通讯作者：李思悦 教授
通讯单位：武汉工程大学
https://doi.org/10.1021/acs.est.4c06244
•
采用了非分散红外仪连续监测大型城市湖泊
C
O
2
浓度并获高频排放数据。
•
提出了
城市湖泊
夜间
C
O
2
排放通量能提高
其
全天排放量
70%
。
•
提出了
10:00
是最接近城市湖泊全天平均
C
O
2
排放通量
的时间段。
• 以溶解性碳视角解析了富营养化和溶解性有机质对城市湖泊C
O
2
昼夜差异的影响机制。
快速城镇化深刻改变了湖泊碳循环过程。城市湖泊二氧化碳（C
O
2
）排放量仍存在极大的时空异质性，例如，诸多环境因子（如太阳辐射、温度、风速和溶解氧等）会在昼夜周期内波动，尤其在周边人口密集的城市湖泊，富营养化水体中藻类的生长增强了白天光合作用，从而减少C
O
2
排放，而城市径流和污水中营养物及有机碳输入则增加C
O
2
排放，从而产生城市湖泊C
O
2
排放通量的昼夜差异，最终影响其准确估算。
此外，城镇地区人类活动的复杂性和多样性使其湖泊碳来源的时空特征也难以量化。
溶解性有机质（DOM）与C
O
2
具有相似的迁移途径，DOM降解控制着C
O
2
产生和释放的时空变化。DOM的光学特征（包含组成、丰度、芳香性和荧光组分等相关参数），有助于揭示和量化其对湖泊C
O
2
产生的影响。然而，DOM与城市湖泊C
O
2
排放之间的耦合关系很少被报道。鉴于全球城市化进程加快，探索DOM来源与动态及其对湖泊C
O
2
产生和释放规律的影响至关重要。
图
1 图文摘要
本研究以中国最大城中湖—汤逊湖为研究对象，在分别于旱季和雨季采用非分散红外仪实时连续监测三个不同采样点的表层水体C
O
2
浓度（cC
O
2
，μmol
L
-1
），结合薄边界层模型法获得高频C
O
2
排放通量（FC
O
2
，mmol m
-2
d
-1
）数据，在不同季节，根据当地的日出和日落时间定义本研究的昼夜时间段，以分析城市湖泊C
O
2
排放通量的昼夜差异。24小时内，每间隔1小时开展样品采集等工作，并于室内分析水体DOM光学特征。
研究结果表明，在汤逊湖，24小时内，cC
O
2
有着近乎对称的循环规律：即cC
O
2
通常在18:00开始升高，这一升高趋势在夜间不断持续，直到6:00，然后开始逐渐下降，通常在白天10:00左右会出现显著的下降（图2）。整体上看，在旱季（白天：38.58±23.8 μmol L
-1
；夜间：42.01±20.2 μmol
L
-1
）和雨季（白天：20.7±25.73 μmol
L
-1
；夜间：34.38±31.19 μmol
L
-1
），夜间cC
O
2
通常更高（
p
<0.01）。
图2 汤逊湖采样点（a）T1，（b）T2和（c）T3的C
O
2
浓度24小时连续监测数据
相应地，汤逊湖FC
O
2
也存在显著昼夜差异（图3），其昼夜通量比由旱季的0.79（白天：7.68 mmol
m
-2
d
-1
；夜间：9.68 mmol
m
-2
d
-1
）降低至雨季的0.25（白天：6.05 mmol
m
-2
d
-1
；夜间：24.16 mmol
m
-2
d
-1
）。最终，汤逊湖的昼夜通量比为0.42（白天：6.77±21.23 mmol
m
-2
d
-1
；夜间：15.97±27.32 mmol
m
-2
d
-1
），相应的昼夜转化因子（Diel factor）为1.7，即C
O
2
排放通量全天平均值与白天平均值之间的数值关系，该数值意味着当考虑夜间FC
O
2
时，能提高汤逊湖全天C
O
2
排放通量70%。
图3 汤逊湖三个采样点在旱季和雨季时的C
O
2
排放通量（mmol
m
-2
d
-1
）
通过平行因子分析（PARAFAC），本研究鉴别了汤逊湖水体含有4种荧光组分：C1（Ex/Em 300/390 nm）、C2（255/458 nm）、C3（280/328 nm）和C4（270/294 nm）。这四种组分在旱季的荧光强度比在雨季更高（
p
<0.05）（图4）。与雨季相比，在旱季a
254
（吸光系数）和SR（光谱斜率比）显著高于雨季，而E2/E3（吸光度比值）显著低于雨季（
p
<0.01），表明旱季中DOM丰度更高。SUVA
254
（与DOM中的芳香族含量相关）在旱季（3.9±0.69 L m
g
-1
m
-1
）和雨季（3.78±0.2 L mg
-1
m
-1
）之间没有显著差异（
p
=0.75）。FI（荧光指数，>1.9）和HIX（腐殖化指数，<4）在季节之间没有显示出显著差异（
p
>0.05），表明两个季节的腐殖化程度较弱。与雨季相比，FrI（新鲜度指数）和BIX（生物指数，>1）在旱季都具有显著较低的值（
p
<0.05），显示出在雨季生物源物质的比例较高。
图
4
汤逊湖水体
CDOM（A-D），荧光组分（E-H）和FDOM（I-L）
的季节变化特征
图
5
汤逊湖白天与夜间的偏最小二乘结构方程模型（
PLS-PM
），用于分析气象条件（风速和气温），理化因子（
EC
和
DO
），富营养指数
TSI
（
TN
，
TP
和
Chl-a
）以及
DOM
光学参数（
a
254
，
FI
，
BIX
，
C1
，
C2
，
C3
和
C4
）与
C
O
2
（
cC
O
2
和
FC
O
2
）在（
a
）白天（
n=75，goodness of fit=0.565
）和（
b
）夜间（
n=69，goodness of fit=0.663
）的因果关系
偏最小二乘结构方程模型分析结果表明，富营养指数TSI是DOM的主要驱动因素。白天，TSI（路径系数：0.086）和DOM（路径系数：0.114）对C
O
2
的影响不显著，但晚上DOM对C
O
2
有很大影响（路径系数：0.503），TSI通过调节DOM间接影响C
O
2
（图5）。
本研究评估了富营养化和DOM对中国最大城市湖泊—汤逊湖C
O
2
排放昼夜模式的影响。富营养化通过促进藻类生长（以叶绿素a含量表征）增强了白天C
O
2
吸收，同时，藻类爆发产生的类蛋白DOM通过生物降解增加夜间C
O
2
排放量，最终加剧城市湖泊C
O
2
排放通量的昼夜差异。基于此，我们认为湖泊在受到城镇化和气候变化的影响下，其外源的具有较高生物活性的DOM含量会继续增加，而且湖泊生态系统会积极响应气候变暖条件，从而延长其夏季时间，因此，城市湖泊的C
O
2
排放量的昼夜差异会继续加大，这突显了城市湖泊在水体碳循环研究中的独特性和重要性，其碳排放特征及其受人类活动的影响应受到更多重视，与此同时，未来应将溶解性有机质动态变化更多地融合到水体碳循环研究中。
汪洋
，博士后，博士毕业于中国科学院武汉植物园。研究方向为内陆淡水水体的碳氮元素循环，水体温室气体排放规律及其人类活动响应。主持国家自然科学基金青年项目。在
Environmental Science & Technology，Water Research，Agriculture，Ecosystems & Environment，Science of The Total Environment
等国际知名刊物发表SCI论文10余篇。
通讯邮箱
：[email protected]
李思悦
，博士，教授，博士生导师，武汉工程大学环境生态与生物工程学院副院长；中国科学院百人计划（
A
类）入选者，湖北省楚天学者计划特聘教授。自
2020
年始，每年均入选全球前
2%
顶尖科学家
“
终身科学影响力
”
和
“
年度影响力
”
双榜单、入选全球学者库全球顶尖前
10
万科学家榜单。研究领域为水环境科学、环境地球化学和流域生态学。主要从事流域水环境与生态演变、内陆水体温室气体释放及流域减污降碳协同调控、元素循环及效应研究，服务生态系统
“
碳中和及碳增汇
”
及长江大保护国家战略。先后主持中国科学院
“
百人计划（
A
类）
”
择优项目、国家自然科学基金项目等。在
Global Change Biology, EST, Water Research, Journal
of Hydrology
,
环境科学等国内外重要期刊上发表论文
150
篇，其中
SCI
论文
132
篇，
SCI
论文引用
7000
多次，
ESI
高被引论文
7
篇；获湖北省科技进步二等奖
1
项。任
7
个国内外期刊编委，中国生态学学会生态水文专业委员会委员、湖北省环境科学学会理事等职。
