水温及集水区特征决定了富含泥炭的高海拔热带生态系统中小型池塘二氧化碳和甲烷排放量的变化

《Limnology and Oceanography》：Water temperature and catchment characteristics drive variation in carbon dioxide and methane emissions from small ponds in a peatland-rich, high-altitude tropical ecosystem

小水体碳排放驱动机制及安第斯山脉帕拉莫生态系统研究

　　内陆水域在大气中释放大量的碳，其中小型水体（如池塘）被认为是碳排放的热点区域。然而，由于其高变异性以及研究的不足，这些小型水体的排放量一直是全球碳预算中的主要不确定性来源，尤其是在热带生态系统中，这些区域的碳排放驱动因素仍不明确。本研究评估了热带安第斯山脉高海拔地区（称为“帕拉莫”生态系统）中小型水体的碳排放量及其变化源。我们测量了水体中的二氧化碳（CO?）和甲烷（CH?）的分压以及CO?的排放速率，研究对象包括11个池塘和1个湿地。这些水体在雨季进行了三次测量，而在旱季则对其中8个水体进行了重新测量。研究结果表明，这些小型水体在碳排放中的重要性被低估，同时揭示了影响排放热点的关键变量。

帕拉莫生态系统是热带地区的一种独特地貌，位于树线之上、冰川线之下，主要分布在委内瑞拉到秘鲁北部之间。在厄瓜多尔的东部安第斯山脉，这些生态系统可能从海拔3400米到4500米之间存在。这些地区通常拥有丰富的降水和全年生长季，促进了植物的快速生长，而土壤的持续淹没和低温抑制了有机物的分解。这种环境条件导致了碳丰富的泥炭土壤，被认为是在地球上最深的泥炭地之一，覆盖了帕拉莫景观的约20%。然而，尽管小型水体在碳排放中扮演着重要角色，它们在当前的全球碳预算中却长期被忽视，尤其是在热带地区的研究极为有限。

在本研究中，我们发现水体之间的分压和排放速率存在显著差异。所有池塘在所有采样日期中都表现出甲烷的超饱和状态，而二氧化碳则偶尔出现亚饱和。这种差异主要由水体的海拔和水温变化引起，同时水体与周围土壤的连接程度也对二氧化碳的分压产生了影响。在雨季期间，我们测得平均的CO?排放速率为0.34±0.54克CO?-C每平方米每天，CH?的平均排放速率为0.012±0.018克CH?-C每平方米每天。此外，水体面积的季节性变化在某些池塘中是导致碳排放变化的重要因素。

研究还发现，水体的形态特征（如面积、体积、面积与体积比、深度）以及流域特征（如海拔、流域大小、深度至水（DTW）指数）对分压和排放速率有显著影响。然而，水温和海拔是主要的驱动因素，其变化显著影响了甲烷和二氧化碳的分压。值得注意的是，尽管某些池塘面积较小，但其排放量却超过了较大的池塘，这表明小型水体在碳排放中的重要性远超其体积比例。此外，水体的面积波动在某些情况下对排放估计产生了较大的不确定性，这凸显了全年持续监测水体面积的必要性。

在湿地中，我们发现水体边缘的分压和排放速率显著高于开放水域。这表明湿地系统在碳排放方面具有复杂的时空变化模式，其边缘区域可能是主要的碳输入来源。湿地的开放水域与池塘的分压和排放速率在统计上相似，但边缘区域的碳排放量远高于中心区域。这提示我们，在对湿地系统进行碳排放估算时，需要考虑其边缘区域的高变异性，而不仅仅是开放水域。

本研究的发现为将这些长期被忽视的热带生态系统纳入全球碳预算提供了关键的科学依据。我们确认了小型池塘在碳排放中的重要作用，同时也强调了水体大小以外的变量（如水温、海拔、土壤-水连接性）对排放热点的影响。这些结果不仅有助于更准确地估算全球内陆水体的碳排放量，也为未来在类似生态系统中开展研究提供了方向。特别是在高海拔地区，水体的形态和环境条件对碳循环的贡献可能被低估，因此需要更多的实地研究来揭示这些区域的碳排放机制。

此外，研究中还涉及了对气态传输速率的计算，这有助于估算不同水体的碳排放总量。我们发现，虽然气态传输速率与水体的水温、降水和面积有关，但其在预测分压变化中的作用有限。因此，更关注分压的变化，特别是水温对甲烷和二氧化碳的分压的驱动作用，可能是未来研究的重点。同时，研究还指出，水体的面积波动在某些情况下对碳排放估算具有显著影响，这进一步说明了持续监测水体面积的重要性。

本研究的结果强调了在高海拔地区，小型水体对碳排放的贡献远超预期。这不仅挑战了传统对碳排放来源的认知，也为理解全球碳循环提供了新的视角。特别是在热带地区，由于其独特的环境条件，这些水体可能成为碳循环中的关键环节。然而，由于研究的不足，这些区域的碳排放仍存在较大的不确定性，需要进一步的实地研究来完善模型。

综上所述，本研究揭示了小型水体在碳排放中的重要性，并指出水温、海拔和土壤-水连接性是影响这些水体碳排放的主要因素。研究结果不仅有助于更准确地估算全球内陆水体的碳排放，也为未来在热带地区开展类似研究提供了重要的科学依据。此外，研究还强调了对水体面积和分压进行全年持续监测的必要性，以更全面地理解这些水体在碳循环中的作用。这些发现对全球气候变化研究具有重要意义，有助于更好地评估和管理碳排放。