气候变暖与富营养化趋势下浅水湖泊水—气界面温室气体交换机制研究

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大气中二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)浓度升高与全球变暖有着紧密的联系,频发的极端天气事件使得未来温室气体排放情景更为严峻。百年尺度上,湖泊生态系统仍需长期面临气候变暖与水体富营养化的双重困境。预计气候变暖与富营养化趋势下湖泊温室气体的循环和影响因素将会发生明显的响应变化。因此,本研究利用中尺度围隔控制系统设置不同升温模式(固定升温4℃与波动升温0~8℃,保持输入热量一致)与磷添加(每2周输入KH2PO4 25μg L-1)交互处理组的控制实验:1)探究水-气界面间温室气体通量变化规律,2)分析不同环境因子对温室气体交换的影响,3)讨论温室气体的源汇状况及转变。主要研究结果如下:(1)控制系统水-气界面CO2交换机制的研究结果表明,处理组间在冬、春季的CO2交换通量主要为负值,表现为从大气中吸收CO2,而夏、秋季的CO2交换通量则基本由负值转为正值,常温处理组(C组和P组)表现出强烈的排放现象,升温的处理组(T组、V组、TP组和VP组)表现为波动的吸收和排放现象。CO2年累积交换量的结果显示,在整个实验期间常温的处理组均表现为大气CO2的源,固定升温与波动升温的处理组均表现为大气CO2的汇。电导率、DO、p H值、DOC、TN、TP、NO3--N、NH4+-N、Chl.a、沉水植物PVI指数(冬春)和浮叶植物盖度(夏秋)均显著影响控制系统内CO2交换通量。升温处理对控制系统内CO2的交换过程产生了显著的抑制作用,磷添加对CO2交换通量的影响并不显著,但在相同升温情景下磷添加处理组的CO2交换通量均相对更低(C组>P组;T组>TP组;V组>VP组)。预测变暖对CO2交换的影响也能够表现出积极的一面,早期升温促使沉水植物茂盛生长的水体环境可能有助于整体减缓CO2的排放效果。(2)控制系统水-气界面CH4交换机制的研究结果表明,整个实验期间CH4的交换过程始终表现为强烈的排放现象,CH4交换通量表现为夏季>秋季>春季>冬季,并且不同季节之间的CH4交换通量存在着数量级上的差异。CH4年累积交换量的结果显示,在整个实验期间所有的处理组均表现为大气CH4的源。电导率、DO、p H值、DOC、TP、NO3--N、NH4+-N、Chl.a、沉水植物PVI指数(冬春)和浮叶植物盖度(夏秋)显著影响控制系统内CH4交换通量,而处理组间的CH4交换通量与TN的相互关系并不显著。不同升温模式与磷营养盐添加的交互作用显著促进了控制系统内水-气界面间CH4的排放,但升温或磷添加的单因子的影响并不显著。预测未来情景下升温与磷添加的交互作用能够显著增强湖泊CH4的排放潜力,导致未来升温形势更为严峻,因此需要更多关注于CH4减排措施。(3)控制系统水-气界面N2O交换机制的研究结果表明,N2O的交换过程十分活跃,所有处理组在实验期间均能够表现出排放与吸收的转换特征。N2O年累积交换量的结果显示,在整个实验期间无磷添加的处理组表现为大气N2O的源,磷添加的处理组均表现为大气N2O的汇。DO、DOC、TP、NO3--N、NH4+-N、Chl.a和沉水植物PVI指数(冬春)是显著影响控制系统内N2O交换通量的环境因子,而处理组间的N2O交换通量与电导率、p H值、TN和浮叶植物盖度(夏秋)的相互关系均不显著。升温显著促进了水-气界面间N2O的排放,表现出与代谢理论的一致性,而不同的升温模式间N2O的交换过程无明显差异,磷的添加对水-气界面间N2O的排放过程表现出明显的抑制作用。预测未来情景的升温能够促进湖泊N2O转向为大气的源,而磷添加能够促进湖泊N2O转向为大气的汇,但对湖泊升温效应的贡献仍十分有限。
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