太湖甲烷通量的时空特征及其控制机制

Impacted by climate change, eutrophication, and algal blooms, the temporal and spatial pattern of methane emission from the big shallow and its environmental and biological control mechanisms is a key scientific question in the researches of greenhouse gases cycling in lake. In this research, we will choose Lake Taihu, the big shallow eutrophic lake influenced by algal bloom in China. Based on the Taihu Mesoscale Eddy Flux Network, methane flux between lake surface and the atmosphere will be measured by floating flux chamber method, flux-gradient method, eddy covariance method, and bulk diffusion model. We will evaluate the applicability of the four measurement methods in shallow lake. The diurnal, seasonal, and interannual dynamic and spatial pattern of methane flux in Lake Taihu will be clarified based on the measurements. According to the spatial pattern of methane flux, we will calculate the amount of methane emission from the whole lake. Moreover, an empirical model will be derived by combining the methane flux measurement with routine meteorological measurements, water quality measurements, and biomass measurements. The model will be applied to explore the environmental and biological control mechanisms of the temporal and spatial variation of the methane flux in Lake Taihu. The research will provide important scientific data and basis for accurately evaluating the contribution of Lake Taihu to regional greenhouse emission and climate change. And, the research will contribute to making the policy for the greenhouse gases emission reduction in Lake Taihu basin.

在气候变化、富营养化尤其是蓝藻水华爆发条件下，大型浅水湖泊甲烷排放量的时空变化特征及其环境生物控制机制研究成为湖泊温室气体循环研究的热点问题。本项目以我国富营养化及受蓝藻爆发影响的大型浅水湖泊太湖为研究对象，依托太湖中尺度通量观测网络，利用箱式法、通量梯度方法、涡度相关观测方法以及水气界面扩散模型对甲烷通量开展观测，对不同甲烷通量观测方法在浅水湖泊的适用性进行评价；基于观测明确太湖甲烷通量日、季节以及年际变化特征及空间格局，并根据太湖甲烷的空间格局估算太湖全湖甲烷的排放量；结合小气候观测、水质观测、生物量观测构建经验模型以揭示太湖甲烷通量时空变化的环境生物控制机制。该研究结果可为准确评价太湖对区域温室气体排放及其对气候变化的贡献以及该区域温室气体减排政策的制定提供重要的基础数据与科学依据。

在气候变化、富营养化条件下，大型浅水湖泊甲烷排放量的时空变化特征及其环境生物控制机制成为湖泊温室气体循环研究的热点。本项目以大型浅水富营养化湖泊太湖为研究对象，依托太湖中尺度通量观测网络，利用传输系数方法、箱式法、通量梯度方法、涡度相关观测方法对甲烷通量开展综合观测，基于观测数据明确太湖甲烷通量的时空格局，并估算太湖全湖甲烷的排放量；揭示太湖甲烷通量时空变化的环境生物控制机制。本项目明确了甲烷通量观测的传输系数方法中适用于太湖的传输系数计算方法，是考虑风速的参数化方法以及考虑风应力以及水体湍流混合速率的参数化方法。实现了密闭式动态箱对太湖藻型湖区甲烷通量的连续观测。基于观测数据，太湖甲烷扩散通量存在明显的空间格局，东太湖沉水植物区与西北太湖的富营养化区域存在两个高值，其扩散排放通量分别为0.227 mmol·m-2d-1、0.191 mmol·m-2d-1。利用传输系数方法结合通量梯度方法及涡度相关观测方法，明确了太湖富营养化以及沉水植物区域甲烷冒泡通量占总通量的比例分别为71%、49%。最终可得全湖的年甲烷扩散通量、冒泡通量、及总量分别为0.543、0.999、1.548g·m-2yr-1。太湖甲烷通量存在夏秋季高、冬春季低的季节变化动态，同时在东太湖沉水植物区，存在夜间高于白天的日变化动态，夜间的甲烷通量较白天高33%。太湖甲烷排放的空间格局可利用溶解氧（DO）以及NDVI表征（Fm,d = 0.184 c - 0.037 DO - 0.086 d + 0.355 NDVI + 0.552），即太湖甲烷通量的空间格局由富营养化与植被生长动态及生物量决定。东太湖沉水植物区甲烷通量的日变化动态由风速和水体的湍流扩散系数决定，太湖甲烷通量的季节变化由水温控制。并且，富营养化藻型湖区甲烷通量对底泥温度响应的敏感性Q10值远大于东太湖沉水植物区的1.79。在季节尺度上，东太湖沉水植物区的甲烷通量并未随着净初级生产力的增加而增加。该区域年甲烷排放的碳量占植被净固碳量的3.5%。本项目可为水体温室气体的观测提供方法基础，同时为太湖流域温室气体排放的准确估算及湖泊水环境管理提供了基础数据与依据。