文:

该研究得到了中科院“百人计划”项目、科技部气候变化专项、国家自然科学基金的资助。

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