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北极冰封湖泊的氧气损耗及沉积物呼吸研究

 作者:Robert Schwefel , Sally MacIntyre , Alicia Cortés

调控氧气消耗速率的有关过程是季节性冰封湖泊能否发生缺氧现象的决定性因子,同时还影响着冰封湖泊中温室气体的积累程度。该论文的作者们利用3个浅水壶状湖(锅状湖,E1E2N1,最大深度为9-13米)两个冬天的高频观测数据和另一个相对较深的壶状湖(Toolik湖,最深处约24 m4个冬天的高频观测数据估算了上述湖泊的氧气收支平衡,并通过室内培养实验测算了沉积物新陈代谢速率。现场监测结果显示,水柱体积平均耗氧量与水温和冰雪覆盖期的长短无关,3个浅水湖的平均耗氧量在0.2-0.39 g O2/(m2d)之间,深水的Toolik湖的平均耗氧量在0.03-0.14 g O2/(m2d)之间。受沉积物面积与湖水体积比较大的影响,小湖的耗氧量相对较高。在冬季末期,浅水湖的耗氧速率下降到初始值的20%-50%,但Toolik湖的耗氧速率下降较低乃至没有下降,垂直对流作用将氧气持续输送到耗氧的沉积物-水界面处是该湖耗氧速率得以保持的主要原因。在Toolik湖,初冬时节的氧气损耗在雪覆盖率最低的年份较少。在所有研究的湖泊中,原位测得的氧气损耗量都低于室内培养的氧气损耗量,这说明下层水柱缺氧程度的持续加重在一定程度上抑制了耗氧速率的提升。该研究结果显示,当水柱中发生太阳辐射驱动的穿透性对流时,通过光合作用产生的氧气或者被向下输运混合、或者在形成冰的过程中被向上输运排出,进而导致氧气消耗速率相对降低。该研究发现:沉积物总初级生产力随着光照强度的增加而增加。虽然这一增加程度对积雪覆盖最小年份低初始氧气消耗速率的贡献较小,但这些结果依旧表明在沉积物上存在一些底栖藻类群落,它们可以释放有机碳并供给其它微生物呼吸和利用。作者认为,在后续开展冰-氧动力学过程模拟研究时,必须考虑调控氧气浓度和分布有关的光学特征、生物学过程和输移过程等因素和过程。

(来源:Limnology and Oceanography.(2023). DOI: 10.1002/lno.12357