青藏高原中部热融湖塘温室气体排放季节变化规律及机理研究

Thermokarst is a typical process that associates with permafrost degradation. Thermokarst lakes directly alter environmental factors and hydrological processes, and thus must have an important impact on carbon cycle. So far, little is known about the effects of thermokarst lakes on greenhouse gas emissions. In this project, we will select thermokarst lakes at different development stages on the central Qinghai Tibetan Plateau as to investigate the effects of development of thermokarst lakes on carbon dynamics. Dissolved organic carbon content, composition and chemical characteristics will be analyzed using field sampling and monitoring, laboratory experiments. With the concentrations and stable carbon isotopic characteristics of dissolved greenhouse gases, this study will investigate the pathway and source of greenhouse gas emission in thermokarst lakes. The biogeochemical mechanisms of greenhouse gas emission and its seasonal changes in thermokarst lakes will be also discussed by analyzing the characteristics of greenhouse gas emission rates in different seasons. Based on remote sensing image and gas diffusion physical modes, we will calculate potential contributions of carbon emission to the development of thermokarst on the landscape scale, as to predict the responses of carbon emission in thermokarst lakes to climate change. The results will provide a quantitative description of greenhouse gas emission and shed light on the biogeochemical mechanisms of the greenhouse gas production in themokarst lakes, and thus make a scientific contribution to understand the impact of climate change on permafrost carbon cycle.

多年冻土退化最直观表现是形成热喀斯特地貌，其中热融湖塘发育直接改变环境因素和水文条件，因此必然对碳循环具有重要影响。然而，目前热融湖塘对温室气体排放的影响尚不清楚。本项目拟选择青藏高原中部不同发育阶段热融湖塘为研究对象，利用野外采样与监测及室内实验方法，分析热融湖塘溶解性有机碳含量、组分及其化学特征，研究热融湖塘对水体碳动态变化过程的影响。结合水体溶解的温室气体含量及其稳定性碳同位素特征，阐述热融湖塘温室气体释放方式、来源差异及其变化过程机制。通过分析不同季节热融湖塘温室气体释放速率特征，探讨热融湖塘温室气体释放过程规律及其季节响应的生物地球化学机制。利用气体扩散物理模式和遥感资料，估算景观尺度热融湖塘碳排放量及其不同发育阶段对碳排放的贡献，以评估热融湖塘碳排放对气候变化的响应潜力。该研究可定量分析热融湖塘碳排放并揭示其生物地球化学过程，从而有助于评估气候变化对多年冻土碳循环的影响。

多年冻土退化最直观表现是形成热喀斯特地貌，其中热融湖塘发育直接改变环境因素和水文条件，因此对碳循环具有重要影响。然而，目前热融湖塘对温室气体排放的影响尚不清楚。本项目选择青藏高原热融湖塘为研究对象，利用遥感数据给出热融湖塘的空间分布特征，通过野外采样与监测163个热融湖塘，分析热融湖塘溶解性有机碳含量、组分及其化学特征，通过监测不同季节热融湖塘温室气体释放速率特征，探讨热融湖塘温室气体排放过程规律及其季节变化的生物地球化学机制，并估算景观尺度热融湖塘碳排放量。研究结果表明，青藏高原热融湖塘数量约12万个，总面积约1730.34 km²，占高原湖泊水体总面积的4%，水体密度为12/100 km²，1991-2020年青藏公路沿线热融湖塘数量面积变化呈现减小-增加-快速增加的变化趋势。热融湖塘CO2和CH4排放速率分别为1,437.76 mg CO2 m-2 d-1和60.47 mg CH4 m-2 d-1。热融湖塘碳排放速率与流域内植被类型紧密相关，高寒湿草甸热融湖塘甲烷排放速率最高，荒漠草原最低。春季的高寒湿草甸和草甸湖塘甲烷碳排放通量要大于其他季节。热融湖塘底泥微生物群落和水化学指标共同调控着CH4排放通量，分别能够解释CH4扩散通量变化的51.9%和38.3%，然而热融湖塘CO2排放通量与气候环境因素并没有显著相关关系。通过空间扩展表明，初步估算的青藏高原热融湖塘CH4和CO2排放总量分别为0.033（0.017-0.063）Tg CH4 yr-1和0.768（0.522-1.098）Tg CO2 yr-1。单位面积下热融湖塘甲烷排放量约是环北极地区的1.08倍，远大于多年冻土区2米内土壤有机碳储量的占比。研究表明青藏高原热融湖塘是甲烷排放的热点区域，明确不同植被类型下热融湖塘碳排放监测在明确其空间异质性中的重要性，由于湖塘底泥微生物群落在热融湖塘碳排放中发挥着重要作用，在未来湖塘碳循环模型中需要重点考虑。