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。
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）。
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）。
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）。
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，厦门大学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、厦门大学李权龙教授、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
