Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Không Còn Là Nghịch Lý: Sự Tương Tác Giữa Vận Chuyển Vật Lý và Các Quá Trình Sinh Học Giải Thích Sự Phân Bố Không Gian Của Metan Nước Bề Mặt Trong và Giữa Các Hồ
Tóm tắt
Các hồ đóng vai trò quan trọng trong chu trình carbon toàn cầu, phát thải một lượng đáng kể khí nhà kính carbonic, bao gồm CO2 và metan (CH4). Hầu hết các nghiên cứu về hồ đã báo cáo rằng nước mặt có oxi thường bão hòa vượt quá mức cần thiết với (và do đó liên tục phát thải) CH4, tuy nhiên không có một giải thích thống nhất nào để giải thích tại sao CH4, được sản xuất trong các vùng thiếu oxy và tiêu thụ trong điều kiện có oxy, lại tồn tại trong nước có oxy ở nhiều kích thước hồ khác nhau. Ở đây, chúng tôi đã phát triển một mô hình vật lý xác định sự phân bố CH4 không gian trong nước bề mặt của các hồ như một hàm của sự vận chuyển CH4 từ khu vực ven bờ bao gồm trao đổi khí giữa không khí và nước, và đã thử nghiệm mô hình này trên 14 hồ có kích thước rất khác nhau (0.07–19,000 km2). Mặc dù mô hình đã giải quyết hợp lý sự suy giảm tổng thể CH4 trong một hồ so với khoảng cách từ bờ dựa trên các kích thước hồ khác nhau, sự khác biệt giữa các quan sát và dự đoán cho thấy rằng các quá trình khác điều chỉnh sự phân bố CH4 trên bề mặt. Xu hướng liên quan trong dấu hiệu đồng vị carbon ổn định của CH4 cũng chỉ ra rằng mẫu không gian trong 30% số hồ chủ yếu bị ảnh hưởng bởi tổn thất ròng thông qua quá trình oxy hóa, trong khi nhập ròng CH4 thiếu 13C lại chiếm ưu thế trong mẫu không gian của 70% số hồ, cho thấy sự sản xuất CH4 pelagic là chủ yếu trong các epilimnia có oxy của các hồ này. Các mẫu không gian do sự tương tác giữa các quá trình vật lý và sinh học gây ra có thể dẫn đến việc ước lượng thiếu sót về phát thải CH4 toàn hồ tính dựa trên các mẫu ở giữa. Trong khi các đóng góp thực tế của quá trình oxy hóa và sản xuất CH4 trong epilimnia vẫn chưa được hiểu rõ, kết quả nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng sự bão hòa CH4 phổ biến quan sát thấy ở hầu hết các hồ có thể được giải thích qua sự tương tác giữa vận chuyển ngang CH4 ven bờ, trao đổi khí giữa không khí và nước cũng như sự cân bằng giữa quá trình oxy hóa và sản xuất CH4 trong epilimnia.
Từ khóa
#hồ #metan #chu trình carbon #vận chuyển vật lý #quá trình sinh học #phát thải khí nhà kínhTài liệu tham khảo
Bastviken D, Cole J, Pace M, Tranvik L. 2004. Methane emissions from lakes: dependence of lake characteristics, two regional assessments, and a global estimate. Glob Biogeochem Cycles 18:GB4009.
Bastviken D, Ejlertsson J, Tranvik L. 2002. Measurement of methane oxidation in lakes: a comparison of methods. Environ Sci Technol 36:3354–61.
Bastviken D, Tranvik LJ, Downing JA, Crill PM, Enrich-prast A. 2011. Freshwater methane emissions offset the continental carbon sink. Science 331:50.
Bogard MJ, del Giorgio PA, Boutet L, Chaves MCG, Prairie YT, Merante A, Derry AM. 2014. Oxic water column methanogenesis as a major component of aquatic CH4 fluxes. Nat Commun 5:5350.
Crusius J, Wanninkhof R. 2003. Gas transfer velocities measured at low wind speed over a lake. Limnol Oceanogr 48:1010–17.
Damm E, Helmke E, Thoms S, Schauer U, Nöthig E, Bakker K, Kiene RP. 2010. Methane production in aerobic oligotrophic surface water in the central Arctic Ocean. Biogeosciences 7:1099–108.
DelSontro T, Boutet L, St-Pierre A, del Giorgio PA, Prairie YT. 2016. Methane ebullition and diffusion from northern ponds and lakes regulated by the interaction between temperature and system productivity. Limnol Oceanogr 61:S62–77.
DelSontro T, Mcginnis DF, Wehrli B, Ostrovsky I. 2015. Size does matter: importance of large bubbles and small-scale hot spots for methane transport. Environ Sci Technol 49:1268–76.
Fernández JE, Peeters F, Hofmann H. 2016. On the methane paradox: transport from shallow-water zones rather than in situ methanogenesis is the mayor source of CH4 in the open surface water of lakes. J Geophys Res Biogeosci 121:2717–26.
Grossart H-P, Frindte K, Dziallas C, Eckert W, Tang KW. 2011. Microbial methane production in oxygenated water column of an oligotrophic lake. Proc Natl Acad Sci 108:19657–61.
Hanna M. 1990. Evaluation of models prediding mixing depth. Can J Fish Aquat Sci 47:940–7.
Happell JD, Chanton JP. 1994. The influence of methane oxidation on the stable isotopic composition of methane emitted from Florida swamp forests. Geochim Cosmochim Acta 58:4377–88.
Hofmann H. 2013. Spatiotemporal distribution patterns of dissolved methane in lakes: how accurate are the current estimations of the diffusive flux path? Geophys Res Lett 40:2779–84.
Hofmann H, Federwisch L, Peeters F. 2010. Wave-induced release of methane: littoral zones as source of methane in lakes. Limnol Oceanogr 55:1990–2000.
Juutinen S, Rantakari M, Kortelainen P, Huttunen JT, Larmola T, Alm J, Silvola J, Martikainen PJ. 2009. Methane dynamics in different boreal lake types. Biogeosciences 6:209–23.
Karl DM, Beversdorf L, Björkman KM, Church MJ, Martinez A, Delong EF. 2008. Aerobic production of methane in the sea. Nat Geosci 1:473–8.
Keeling C. 1958. The concentration and isotopic abundances of atmospheric carbon dioxide in rural areas. Geochim Cosmochim Acta 13:322–34.
Knox M, Quay PD, Wilbur DO. 1992. Kinetic isotopic fractionation during air-water gas transfer of O2, N2, CH4, and H2. J Geophys Res 97:20335–43.
Lawrence GA, Ashley KI, Yonemitsu N, Ellis JR. 1995. Natural dispersion in a small lake. Limnol Oceanogr 40:1519–26.
Macintyre S, Melack JM. 1995. Vertical and horizontal transport in lakes: linking littoral, benthic, and pelagic habitats. J N Am Benthol Soc 14:599–615.
McGinnis DF, Greinert J, Artemov Y, Beaubien SE, Wüest A. 2006. Fate of rising methane bubbles in stratified waters: how much methane reaches the atmosphere? J Geophys Res 111:C09007.
Murase J, Sakai Y, Kametani A, Sugimoto A. 2005. Dynamics of methane in mesotrophic Lake Biwa, Japan. Ecol Res 20:377–85.
Murase J, Sakai Y, Sugimoto A, Okubo K, Sakamoto M. 2003. Sources of dissolved methane in Lake Biwa. Limnology 4:91–9.
Murthy CR. 1976. Horizontal diffusion characteristics in Lake Ontario. J Phys Oceanogr 6:76–84.
Natchimuthu S, Sundgren I, Gålfalk M, Klemedtsson L, Crill P, Danielsson Å, Bastviken D. 2016. Spatio-temporal variability of lake CH4 fluxes and its influence on annual whole lake emission estimates. Limnol Oceanogr 61:S13–26.
Okubo A. 1971. Oceanic diffusion diagrams. Deep Sea Res Oceanogr Abstr 18:789–802.
Ostrovsky I, McGinnis DF, Lapidus L, Eckert W. 2008. Quantifying gas ebullition with echosounder: the role of methane transport by bubbles in a medium-sized lake. Limnol Oceanogr Methods 6:105–18.
Peeters F, Hofmann H. 2015. Length-scale dependence of horizontal dispersion in the surface water of lakes. Limnol Oceanogr 60:1917–34.
Peeters F, Wuest A, Piepke G, Imboden DM. 1996. Horizontal mixing in lakes. J Geophys Res 101:18361–75.
Rasilo T, Prairie YT, del Giorgio PA. 2015. Large-scale patterns in summer diffusive CH4 fluxes across boreal lakes, and contribution to diffusive C emissions. Glob Change Biol 21:1124–39.
Reeburgh W, Heggie D. 1977. Microbial methane consumption reactions and their effect on methane distributions in freshwater and marine environment. Limnol Oceanogr 22:1–9.
Rinta P, Bastviken D, Schilder J, Van Hardenbroek M, Stötter T, Heiri O. 2017. Higher late summer methane emission from central than northern European lakes. J Limnol 76:52–67.
Schilder J, Bastviken D, van Hardenbroek M, Kankaala P, Rinta P, Stötter T, Heiri O. 2013. Spatial heterogeneity and lake morphology affect diffusive greenhouse gas emission estimates of lakes. Geophys Res Lett 40:5752–6.
Schilder J, van Hardenbroek M, Bastviken D, Heiri O. 2016. Spatio-temporal patterns in methane flux and piston velocity at low wind speed: implications for upscaling studies on small lakes. J Geophys Res Biogeosci 121:1456–67.
Schmidt U, Conrad R. 1993. Hydrogen, carbon monoxide, and methane dynamics in Lake Constance. Limnol Oceanogr 38:1214–26.
Schubert CJ, Lucas FS, Durisch-Kaiser E, Stierli R, Diem T, Scheidegger O, Vazquez F, Müller B. 2010. Oxidation and emission of methane in a monomictic lake (Rotsee, Switzerland). Aquat Sci 72:455–66.
Stauffer RE. 1980. Windpower time series above a temperate lake. Limnol Oceanogr 25:513–28.
Tang KW, McGinnis DF, Ionescu D, Grossart H-P. 2016. Methane production in oxic lake waters potentially increases aquatic methane flux to air. Environ Sci Technol Lett 3:227–33.
Tang KW, McGinnis DG, Frindte K, Brüchert V, Grossart H-P. 2014. Paradox reconsidered: methane oversaturation in well-oxygenated lake waters. Limnol Oceanogr 59:275–84.
Vachon D, Prairie YT. 2013. The ecosystem size and shape dependence of gas transfer velocity versus wind speed relationships in lakes. Can J Fish Aquat Sci 70:1757–64.
Varadharajan C, Hemond HF. 2012. Time-series analysis of high-resolution ebullition fluxes from a stratified, freshwater lake. J Geophys Res Biogeosci 117:G02004.
Wang Q, Dore JE, Mcdermott TR. 2017. Methylphosphonate metabolism by pseudomonas sp. populations contributes to the methane oversaturation paradox in an oxic freshwater lake. Environ Microbiol 19:2366–78.
Whiticar MJ. 1999. Carbon and hydrogen isotope systematics of bacterial formation and oxidation of methane. Chem Geol 161:291–314.
Whiticar MJ, Faber E. 1986. Methane oxidation in sediment and water column environments—isotope evidence. Adv Org Geochem 10:759–68.
Wik M, Varner RK, Anthony KW, MacIntyre S, Bastviken D. 2016. Climate-sensitive northern lakes and ponds are critical components of methane release. Nat Geosci 9:99–106.
Yao M, Henny C, Maresca JA. 2016. Freshwater bacteria release methane as a by-product of phosphorus acquisition. Appl Environ Microbiol 82:6994–7003.