涡度协方差法测量瑞士水库的极端CH4排放通量，并分析其短期变化外文翻译资料

 2022-12-23 14:42:59

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毕业论文

英文翻译

原文标题 Eddy covariance flux measurements confirm extreme CH4 emissions from a Swiss hydropower reservoir and resolve their short-term variability

译文标题 涡度协方差法测量瑞士水库的极端CH4排放通量，并分析其短期变化

涡度协方差法测量瑞士水库的极端CH4排放通量，并分析其短期变化

W. Eugster1, T. DelSontro2,3, and S. Sobek4

1ETH Zurich, Institute of Agricultural Sciences, 8092 Zurich, Switzerland

2Eawag, Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology, Kastanienbaum, Switzerland

3ETH Zurich, Institute for Biogeochemistry and Pollutant Dynamics, 8092 Zurich, Switzerland

4Uppsala University, Department of Ecology and Evolution, Limnology, Uppsala, Sweden

Received: 14 April 2011 – Published in Biogeosciences Discuss.: 24 May 2011 Revised: 8 September 2011 – Accepted: 13 September 2011 – Published: 29 September 2011

摘要：通过陆面涡度协方差（EC）通量位置量化的温室气体预算与通过反向建模获得的温室气体预算有显著不同。造成方法之间差异的可能原因是我们在甲烷（CH4）通量知识量上的差距。在这项研究中，我们在2008年夏季的两个密集的活动期间进行了EC通量测量，以量化来自水电站的甲烷通量，并将其时间变率与环境驱动力水温和压力变化（大气和湖泊水位变化）联系起来。正如通过浮动室通量测量所证实的一样，甲烷通量非常高并且可变性高，但是当风通过开放水域接近EC传感器时，却一致地显示有来自湖的温室气体流出。平均通量为3.8plusmn;0.4mu;gCm-2 s-1（平均值plusmn;SE），中值为1.4mu;gCm-2 s-1，甚至与热带水库相比也相当高。四天中浮动室法测量的通量证实了这种高通量为7.4plusmn;1.3mu;gCm-2s-1 。通量随着温度的升高而呈指数增长，但随着大气压或湖泊压力的增加，指数减少。使用湖面温度（0.1m深度），深度温度（坝前10m深），大气压力和湖泊水位的多元回归能够解释总方差的35.4％。该最佳拟合包括在9小时移动窗口上平均的每个变量加上其各自的短期残差。 我们估计，通过河流输入的颗粒有机物（POM）的年平均值为3％，足以维持这些大的CH4通量。为了弥补与来自该水电站的CH4流出相关的全球变暖潜能，如果以草地，耕地和森林的欧洲规模汇编作为参考，则需要1.3至3.7倍的更大的地面面积并且只考虑净二氧化碳的摄取。这表明了温带水库和湖泊在地方和区域温室气体预算中的潜在相关性。

1引言

涡度协方差（EC）通量位置的全球网络（Fluxnet, Baldocchi等，2001; Baldocchi，2008）提供了陆地生态系统功能的高度多样性以及它们如何影响全球温室气体预算的良好概述。有趣的是，总体预算在通过土地表面EC通量位置的积分获得的估计和使用大气信号推导地表碳（C）摄取通量的反演模型之间是不同的（Janssens等人，2003; Schulze等人， 2009）。Fluxnet社区对C通量的大部分注意力在二氧化碳（CO2），但是存在甲烷（CH4）通量知识的差距，这可能是估算全球尺度温室气体预算方法之间差异的原因。由于在市场上可以获得合适的快速响应传感器，生态系统尺度CH4通量测量现在变得广泛可行（Eugster和Pluss，2010; McDermitt等人，2010），这使在广泛的生态系统中量化CH4通量成为现实。这是Schulze等人（2009）提出的大规模欧洲温室气体预算中没有考虑到的，他们侧重于研究主要的土地利用类型，如森林，农田和草地，不包括湖泊和水库（Cole等人，2007; Tranvik等人，2009），其仅覆盖欧洲温带地区的一小部分陆地表面积，但可能是大量本地甲烷来源（DelSontro et al，2010）。在Schulze等人（2010年），将来自所有欧洲地表水的CH4和一氧化二氮（N2O）排放的总估计量定为147TgCO2当量/年，这大约是Schulze等人考虑的所有非CO2气体源的10％（2010）。

淡水沉积物是陆地范围上甲烷生成的关键所在，因为它们通常在低于几毫米或厘米深度的缺氧环境中，显示用于厌氧呼吸的其他电子受体的低浓度（例如硫酸盐），并接收来自内部初级生产和陆地来源的颗粒有机物质（POM）的连续供应（Bastviken，2009）。近年来，来自高地场地的有机碳浸出（Kindleret等，2011）与河流系统的碳输入之间的联系的问题已经越来越受到关注，因为已经表明，河流和内陆水域不仅是陆地生物圈与世界海洋之间的被动碳管道（西门子，2003年），而且反映了活动碳转化和储存的位置（Cole等，2007）。最终，仅覆盖大陆3％以上的内陆水域，比海洋埋藏C多50％，每年向大气排放大约1.4 Pg的气态C（Tranvik等人，2009年）。甲烷是一种比二氧化碳更有效的温室气体，在有机碳降解的最后阶段产生，在湖泊和水库的缺氧沉积物中特别广泛; 因此，全球每年向大气释放0.1Pg的CH4，使地面C汇降低至少25％（Bastviken等，2011）。

需要特别关注水库的CH4排放，因为它们拥有更好的营养状态和甚至更加缺氧的条件（St.Louis等人，2000），特别是热带的水库，它们在涡轮机处或通过涡轮机之后，经过富含CH4和贫氧的滞后水的脱气而排放其大部分CH4（例如Guerin等人，2006; Kemenes等人，2007）. 在典型的CH4排放途径中，人们将大多数注意力集中于表面扩散，并且更少地注意通过植物或冒泡（气泡）的通量，尽管后者排放出明显更多的CH4（Bastviken等人，2011）。冒泡排放仍然被低估，主要是由于其随机性质（Bastviken等，2011），这是由于环境因素影响了其空间和时间可变性。

虽然物理因素例如底切应力（Joyce和Jewell，2003）或压力变化（Mattson和Lichens，1990）可以改变冒泡的时间，但是诸如有机C输入水平和温度的因素最有可能保持冒泡排放的发生概率，因为它们直接影响甲烷生成的速率（Bastvikenet等，2004）。只要环境产生的CH4在气泡周界保持一定梯度，当CH4产量超过通过沉积物的垂直扩散时，随后气体的过饱和就会导致气泡形成和生长，（Algar和Boudreau，2010）。最近研究已经表明，一个小温带水库的最高冒泡率发生在温暖的夏季月份（DelSontro等人，2010），但一般来说，只有较少的小型水库对冒泡排放进行过研究，并且这个数量远远超过大型水库的数量（Downing等人，2006）。虽然全球内陆水域排放的CH4比二氧化碳少一个数量级，但CH4具有更大的全球变暖潜势，以及人工蓄水池数量的增加使CH4排放成为全球C周期的重要组成部分（Tranvik等人，2009年）。

因此，本文的目的是：（1）使用最先进的EC通量测量方法，严格验证了来自瑞士Aare河的河流水电站的极端CH4通量的早期估计；（2）探索驱动这些CH4通量的环境条件的短期变异性的重要性；（3）将来自储层的CH4通量与周围陆地的净CO2吸收相关联，以将这种局部强的CH4源在区域尺度C预算的更广泛背景中。除了来自水电站的通量之外，我们还将呈现当风没有吹过水面时的周围环境的CH4通量。

我们描述了来自淡水生态系统，特别是水电站水库的CH4的第一次直接EC通量测量结果，其中CH4通量足够大以成为潜在的不可忽略的C源。这里讨论的过程也与欧洲温带中的其他类似系统在数量上相关，其也接收来自上游（因此高地）区域的大量颗粒有机物（POM）输入。

2材料与方法

2.1研究地点说明

沃伦湖大坝于1920年完成，因此形成了一个2.5平方公里的水库，在坝附近最大深度为18米（平均深度9米）处有22times;106立方米的水。源自中央阿尔卑斯山并穿过几个大湖的Aare河直接向沃伦湖供应平均流量为122m3s-1（约为4至400m3 s-1），等于该河流水库的排放，其停留时间不超过一周，全年都是全氧水柱（Albrecht et al，1998）。在沃伦湖中已经表明，季节性水温变化（从冬天的5℃到夏天的20℃）最好地描述了并且可能影响了来自储层的CH4排放的变化性，其中冒泡是主要的并且变化更大，且扩散通量较低且相对恒定(DelSontro et al，2010)。总有机碳浓度在作为DOC存在的流入量为ge;1.9mg l-1时通常为ge;2.4mg l -1。沃伦湖的特征是基质营养丰富，并且接收相对大量的有机物质和适度高的磷和氮输入（自2001年以来每月测量的中值浓度分别为17mu;gP L-1和1.16mg N l-1;未公开的数据来自伯尔尼，瑞士）。从1994 - 1996年（Naduf，2000年），可以获得位于沃伦湖上游的伯尔尼Aare河的POM浓度的监测数据，但这不是我们的测量年份（2008年）。

在距离瑞士伯尔尼西北约10公里的Jaggisbachau（46°57′52.17Prime;N，7°18′49.03Prime; E，481ma.s.l.）的沃伦湖岸进行测量，将仪器直接放置在湖岸上（参见Eugster等人，2003），使得在盛行的西风期间的通量覆盖区域完全在湖上。 朝向盛行的风向（西），距离仍然是1.2公里。在采样地点，湖面上可以明显的看见以气泡形式在水柱中上升并且在地表消散的冒泡迹象。

2.2涡度协方差通量测量

EC通量系统于2008年6月4日至30日和2008年7月21日至8月12日部署在沃伦湖岸。本研究中使用的系统由Eugster 和Pluuml;ss (2010).详细描述。它由三维超声波风速计热量计（Gill，UK，型号R2A;以下称为声波风速计）和离轴积分腔输出光谱仪（Los Gatos Research Inc.，CA，USA，型号908-0001- 0002;以下简称为DLT-100）。使用外部真空泵（BOC Edwards XDS-35i，USA）进行EC通量测量，并且使用130m电源线从最近的建筑物抽取主电力（230VAC），该电源线具有4mm2横截面的三个引线。使用工业级嵌入式箱式计算机（Advantech ARK-3381，Taiwan）在20Hz下实现完全数字数据采集。两个分析仪通过RS-232串行端口将数据发送到在Linux操作系统下运行的内部数据采集软件。

声波风速计安装在湖边，一个没有被干扰的位置，朝向平均风向（西北），和东部干扰最小的地表（用于骑马的大沙盒）。在测量的位置，湖在其最窄的地方（朝北）300米宽，而在这个站点的EC的最长距离是1.9公里，风从西北方向进入。在第一次和第二次现场活

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