陸地DOM的輸入伴隨著DO和pH值的下降并加劇了千島湖的CO2排放

摘要：

陸地輸入和隨后湖泊生態系統中溶解有機物（DOM）的降解會導致溶解氧（DO）的快速消耗。陸地DOM（包括有機酸）的輸入也會導致pH值下降。然而，迄今為止，很少有研究調查陸地DOM輸入、水體中的DO和pH水平以及湖泊生態系統的二氧化碳（CO2）排放之間的聯系。根據2020年5月至2021年4月在中國主要人工飲用水水庫千島湖100個站點的月度實地采樣活動，我們估計該湖的年二氧化碳排放量（FCO2）為37.2±29.0 gC m−2 yr−1，相當于0.02±0.02 TgC yr−1。FCO2隨著DO、葉綠素a（Chl-a）和δ2H-H2O的降低而顯著增加，而FCO2隨著比紫外吸收率（SUVA254）和陸地類腐殖成分（C2）的增加而增加。我們發現DO濃度和pH隨著陸地DOM輸入的增加（即SUVA254和陸地類腐殖C2水平的增加）而下降。垂直剖面采樣顯示，CO2的分壓（pCO2）隨著陸地DOM熒光（FDOM）的增加而增加，而DO、pH和δ13C-CO2隨著陸地FDOM的增加而下降。這些結果強調了陸地DOM輸入在改變物理化學環境和促進該湖泊和潛在的其他水生生態系統的二氧化碳排放方面的重要性。

圖形摘要：

研究目的：

確定中國主要水庫之一的千島湖中溶解有機質（DOM）的化學組成和活性如何影響溶解氧（DO）濃度和pH，從而影響二氧化碳（CO2）的排放。陸地DOM輸入及其隨后的降解與水體中DO和pH水平以及CO2排放之間的聯系。

研究方法：

2020年5月至2021年4月期間，每月在千島湖的100個站點進行了現場采樣。研究者測量了溶解氧（DO）、pH、水溫和陸地DOM熒光（FDOM），并收集了水樣進行實驗室分析，包括DOC、Chl-a、δ2H-H2O、SUVA254等。此外，還使用超高效分辨率質譜（FT-ICR MS）來追蹤DOM的分子組成，同時使用Picarro G2201-i同位素分析儀來測量CO2的穩定同位素組成，并進行垂直剖面采樣以研究pCO2和δ13C-CO2的垂直變化。

Picarro 儀器的使用：

Picarro G2201-i同位素分析儀被用于測量水樣中CO2的濃度及穩定同位素組成，這是離散采樣測量。在文章中，展示了2022年5月、8月和2023年3月在水庫中進行的三次垂直剖面采樣期間收集的pCO2和δ13C-CO2的數據，這些數據是通過Picarro G2201-i儀器獲得的。

Picarro G2201-i儀器提供的數據用于分析CO2的穩定同位素組成（δ13C-CO2），這有助于研究者們理解CO2的來源和產生過程。通過這些數據，研究者們發現隨著陸地DOM熒光（FDOM）的增加，pCO2增加，而DO、pH和δ13C-CO2減少。這表明陸地DOM的輸入和隨后的降解導致了DO的消耗和pH的降低，從而促進了CO2的排放。這些發現支持了研究的結論，即陸地DOM的積累和降解是水庫CO2排放的關鍵過程，并且這些排放與水體中DO的消耗和pH的降低有關。這些結果強調了在模擬湖泊和水庫碳平衡的變異性時，應考慮DOM的化學組成和活性對DO和pH變化的影響。

結論：

我們估計千島湖的年CO2排放量為0.02±0.02 TgC yr−1。我們的研究結果表明，陸地DOM的積累和降解會加劇CO2排放，同時伴隨著DO的消耗和水體pH值的下降。結果表明，DO和pH水平隨著陸地DOM的增加而下降，δ13C-CO2隨陸地FDOM的增加而降低；隨著pH值的降低，pCO2增加，而δ13C-CO2的穩定同位素特征降低。這些結果突出了DOM的陸地輸入在驅動CO2排放中的重要性。鑒于DOM在全球碳生物地球化學循環中的重要性，在模擬湖泊和水庫中碳平衡的變化時，應考慮DOM的化學成分和生物不穩定性對DO和pH的變化以及CO2排放的影響。