在贫营养湖泊的富氧水体中溶解的甲烷：以伊塞克湖为例

《Journal of Great Lakes Research》：Dissolved methane in aerobic waters of an oligotrophic lake: The case of Issyk-Kul

湖伊塞克湖首次定量评估溶解甲烷分布，发现其浓度（4.4-221.4 nmol/L）与全球同类营养湖泊相当，水混合强度导致低变异性，近河流入海口因地表径流和缺氧沉积物释放呈现高浓度。

　　

E.S. 伊日茨卡娅 | A.V. 叶戈罗夫 | S.A. 阿尔姆库洛夫 | P.O. 扎维亚洛夫

俄罗斯科学院希尔绍夫海洋研究所，纳希莫夫斯基大街36号，莫斯科117997，俄罗斯联邦

摘要

寡营养-中营养系统对甲烷（CH₄）排放的贡献仍然被低估。本研究首次提供了关于极端寡营养湖泊伊塞克库尔湖中溶解态CH₄的数据。2015年至2017年的夏季和秋季期间共收集了146个水样。此处报告的CH₄浓度范围为4.4至221.4 nmol/L，与其他具有类似营养条件的湖泊相当。CH₄含量的低变异性可能归因于强烈的水混合作用。在提普河和杰尔加兰河的入湖口附近观察到的高CH₄浓度表明，地表水和地下水径流以及沉积物上层释放的CH₄对此有所影响。最高的溶解态CH₄浓度出现在中间水层，这一发现对于理解甲烷悖论具有重要意义。这些峰值与季节性温跃层区域相吻合，并且与叶绿素a的最大浓度同时出现。

引言

水生生态系统，尤其是天然湖泊，是向大气中释放甲烷（CH₄）的重要来源（Bastviken等人，2011年）。目前，湖泊和海洋中有氧水域中溶解的CH₄含量增加的现象——通常被称为“甲烷悖论”——引起了广泛讨论（Bi?i?等人，2020a；Conrad，2009年；Reeburgh，2007年；Rogers和Whitman，1991年；Tang等人，2014年）。这一现象的存在挑战了之前认为CH₄仅在严格厌氧条件下形成的观点。

与此同时，CH₄是最重要的温室气体之一，其增温潜力显著高于二氧化碳，且其大气浓度持续上升（Saunois等人，2016年）。研究有氧水域中CH₄的分布及其与物理和生化环境参数的关系对于评估全球CH₄从水体向大气的转移至关重要（Ordó?ez等人，2023年；Rosentreter等人，2021年；Tang等人，2016年）。

目前已确定多种因素导致有氧水域中CH₄水平升高，包括：在厌氧微环境中（如浮游动物肠道、粪便颗粒和悬浮颗粒）生成CH₄（Karl和Tilbrook，1994年）；细菌降解甲基膦酸盐和其他甲基化合物（Damm等人，2010年；Repeta等人，2016年；Tang等人，2016年；Yao等人，2016年）；浮游植物产生CH₄（Bi?i?等人，2020b；Bogard等人，2014年；Grossart等人，2011年；Hartmann等人，2020年；Lenhart等人，2016年）；来自底部沉积物的气体释放（Bastviken等人，2008年；Capone和Kiene，1988年；Hofmann等人，2010年；Ordó?ez等人，2023年；Peeters等人，2019年）；以及淡水径流（Izhitskaya等人，2023年；Khoroshevskaya，2010年；Murase等人，2005年）。

同时，对于湖泊和海洋有氧水域而言，CH₄积累、消耗和侧向传输机制之间的平衡仍是一个未解决的问题。DelSontro等人（2018b）的系统分析揭示了温室气体排放与湖泊大小和营养条件之间的关系，表明来自静水系统的CH₄通量随着叶绿素a浓度的增加而增加，这种联系可能尤为重要。

寡营养-中营养系统对CH₄排放的贡献仍然被低估。尽管这些水体的生物生产力低于富营养水体，但它们往往表现出较高的CH₄饱和度和上层的高生产率（Donis等人，2017年），以及中间水层中的浓度峰值（Grossart等人，2011年；Khatun等人，2020年）。

一个典型的极端寡营养系统例子是伊塞克库尔湖。然而，科学文献中尚未对其CH₄含量进行过评估。伊塞克库尔湖是世界上按体积计算第二大的咸水湖，仅次于里海，表面积为6236平方公里，平均深度为278.4米，最大深度为668米（Kodyaev，1973年）。该湖的矿化程度在垂直和空间上变化很小，约为6克/千克。这一特性与寒冷季节强烈的垂直和水平水混合有关（Vollmer等人，2002年；Zavialov等人，2018年），这也导致整个水柱中的溶解氧浓度较高。垂直氧剖面没有明显的梯度（Hofer等人，2002年；Kadyrov，1986年；Peeters等人，2003年）。

在湖泊的浅水区（深度<50米），由于浮游植物和大型水生植物的生产力增加，表层水中的氧气饱和度可能非常高（Karmanchuk，2002年；Matveev，1935年）。然而，总体而言，伊塞克库尔湖是一个低生产力的极端寡营养湖泊。根据塞奇盘测量，其水透明度可达20米。决定湖泊生物生产力的营养物质主要来自河流输入（Karmanchuk，2002年；Rostovtseva等人，2020年）。

鉴于伊塞克库尔湖对污染的敏感性，其现状值得特别关注。主要问题包括农业化学品（农药、灌溉田地的肥料以及牧场径流）的流入，以及娱乐设施建设和维护的影响（Salamat等人，2015年）。自20世纪70年代末以来的长期水污染监测表明，伊塞克库尔湖流域的人为活动影响了湖泊沿岸区的化学组成。污水处理不足和意外泄漏导致的负面影响使得石油产品、洗涤剂、酚类物质和重金属的浓度增加（Karmanchuk，2002年；Podrezov等人，2020年）。

此外，伊塞克库尔湖的地理位置使其在水文和生物地球化学研究方面具有特殊意义，因为山区生态系统对气候变化非常敏感。物理因素如雪反照率、云层覆盖、水汽、辐射通量和气溶胶表明，随着海拔升高，温度可能升高，或者敏感性带会向上移动（Pepin等人，2015年；Rangwala和Miller，2012年）。高山地区加速的气候变化具有深远影响，因为这些地区是低海拔地区人口的主要水源，并为许多稀有和濒危物种提供栖息地（Viviroli等人，2007年）。

本研究旨在评估伊塞克库尔湖在全球水生系统中的地位，特别是在甲烷悖论背景下。所获得的数据代表了2015年至2017年间伊塞克库尔湖中溶解态CH₄的首次定量评估。这项工作基于俄罗斯科学院希尔绍夫海洋研究所组织的考察期间的野外观察和实验室分析，与吉尔吉斯斯坦国家科学院物理和技术问题及材料科学研究所及其他多个当地科学组织合作完成。

研究地点

伊塞克库尔湖是一个完全位于吉尔吉斯斯坦境内的内流湖。它形成于新生代印度-欧亚板块碰撞在天山北部重新激活的构造作用下的一个山间洼地。该盆地内的沉积物积累可能持续了整个中新世和上新世时期，而湖泊目前的形态可能形成于中更新世（Trofimov，1990年）。伊塞克库尔湖是世界第七深的湖泊。

伊塞克库尔湖及其支流表层水中的溶解甲烷

2015年6月，伊塞克库尔湖表层水中的溶解态CH₄含量为6.4–32.6 nmol/L；2016年10月至11月为9.6–221.4 nmol/L；2017年6月为4.4–210.8 nmol/L（图3）。所得值平均超过CH₄与大气空气达到平衡状态的浓度3–5倍，并显示出相当均匀的分布，东部提普河和杰尔加兰湾的数值除外。因此，在杰尔加兰湾，CH₄含量超过了平衡值。

讨论

湖泊东部的表层水中CH₄浓度升高显然与提普河和杰尔加兰河的影响有关。在同一时期获得的湖泊表面盐度、温度和水质参数分布图中清楚地反映了它们的径流影响（Zavialov等人，2018年）。众所周知，河口地区的河水通常含有较高水平的溶解态CH₄（de Angelis和Lilley，

结论

本研究首次定量评估了极端寡营养湖泊伊塞克库尔湖水柱中的溶解态CH₄。2015年至2017年夏季和秋季记录的CH₄浓度值与其他具有类似营养条件的湖泊在文献中的数据相当。通过对收集数据的分析，我们可以将伊塞克库尔湖归类为观察到甲烷悖论的众多湖泊之一。

CH₄含量的低变异性

CRediT作者贡献声明

E.S. 伊日茨卡娅：写作——审稿与编辑，原始草稿撰写，可视化，验证，监督，软件使用，资源获取，调查，形式分析，数据管理，概念构建。A.V. 叶戈罗夫：写作——审稿与编辑，监督，方法学研究，形式分析，数据管理，概念构建。S.A. 阿尔姆库洛夫：写作——审稿与编辑，资源管理，项目协调，资金筹集，概念构建。P.O. 扎维亚洛夫：写作——审稿与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢2015年至2017年间参与伊塞克库尔湖考察的参与者在测量工作中的协助。这项工作是在俄罗斯科学院希尔绍夫海洋研究所的国家任务（项目编号FMWE-2024-0015）下进行的。