近日，5123导航陈能汪教授与郭卫东教授等合作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
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）。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）。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。
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
5123导航环境与生态学院博士后余丹和2019级硕士生吴泽涛为论文共同第一作者，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、5123导航李权龙教授、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.
https://doi.org/10.1002/lno.12544
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.
图/文：余丹 郭卫东 陈能汪
编辑：朱佳 诸姮 薛锦华
审核：鲍红艳 曹知勉
排版：陈蕾
