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全球内陆水体排放的CO2
Peter A. Raymond, Jens Hartmann, Ronny Lauerwald, Sebastian Sobek, Cory McDonald , Mark Hoover, David Butman, Robert Striegl, Emilio Mayorga, Christoph Humborg, Pirkko Kortelainen, Hans Duuml;rr, Michel Meybeck, Philippe Ciais amp; Peter Guth
摘要：CO2从内陆水体进入到大气中，也就是所谓的CO2排放，是全球碳循环的一个部分。然而，由于缺乏一个去估计内陆水体表面积和气体传输速率的框架以及缺乏全球CO2数据库，导致估计全球CO2排放这项工作无法顺利开展。在这里我们将对全球内陆水体表面积、溶解的CO2以及气体传输速率的区域性变化做一个汇报。我们得到了全球每年溪流和江河的CO2排放速率是1.8 0.25 -0.25PgC（十亿吨碳），从湖泊和水库的排放量是0.32 0.52 -0.26PgCyr-1，上下限分别是第5和第95的置信区间百分位数。由于溪流和江河的排放速率更快，导致全球排放速率为2.1PgCyr-1，这个值比早前的估计值高一些。我们的分析预测，溪流和江河是全球排放热点，70%的通量发生在仅20%的陆地表面上。内陆水体CO2的来源目前仍不确定，针对全球控制CO2排放机制的新研究还需要开展。
量化地球上的全球碳循环对于未来可持续发展是十分必要的，因为CO2在地球能量收支方面扮演了积极的角色。自然生态系统对于这种估算是十分重要的，因为它们与大气之间进行了大量的CO2交换，并且当前以4PgCyr-1的速率抵消了人类活动的排放量[1]。直到现在，全球内陆水体与大气之间的CO2交换的估算还未努力做出综合的、空间的分析。早在30年前根据碱度和pH值所计算得到的内陆水体中的CO2就比大气中的值高的多[2]。早前对于大型江河以及北极内陆水体的直接测量同样证实它们的确过饱和[3-6]。最早对内陆水体排放的区域性估计是针对亚马逊，但直到2002年才做出报道[7]。该项研究估计仅在该地区，来自于溪流、江河以及湿地的释放就达到了0.5PgCyr-1（ref.7），并且这个数值向上调整用以解释在小型溪流上游中CO2较大程度的过饱和[8]。最近估计美国邻近的溪流和江河总的CO2排放为0.1PgCyr-1，外推得到北纬25°到50°范围内温带河流的排放为0.5PgCyr-1[9]。
这里几乎没有关于内陆水体CO2排放的全球估计[10-13]。尽管对于温带河流及亚马逊有高通量的估计，但这些研究依然仅将排放量定为1PgCyr-1（refs10-13）。到目前为止，全球交换的计算实际上还很简单，倾向于决定内陆水体CO2排放的3个不确定性因素，包括水中CO2的量，全球溪流、江河、湖泊以及水库的表面积，以及气体传输速率（k，一个跟决定气体交换速率的物理过程有关的参数）。最近，有研究重新审视了湖泊和水库表面积，通过使用修改过的新的地理空间数据库[14-16]，来生成依照尺寸等级划分的湖泊和水库表面积的空间清晰的全球地图。其他的研究也在大型流域尺度上探讨了湖泊溶解CO2的控制机理和量[17-20]，同时也提高了我们对于湖泊和水库系统气体传输速率驱动方面的知识[21,22]，在这里我们将综合这些研究成果用于我们的全球估计。
在江河和溪流方面的研究同样取得了进展。在瑞典、美国和育空河流域的区域性研究尝试了更加系统地估计溪流和江河的排放[9,19,23]。这种方法需要使用溪流的比例法则以及这些区域所存在的高分辨率遥感信息。虽然并不能获得全球范围内溪流和江河的相似的高分辨率地图，但是通过最近发展起来的较为粗糙的全球数据库[24]，结合河流的比例法则[25,26]、全球流域的排放估计[27]以及关于溪流和江河在气体传输速率方面控制机理的新知识[28,29]，我们给出了新的空间可分辨的全球河流表面积和气体传输速率。
我们已经将这些估计全球内陆水体表面积和气体传输速率的新方法与一个新的计算CO2分压值（基于GloRiCh数据库[30]）的全球数据库结合起来，来提供带有不确定区间的内陆水体CO2排放的空间地图。我们通过使用COSCAT（海岸分割和相关流域）流域网分割框架来实现缩放[31]，这适用于流域分析同时考虑到了这种交换的空间代表性。
内陆水体表面积
我们发现溪流和江河的表面积与降水之间有很强的正相关，同时表面积与温度之间有较弱的负相关（Supplementary Fig.4）。溪流表面积与降水之间强大的关系主要是由每个Strahler河流等级的河流宽度与降水之间很强的正相关所驱动的，因此，对全球更湿润地区的溪流和江河而言使用全球平均河流宽度并不能得到更大的表面积。我们预测降水增加10cm，全球河流面积百分比增加0.07%；随着温度升高1℃，河流面积百分比减少0.02%（Supplementary Information）。这些已通过卫星测量证明的相关性[32]，对于全球变化的研究非常重要，因为它们揭示了水循环变化与内陆水体表面积之间的潜在联系。
我们首次计算出全球溪流和江河的表面积为624000km2（487000和761000 km2的平均值，使用两种不同的液态方程估算得到的；Supplementary Information），或者说是占地球陆地表面积的0.47%（南极洲被排除在这次分析之外）。624000km2的估计值并没有包括有季节性和间歇性周期的河流部分（Supplementary Information），这样就将84000km2表面积的河流对气体交换的贡献排除在外。485000-662000km2达到了最近估计的一个上限（ref.33）。然而，后续的研究或许还没有获得被包含在内的一级河流（Supplementary Information）。先前的研究同样没有解释宽度上的空间变异性，因此可能会低估了全球湿润地区表面积的贡献。我们的分析预测，小型河流占总的溪流和江河的表面积比例较大（15%）（Supplementary Table1）。我们也修正了那些几乎没有气体交换的冰冻河流的量（有效表面积），从而进一步将我们的估算降低至536000km2。使用这种有效表面积削弱了温度与河流表面积之间的负相关强度。全球热带和温带地区的河流估计有较大的表面积（Fig.1）。
我们估计全球的湖泊和水库表面积为3000000 km2，或者说占地球表面积的2.2%，其中91.3%是湖泊，8.7%是水库。我们将大型湖泊的经验数据与基于较小湖泊的区域清查资料的统计模型结合起来进行估算（Supplementary Table 4）。本研究表面积估计值比一项最近的估计值[34]要低，但是跟其他的估计值[35]比较接近。我们得到的湖泊表面积比最近的一些估计值低是由于近期的研究证实了小型湖泊的大小分布是独立于大型湖泊的[16]，所以我们估计小型湖泊的贡献更小（Supplementary Table 4）。将湖泊、水库与溪流、江河汇总起来得到了一个总的陆地水体表面积为3620000 km2。高覆盖率的湖泊可以在以前的温带和北极地区冰川景观中以及由于冰川运动和地壳活动造成大量坑洼的山区中找到（Fig.2）。值得注意的是，表面积的估算中并没有包括湿地。我们认为湿地在功能上是不同于内陆水体的，这是因为大量的植物能改变大气CO2交换的方向。
内陆水体CO2
相比于水体与大气之间的平衡，内陆水体中的CO2通常过饱和。6708个溪流和江河取样点计算出至少一个pCO2值，其中有95%的pCO2中位数高于大气中的值（Supplementary Information）。这些中位数的平均值为2300mu;atm，扣除计算中的潜在偏差以及对每个区域到流区的pCO2进行归一化插值后，这个平均的pCO2值又增加到了3100mu;atm（Supplementary Information）。值得注意的是，在这份研究中我们不能通过河流等级来划分pCO2。3100mu;atm这个平均值在以前的区域或全球研究报告的1300~4300mu;atm范围之内[7,10,28,36]。水中CO2的浓度并没有发现与气候或者景观变化存在有强烈的相关性（Supplementary Information），这也是与最近一项关于北美的研究[30]一致，这份研究显示了CO2与碱度和pH之间强的相关性，而与气候变量之间的相关性较弱。
图2 湖泊和水库气体交换参数图。 a， pCO2；b，有效表面积；c，湖泊气体传输速率；d，CO2排放（面积归一化是关于每个COSCAT区域的面积）
图1 溪流和江河气体交换参数图。 a， pCO2；b，有效表面积；c，溪流气体传输速率；d，CO2排放（面积归一化是关于每个COSCAT区域的面积）
我们搜集了20632份来自7939个通常是过饱和状态的湖泊和水库的pCO2观测数据。基于pCO2值可以将湖泊分为3类：非热带淡水湖，热带湖泊和咸水湖。水库被认为与天然湖泊相似，因为它们的pCO2值已被证实仅在蓄水后的最初15年内才会有所升高[37,38]。非热带淡水湖pCO2的中位值为1120mu;atm，平均值为1410mu;atm（Supplementary Information）。热带湖泊和咸水湖的pCO2值分别较高和较低（Supplementary Information），虽然这些湖泊在数据库中并没有很好的代表性（分别为1.5%和0.8%）。同样对于热带湖泊和咸水湖，它们的中位数分别为1910和270mu;atm，明显不同于其平均值4390和1190mu;atm。因为当根据碱度和pH计算CO2时有高估的可能性，同时为了避免源于一些极高的pCO2所引起的偏差，因此我们对热带和内陆地区的湖泊选用中位数（Supplementary Information）。在非热带淡水湖泊，CO2与总有机碳（TOC）的浓度呈正相关性，与湖泊的大小呈负相关性（Supplementary Information），而这些相关性被用来外推全球非热带外流COSCAT区域湖泊的pCO2。全球范围溶解的pCO2归一化至湖泊面积为800mu;atm。在潮湿的热带和一些北方地区，湖泊的pCO2是最高的，这归因于TOC的浓度较高（Fig.2）。
内陆气体传输速率
对于溪流和江河而言全球平均气体传输速率为5.7 m·d-1（即5.0和6.3 m·d-1的平均值，是分别使用两种不同的液态方程来估算得到的；Supplementary Information），这个结果与最近的区域性研究结果[28,29]比较相近，但是显著高于最近一项全球计算[10]以及对亚马逊的计算[7]中所使用的值。就前者的计算而言，其值没有进行系统地估计，就后者而言，它在许多测量没有进行之前无法评估。随着不断增加的河流分级，我们也预测气体传输速率在不断减小（Supplementary Table 1），这也与最近的现场测量是一致的[23]。在一份新的关于溪流和小河全流追踪释放的数据融合分析中，平均值为4.7 m·d-1（ref.29）。然而，这些实验受限于低排放的河流，由于涡流与排放呈正相关，计算出的小溪、小河的值就平均流量条件而言也是合理的。对于大型的河流，我们预测气体传输速率为3-4 m·d-1（Supplementary Table 1），这也同样接近于最近一项关于低地河流得到的综合结果[28]，该结果显示（气体传输速率）的平均值为4.3 m·d-1，同时认
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