甲烷排放抵消了沿海生态系统对大气二氧化碳的吸收

甲烷排放抵消了沿海生态系统对大气二氧化碳的吸收

背景介绍

沿海生态系统是重要的碳储存库，其中包括大型藻类、混合植被和沉积物生态系统。这些生态系统通过光合作用吸收二氧化碳，并将其转化为有机碳，从而在一定程度上减缓了全球变暖。然而，沿海生态系统也是甲烷排放的重要来源。甲烷是一种强效的温室气体，其温室效应比二氧化碳高大约25倍。沿海湿地、浅水区和沉积物中的微生物活动会产生甲烷，并释放到大气中。因此，了解沿海生态系统中甲烷排放和二氧化碳吸收之间的平衡关系，准确评估全球碳循环和气候变化的影响至关重要。尽管已有一些研究关注了沿海生态系统中的甲烷排放和二氧化碳吸收，但对于这一关系的理解仍然有限。现有的研究主要集中在特定地区或特定类型的生态系统，缺乏全球范围内的综合分析。本文研究者旨在填补这一知识空白，并提供更全面的数据和分析，以促进对沿海生态系统的保护和管理。

研究材料和方法

  该研究是在名为Askö的海岛上进行的上进行的，根据基质和植被的主要类型，研究区域包括三个不同的浅水（<4米水深）沿海栖息地：混合植被栖息地、岩石上的大型藻类栖息地和周围的软沉积物栖息地。研究者对每个栖息地进行了视觉评估，并记录了5米半径内底质和大型植被的覆盖百分比。混合植被栖息地总植被覆盖率为60-90%，大型藻类栖息地总植被覆盖率为80-95%，沉积物栖息地总植被覆盖率为7-10%。研究还对三个栖息地的地表水和大气中的CO2和CH4在一年的四个季节进行了定量分析。

   研究使用光腔衰荡光谱仪(CRDS) Picarro G2201-i和自动水汽平衡装置来测量CO2和CH4浓度。地表水(约30厘米深)由一个潜水泵从位于栖息地上方的浮桥中抽出，水被转移到“Showerhead 平衡器装置中（1L顶空体积)，一个连续的空气回路从平衡器连接到CRDS，其中CO2和CH4气体测量35分钟，然后对环境空气进行10分钟的气体测量(即一个完整的循环为45分钟)。这些测量周期在上述测量期间连续运行，带潜水泵的浮桥每24小时在定义的栖息地之间移动一次。1Hz测量频率每10秒做平均并记录一次。

结果与讨论

 1、沿海生态系统中CH4和CO2的海洋气体交换

研究发现在所有的海岸生态系统中，CH4都是向大气中排放的。不同的栖息地和季节之间CH4排放量差异很大。研究者报告了海藻栖息地中的CH4海气通量，混合植被和沉积物区的每日平均净CH4通量。这些通量的大小与类似海岸环境中的最新研究测量结果相一致。在所有栖息地中，夏季和秋季的甲烷通量比春季和冬季高一个数量级（图1）。这是由于在温暖时期甲烷生成超过甲烷氧化，所以夏季和秋季的甲烷排放量增加。在一个年周期内，大型藻类向大气排放的CH4累积净通量为0.34(±0.01)gCH4m−2 y-1，混合植被为0.55(±0.03)gCH4m−2y−1，沉积物区为0.38(±0.02)gCH4m−2y−1。沿海生态系统中CH4通量分布的这种时空异质性表明，迫切需要高分辨率测量来提高CH4估算的可靠性，并限制栖息地对区域和全球CH4预算的贡献。

日平均净海气CO2通量范围在不同环境和季节之间存在显著差异(图1); 研究发现，春季、夏季和秋季，海藻和混合植被区域是大气中CO2的净汇聚区，而冬季则是净排放区。这是因为阳光刺激了水下植被的光合作用，导致表层水体中的CO2相对于大气平衡处于欠饱和状态，从而促进了直接从大气中去除CO2。

图1| 三个沿海生态系统每小时海洋空气CH4 (a)和CO2 (b)通量。数值为平均值±标准误差。正通量是指从水到大气(源)的流出量，而负通量则表示大气中温室气体的吸收(汇)。原位连续(1hz)测量平均间隔15分钟，并以2小时为块进行分组。

2、CH4排放抵消了大气CO2吸收的碳汇容量

研究发现，CH4通量大大抵消了归因于大气CO2净吸收的碳汇能力(图2a, b); 然而，这种抵消的大小因环境类型和季节而异。由于CO2和CH4储量之间的季节不同步，秋季的抵消量较高(图2)，而CH4通量对温室气体净平衡在冬季处于边缘(~ 1%)，可能是由于冬季低温下CH4产量低。在一个年周期内CH4通量降低了大气CO2吸收。

由于对红树林等少数沿海生态系统的评估有限，沿海碳汇容量中因CH4排放对大气CO2吸收而产生的抵消仍然不确定，也难以进行比较。研究结果表明，全球普遍存在的具有无植被沉积物的沿海栖息地，以及具有生产性大型藻类和混合植被的沿海栖息地的CH4排放可以在一个年周期内将吸收的大气CO2温室气体汇估算值降低三分之一。

因此，计算CH4和CO2海气通量对正确量化沿海生态系统作为大气净碳汇的潜力是必不可少的，这对制定明智的气候缓解战略是必要的。

图2 |季节性温室气体净平衡。

3、不同的微生物群落形成栖息地特定的CH4动态

研究发现，不同栖息地中的微生物群落结构存在差异，这可能与产生甲烷的能力有关。在所有季节中，混合植被和沉积物栖息地的沉积物中存在丰富的有机质，可能有利于产生甲烷。而在海藻栖息地中，尽管没有上述的“经典”沉积条件，但仍然存在产生甲烷的微生物群落。不同的微生物群落在不同的栖息地中产生了CH4，从而塑造了栖息地特定的CH4动态。

4、对各种沿海环境的CH4排放进行核算，可以为减缓气候变化提供至关重要的信息

确定全球大气CO2和CH4变化的位置和机制仍然是预测未来碳循环与气候之间相互作用的关键挑战。沿海植被生态系统作为减缓气候变化工具的作用已引起全世界的注意，许多国家承诺将这种系统作为其国家确定的温室气体清单的一部分。因此，对各种沿海环境中的甲烷排放进行准确计量是有必要的，可以更好地了解和应对气候变化。

详细的数据分析和测试方法，请参考原文Methane emissions offset atmospheric carbon dioxide uptake in coastal macroalgae, mixed vegetation and sediment ecosystems | Nature Communications

设备分享

G2201-i分析仪整合了 Picarro公司CO2和CH4两台碳同位素分析仪的功能，从而实现了更简单且快速地同步获得两者稳定同位素比率。研究人员只需一台仪器便可追踪从碳源至碳汇的碳转移过程。该双组分分析仪不但给研究工作带来了易用性和快捷性，小型化与耐用性令其更容易运输到野外并提供即时的结果，以便研究者根据实地情况更改实验设置，在有限的野外作业时间内取得最优的成果。

G2201-i分析仪可以在三种模式下工作：1)单一CO2模式，2)单一CH4模式，3) CO2与CH4复合模式。在复合模式下，CO2和CH4的测量交错进行，采样率快于光腔内的气体重置率。当分析仪处于CO2或CH4的单一模式下，由于更多的测量时间被分配到单一组分，精度将有所提升。该分析仪在所有模式下均能高精度地测量CO2，H2O和CH4的浓度，并且相比于其它基于光谱吸收的仪器需要更低频度的校准。