亚南极生态系统中，海狸池塘产生的温室气体排放量超过了浅水湖泊的排放量

《Science of The Total Environment》：Greenhouse gas emissions from beaver ponds exceed emissions from shallow lakes in subantarctic ecosystems

温室气体排放|浅色湖泊|鼠兔湖|南极洲|气体交换

　　

玛丽亚·维多利亚·卡斯特罗（María Victoria Castro）| 玛丽亚·康斯坦扎·马卢恩德斯·特斯托尼（María Constanza Maluendez Testoni）| 帕特里夏·E·加西亚（Patricia E. García）| 帕特里夏·罗德里格斯（Patricia Rodríguez）

水生生态系统生态学小组，隶属于生物多样性与环境研究所（INIBIOMA），科马韦国立大学（Universidad Nacional del Comahue），CONICET，地址：Quintral 1250，Av. De los Pioneros 2350，San Carlos de Bariloche，Río Negro，阿根廷

摘要

内陆水域通常被认为是向大气中净释放温室气体（GHG）的来源，前提是它们接收了大量的陆地有机物质，这促进了二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）的生成。然而，亚南极地区棕色淡水浅湖（SLs）和海狸池塘（BPs）在碳循环中的作用仍很大程度上未知。在这项研究中，我们测量了四个亚南极地区浅湖和四个海狸池塘在两个连续无冰期内的CH₄、CO₂和N₂O的扩散排放量。此外，还在第二个采样季节测量了两个浅湖和两个海狸池塘中的CH₄沸腾释放通量。结果表明，这两种水体类型都是温室气体的净排放源；海狸池塘的排放量几乎是浅湖的两倍，无论是CO₂（海狸池塘为55 ± 22 mmol m^?2 d^?1，浅湖为26 ± 13 mmol m^?2 d^?1）还是CH₄（海狸池塘为3.8 ± 3.0 mmol m^?2 d^?1，浅湖为1.1 ± 0.8 mmol m^?2 d^?1）。两种水体中的一氧化二氮（N₂O）排放量都较低（分别为15.2 ± 26 μmol m^?2 d^?1和11 ± 35 μmol m^?2 d^?1）。此外，海狸池塘中的CH₄沸腾释放通量高于浅湖（分别为0.9 ± 1.0 mmol m^?2 d^?1和0.3 ± 0.4 mmol m^?2 d^?1）。我们的研究为亚南极湖泊和池塘中的温室气体通量提供了定量数据。这些结果可能对管理实践具有重要意义，因为海狸几十年前被引入该地区，目前海狸池塘向大气中释放大量温室气体，尽管其排放量仍低于北半球原生海狸池塘。

引言

内陆水域是生物地球化学过程的重要场所，在向大气中排放主要温室气体（GHG）方面发挥着重要作用：二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）（Lauerwald等人，2023年），因此它们既是CH₄也是CO₂的净排放源（Bastviken等人，2004年；Raymond等人，2013年）。这些水体向大气中释放的CO₂或CO₂当量量目前估计不足，可能被低估了（DelSontro等人，2018年；Rosentreter等人，2021年）。特别是小型水体（<5公顷），它们在淡水排放估算中仍是一个主要不确定性因素（Holgerson和Raymond，2016年；Lauerwald等人，2023年）。因此，来自不同地区的定量数据非常宝贵；尤其是关于亚南极浅湖和海狸池塘的温室气体排放数据知之甚少（Whitfield等人，2015年；Gerardo-Nieto等人，2017年），这些水体是亚南极地区最广泛分布的水生生态系统之一，特别是在火地岛（Tierra del Fuego）。

大多数淡水湖泊生态系统中的二氧化碳（CO₂）处于过饱和状态，这可能是由多种因素造成的：i) 湖泊净生态系统生产力的不平衡，导致异养作用占主导；部分原因是内部初级生产力较低，同时从陆地生态系统接收了大量可反应的有机物质，这些物质在水生生态系统中被分解（Cole等人，1994年；Cole等人，2000年；Battin等人，2023年）；ii) 水体中的输入物质（如地表水或地下水）含有高浓度的溶解无机碳（Jonsson等人，2003年）。在二氧化碳过饱和的水体中，气体通量会向大气中释放，因为气体交换仅取决于空气和表面水之间的二氧化碳浓度梯度；尽管水的pCO₂浓度不是影响通量方向的唯一因素，但它是最重要的（Sobek等人，2005年）。这种交换的规模还受到湖泊和环境特征的影响（例如风速、水域面积等），这些因素被纳入气体交换系数k的估算中（Cole和Caraco，1998年；Vachon和Prairie，2013年）。

尽管海狸池塘（BPs）在火地岛景观中的出现时间相对较短，但它们已成为生态系统的重要组成部分。1946年，阿根廷政府将海狸（Castor canadensis Kuhl）引入该岛以促进毛皮产业（Pietrek和Fasola，2014年）。最初的25对海狸自那时起逐渐扩散到几乎所有能够蓄水或储水的环境中（例如湖泊、池塘、河流、溪流和沼泽），并在90年代中期通过智利扩散到大陆（Anderson等人，2009年；Graells等人，2015年）。由于缺乏持续的种群控制或根除措施，加上适宜的栖息地（如没有捕食者和森林的存在），海狸种群得以扩展到目前的规模（Huertas Herrera等人，2020年）。海狸在流域内砍伐树木建造水坝，从而在流动水体中形成静水区域，影响了水体的性质（例如Naiman等人，1988年；Lizarralde等人，1996年），在某些情况下还影响了当地社区（Anderson和Rosemond，2007年；Rodríguez等人，2020年）。因此，人类通过引入海狸，在生态系统层面引发了自上一个冰河时代以来火地岛森林的重大景观变化（Anderson等人，2009年）。

海狸建造的水坝淹没了附近的土壤，导致缺氧条件，促进了微生物的呼吸作用和CH₄的生成，后者在沉积物中积累（Lazar等人，2014年）。这种气体的全球变暖潜力（GWP-100）是二氧化碳的27 ± 11倍（Forster等人，2021年）。由于海狸池塘的深度较浅，CH₄在水柱中的氧化机会有限，导致CH₄可能通过沸腾或扩散从沉积物中释放（Bastviken等人，2004年）。沸腾作用使甲烷直接从沉积物释放到大气中；进入水柱的CH₄可能会被氧化为CO₂，但未氧化的部分会通过扩散作用释放到水柱的上层混合层，有时这种过程会通过沉水植物介导（Bastviken等人，2004年；Bodmer等人，2024年）。人类活动造成的河流筑坝也显著影响了温室气体排放。其中一个最常报告的变化是水库蓄水区与上游通道相比，CH₄的沸腾释放量增加（Liu等人，2025年）。此外，湖泊水体中CH₄浓度的升高也可能由于地下水输送了大量的陆地CH₄（Olid等人，2022年）。

棕色淡水浅湖（SLs）的特点是水体呈棕色，pH值从中性到微碱性不等，且溶解有机碳（DOC）浓度较高（Castro等人，2023年；Rodríguez等人，2023年）。这些湖泊通常被Sphagnum magellanicum沼泽环绕，这是流域内有机物质的主要来源，同时还有Nothofagus属树木组成的森林（Iturraspe和Urcioulo，2000年；Castro等人，2023年）。已知浅水体是一氧化二氮（N₂O）的来源（Zhou等人，2021年），这是一种强效温室气体，其GWP-100值是二氧化碳的273 ± 130倍（Forster等人，2021年）。N₂O是在缺氧或厌氧条件下产生的，是硝化作用（铵盐转化为亚硝酸盐和硝酸盐）和反硝化作用（硝酸盐还原为氮气）的副产物，这两种过程是氮循环中的关键微生物过程（Veber等人，2018年；Zhou等人，2021年；Rabaey和Cotner，2022年）。反硝化作用在决定N₂O的排放量以及水生生态系统是否为N₂O的来源或汇方面起着重要作用（Zhou等人，2021年）。在水生生态系统中，沉积物中的反硝化速率通常较高，因为那里有利于厌氧反硝化细菌的生长。量化水体中的全球反硝化速率和N₂O排放量具有挑战性，这导致人们认为湖泊可能不是N₂O的重要来源。因此，即使在北方冰冻圈地区进行了大量研究，人们对湖泊中N₂O排放量的估计也可能偏低（McCrackin和Elser，2010年；McCrackin和Elser，2011年；Song等人，2024年）。

该地区之前的研究使用已发布的数据估算了温室气体排放量（例如Whitfield等人，2015年）。然而，直接测量数据仍然很少（Gerardo-Nieto等人，2017年；Thalasso等人，2023年）。在研究泥炭生态系统时，Iseas等人（2024年）分析了Sphagnum magellanicum沼泽中微地形（丘陵-洼地复合体与草坪）对温室气体排放的影响。丘陵-洼地区域的CO₂通量较高，而草坪则作为CH₄的排放源。尽管如此，在所有测量过程中，这两种微地形都表现为CO₂的汇。在海狸池塘生态系统中，Lazar等人（2014年）量化了北半球海狸池塘的温室气体排放量，发现它们是大气中的温室气体来源。Smufer等人（2023年）估计海狸池塘占加拿大水生网络总碳排放量的7%。类似地，最近在北极苔原进行的研究也表明海狸活动增加了CH₄的排放（Clark等人，2023年）。

尽管海狸池塘在该地区的分布范围较广（约71,000个池塘，总长度2300公里，淹没面积87平方公里），但亚南极湖泊生态系统和海狸池塘的温室气体排放量仍缺乏定量数据（Eljall等人，2019年）。本研究旨在比较亚南极地区两种常见类型水体的温室气体排放量，并提供关于棕色浅湖和海狸池塘中CH₄、CO₂和N₂O排放量的定量数据。我们比较了无冰期开始和结束时的温室气体通量。

研究区域和采样设计

研究区域已在Castro等人（2023年）的论文中详细描述。本研究选择了四个海狸池塘（BPs：Parque Nacional、Nunatak、Submarino和Valle Hermoso）和四个浅湖（SLs：Almanza、Laguna Negra、Laguna Victoria和Harberton）（图1）。这些地点位于阿根廷火地岛的山区（南纬54°46′至西经68°03′），周围环绕着天然森林和沼泽。气候为海洋性，寒冷潮湿，存在局部差异

水中的CO₂和CH₄分压

表面水中CO₂和CH₄的分压在浅湖（SLs）和海狸池塘（BPs）之间存在显著差异（图2）。研究地点的平均pCO₂为406.2 ± 16.2 μatm，平均pCH₄为1.42 ± 0.44 μatm（图2中的红线）。这些数值用于评估水体中每种温室气体的过饱和或未饱和状态。

图2a显示了不同环境类型之间的pCO₂差异

讨论

淡水生态系统在全球范围内被认为是温室气体（GHG）的来源（DelSontro等人，2018年）。然而，不同水体对全球碳平衡的贡献仍不清楚；特别是在某些纬度地区（例如Song等人，2024年；Liu等人，2025年）。例如，亚南极浅湖和海狸池塘水生生态系统的温室气体排放量尚未得到充分研究；因此，本研究旨在填补这一空白。我们测量了CO₂、CH₄和N

结论

本研究显示，亚南极地区的浅湖和海狸池塘都是温室气体的净排放源，其中海狸池塘的CO₂和CH₄排放量几乎是其他地方的两倍。总体而言，观察到的CO₂和CH₄扩散排放量处于类似纬度地区的范围内；然而，我们的水体中的CH₄沸腾释放通量低于北半球（海狸原产地）的观测值。CO₂是这两种温室气体的主要贡献者

CRediT作者贡献声明

玛丽亚·维多利亚·卡斯特罗（María Victoria Castro）：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，方法学研究，数据管理，概念化。玛丽亚·康斯坦扎·马卢恩德斯·特斯托尼（María Constanza Maluendez Testoni）：撰写——审稿与编辑，方法学研究，数据管理。帕特里夏·E·加西亚（Patricia E. García）：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，监督，资源管理，项目协调，资金获取，概念化。帕特里夏·罗德里格斯（Patricia Rodríguez）：撰写——初稿

资助

本研究得到了阿根廷国家科学技术促进局（ANPCyT）的支持（项目编号：PICT 2017-0164和PICT 2021-0230）。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

感谢Marcelo “Charango” Gutiérrez在设备维修和沸腾捕集器制作方面的帮助；CADIC的同事们在野外工作中的协助：Julio Escobar、Laura Wolinski、Amalia Bursztyn Fuentes、Cecilia Gutierrez、Mariano Iseas、Verónica Pancotto、Lu Chiberry、Florencia Rossi、María Granitto、Pablo Jusim和álvaro Vazquez在营养分析方面的支持。阿根廷国家公园管理局（APN）在野外工作提供了后勤支持和气象数据