东北地区水库湖泊二氧化碳分压(pCO2)的季节与昼夜变化特征及其对碳通量评估的影响

本研究针对内陆水体CO2通量评估中pCO2时空异质性带来的不确定性，通过2018-2024年对中国东北6个湖泊水库的38次采样和5个定点实验，揭示了深水峡谷型水库存在显著的季节转换特征（暖季碳汇211μatm/-5.9 mmol/m2/d，冷季碳源1316μatm/42.8 mmol/m2/d），而浅水湖泊全年保持稳定碳汇功能(-8.76±3.74 mmol/m2/d)。研究首次发现9月水库存在1350μatm的昼夜波动，提出10:00-12:00为最佳采样窗口，为温带水体碳循环研究提供了重要方法论依据。

　　

在全球碳循环的拼图中，内陆水体扮演着既神秘又关键的角色——它们每年将1.9 Pg的陆地碳输向海洋，同时自身也是碳储存和转化的活跃场所。然而科学家们发现，水体表层二氧化碳分压(pCO₂)的"心跳式波动"给碳通量估算带来了巨大困扰：季节差异可能导致300%的评估偏差，而忽视昼夜变化会使日通量低估25%。特别是在中国东北这样的温带地区，冰封期与解冻期的交替更让碳收支计算变得扑朔迷离。更棘手的是，深水水库和浅水湖泊似乎遵循着完全不同的"碳作息规律"，这让我们对"水体究竟是碳源还是碳汇"的判断充满变数。

为解开这些谜团，中国科学院东北地理与农业生态研究所的研究团队展开了一项长达6年的追踪研究。他们选取东北地区具有代表性的6个水体（包括深水峡谷型水库和浅水湖泊），在2018-2024年冰消期进行了38次离散采样和5次定点连续观测。通过测量表层水pCO₂及相关水质参数，结合通量计算模型，绘制出温带水体碳交换的"动态心电图"。这项发表在《Journal of Hydro-environment Research》的研究，首次系统揭示了不同类型水体在季节和昼夜尺度上的碳交换规律。

研究团队采用多尺度观测策略：在空间维度上选择不同深度特征的水体进行对比；时间维度上覆盖春、夏、秋三季，并在典型月份进行24小时连续监测。关键技术包括：采用顶空平衡法测定pCO<₂，使用漂浮通量舱测量CO₂通量(fCO₂)，结合YSI多参数水质仪获取水温、溶解氧等实时数据。通过Pearson相关分析和主成分回归，解析了环境因子与pCO₂波动的驱动关系。

【季节变化特征】数据显示深水峡谷型水库呈现"双面人格"：5-9月为碳汇(pCO₂=211μatm，fCO₂=-5.9 mmol/m²/d)，而9月下旬至11月突变为强碳源(pCO₂=1316μatm，fCO₂=42.8 mmol/m²/d)。这种剧烈转变源于热分层瓦解导致的深层富CO₂水体上涌。相比之下，浅水湖泊全年保持稳定碳汇功能(fCO₂=-8.76±3.74 mmol/m²/d)，得益于充足光照促进的藻类固碳。

【昼夜波动规律】定点观测捕捉到水库在9月出现惊人的1350μatm昼夜振幅——正午因光合作用使pCO₂降至最低，而凌晨因呼吸作用升至峰值。相关分析表明这种波动主要受光合有效辐射(PAR)调控，且营养盐水平通过影响藻类生物量间接放大这种效应。

【采样方案优化】基于时空变异分析，研究建议：对深水水库必须区分分层期和混合期采样，浅水湖泊则可减少采样频次；昼夜采样最佳窗口为10:00-12:00，此时数据最接近日均值。忽略这些时空特征可能导致年通量评估产生45%偏差。

这项研究从根本上改变了我们对温带水体碳循环的认知：传统认为水库是稳定碳源的观点需要修正——它们在暖季实际发挥着碳汇功能；而浅水湖泊的持续固碳能力则与富营养化程度呈现复杂关联。更关键的是，研究建立的时空采样框架，为全球碳预算评估提供了方法论标准。正如通讯作者Zhidan Wen指出："理解pCO₂的'生物钟'特性，就像掌握了碳循环的密码本——只有在对的时间、对的地点观测，才能解码水体真实的碳语言。"这些发现不仅完善了陆地-水体-大气连续体的碳交换理论，也为水电工程的碳足迹评估提供了科学依据。