沿海生態(tài)系統(tǒng)是重要的碳儲存庫,其中包括大型藻類、混合植被和沉積物生態(tài)系統(tǒng)。這些生態(tài)系統(tǒng)通過光合作用吸收二氧化碳,并將其轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳,從而在一定程度上減緩了全球變暖。然而,沿海生態(tài)系統(tǒng)也是甲烷排放的重要來源。甲烷是一種強(qiáng)效的溫室氣體,其溫室效應(yīng)比二氧化碳高大約25倍。沿海濕地、淺水區(qū)和沉積物中的微生物活動會產(chǎn)生甲烷,并釋放到大氣中。因此,了解沿海生態(tài)系統(tǒng)中甲烷排放和二氧化碳吸收之間的平衡關(guān)系,準(zhǔn)確評估全球碳循環(huán)和氣候變化的影響至關(guān)重要。盡管已有一些研究關(guān)注了沿海生態(tài)系統(tǒng)中的甲烷排放和二氧化碳吸收,但對于這一關(guān)系的理解仍然有限?,F(xiàn)有的研究主要集中在特定地區(qū)或特定類型的生態(tài)系統(tǒng),缺乏全球范圍內(nèi)的綜合分析。本文研究者旨在填補(bǔ)這一知識空白,并提供更全面的數(shù)據(jù)和分析,以促進(jìn)對沿海生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和管理。
該研究是在名為Ask?的海島上進(jìn)行的上進(jìn)行的,根據(jù)基質(zhì)和植被的主要類型,研究區(qū)域包括三個不同的淺水(<4米水深)沿海棲息地:混合植被棲息地、巖石上的大型藻類棲息地和周圍的軟沉積物棲息地。研究者對每個棲息地進(jìn)行了視覺評估,并記錄了5米半徑內(nèi)底質(zhì)和大型植被的覆蓋百分比。混合植被棲息地總植被覆蓋率為60-90%,大型藻類棲息地總植被覆蓋率為80-95%,沉積物棲息地總植被覆蓋率為7-10%。研究還對三個棲息地的地表水和大氣中的CO2和CH4在一年的四個季節(jié)進(jìn)行了定量分析。
研究使用光腔衰蕩光譜儀(CRDS) Picarro G2201-i和自動水汽平衡裝置來測量CO2和CH4濃度。地表水(約30厘米深)由一個潛水泵從位于棲息地上方的浮橋中抽出,水被轉(zhuǎn)移到“Showerhead "平衡器裝置中(1L頂空體積),一個連續(xù)的空氣回路從平衡器連接到CRDS,其中CO2和CH4氣體測量35分鐘,然后對環(huán)境空氣進(jìn)行10分鐘的氣體測量(即一個完整的循環(huán)為45分鐘)。這些測量周期在上述測量期間連續(xù)運行,帶潛水泵的浮橋每24小時在定義的棲息地之間移動一次。1Hz測量頻率每10秒做平均并記錄一次。
研究發(fā)現(xiàn)在所有的海岸生態(tài)系統(tǒng)中,CH4都是向大氣中排放的。不同的棲息地和季節(jié)之間CH4排放量差異很大。研究者報告了海藻棲息地中的CH4海氣通量,混合植被和沉積物區(qū)的每日平均凈CH4通量。這些通量的大小與類似海岸環(huán)境中的最新研究測量結(jié)果相一致。在所有棲息地中,夏季和秋季的甲烷通量比春季和冬季高一個數(shù)量級(圖1)。這是由于在溫暖時期甲烷生成超過甲烷氧化,所以夏季和秋季的甲烷排放量增加。在一個年周期內(nèi),大型藻類向大氣排放的CH4累積凈通量為0.34(±0.01)gCH4m?2y?1,混合植被為0.55(±0.03)gCH4m?2y?1,沉積物區(qū)為0.38(±0.02)gCH4m?2y?1。沿海生態(tài)系統(tǒng)中CH4通量分布的這種時空異質(zhì)性表明,迫切需要高分辨率測量來提高CH4估算的可靠性,并限制棲息地對區(qū)域和全球CH4預(yù)算的貢獻(xiàn)。
日平均凈海氣CO2通量范圍在不同環(huán)境和季節(jié)之間存在顯著差異(圖1); 研究發(fā)現(xiàn),春季、夏季和秋季,海藻和混合植被區(qū)域是大氣中CO2的凈匯聚區(qū),而冬季則是凈排放區(qū)。這是因為陽光刺激了水下植被的光合作用,導(dǎo)致表層水體中的CO2相對于大氣平衡處于欠飽和狀態(tài),從而促進(jìn)了直接從大氣中去除CO2。
研究發(fā)現(xiàn),CH4通量大大抵消了歸因于大氣CO2凈吸收的碳匯能力(圖2a, b); 然而,這種抵消的大小因環(huán)境類型和季節(jié)而異。由于CO2和CH4儲量之間的季節(jié)不同步,秋季的抵消量較高(圖2),而CH4通量對溫室氣體凈平衡在冬季處于邊緣(~ 1%),可能是由于冬季低溫下CH4產(chǎn)量低。在一個年周期內(nèi)CH4通量降低了大氣CO2吸收。
由于對紅樹林等少數(shù)沿海生態(tài)系統(tǒng)的評估有限,沿海碳匯容量中因CH4排放對大氣CO2吸收而產(chǎn)生的抵消仍然不確定,也難以進(jìn)行比較。研究結(jié)果表明,全球普遍存在的具有無植被沉積物的沿海棲息地,以及具有生產(chǎn)性大型藻類和混合植被的沿海棲息地的CH4排放可以在一個年周期內(nèi)將吸收的大氣CO2溫室氣體匯估算值降低三分之一。
因此,計算CH4和CO2海氣通量對正確量化沿海生態(tài)系統(tǒng)作為大氣凈碳匯的潛力是必要的,這對制定明智的氣候緩解戰(zhàn)略是必要的。
研究發(fā)現(xiàn),不同棲息地中的微生物群落結(jié)構(gòu)存在差異,這可能與產(chǎn)生甲烷的能力有關(guān)。在所有季節(jié)中,混合植被和沉積物棲息地的沉積物中存在豐富的有機(jī)質(zhì),可能有利于產(chǎn)生甲烷。而在海藻棲息地中,盡管沒有上述的“經(jīng)典"沉積條件,但仍然存在產(chǎn)生甲烷的微生物群落。不同的微生物群落在不同的棲息地中產(chǎn)生了CH4,從而塑造了棲息地特定的CH4動態(tài)。
確定全球大氣CO2和CH4變化的位置和機(jī)制仍然是預(yù)測未來碳循環(huán)與氣候之間相互作用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。沿海植被生態(tài)系統(tǒng)作為減緩氣候變化工具的作用已引起世界的注意,許多國家承諾將這種系統(tǒng)作為其國家確定的溫室氣體清單的一部分。因此,對各種沿海環(huán)境中的甲烷排放進(jìn)行準(zhǔn)確計量是有必要的,可以更好地了解和應(yīng)對氣候變化
詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析和測試方法,請參考原文Methane emissions offset atmospheric carbon dioxide uptake in coastal macroalgae, mixed vegetation and sediment ecosystems | Nature Communications
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