文献阅读 | 西伯利亚西部内陆水域的碳排放
题目
Carbon Emission from Western Siberian Inland Waters
作者
Jan Karlsson, Svetlana Serikova, Sergey N. Vorobyev, Gerard Rocher-Ros, Blaize Denfeld, Oleg S. Pokrovsky
期刊
Nature Communications
时间
2021年2月
一作
单位
Climate Impacts Research Centre (CIRC), Department of Ecology and Environmental Science, Umeå University, Linnaeus väg 6, 901 87 Umeå, Sweden.
链接
https://doi.org/10.1038/s41467-021-21054-1
研究背景
北部高纬度地区被众多的河流和湖泊所覆盖，合起来占据了大约地球16%的陆地面积。同时，这些地区储存了大量的碳，其中约88%储存在永久冻土中。目前，高纬度地区变暖加速，年平均气温上升速度是全球平均速度的两倍，使得以前冻结的永久冻土易受气候变暖的影响。当永久冻土融化时，它暴露出大量的有机碳，导致碳降解以及释放二氧化碳和甲烷。大量陆地无机和有机碳也出口到内陆水域，导致额外的二氧化碳和甲烷从水面排放到大气中。内陆水域的碳排放是全球碳循环的一个重要组成部分。然而对于高纬度地区，这种评估很少，并且通常局限于小的集水区，这意味着在理解高纬度碳循环及其对气候系统的反馈方面存在重大的不确定性。
西伯利亚西部的永久冻土容易融化，在过去的几十年里一直在退化。另一方面，西西伯利亚拥有最大的北极分水岭——鄂毕河，它是北冰洋的第二大淡水来源，也是少数几条沿其路线穿过所有永久冻土带(从无永久冻土带到连续永久冻土带)的北极河流之一。重要的是，西西伯利亚内陆水域没有直接的碳排放估算。西伯利亚系统已被纳入全球内陆水碳排放估算，但这些估算是基于很少的间接(计算的气体浓度和模拟的通量)快照数据，这些数据具有非常低的空间和时间分辨率，被发现会引入很大的不确定性，并且不能充分捕获年碳排放量。鉴于该地区碳储量大，且对变暖总体敏感，显然需要估算西西伯利亚内陆水的碳排放，以限制其在当前和未来高纬度和全球碳循环中的作用。
图 1 西伯利亚西部的区域特征。西西伯利亚地图包括鄂毕河、普尔河和塔兹河流域的位置（图1-a红线）、永久冻土范围（图1-b）、鄂毕河主河道中的二氧化碳分压（图1-c红色梯度条）、主河网分布（图1-c蓝线）、58条研究河流的位置（图1-c灰色圆圈）以及89个研究湖泊所在的六个区域（图1-d灰色三角形）
本文使用新的内陆水碳排放率估计值（从2014年至2016年）以及西西伯利亚所有永久冻土带的面积来量化西西伯利亚内陆水的年碳排放总量。并总结了所有内陆水域(河流、溪流、湖泊、池塘)的碳排放，使用标准误差传播方法评估了不确定性。这些结果让我们首次对内陆水域在碳循环中的作用进行了评估，该地区是世界上研究最少但规模最大的北部生态系统之一，冻土正在快速融化。
研究方法
（1）内陆水域面积估计
本文使用了Landsat(GRWL)和Global Water Bodies（GLOWABO）的全球河流宽度数据库来估算Ob、Pur和Taz河流域的河流和湖泊面积。首先使用ArcMap10.5将数据库文件剪切到西西伯利亚的相应区域。然后用Ob的主通道掩码覆盖GRWL河网。使用环北极永久冻土和地面冰条件地图的shapefiles文件，进一步将Ob的主要河道、河流和湖泊文件分离到各自的永久冻土区。之后，合并Ob的主要通道、河流和湖泊的冻土地带文件，使三者成为连续空间数据集。目前还没有数据能够包含所有系统和整个区域的地表面积的时间变异性，所有面积估计都假定代表开放水域季节的平均情况。
（2）Ob主河道的碳排放
本文用亨利常数和压力估算了水和与大气平衡的水中pCO2的摩尔浓度。对测量结果进行分组，并计算每个永久冻土区（无永久冻土区、孤立永久冻土区、零星永久冻土区、不连续永久冻土区和连续永久冻土区）的pCO2溢出总量。为了计算每个永久冻土带的pCO2溢出总量，进行了蒙特卡洛模拟，随机采样水中的pCO2、大气中的pCO2和PH值十万次。
然后，根据《环北极永久冻土和地面冰条件图》在不同的冻土带增加了土地面积，并通过将碳排放速率归一化到各自的土地面积来估算每个数据点的碳产量。
（3）河流和溪流的碳排放
为了量化河流的碳排放，本文使用了58条河流每日二氧化碳排放速率的公布数据。利用从观测到的二氧化碳排放速率河流数据中获得的各永久冻土区的平均值，为每个永久冻土区的二氧化碳排放速率创建了5个正态分布，每个正态分布有10,000个值。然后估计了每天的CH4和碳排放量与Ob主通道相同。利用纬度线性回归估算每个数据点的季节长度，并将每个数据点每天的碳排放速率与季节长度和水域面积相乘。最后，把所有的点加在一起，得到了河流的碳排放总量。
（4）湖泊和池塘的碳排放
对于永久冻土影响的湖泊，使用已公布的碳排放速率数据。利用湖泊数据中的平均值和标准差创建了5个代表不同永久冻土带的碳排放速率数据的正态分布。然后，对于每个观测值，本文通过永久冻土层特定排放速率分布进行子采样，随机分配一个二氧化碳排放率。利用纬度线性回归估算每个数据点的季节长度，并将每个数据点的每天碳排放速率与季节长度和水域面积相乘。最后，把所有的点加在一起，得到了受永久冻土层影响的湖泊和池塘的碳排放总量。
（5）碳排放估算中的不确定性
采用蒙特卡罗方法估算了Ob主通道碳排放速率值的不确定性。为了统一评估内陆水域不同组分碳排放的不确定性，本文使用误差传播的标准规则。假设关键变量（碳排放速率、水域面积和季节长度）估算的不确定性为15%，误差传播如下：
估计河流和湖泊碳排放总量以及内陆水域（河流、溪流、湖泊、池塘）碳排放总量的不确定性如下：
（6）统计数据
本文采用Kruskal-Wallis检验法对西伯利亚西部不同多年冻土带的500个随机抽样值进行了内河水碳排放和碳产量（河流和湖泊，不包括溪流和池塘）的差异分析。
研究结果
本研究发现，来自河流的碳排放速率比来自湖泊的碳排放速率大4倍，这表明激流系统的碳排放速率更大（如图2所示）。综合起来，内陆水域（不包括溪流和池塘）覆盖了西伯利亚西部约5.2%的面积。其中，相对于河流来说，湖泊占了景观的大部分面积。西伯利亚西部河流和湖泊不仅碳排放总量较高，而且多年冻土层之间也存在差异。碳排放量（内陆水域碳排放总量向陆地面积换算）随着冻土面积的增加而增加，在不连续冻土带达到最大值。这种模式是多年冻土区湖泊碳排放量特别高的结果，湖泊覆盖的土地面积占很大比例，而河流对碳排放量的贡献较小，在多年冻土区没有明显的趋势。这种碳产量的增加，强调了西伯利亚西部多年冻结区的温暖地区和寒冷地区，都是该地区整体内陆水域碳高排放的重要贡献者。
图2 西伯利亚西部多年冻土梯度的内陆水碳通量动态。图2-a表示河流和湖泊单位水与面积和表面面积覆盖率的年碳排放速率。红色的十字代表陆地面积。图2-b表示河流和湖泊的年碳排放量和产量。这个数字不包括最小的溪流和池塘。
在评估西伯利亚西部内陆水域碳排放量大小时，本文使用了已公布的碳排放速率和区域测量值。然而，这些估计不包括最小的溪流和池塘的面积，它们通常是景观中最丰富的水体和大气中碳的潜在的重要来源、通过对小系统的面积外推，激流和净水的总面积分别增加了约1.6倍和2.4倍，水占土地的比例增加到约12%。激流系统中的碳排放量几乎处于溪流和河流的碳排放量之间，其中Ob主河道的碳排放量占河流碳排放量的24%。湖泊的碳排放量略低于小池塘（如图3所示）。
图 3 西伯利亚西部的碳通量。图3-a表示不同种类的内陆水碳排放。图3-b表示内陆水总量碳排放，土地吸收，河流向北冰洋输出碳，卡拉海吸收碳。
本研究对西伯利亚西部内陆水域碳排放量的估计比以前认为的要大。pCO2的平均浓度、CO2的平均排放速率和河流的碳排放分别比先前从间接观测和模型中推断的评估高出3倍、6.3倍和4.6倍。西伯利亚西部内陆水域的总碳排放量比受永久冻土影响的育空河的总碳排放量多4.2倍。
研究结论
这项研究的结果基于一个广泛的数据集，该数据集直接测量了碳排放率，覆盖了大范围的河流和湖泊，覆盖了西伯利亚西部的一个完整的永久冻土梯度。西伯利亚西部内陆水域碳排放量较高，需要对其他主要流域的内陆水域碳排放量进行进一步的区域估计，以更好地约束它们在全球碳循环中的作用。气候变暖可能会改变内陆水域的面积，主要是对融雪池和湖泊来说，忽略内陆水域的碳排放可能在很大程度上低估了气候变暖对这些地区的影响，也忽视它们作为陆地碳汇能力也会被减弱这一事实。因此，需要对陆-水耦合碳循环进行进一步研究，以便更好地了解当代碳循环的区域差异，并预测这些尚未研究和气候敏感地区的未来状况。
编辑&排版：徐沙沙
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