咸水湖泊占地球湖泊总面积的23%，占总水体体积的44%，对于区域水文和碳循环具有重要影响。湖泊和大气CO2交换是目前备受关注的国际热点问题之一，国际上已有研究大多通过采集夏季湖泊水样和模型模拟的方法来估算湖泊全年CO2通量，缺乏对湖泊CO2通量的全年连续动态的直接观测资料，而且冬季湖泊CO2通量常被忽略或过高估算。已有大多研究表明咸水湖泊是碳源，但仍存在很大的不确定性。青藏高原是湖泊分布最为广泛的区域之一，其中咸水湖泊的面积为27,600 km2，占高原湖泊总面积的70%以上。青藏高原湖泊由于冬季结冰，仪器架设和实验观测十分困难，很少有全年连续碳通量观测数据。本研究通过分析在青藏高原最大咸水湖泊（青海湖）5年（2013−2017）的涡动和微气象全年连续观测数据，发现咸水湖泊冬季可以吸收大量的二氧化碳，是一个潜在的碳汇，青海湖每年从大气中吸收的CO2为88万吨碳（0.88 ± 0.49 Tg C yr−1），相当于青海省每年碳排放的近10%。进而通过温度和CO2通量线性方程估算出青藏高原全部咸水湖泊每年从大气中吸收的CO2为一千万吨碳左右（10.28 ± 1.65 Tg C yr−1），相当于青藏高原陆地生态系统净生产力的三分之一。最后通过分析湖冰变化和湖泊水化学过程初步揭示了青藏高原咸水湖泊碳汇机理，提出高原咸水湖泊CO2通量变化受湖泊水化学过程和湖冰影响的可能机制。
图1. 不同季节和冻结期青藏高原咸水湖泊CO2通量分布特征
图2. 咸水湖泊CO2通量变化的可能机制
本研究首先计算了2013−2017年间青藏高原最大咸水湖泊青海湖不同时期的CO2通量，结果显示除2015年夏季、秋季及2016年夏季外，青海湖主要表现为碳汇，其中冻结期CO2的吸收速率为−0.87 ± 0.38 g C m−2 d−1，是非冻结期的两倍（−0.41 ± 0.35 g C m−2 d−1）。其次利用温度和CO2通量的关系构建的线性方程评估了青藏高原上面积大于1 km2的373个咸水湖泊不同时期的CO2通量，结果发现高原咸水湖泊夏季表现为碳源，而冬季则为碳汇，且全年吸收CO2达一千万吨碳（10.28 ± 1.65 Tg C yr−1），相当于青藏高原陆地生态系统净生产力的三分之一。进一步结合RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三个情景下CMIP5中四个模型模拟数据对2006−2099年青藏高原咸水湖泊CO2通量的预测分析发现在极端持续的升温情景下（RCP8.5），高原咸水湖泊从21世纪中期开始可能从原来的碳汇转化为碳源。该结果挑战了“目前普遍认为全球湖泊为碳源，及冰期由于冰面覆盖湖泊和大气之间CO2交换较低可以被忽略”的结论。
图3. 青海湖2013−2017年不同季节CO2通量
研究最后分析了青海湖湖冰变化对CO2吸收的影响，并解释了可能的内在机制。咸水湖泊CO2通量变化同时受到了湖泊水化学过程和湖冰覆盖的影响。从非冰期到冰期，随着温度的降低，湖泊pH升高，湖泊中OH−增加，湖泊中CO2相关的化学平衡向HCO3−转化，从而湖泊中CO2分压降低，湖泊从大气中吸收CO2，因而开始结冰期表现为较高的CO2吸收速率，随着湖面湖冰覆盖率的增加，湖冰的阻碍作用导致湖泊对CO2吸收的速率降低。在融化期，随着湖冰覆盖率的降低和温度的升高，湖泊对CO2吸收的速率呈现一定的波动变化。
图4. 青海湖CO2通量随湖冰覆盖率的变化
该成果以“Significant winter CO2 uptake by saline lakes on the Qinghai−Tibet Plateau”为题发表于Global Change Biology国际期刊。北京师范大学地理科学学部李小雁教授为第一作者和通讯作者，2018级博士研究生石芳忠为第二作者和共同通讯。该研究得到了第二次青藏高原综合科学考察（2019QZKK0306）和国家自然科学基金项目（41730854, 41971029）资助。论文信息: Li, X.-Y., Shi, F.-Z., Ma, Y.-J., Zhao, S.-J., & Wei, J.-Q. (2022). Significant winter CO2 uptake by saline lakes on the Qinghai-Tibet Plateau. Global Change Biology, 00, 1–12. https://doi.org/10.1111/gcb.16054.