赤道、半干旱和负河口的富营养化加剧了碳酸盐化学的Diel变异

这项研究提供了关于巴西东北部半干旱河口（贾格uaribe河）碳酸盐化学昼夜变化的高分辨率数据，由于气候变化和河流筑坝，该河口的年降雨量和淡水输入减少。此外，该河口的虾养殖场和城市污水排放量不断增加。在2017年10月（33小时）和2018年9月（44小时）的两次欧拉调查中，在旱季大潮期间，我们通过连续实时测量监测了地表水和大气CO2分压（pCO2）、温度、盐度和风速。此外，每小时监测pH、总碱度（TA）、溶解无机碳（DIC）、碳酸盐（CO32-）以及方解石（Ωcal）和霰石（Ωara）的饱和状态。退潮期间较高的盐度（>38）证实了高盐度和负河口环流。由于蒸发，河口的TA和DIC浓度高于邻近沿海海洋，与盐度呈正相关，与潮高呈负相关。测得的TA和DIC浓度略高于保守蒸发模型计算的浓度，表明它们在河口是通过好氧和厌氧过程产生的。
CO32-、Ωcal和Ωara表现出明显的半日（潮汐驱动）和昼夜（24小时；生物驱动）模式：最低值出现在夜间的涨潮时（分别为185μmol kg–1、4.3和2.8），而最高出现在退潮和白天（分别为251μmol kg–1、5.7和3.8）。
夜间的DIC/TA比率更高，支持碳酸盐缓冲能力的昼夜控制（与太阳辐照度有关）。与大气（512–860μatm）相比，pCO2过饱和，河口是CO2的来源，通量范围为2.2至200.0 mmol C m–2 d–1（51.9±26.7 mmol C m–2 d-1），高于低流入、以海洋为主的河口的正常排放量。DIC的昼夜变异性表明净异养代谢平均为−5.17±7.39 mmol C m–2 h–1。富营养化放大了二氧化碳系统的昼夜变化，在白天和晚上产生了巨大的差异。研究结果强调了在快速环境变化下，在富营养化、半干旱和潮汐主导的河口估计CO2通量和碳酸盐化学时考虑昼夜变化的重要性，并可能代表世界各地经历变暖、日益干旱和富营养化的河口的未来条件。
介绍
2021年5月，全球大气CO2月平均浓度达到418.9 ppm（UCSD-SIO，2021），这是过去300万年来的最高浓度（Willeit等人，2019）。考虑到大气CO2的急剧增加，必须改进地方/区域和全球范围的碳预算估算，确定这一主要人为温室气体的源和汇（IPCC，2021）。河口生态系统在沿海碳预算中发挥着不成比例的作用。它们占据了适度的全球面积（占全球海洋的0.2%），但对全球二氧化碳排放量的贡献很大，约为0.10 Pg C yr-1（Chen et al.，2013）；这些排放量相当于每年海洋二氧化碳汇的~5%（Friedlingstein等人，2019）。
然而，河口碳酸盐化学和空气-水CO2通量的控制是复杂的，仍然没有得到很好的理解和量化（Borges，2005）。河口生态系统是高度动态的过渡区，具有多样的“海岸类型”和生物地球化学财产的高度时空变异性（Dürr等人，2011）。
河口通常被认为是大气中二氧化碳的来源，因为它们表现出净异养代谢。这意味着群落呼吸率（自养和异养）高于初级生产总值。此外，河口从河岸排泄物中获得富含二氧化碳的水），并从植被覆盖的海岸生态系统（红树林、盐沼）中获得DIC和TA的横向输入。大多数关于空气-水CO2交换和碳酸盐化学的研究都是在温带和亚热带地区进行的，通常是在以大量河流排放为主的浑浊河口进行的（Frankignoulle et al.，1998；Borges和Abril，2011年）。对碳酸盐化学的研究在热带生态系统中被忽视，特别是在赤道及其附近的半干旱地区。在这些地区，河流流量在一年中急剧变化，这取决于蒸发和降水之间的平衡（Lavín等人，1998年；Dias等人，2009年）。
此外，在受大坝影响的几个河口，已经描述了人工水库上游的显著蓄水（Dias等人，2009；Mulligan等人，2020）。因此，巴西东北部河口系统研究中很少报告的最大浑浊带可以通过潮汐强迫而保留，并有利于氧气消耗，同时有机物处理和碳向海洋的输出也有所改变。当蒸发量超过河流的淡水供应并形成高盐度水域时，河口会出现负循环或逆循环。长期干旱（低湿度）和温暖气候下会出现高盐度，导致河口物理化学财产和碳酸盐化学的变化，考虑到空气-水CO2通量的大小，这将产生影响（McCutcheon等人，2019年；Yao等人，2020年）。高盐度发生在许多沿海生态系统中；然而，对反向河口碳酸盐化学的研究几乎不存在。
此外，缺乏关于河口碳酸盐化学和相关CO2通量的时间变异性的信息，主要是在昼夜尺度上（昼夜变化）。太阳辐射的昼夜循环对生物地球化学过程产生周期性影响，形成水生CO2浓度的昼夜（即24小时）模式（Gómez-Gener等人，2021）。diel-CO2的变异性通常由白天发生的光合活动控制，白天从水中吸收DIC（主要是CO2）；然而，在夜间，光合作用中断，由于有机物的微生物呼吸作用，水生CO2浓度增加。尽管有这个明显的过程，但缺乏二氧化碳测量，尤其是在夜间。日变化在不同的河口类型和气候领域显示出重要作用，包括亚北极、温带、亚热带和热带沿海地区。昼夜变化影响所有碳酸盐化学参数，包括DIC、TA、CO32-的浓度以及pH、Ωcal和Ωara的值。赤道沿海地区CO2系统的昼夜模式尤其被忽视。
由于废水处理设施的不足，热带沿海生态系统的营养污染和富营养化日益严重。富营养化与沿海碳收支的变化有关。然而，沿海生态系统对富营养化的响应具有强烈的位置特异性，其中一些生态系统会使地下水酸化（高pCO2、低pH、CO32-、Ωcal和Ωara），而其他生态系统则相反，表现出pH升高（低pCO2、高pH、CO32-、Ωcal和Ωari）。
Jaguaribe河河口（JRE）位于巴西东北海岸的赤道地区，被归类为混合河口（Dias et al.，2009）。降雨量的减少，加上在流域建造大型水坝和高平均大气温度（~28°C），减少了进入河口的淡水流量。非常低的淡水供应和高的蒸发率导致了干旱时期河流流量的微不足道。因此，干旱期的盐度高于或类似于邻近沿海水域的盐度（Dias et al.，20092016）。JRE的水化学反映了半干旱气候的季节变化，河口在旱季表现为DIC的滞留（Cavalcante等人，2021）。然而，河口的碳酸盐化学动力学并没有得到解决。JRE的富营养化程度日益严重，尤其是通过对虾养殖池塘的排放和影响当地红树林和主要河口河道的生活污水。
这个热带半干旱河口显示出与人为干扰有关的快速环境变化，包括富营养化、河流筑坝、淡水排放减少和高盐度。本研究的主要目的是研究河口碳酸盐化学的昼夜变化，重点是空气-水CO2交换的量化。我们的主要假设是：（1）由于高蒸发率、异养代谢以及红树林和人为排泄物对DIC和TA的供应，河口的TA和DIC浓度将高于邻近的沿海海洋；（2） 碳酸盐化学参数的昼夜变化将呈现半日（潮汐驱动）和昼夜（生物驱动）趋势，在低潮和夜间条件下具有最小的缓冲能力。

Eutrophication Amplifies the Diel Variability of Carbonate Chemistry in an Equatorial, Semi-Arid, and Negative Estuary