Stream metabolism controls diel patterns and evasion of CO2 in Arctic streams

Gerard Rocher-Ros,Ryan A. Sponseller,Ann-Kristin Bergstr?m,Maria Myrstener,Reiner Giesler

摘要：溪流在全球碳 (C) 循環中發揮著重要作用，盡管面積較小，但從內陸水域逃逸的二氧化碳中有很大一部分來自溪流。然而，不同的陸地和水生過程驅動二氧化碳的產生和逃逸的相對重要性仍然知之甚少。在這項研究中，作者在2015年和2016年夏季連續測量了瑞典北部以凍土帶為主的流域的溪流中的O₂和CO₂。由此，同時估計了每日代謝率和二氧化碳逃逸量，從而洞察了北極河流代謝作為碳動態驅動力的作用。結果表明，水生生物過程在多個時間尺度上調節CO₂的濃度和逃逸速率。光合作用導致二氧化碳濃度在白天下降了900ppm，這種日變化的幅度在低湍流河流中最強烈。二氧化碳濃度的晝夜變化模式反過來又影響了逃逸速率，夜間的逃逸率最高可達45%。整個夏季，水生生態系統的呼吸作用維持著二氧化碳的逸出，呼吸作用比初級生產總值高一個數量級。此外，在大多數情況下，河流呼吸的貢獻超過了CO₂逃逸的貢獻，這表明一些河流河段是CO₂的凈來源，從而造成了該河流網絡中C的生產和損失的縱向異質性。總的來說，這一項研究結果提供了北極地區河流代謝和二氧化碳逃逸之間的重要聯系，并證明了河流代謝過程是這些景觀輸出的陸地有機質轉化和命運的關鍵驅動因素。

研究方法：

Miellajokka流域地圖，顏色顯示海拔變化。黑點代表本研究中測量點的位置。插圖顯示了Miellajokka流域在斯堪的納維亞半島內的位置，虛線代表北極圈

      研究者在2015年和2016年在北極的Miellajokka河流域布設了6個監測點，同時監測水溫、水文、流量水體CO₂濃度和溶解氧。水溫和水位用HOBO U20-001-04 水位記錄儀每個小時記錄一次；水體CO₂濃度用紅外氣體分析儀(IRGA) 每個小時記錄一次。在M1和M16監測點，研究者使用 GMT220傳感器，其對溶解的氣體具有高度滲透性，但對水沒有滲透性。在M6、M9、M10和M17站點，研究者使用eosGP CO2濃度探頭(Eosense Inc)。eosGP傳感器使用了與GMT220相同的技術，但設計中包含了PTFE薄膜。GMT220和eosGP傳感器連接到CR1000數據記錄器(Campbell Scientific Inc.)，由12v鉛酸電池供電。在現場部署前和部署后，傳感器在實驗室中使用標準氣體進行校準，氣體濃度分別為400ppm、2000ppm和5000ppm。傳感器被放置在保護套管中，以避免由于洪水和水中巖石運動造成的損壞，并每3周進行檢查和輕輕清洗。由于膜材料的脆性和一些水流的極端條件，發生了幾次故障并導致數據丟失，特別是在M1處。研究者使用miniDOT氧記錄器每10分鐘監測一次氧氣濃度。所有探頭都安裝了一個銅網，以避免生物淤積，傳感器被放置在水流的相反方向，以防止碎片堆積和石頭的沖擊。部署前后，使用再曝氣水對傳感器進行交互校準，以達到100%的氧飽和度，然后添加干酵母將氧飽和度降低到0%。

     所有的探頭都使用一根帶孔鋼管連接到一個重金屬平臺上，以防止移動。溫度/水位記錄儀穩穩地放置在管道內部，CO₂傳感器在管道外部但位于管道下游，以便暴露在流動的水中，而O₂傳感器與水流平行，傳感器面向下游。我們在選擇這些地點時考慮了三個標準:(a)在河流底部找到一個合適的位置來安裝儀器設備，這樣在基流條件下，它們就不會暴露在空氣中，同時也避免了深水池；(b)遠離上游支流匯入處(除M16外，所有河流到最近支流的距離>1 km)；(c)無地下水輸入影響。在2-6次試驗中，研究這通過比較部署地點與上游50-500米（視溪流大小而定）河流段鹽度的差異來估計地下水的輸入量。對于每個監測點，研究者觀察到相似的流量值，差異小于10%，以此可以排除地下水輸入對代謝的影響。

U20-001-04 水位記錄儀              eosGP 土壤二氧化碳監測儀

監測結果：

主要監測設備：

HOBO U20-001-04 水位記錄儀：HOBO U20系列水位計具有使用方便和設計小巧的特點，可以在記錄水位變化的同時記錄水中的溫度變化，適用于河流、湖泊、濕地和沼澤等，。它具有精度高、使用方便、價格便宜的優點。

eosGP 土壤二氧化碳監測儀：eosGP 土壤二氧化碳監測儀是一款可原位連續監測二氧化碳含量，結構堅固，既可埋于土壤中，又可淹沒在溪流或湖水中，甚至可以用于雨雪環境。低能耗，開箱即用，可掩埋，形狀小，可兼容大部分基礎數據采集器，易使用，非常適用于野外系統集成觀測。