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北方海狸池塘和大气之间的CO₂和CH₄通量

摘要：在1994年5月22日至9月9日用通量梯度方法连续测量了北方的生态系统—大气环流研究区域中地表—大气中CO2和CH4的变化。在整个研究期间，海狸池塘是二氧化碳和甲烷的主要来源。CO₂和CH₄的半小时平均通量从-0.498到1.135 mg CO₂ m^-2s^-1和0.805至37.5 mu;g CH₄ m^-2 s^-1，分别为季节性通量分别为0.072plusmn;0.095 mg CO₂ m^-2s^-1和1.26plusmn;1.87 mu;g CH₄ m^-2 s^-1。海狸池塘很少吸收二氧化碳。这两种气体在白天都有很大的通量。这种增加与气体的转化有关，而不是与具体的生产控制有关。在120天的研究中CO₂和CH₄的总流出量分别是678g CO₂ m^-2 和11.3g CH₄ m^-2，或者是183和8.4 C m^-2。当测量结束时，沉积物温度gt; 10℃，所以有理由认为；CO₂和CH₄通量在深秋仍然继续存在。这表明海狸池塘每年释放超过200g C m ^-2。

背景介绍：

北方生物群落的景观包括混合陆地表面类型，这些包括云杉，松树和阿斯彭森林，湿地和湖泊。北方大部分的湿地地区是泥炭地（Polyscience1,988），但是海狸池塘是特定类型的浅水开放湿地可以占所有湿地的5％到10％之间(Roulet et al，1992)。以前研究表明，海狸池塘及其相关湿地是大的沼气(CH₄) 源头(F, Naiman，1988; Yavitt et al，1990; Roulet et al，1992; Yavitt et al，1992; Bubier et al，1993)。测量表明异养海狸池塘的沉积物呼吸很大(Naiman et al，1986,1988)表明了CO₂的流出量也可能很大。因为在生态系统中海狸池塘看起来是很大的源头，如森林(Schimelet et al ,1994)和湿地(Gorham et al，1995)被认为是碳汇，在区域范围内的碳交换中海狸池塘可能发挥一定比例的重要作用，尽管他们只是陆地的一小部分。

海狸池塘在北方的生物群落碳交换中扮演的角色决定于海狸池塘的面积和CO₂、CH₄的通量。在文献中没有连续的测量海狸池塘中CO₂或CH₄的含量，使用外壳和地表水浓度结合薄膜边界层模型进行测量表明海里池塘每年可以排放2 and 75 g CH ₄ m ^-2（参见Moore和Roulet ,1995的综述）。对于海狸池塘的CO ₂通量没有类似的测量，但年沉积物呼吸速率在30和70g C m^-2（110和260g CO₂）。海狸池塘面积的信息也很少。 在北部地区海狸池塘区域覆盖率的估算范围lt;2％(Roulet et al，1992; Bubier et al，1994)至gt; 10％(Naiman et al，1988; Johnston et al，1994)。在18世纪和19世纪被欧洲人大量探索之前，海狸人就已存在目前占据了大约10％的人口（Naiman et al，1988）。

北大西洋海域生态系统-大气研究（BOREAS）北部研究区（NSA）海狸池塘的整体研究目标是：（1）使用微气象技术连续测量一个海狸池塘中二氧化碳和甲烷的通量（ 2）确定控制海狸池塘碳气通量的过程，以及（3）通过对许多海狸池进行调查并开发利用某些遥感技术的技术，估算海狸池在北极碳预算中的潜在影响 在BOREAS期间完成计算海狸池塘的面积范围。本文的目的是报告我们在1994年BOREAS野外活动的无冰季节期间对CO₂和CH₄通量的连续测量结果。

实验记录

CO₂和CH₄通量的测量在位于BOREAS的NSA（55°55N，98°01W，军事电网参考614887）的5公顷海狸池塘中。池塘深度为0.25-2.2米，但大部分池塘为0.5-1.0米深。池塘表面有三种不同的覆盖类型（图1）。一个宽度为75米长的开阔水域横跨从大坝到塔基地点附近，这代表池塘面积的25％。大约10％池塘表面覆盖着泥炭岛。其余的池塘区域稀疏地覆盖着紧密植被（主要是苔草aquatilis，加拿大小苍兰，以及主要为Utriculada sps。（U. vulgadtts，L4 cornata，U. intermedia）的匍匐茎植物和淹水植被，海狸池塘沉积物的容重，氮和碳含量范围分别为93-105kgbull;m^-3 ，1.3-1.4%和24.0-26.8%。对于上部0.4m处分别为292-509 kgbull;m^-3，8％〜1.1％，和14.6％〜19.8％。沉淀物在0.5-0.75之间。高碳含量和非常低的堆积密度表明，海狸池塘是一个被圈起来的河岸泥炭地。

图1 海狸池中覆盖类型的分布及木板路和塔台的位置。

测量和方法

二氧化碳通量的测量始于5月22日，一直持续到9月19日。CH ₄的测量开始于6月23日。有几个短时间（lt;1天）当仪器维护中断测量时或者出现偶然问题。 由于发电机故障，7月15日至7月24日期间没有测量CH ₄。

两种气体的通量都是通过使用流量梯度技术来计算的（Fowler and Duyzer，1989; Lenschow，1995）：

其中是CO2的传递系数，是CO2的密度，而z是池面以上的高度。 传递系数计算如下：其中u是摩擦速度（由风廓线斜率的斜率确定）：，k是卡曼常数，z是高程。 然后校正传递系数的稳定性（Dyer和Hicks，1970）。 通过使用Young杯式风速计（拖曳速度为0.2m / s）在四个高度处测量风速：0.25 ，0.50，1.00和1.50m。 连续测量池塘水位高度（plusmn;0.5 mm），每半小时测定一次风速传感器的实际高度。

使用LICOR 6250红外气体分析仪（IRGA）在地面上0.25和1.00米处测量空气中CO₂的浓度。将连续的气流（5Lbull;min^-1)引入每个高度的挡板以确定压力，然后30s内通过IRGA从每个挡板以1Lbull;min^-1抽取一个子样品。对于前15s，当新样品冲洗样品管线和IRGA时没有测量浓度。在采样周期的最后15秒内，每12赫兹测量一次浓度。根据在15秒内获得的75样本量计算给定高度的平均浓度。IRGA用已知浓度的参比气体校准。浓度分解为 40 ppbv。每分钟获得一次概况，并且从每个级别的30个浓度计算平均半小时梯度。半小时的平均时间足够长，足以消除一个入口处二氧化碳或甲烷浓度较大幅度，持续时间短暂波动而产生的偏差，但足够短以至于处于通常恒定的边界条件。

使用配备有火焰离子化检测器的Shimadzu Mini II气相色谱仪测定相同高度的CH ₄浓度。 样品以2L min^-1的流速从0.25和1.00 rn连续抽取。使用来自每个水平的自动1ml样品环路将样品注入气相色谱仪（GC）中，用参比气体样品分离。参比气体测量之间的重现性为plusmn;4 ppbv。循环通过两个等级并且参考气体花费6分钟。每半小时根据每个水平的五个离散浓度计算平均浓度梯度。

测量每分钟的光合有效辐射，风向，气压和水位，计算半小时平均值。用参考热电偶测量水柱（0.1,0.2,0.5）和沉积物温度（0.01,0.1,0.2,0.3,0.5和1.0米）。 用Hydrolab传感器获得氧浓度和氧化还原电位。 在大多数研究期间，该传感器是静止的，在0.9米深度记录溶解的O₂。在其他时间，用相同的传感器获得O₂和温度的曲线。

除了O2浓度分布之外的所有测量都是在位于海狸池塘中心的塔架平台处获得的。平台是竖立起来的一个2.5米的塔。进入塔是通过漂浮浮桥。 风力回旋限制了两个风力部门的通量测量。 从10°到30°的一个20°的带被木板路占用，并被塔阻塞（取= 55米）。 在120-160°之间，到岸的距离lt;50米。在所有其他方向取ge;90米。从限制取值获得的通量不用于分析平均半小时或时间集成的气体交换。 O₂测量是在池塘主坝附近的开阔水域中获得的。 这是海狸池塘最深的部分。

结果与讨论

平均昼夜和日CO₂、CH₄通量

整个研究期间CO₂和CH₄通量的季节平均半小时分别为0.072plusmn;0.095 mg CO₂ m^-2bull;s^-1和1.26plusmn;1.87 mu;g CH₄ m^-2bull;s^-1。 观测到的最大和最小二氧化碳通量分别为-0.498和1.135mg CO₂ m ^-2 bull;s^-1。CH ₄通量的最大和最小值分别为-0.05和37.5 mu;g CH ₄ m^-2bull; s^-1。

CO ₂和CH ₄通量都有一个昼夜模式（图2）。 对于大气样品期间的平均半小时CO₂通量总是正值。 昼夜模式与风速模式密切相关。 在黎明和日落观测到的最小通量与平均风速最小值相对应。 CH ₄与CO₂通常具有相同的模式。然而，CH ₄ 通量日变化的幅度并不是很大，它也没有遵循风速模式与CO₂的模式接近（图2）。

CO₂的日平均通量范围为lt;0.0至gt; 0.20 mg CO₂ m^-2（图3）。当观察到CO ₂净吸收时，在整个研究期间仅观察到一天（230），所有其他日子海狸池塘都是二氧化碳的源。日平均CO₂流量模式似乎与沉积物温度模式有关。夏季早些时候较大的通量模式和9月初的略微普遍减少类似于沉积物温度模式。与沉积物温度变化相关的二氧化碳的变化频率也较高。二氧化碳和沉积物温度中的局部峰值在第161-162,175-180,205-212和233-234天附近同步。 CO₂通量的日常变化与溶解O₂浓度的变化有关。不幸的是，02浓度的记录并不完整。在0.9米深度溶解的O₂浓度介于gt; 6到接近0 mg L-1之间，但大多数时间，浓度在1.5和4 mgbull;L^-1之间变化。

平均每日CH ₄通量的范围为-0.05至3.2mu;g CH ₄ m ^-2bull;s^-1（-4.1至276.5 mg CH ₄ m ^-2bull;d^-1）。 对于每日CH₄通量（图3）与二氧化碳一样，平均值有一个广泛的季节性模式。通量在整个季节增加到210-214天的峰值流量，另一个峰值在234-238之间。峰值通量的第一个周期对应于最大日平均沉积物温度（gt; 17°C），而第二个周期对应于 到第二个局部最大沉积物温度（gt; 15°C）。 最大通量也对应于从较低风速到较高风速的转换。

图2 1994年9月22日至9月19日期间海狸池塘平均半小时CO₂和CH₄通量，光合有效辐射和风速的昼夜模式以及CO₂和CH₄通量的标准误差。

图3. 1996年5月22日至9月19日期间海狸池塘平均日CO₂和CH₄通量，PAR，沉积物温度，溶解氧和风速的季节模式。日平均值的标准误差表示为CO₂和CH ₄通量。

通量与海狸池塘环境的关系

季节模式表明CO₂和CH₄通量之间存在关联，并且与生产、消耗和因此而产生的气体交换有关的若干环境因素有关。通过使用非参数Spearman相关性检查气体通量与环境因素之间的关联，因为许多变量不是正态分布的

半小时CO₂通量与风速密切相关（表1）。CO₂通过气-水界面的转移是水表面重新供给二氧化碳的函数混合速率，这是风阻的函数。水的混合和空气湍流转移离开气水界面是风速和大气稳定性的函数（Denmead and Freney，1992）。

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