Stream metabolism controls diel patterns and evasion of CO2 in Arctic streams

Gerard Rocher-Ros,Ryan A. Sponseller,Ann-Kristin Bergstr?m,Maria Myrstener,Reiner Giesler

摘要：溪流在全球碳 (C) 循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，盡管面積較小，但從內(nèi)陸水域逃逸的二氧化碳中有很大一部分來(lái)自溪流。然而，不同的陸地和水生過(guò)程驅(qū)動(dòng)二氧化碳的產(chǎn)生和逃逸的相對(duì)重要性仍然知之甚少。在這項(xiàng)研究中，作者在2015年和2016年夏季連續(xù)測(cè)量了瑞典北部以凍土帶為主的流域的溪流中的O₂和CO₂。由此，同時(shí)估計(jì)了每日代謝率和二氧化碳逃逸量，從而洞察了北極河流代謝作為碳動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)力的作用。結(jié)果表明，水生生物過(guò)程在多個(gè)時(shí)間尺度上調(diào)節(jié)CO₂的濃度和逃逸速率。光合作用導(dǎo)致二氧化碳濃度在白天下降了900ppm，這種日變化的幅度在低湍流河流中最強(qiáng)烈。二氧化碳濃度的晝夜變化模式反過(guò)來(lái)又影響了逃逸速率，夜間的逃逸率最高可達(dá)45%。整個(gè)夏季，水生生態(tài)系統(tǒng)的呼吸作用維持著二氧化碳的逸出，呼吸作用比初級(jí)生產(chǎn)總值高一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，在大多數(shù)情況下，河流呼吸的貢獻(xiàn)超過(guò)了CO₂逃逸的貢獻(xiàn)，這表明一些河流河段是CO₂的凈來(lái)源，從而造成了該河流網(wǎng)絡(luò)中C的生產(chǎn)和損失的縱向異質(zhì)性?？偟膩?lái)說(shuō)，這一項(xiàng)研究結(jié)果提供了北極地區(qū)河流代謝和二氧化碳逃逸之間的重要聯(lián)系，并證明了河流代謝過(guò)程是這些景觀輸出的陸地有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化和命運(yùn)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。

研究方法：

Miellajokka流域地圖，顏色顯示海拔變化。黑點(diǎn)代表本研究中測(cè)量點(diǎn)的位置。插圖顯示了Miellajokka流域在斯堪的納維亞半島內(nèi)的位置，虛線代表北極圈

      研究者在2015年和2016年在北極的Miellajokka河流域布設(shè)了6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)監(jiān)測(cè)水溫、水文、流量水體CO₂濃度和溶解氧。水溫和水位用HOBO U20-001-04 水位記錄儀每個(gè)小時(shí)記錄一次；水體CO₂濃度用紅外氣體分析儀(IRGA) 每個(gè)小時(shí)記錄一次。在M1和M16監(jiān)測(cè)點(diǎn)，研究者使用 GMT220傳感器，其對(duì)溶解的氣體具有高度滲透性，但對(duì)水沒(méi)有滲透性。在M6、M9、M10和M17站點(diǎn)，研究者使用eosGP CO2濃度探頭(Eosense Inc)。eosGP傳感器使用了與GMT220相同的技術(shù)，但設(shè)計(jì)中包含了PTFE薄膜。GMT220和eosGP傳感器連接到CR1000數(shù)據(jù)記錄器(Campbell Scientific Inc.)，由12v鉛酸電池供電。在現(xiàn)場(chǎng)部署前和部署后，傳感器在實(shí)驗(yàn)室中使用標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行校準(zhǔn)，氣體濃度分別為400ppm、2000ppm和5000ppm。傳感器被放置在保護(hù)套管中，以避免由于洪水和水中巖石運(yùn)動(dòng)造成的損壞，并每3周進(jìn)行檢查和輕輕清洗。由于膜材料的脆性和一些水流的極端條件，發(fā)生了幾次故障并導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，特別是在M1處。研究者使用miniDOT氧記錄器每10分鐘監(jiān)測(cè)一次氧氣濃度。所有探頭都安裝了一個(gè)銅網(wǎng)，以避免生物淤積，傳感器被放置在水流的相反方向，以防止碎片堆積和石頭的沖擊。部署前后，使用再曝氣水對(duì)傳感器進(jìn)行交互校準(zhǔn)，以達(dá)到100%的氧飽和度，然后添加干酵母將氧飽和度降低到0%。

     所有的探頭都使用一根帶孔鋼管連接到一個(gè)重金屬平臺(tái)上，以防止移動(dòng)。溫度/水位記錄儀穩(wěn)穩(wěn)地放置在管道內(nèi)部，CO₂傳感器在管道外部但位于管道下游，以便暴露在流動(dòng)的水中，而O₂傳感器與水流平行，傳感器面向下游。我們?cè)谶x擇這些地點(diǎn)時(shí)考慮了三個(gè)標(biāo)準(zhǔn):(a)在河流底部找到一個(gè)合適的位置來(lái)安裝儀器設(shè)備，這樣在基流條件下，它們就不會(huì)暴露在空氣中，同時(shí)也避免了深水池；(b)遠(yuǎn)離上游支流匯入處(除M16外，所有河流到最近支流的距離>1 km)；(c)無(wú)地下水輸入影響。在2-6次試驗(yàn)中，研究這通過(guò)比較部署地點(diǎn)與上游50-500米（視溪流大小而定）河流段鹽度的差異來(lái)估計(jì)地下水的輸入量。對(duì)于每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，研究者觀察到相似的流量值，差異小于10%，以此可以排除地下水輸入對(duì)代謝的影響。

U20-001-04 水位記錄儀              eosGP 土壤二氧化碳監(jiān)測(cè)儀

監(jiān)測(cè)結(jié)果：

主要監(jiān)測(cè)設(shè)備：

HOBO U20-001-04 水位記錄儀：HOBO U20系列水位計(jì)具有使用方便和設(shè)計(jì)小巧的特點(diǎn)，可以在記錄水位變化的同時(shí)記錄水中的溫度變化，適用于河流、湖泊、濕地和沼澤等，。它具有精度高、使用方便、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。

eosGP 土壤二氧化碳監(jiān)測(cè)儀：eosGP 土壤二氧化碳監(jiān)測(cè)儀是一款可原位連續(xù)監(jiān)測(cè)二氧化碳含量，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，既可埋于土壤中，又可淹沒(méi)在溪流或湖水中，甚至可以用于雨雪環(huán)境。低能耗，開(kāi)箱即用，可掩埋，形狀小，可兼容大部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集器，易使用，非常適用于野外系統(tǒng)集成觀測(cè)。