我室王根绪/宋春林团队在冰冻圈河湖水体温室气体排放领域取得重要进展
近日，四川大学水利水电学院/山区河流保护与治理全国重点实验室宋春林副研究员和王根绪研究员团队联合国内外学者在国际综合性期刊《科学-进展》（Science Advances）发表题为“Inland water greenhouse gas emissions offset the terrestrial carbon sink in the northern cryosphere”的研究论文，首次评估北半球冰冻圈内陆水体温室气体排放通量和格局并探讨了其对于陆地生态系统碳汇的抵消作用。
准确评估自然生态系统温室气体排放通量对于实现双碳目标和减缓气候变化具有重要意义。分布在高海拔或高纬度地区的冰冻圈是全球气候变化的前哨，多种观测证据表明冰冻圈地区变暖的速度是全球平均值的2～4倍。冰冻圈集中分布着大面积的多年冻土和冰川，这些地区不仅是重要的固态水库，也是巨大的碳氮库。冰川、冻土在变暖影响下快速消融退化，进而分解释放大量碳氮物质并排放温室气体，对全球气候和环境产生重要影响。内陆水域生态系统（河流、湖泊、水库等）是重要的温室气体排放源，冰川冻土的消融退化会将大量陆源碳氮物质输送到内陆水体中，导致更多的水体温室气体释放。北半球冰冻圈地区河湖水体密布，其内陆水域面积占到全球的近三分之一，是全球内陆水域最集中的地区。已有的区域或样点尺度的研究表明冰冻圈河湖生态系统是温室气体排放源。然而，在整个冰冻圈范围内，尚不清楚这些水域生态系统到底释放了多少温室气体，以及这些温室气体释放对陆地碳汇有多大影响。
青藏高原冰冻圈典型河流湖泊（上）和温室气体观测工作（下）
四川大学山区河流保护与治理全国重点实验室生态水文研究中心科研人员多年前开始关注到青藏高原水体温室气体排放问题，对青藏高原冻土区典型河流和湖塘的温室气体开展了系列监测工作，前期的研究发现河湖温室气体排放存在显著时空异质性并受到季节性水文及冻融过程变化、融冰期、植被类型等因素的影响。
北半球冰冻圈内陆水体温室气体数据点分布及河湖开放水域面积
本研究整合了团队自有观测数据和文献调研得到的遍布北半球冰川冻土区的近三千个河湖监测点的温室气体数据，构建了冰冻圈内陆水体温室气体时空数据库CIWD-GHG。对该数据库的统计分析发现，二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）这三大温室气体排放速率在不同冰冻圈分区和季节上均存在显著时空差异性。在此基础上，基于月尺度河流和湖泊水库开放水域面积数据集，利用分层蒙特卡洛模拟Bootstrap方法对不同冰冻圈分区、不同水体类型、不同季节以及不同温室气体类型的温室气体通量进行了时空尺度上推，精细刻画了不同冰冻圈类型季节及年尺度上的温室气体排放总量。
结果发现：北半球冰冻圈内陆水体CO2、CH4和N2O的年排放通量分别为11.49亿吨、1420万吨和5400吨。这些温室气体排放量换算成100年尺度或20年尺度增温潜势的CO2当量合计为15或23亿吨。该量级如果放入全球国家尺度温室气体排放量的排行比较，相当于全球第六大排放区，充分表明冰冻圈内陆水体是重要的温室气体排放源。河流和湖泊CO2和CH4排放均呈现出夏秋季节高，其他季节低的现象，但是N2O并无统一季节规律。河流主导了的水体CO2排放，而湖泊CH4排放量是河流的两倍。河流和湖泊的N2O排放量均较低，CO2当量合计贡献不足百分之一。在不同冰冻圈分区中，连续多年冻土地区的水体贡献了约一半的温室气体排放量。此外，尽管河流水面面积仅为湖泊的五分之一，其总温室气体排放量却比湖泊高64%，这凸显了与陆地联系更紧密的河流生态系统在温室气体排放中的重要作用。
北半球冰冻圈内陆水体温室气体排放通量
研究进一步基于陆地净生态系统碳交换（NEE）卫星数据计算北半球冰冻圈范围的陆地NEE，并与同区域水体温室气体排放量进行对比。结果意外发现，无论是净碳排放量还是温室气体CO2当量，冰冻圈内陆水体温室气体排放均超过了陆地NEE，这意味着北半球冰冻圈水体的温室气体排放可能已经完全抵消了陆地碳汇，这种抵消作用一方面是由于冰冻圈陆地生态系统生产力较低导致自身碳汇强度较低，另一方面也可能是因为温室气体排放与陆地碳交换过程存在部分解耦，冰冻圈水体排放的部分温室气体是来自冰川冻土退化导致的古老有机质释放，而非仅仅是当代陆地总初级生产力提供。
总体而言，该研究揭示了内陆水域生态系统对冰冻圈水-陆连续体生物地球化学循环的重要作用并评估了水体温室气体对陆地碳汇的影响，为预测气候变化背景下冰冻圈内陆水体温室气体排放演变趋势奠定重要基础，也有助于制定更有效的温室气体管理和减缓策略。未来气候变化背景下，冰川冻土持续退化将继续增加河湖生态系统陆源物质输入，从而改变其生物地球化学过程和温室气体排放格局。研究建议应进一步加强在冰冻圈内陆水体温室气体系统监测、机理揭示、过程模拟和未来预测方面的工作。
北半球冰冻圈河湖水体温室气体排放CO2当量及其与陆地碳汇的对比
四川大学为该项研究的第一完成单位和唯一通讯作者单位，宋春林副研究员和王根绪研究员同为该论文的第一作者及通讯作者，北京师范大学刘少达副教授为该论文共同第一作者。合作参与这项研究的机构和学者还包括瑞典于默奥大学Jan Karlsson教授、美国耶鲁大学Peter A. Raymond教授、澳大利亚南十字星大学Judith A. Rosentreter高级研究员、华东师范大学张力伟研究员和姚远志研究员、中科院地理所赵罡研究员、兰州大学牟翠翠教授等。该研究得到了第二次青藏高原综合科学考察研究项目、国家自然科学基金青年科学基金项目、国家自然科学基金联合基金重点项目、以及四川大学“从0到1”创新研究项目等的支持。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp0024
