研究论文 正式出版 版本 2 Vol 10 (2) : 177-189 2019
下载
三峡水库澎溪河水-气界面CO2与CH4通量特征及影响因素初探
CO2 and CH4 flux across water-air interface and environmental factors in Pengxi River of the Three Gorges Reservoir
: 2018 - 06 - 19
: 2018 - 10 - 18
: 2018 - 10 - 29
230 3 0
摘要&关键词
摘要:澎溪河流域是三峡水库典型支流,对水库区域碳循环及区域化学风化的影响非常重要。本研究于2016年5月—2017年2月对澎溪河流域水-气界面CO2与CH4通量特征进行监测与分析。本研究采用顶空平衡法结合模型估算法计算表层水体CO2与CH4的分压以及水-气界面的交换通量,并运用spearman相关分析法分析了二氧化碳和甲烷的分压和排放通量与其他环境变量之间的相关性。研究发现,澎溪河是温室气体排放“源”,表层水体p(CO2)平均值为(1807.635±315.605) μatm,表层水体p(CH4)平均值为(218.7725±127.9425) μatm;CO2扩散通量平均值为(32.53±3.86) mmol·m-2·d-1,水-气界面CH4扩散通量平均值为(0.208±0.143) mmol·m-2·d-1, 通量与分压趋势基本保持一致。通过与世界上典型河流温室气体扩散通量对比,本研究得出澎溪河流域CO2通量释放量为中等水平,而CH4扩散通量较小,且CH4通量与p(CH4)、水温、pH值显著正相关,而水-气界面CO2扩散通量与p(CO2)显著正相关,与DO、pH值、Chl-a显著负相关。
关键词:澎溪河;CO2;CH4;水-气界面通量;影响因素
Abstract & Keywords
Abstract: Background, aim, and scope The reservoir has always been a source of water and electricity providing energy and convenience for human beings. However, due to the huge water storage capacity, complex dam operation and maintenance process, the reservoir has become the main carrier of carbon cycle in the ecological environment, which emits loads of greenhouse gas to atmosphere. As one of the world's major dams, the Three Gorges Dam transports many carbon compounds to nature. And this phenomenon has arose the worldwide scholars’ attention. However, there is no uniform method to monitor the absorption and emission of greenhouse gas from reservoir till now. As the typical tributary of the Three Gorges Reservoir, Pengxi river plays a significant role in carbon cycle and chemical efflorescence weathering in reservoir region Consequently, this paper seeks to establish a method for quantifying gas emissions and to analyze how greenhouse gases change over the course of a year. Moreover, it is also requested what is the major attributer for emission of greenhouse gas.. This paper supervises and analysis the fluxes of CO2 and methane in water - gas interface in Pengxi River from May 2016 to February 2017. Materials and methods In reference of previous literature, this study adopted the combination of Headspace balance method and model estimation to obtain the partial pressures of carbon dioxide and methane in surface water and exchange fluxes of CO2 and methane. Additionally, this paper also used field measuring instruments to measure the physical and chemical variables so as to analyze the effects of these factors on greenhouse gas release. The correlation between the partial pressures and fluxes of CO2 and methane and environment variables were analysed by means of the spearman correlation index based on SPSS software. Results Through researching, it was achieved that Pengxi River was the source of greenhouse gas emission. The average value of p(CO2) in surface of waters was analysed to be (1807.635±315.605) μatm in Pengxi River, while that of p(CH4) was (218.7725±127.9425) μatm; and the average value for CO2 flux in water - gas interface was (32.53±3.86) mmol·m-2·d-1, CH4 flux average value was(0.208±0.143)mmol/(m2·h), the trend of the partial pressure and flux almost remained the same. Moreover, in terms of physical and chemical factors, water temperature, Dissolved oxygen (DO) and pH are proved to be generally higher in summer. Discussion In comparison with other similar study in literature, it can be concluded that the diffusive of CO2 was higher in mainstream than that in tributary. The CO2 flux in the Pengxi River Basin was moderate, higher than the flux in some small reservoir but smaller than that in large lakes and rivers. And the data for CO2 in this paper are much similar with previous study in Pengxi River. With respect to methane, the amount of methane released from tropical waters is greater. The amount of methane released from Pengxi River located in subtropical zone is not only much smaller than that in tropical waters, but also less than that from other rivers in subtropical zone as well as rivers in temperate zone. Moreover, there was a significant positive correlation between CH4 flux, p(CH4), water temperature, and pH, while the CO2 diffusion flux at the water-air interface was significantly positively correlated with p(CO2) and negatively correlated with DO, pH, and Chl-a. Other environmental factors showed vague effects on the fluxes. Conclusions Compared with the diffusive fluxes of greenhouse gases in typical rivers in the world, the study found that the release of CO2 flux in the Pengxi River Basin was moderate, while the diffusion flux of CH4 was small. DO, pH, Chl-a and water temperature have apparent impact on the release of greenhouse gas. Furthermore, the emission of greenhouse gas is greater when water carry larger capacity of that gas. Recommendations and perspectives This research methods can be applied to other reservoirs and extensive analysis of the effects of other influencing factors on greenhouse gas emissions such as nitrogen compounds. In addition, the conclusions which have been achieved give evidence for controlling greenhouse gas emissions in future study.
Keywords: Pengxi River; CO2; CH4; diffusion flux; environmental factors
水电是具有显著减排效应的清洁能源形式(蒋滔等,2012)。但近年来在热带、温带等水库的研究结果表明在筑坝蓄水过程中,被淹没库区中的有机质会分解成为腐殖酸、CO2、CH4、N、P等,进而产生一定量的温室气体(GHG)(Kelly et al,1997;St Louis et al,2000;周广胜,2003;Demarty et al,2009),甚至个别热带水库温室气体释放通量强于同等电能输出的火电站(dos Santos et al,2006)。目前世界水库总面积约为50万km2,相当于地球天然湖面的1/3(刘丛强等,2009)。对于各种水库水-气界面温室气体通量的研究一直是过去十几年该领域的研究热点。目前对水库温室气体通量研究主要集中在热带方面,而在亚热带气候背景下开展的该类研究相对匮乏,且研究水平及其影响机制仍存在较大科学分歧。
三峡水库是在亚热带气候条件下的超大型水库,其生境特征、生态结构与功能、关键生源要素在全球生物地球碳循环等均呈现出极为显著的作用(李哲等,2013)。在三峡水库遴选典型水域开展研究,能有效完善对水库生态系统温室气体排放的认识,明确其对全球碳循环影响作用,重要性不言而喻。澎溪河流域是三峡库区中段、北岸流域中面积最大的支流,对三峡库区的碳循环起着举足轻重的作用,故本文选取澎溪河作为研究对象研究碳排放通量。目前对于水气界面气体排放通量监测常用的有两种方法,一种为静态箱法-气相色谱法,另一种为顶空平衡法-气相色谱法与TBL模型估算法结合。静态箱-气相色谱法通常只能获得点上的通量数据,且劳动强度大,气体分析成本较高,不适宜开展大区域、长期的观测, 因此静态箱只适用于对静态水体的观测(Tremblay et al,2005)。而模型估算法因其简单、灵活、易操作等特点在野外现场监测中最为常用(秦宇等,2017)。考虑到澎溪河水体流动性较强,采样点位之间距离远,监测持续时间较长,且点位的地理与气候条件差,静态箱法可行性较弱。除此以外,由于箱外水体扰动,静态箱法所获通量数据离散性较为显著,对比实验表明TBL 估算法所获通量结果总体上较前者更为稳定(姚骁等,2015)。因此本研究采用顶空平衡法结合TBL模型估算法对澎溪河支流水-气界面温室气体展开监测研究,从2016年5月开始开展为期10个月的逐月监测,得到所拟定采样点位表层水体CO2与CH4分压数据与各环境参数的实测资料,估算水-气界面CO2与CH4的交换通量,并得出环境变量与气体分压通量的关系,为深入研究评价水库的温室气体效应提供理论与数据支撑,为揭示三峡水库支流水域碳通量特征与循环机制提供更丰富科学信息。
1   材料与方法
1研究区域
澎溪河处于北纬31°00′—31°42′,东经107°56′—108°54′,流域面积5172.5 km2,全长约182 km,位于金沙江下游。发源自重庆市开县白泉乡鼓村的东河,与另一条支流南河在开县县城汇合后在开县渠口与第三条支流普里河汇合,最后于云阳县双江镇汇入长江,河口距三峡大坝约247 km,河道平均坡降1.25‰,是三峡库区中段、北岸流域面积最大的支流。
本研究针对澎溪河流域的地理特征,布设4个采样点,分别为(按上游到下游的顺序):开县温泉(WQ)、开县汉丰湖(HFH)、开县白家溪(BJX)、高阳平湖(GY)。采样点基本特征见表1采样点流域与采样点示意图见图1。因水流湍急,故在水体样品采集中,沿程利用当地小船采取在河道中心采样,并同步采集相关环境参数指标。
表1   澎溪河各采样点基本特征
采样点
Sampling site
坐标
Coordinate
基本特征
Basic features
上游Upstream温泉Wenquan31°20′1.3″ N
108°30′48.8″E
原始河道,控制24%的澎溪河流域面积,水面高程190 m以上,不受三峡蓄水影响,水深常年保持在1—2m。
The original river channel controls 24% of the area of the Tunxi River Basin. The water surface elevation is over 190 m, which is not affected by the Three Gorges water storage. The water depth is maintained at 1—2 m.
汉丰湖Hanfenghu31°11′7.6″N
108°27′21.2″E
澎溪河支流(南河)与干流(东河)的汇合处,由于研究期间下游开县调节坝仍未开始蓄水,故低水位运行期为河道特征,最大水深不足5 m;高水位运行期形成开阔水域,水域面积大约6 km2以上,最大水深10 m。
The confluence of the tributary of the Luxi River (Nanhe River) and the main stream (Donghe River), due to the fact that the downstream Kaixian County dam has not started to store water during the study period, the low water level operation period is characterized by the river channel, the maximum water depth is less than 5 m; the high water level operation period is open. In the waters, the water area is about 6 km2 and the maximum water depth is 10 m.
中游 Midstream白家溪Baijiaxi31°7′49.0″ N
108°33′37.6″ E
于白家溪与澎溪河干流交汇处上游500 m,断面呈峡谷型地貌特征。白家溪-养鹿高水位运行期最大水深15—20 m,夏季低水位运行期最大水深不足10 m。
It is 500 m upstream of the intersection of Baijiaxi and Tunxi River, and the section is characterized by canyon geomorphology. The maximum water depth of the Baijiaxi-Yulu high water level operation period is 15—20 m, and the maximum water depth during the low water level operation period in summer is less than 10 m.
下游
Downstream
高阳Gaoyang31°5′48.2″ N
108°40′20.1″ E
蓄水后成为水域面积在5—6 km2的平湖水域,水库在145 m水位下时,平均水深不足10 m,近似于浅水湖泊;冬季蓄水期最大水深达到30 m以上,接近于深水湖泊。
After storage, it becomes a Pinghu water area with a water area of 5—6 km2. When the reservoir is under 145 m water level, the average water depth is less than 10 m, which is similar to shallow lakes. The maximum water depth during winter storage period is more than 30 m, which is close to deep lakes.


图1   采样点流域及采样点示意图
Fig.1 Sketch map of backwater area and sampling spots in the Pengxi River
1.2采样与分析方法
从2016年5月开始,逐月对支流所有采样点位进行监测,为期10月份,所有采样点监测时间控制在每月中旬15—20日。大量关于温室气体采集研究将早上9:00—11:00(吴铭, 2016)作为当日的通量代表时间,吴玉源选择在早上9:00—11:00进行对三峡水库消落带监测(吴玉源. 2012),赵炎在监测三峡水库香溪河流域内温室气体排放采取9:00—14:00(赵炎, 2011)。为获得较系统和准确的数据,本研究一般都尽量控制在相同时间,早上10:00采样,考虑极个别月份由于天气等原因,存在野外试验的不确定性,因此选择上午10:00至下午3:00作为采样时段。采样工具为5 L采水器,所需水样均只采集各点位0.5 m表层水。除现场手持仪器分析指标外,其余水样当天即刻送回实验室,并于48小时内完成所有测试分析工作。现场手持仪器分析指标包括:水温、溶解氧(DO)、pH值、气温、大气压、风速等。水-气界面CO2与CH4扩散通量利用顶空平衡法结合TBL模型估算法进行计算。
野外测量仪器在采样工作前都已经过标准校正程序。水样用水质取样器采集,每个点位只取0.5 m表层水,顶空瓶置于采水器中,以淹没状态进行密封,采集的水样与顶空瓶均低温保存;pH、盐度采用YSI野外多参仪现场测定;气温、大气压来自手持式数字大气压计现场测定;碱度(TA)采用HACH公司的微量滴定器及标准硫酸溶液现场滴定(精度1.25 μL);光合作用有效强度采用LI-COR19OSA光量子仪现场测定;太阳辐射强度来自照度计;水温及溶解氧(DO)采用YSI ProODO溶解氧仪测定(精度分别为0.1℃、0.01 mg·L-1)现场测定;叶绿素a(Chl-a)采用丙酮萃取分光光度法。水体中p(CO2)与p(CH4)根据亨利系数、水温、大气压、顶空瓶气液体积比5/7,通过安捷伦7820A气相色谱仪,利用顶空平衡法计算得出;水-气界面气体CO2、CH4交换通量采用TBL模型估算法原理得出,对于气体交换系数kx 的确定,根据小型气象站测定的水面上方瞬时风速(U1 )(精确度0.1 m·s-1),并根据式(1)换算成水面上方10 m风速(U10 ,m·s-1);
(式1)
对于大气中的Cair ,澎溪河受农田、湿地、人为等因素影响很小,参考关于黄河以及长江干流的相关研究(Salençon and Thébault,1996;Hamilton,1997),本研究取大气CO2平均浓度390.5×10-6 mg·L-1、CH4平均浓度1.803×10-6 mg·L-1(数据来自IPCC第五次评估报告)。具体CO2、CH4监测方法参见文献(秦宇, 2017)。
1.3数据处理方案
本研究的实验分析及计算所得数据全部录入SPSS®或Origin®进行统计分析,采用spearman相关性分析对p(CO2)、p(CH4)、CO2通量、CH4通量及各理化指标( pH、TA、DO、水温、Chl-a、DIC等)进行回归分析,说明数据间变化的线性相关性。
2结果与分析
2.1澎溪河水-气界面CO2与CH4分压与通量特征分析
2.1.1澎溪河表层水体CO2分压
图展示了三峡水库支流澎溪河点位CO2分压。由图可得,支流各点位全年CO2分压表现出非常大的差异。支流WQ点位处于澎溪河上游,三峡水库水位变化对其影响较小表层水体CO2分压值整体趋于稳定,变化不大,最大值为8月2027.40 μatm,最小值为2月份1204.81 μatm。而HFH、BJX和GY点由于受三峡水库水位波动影响,处于澎溪河中游的HFH点位与BJX点位相似,分别在7月份、9月份CO2分压较低,而在8月份、10月份较高,随着10月份库区水位上升后,CO2分压值整体呈减小趋势。分析原因,由于支流流速较低适合浮游植物等生长,根据对溶解氧监控,因为8月份BJX点位DO相对于7月、9月低很多,证明浮游植物呼吸作用旺盛,因此水体中CO2分压较大。同理可解释汉丰湖8月引来小高峰的情况。在9月蓄水期中,新建水库中被淹没的以及来自河 流输入的有机质分解加快,使得水库CO2分压增高,10月CO2分压达到最大值,HFH点位与BJX点位CO2分压最大值分别为5207.22 μatm、3389.87 μatm。由于汉丰湖夏季接近干枯状态,因此蓄水后,淹没的土地植被更多,更多的有机质被分解,因此水体中CO2分压值也相对更大。10月高峰过后,浮游植物逐渐增加,光合作用强度大于呼吸作用,水体中CO2分压值逐渐降低。同样6月GY点位DO含量较低,浮游植物呼吸作用强,随着水位的上升,土地与植被被淹没,有机质被分解释放CO2,在11月达到最大值2662.67 μatm,过后光合作用强于呼吸作用,CO2分压值逐渐降低。全年澎溪河p(CO2)平均值为(1807.635±315.605) μatm。


图2   澎溪河点位CO2分压结果
Fig.2 The results of the partial pressure of CO2 in Pengxi river
2.1.2澎溪河表层水体CH4分压
图展示了从2016年5月到第二年2月三峡水库支流澎溪河点位CH4分压,由于2016年9月以后所有点位波动情况远远小于9月前 CH4分压的变化情况,因此以9月为分界,分为图与图分别显示从2016年5月到2016年9月与2016年9月到2017年2月的变化情况。四个点位5到8月的甲烷分压普遍高于9月至2017年2月时段的甲烷分压值,但在位于澎溪河上游的WQ与澎溪河支流的BJX点位整体CH4分压较低,最大值分别为298.37 μatm、278.24 μatm。而WQ、HFH、GY点位表现出相似的规律,从6、7月开始CH4分压逐渐增加,在8、9月CH4分压值达到最大值,分别为298.37 μatm、1405.37 μatm、705.36 μatm,9月过后急速减小,后上下波动,但变化不大。由于河流底部产生的CH4在随着水位上升的过程中,会逐渐被水体中含有的溶解氧氧化,而夏季水位较低,在底部产生相同数量的CH4时水越浅其含量也就越大。9月后随着水位的上升,河底产生的CH4在上升过程中逐渐被氧化,导致CH4值极大的减小。而BJX点位在6月出现水华现象,厌氧环境下产甲烷菌分解有机物释放CH4,导致6月CH4分压值达到全年最大值,6月后BJX点位水体恢复正常,8月到10月间CH4分压值上下波动,10月后随着水位的上升,CH4分压值再减小。全年表层水体p(CH4)平均值为(218.7725±127.9425)μatm。


图3   图(a),图(b)澎溪河点位CH4分压结果‘
Fig.3 The results of the partial pressure of CH4 in Pengxi river
2.1.3澎溪河水-气界面CO2、CH4扩散通量
图显示澎溪河各点位水-气界面CO2、CH4扩散通量监测结果。由图可得,三峡库区支流澎溪河点位水-气界面CO2、CH4扩散通量变化趋势基本与水体CO2、CH4分压一致,所有值均为正,表现为CO2、CH4释放的“源”,其中WQ点位水-气界面CO2、CH4扩散通量都较小,其水-气界面CO2扩散通量全年变化不大,CH4扩散通量除夏季较大(最大值为9月0.012 mmol·m-2·h-1,全年水-气界面CH4扩散通量整体较小;HFH点位水-气界面CO2扩散通量10月最大,最大值为4.30 mmol·m-2·h-1,因为10月蓄水后淹没大量的土地与植被,碳的大量摄入造成CO2释放增加。HFH点位水-气界面CH4扩散通量仍是在夏季达到最大值,最大值为0.057 mmol·m-2·h-1。BJX点位在夏季8—10月CO2扩散通量达到顶端,在10月到达最大值(2.56 mmol·m-2·h-1),而后因为水位的上升与浮游植物增加,光合作用增强,CO2扩散通量整体逐渐减。而BJX点位全年整体CH4扩散通量较小。GY点位由于6月浮游植物呼吸作用较强,该月水-气界面CO2扩散通量较大,考虑水容积较大,在蓄水后的1月达到最大值,最大值为2.83 mmol·m-2·h-1,该点位水-气界面CH4扩散通量在8月枯水期达到最大值,最大值为0.031 mmol·m-2·h-1,蓄水后随着水位上升,水-气界面CH4扩散通量急速减少。全年澎溪河水-气界面CO2扩散通量平均值为1.31 mmol·m-2·h-1,水-气界面CH4扩散通量平均值为0.0079 mmol·m-2·h-1


图4   澎溪河水-气界面CO2、CH4扩散通量监测结果(TBL)
Fig.4 The results of the air-water CO2 and CH4 fluxes in Pengxi river(TBL)
The results of the air-water CO2 and CH4 fluxes in Pengxi river(TBL)
2.2澎溪河水-气界面CH4、CO2扩散通量的影响因素分析
2.2.1水温
图描述了澎溪河点位全年水温分布情况。观察图中结果,得出温度从5月到8月升高,从8月后逐步下降,、在冬季1月、2月出现水温最低值。


图5   图澎溪河点位全年水温分布情况
Fig.5 Distribution of temperature in Pengxi river
2.2.2溶解氧DO
图描述了三峡水库支流澎溪河点位全年溶解氧分布情况。整体来看,HFH、BJX、GY点位水体溶解氧变化趋势大致相同,在夏季7月和9月达到高峰后下降,在冬季有小范围升高。而夏季溶解氧变化波动较大,且有时会出现溶解氧过饱和状态和缺氧状态。在夏季当溶解氧出现较大时,CO2溶解度一般较小,这与CO2的变化情况相一致。而WQ点位的水体溶解氧全年变化不大,呈现出随时间推移缓慢上升趋势。


图6   澎溪河点位全年溶解氧分布情况
Fig.6 Distribution of dissolved oxygen in Pengxi river
2.2.pH
澎溪河各点位全年pH变化情况如图所示。三峡库区支流澎溪河各点位,除WQ点位pH变化较小以外,其余3个点位波动较大,最大变化值都在1以上,可能是因为支流点位浮游植物生长相对旺盛,光合作用、呼吸作用以及分解作用对水体pH造成一定影响。


图7   支流点位全年pH分布情况
Fig.7 Distribution of pH in Pengxi river
2.2.Chl-a
由于HFH点位和GY点位普遍高于WD和BJX点位,故图与图分别显示HFH、GY点位和WD、BJX点位的变化情况。HFH与GY点位由于接近湖泊的性质,整体Chl-a含量普遍较高,其中夏季水温较高适宜浮游植物的生长,所以夏季Chl-a含量全年相对较高,因为夏季HFH点位接近枯水,有水华现象,因此HFH点位Chl-a含量明显高出其他各点位很多。WQ点位整体都很小,说明WQ点位所在澎溪河上游受库区影响较小,同时不适宜藻类等初级生产力的生长。


图8   (a),(b) 澎溪河点位全年Chl-a分布情况
Fig.8 Distribution of Chl-a in Pengxi river
3讨论
3.1 温室气体通量与已有研究比较
3.1.1与已有澎溪河研究比较
研究发现河流为明显的温室气体的“源”,全年澎溪河水-气界面CO2扩散通量平均值为31.44 mmol·m-2·d-1,水-气界面CH4扩散通量平均值为0.1896 mmol·m-2·d-1。李哲等(2013)在对澎溪河CO2通量研究中得出和本研究所得结果相近的结果:年平均值为19.92±3.55 mmol·m-2·d-1。而Chen et al(2011)发表了关于其2008年7—9月于三峡库区澎溪河支流开展水库新生湿地甲烷排放研究的文章,指出三峡水库新生湿地甲烷平均排放达到了6.7 mg/(m2·h),同时文章基于南美洲3个热带水库的平均甲烷排放水平(3.3 mg/(m2·h)),对三峡水库全区(1080 km2)的甲烷排放进行估算,认为三峡水库的甲烷排放量达到了3.6 mg/h,这与本研究得出的甲烷通量年平均值有较大出入。而蒋滔等(2012)在对澎溪河甲烷通量研究中得出CH4扩散通量平均值为0.202 mmol·m-2·d-1,赵炎等(2011)对三峡水库香溪河支流开展的研究结果仅为0.2449 mg/(m 2·h)。李双(2014)、李哲等(2014)关于三峡水库流域甲烷通量取得的结论与本文的观测结果十分接近,因此本次观测具有一定的代表性。
3.1.2与现有河流研究比较
世界上主要水库、河流的水气界面CO2交换通量如表2所示。由表2可知:河流基本上都表现为CO2的“源”,其中热带地区的河流二氧化碳释放通量最大,亚热带河流次之,温带河流在三者中最低(程瑶等,2017)。而澎溪河作为三峡库区的一条最大支流,在和世界上各水库水气界面CO2交换量比较中属于中等水平,水库二氧化碳排放通量明显低于河流,且与排放规律与河流类似,表现为热带地区最高。
表2   世界上主要水库、河流水-气界面CO2扩散通量
水体类型Water type名称
Name
国家Country气候带Climatic zoneCO2通量
CO2 flux /(mmol·m-2·d-1)
来源
Reference
河流riverAmazon巴西Brazil热带
Tropic
559.3Ternon et al,2000
长江干流( 香溪镇段) The main stream of the Yangtze River (Xiangxi Town Section)中国China亚热带Subtropic83.7姚臣谌等,2010
Yao et al, 2010
赣江Li River中国China亚热带Subtropic201.86李哲等,2013
Li et al, 2013
澎溪河
Pengxi River
中国China亚热带Subtropic17.04本研究
This research
澎溪河Pengxi River中国China亚热带Subtropic31.44Hélie et al, 2002
St. Lawrence加拿大Canada温带
Temperate zone
118.29Telmer et al, 1999
Ottawa加拿大Canada温带
Temperate zone
105.43dos Santos et al, 2006
水库
Reservoir
Curua-Una巴西Brazil热带
Tropic
65.91dos Santos et al, 2006
Tucurui巴西Brazil热带
Tropic
192.61刘丛强,2007
Liu, 2007
红枫湖中国China亚热带Subtropic20.2喻元秀等,2008
Yu et al, 2008
洪家渡水库中国China亚热带Subtropic6.14梅航远等,2011
Mei et al, 2001
万安水库中国China亚热带Subtropic12.74St Louis et al, 2000
Laforge-1加拿大Canada温带
Temperate zone
52.27Ternon et al, 2000
国内外典型水体CH4扩散通量情况见表3,由表3可知:河流基本上都表现为CH4的“源”,其中热带地区的河流甲烷释放通量最大,澎溪河流域水-气界面CH4扩散通量与国外一些典型水库CH4扩散通量相比,处于较低水平。与国内典型河流对比,澎溪河流域甲烷排放通量处于也处于较低水平,这可能是由于而三峡库区土壤有机质本底含量较低,且水库蓄水前采取了全面的清库措施(赵炎,2011)。
表3   国内外典型水体CH4扩散通量数据
名称name国家Country气候带Climatic zoneCO2通量CO2 flux /(mmol·m-2·d-1)来源
Reference
Petit Saut圭亚那Guyana热带Tropic34.8Abril et al, 2005
Manso巴西
Brazil
热带Tropic42dos Santos et al, 2006
鄱阳湖
Poyang Lake
中国
China
亚热带Subtropic0.51林茂,2012
Lin, 2012
香溪河
Xiangxi River
中国
China
亚热带Subtropic0.088王亮等,2012
Wan et al, 2012
密云水库
Miyun Reservoir
中国
China
亚热带Subtropic0.488杨萌,2011
Yang, 2011
澎溪河
Pengxi River
中国
China
亚热带Subtropic0.1896本研究
This research
Grimsel瑞士Switzerland温带temperate zone0.4Diem et al, 2008
Gruyere瑞士Switzerland温带temperate zone0.7Diem et al, 2008
同等情况下,热带水体甲烷释放量更大,中国澎溪河属于亚热带,不仅远小于热带水体甲烷释放量还小于同等情况以及温带瑞士河流的甲烷释放量,二氧化碳在世界总体释放量里属于文献中中下部分,由于是支流的原因,所以比主流的释放量少,但是比部分的释放量大,且测得数据和以往的澎溪河数据类似。
3.主要环境指标与扩散通量的相关性分析
将表层水温、溶解氧、pH、Chl-a与水体CO2、CH4分压以及水-气界面CO2、CH4扩散通量(顶空TBL模型估算法)进行相关性分析,结果见表4。由表4可知:澎溪河流域各点位CO2分压与DO、pH、Chl-a显著负相关,这与李哲等(2013)对澎溪河二氧化碳通量研究中获得的结论一致,水-气界面CH4扩散通量与水体CH4分压、水温以及pH正相关。
表4   CO2、CH4分压和扩散通量与常规指标的相关性分析
CH4分压
CH4 partial pressure
CO2分压
CO2 partial pressure
CH4通量
CH4 flux
CO2通量
CO2 flux
CH4分压
CH4 partial pressure
1-0.947**-
CO2分压
CO2 partial pressure
-1-0.978**
水温
Water temperature
0.549**-0.598**-
DO--0.741**--0.745**
pH0.370*-0.790**0.431**-0.712**
Chl-a--0.397*--0.419**
** p≤0.01,表示极显著相关;*p≤0.05,表示显著相关。
**p≤0.01, indicating extremely significant correlation; *p≤0.05, indicating significant correlation.
根据表4,发现支流澎溪河点位CH4分压与水温以及pH正相关,与其他环境指标相关性不明显。水温与CH4分压和通量呈正相关性,水温除了影响CH4气体在水中的溶解度,同时水温与pH还会影响水中产甲烷菌的活动,适宜的水温与pH有利于产甲烷菌产生CH4气体,导致水体CH4分压和通量增大,而水温虽然一方面可通过影响水体和沉积物微生物的活性和有机质的分解以及水生浮游植物的呼吸来增加CO2排放通量,另一方面也可通过影响CO2在水中的溶解度及水生植物的光合作用来减少CO2排放通量(吴铭,2016)。而水温与二氧化碳分压与通量相关性不明显,推测其原因可能是因为随着水温的变化,水生植物的光合作用与呼吸作用同时变化,因此CO2排放规律不明显,郭劲松(2011)在对澎溪河二氧化碳通量研究中也发现水温与CO2没有相关性。水体溶解氧含量决定了水体中有机物降解的途径和产物,并对水体元素循环有重要影响(黄文敏等, 2013)。DO与CO2排放通量呈负相关性,这是因为DO越高,细菌呼吸作用越强,固定的碳越多,p(CO2)与CO2扩散通量越低。pH值与水体有机质的分解、微生物的活动和水生生物的代谢等密切相关,是影响CO2和CH4产生和排放过程的重要因素之一(陈永根等,2006)。CO2通量与pH值呈显著负相关,这主要是由于当pH>7时,碳在水体中容易形成重碳酸盐,使水体CO2处于不饱和状态,促使大气中CO2进入到水体中(吴瑶洁,2016)。pH与CH4的分压和通量呈负相关性,这是因为pH还会影响水中产甲烷菌的活动,适宜的水温与pH有利于产甲烷菌产生CH4气体,导致水体CH4分压和通量增大。Chl-a和水体CO2分压和通量有显著负相关性,由于澎溪河作为三峡水库支流,流动性较干流较弱,利于浮游植物的生长,表层水体浮游植物光合作用会利用CO2,导致水体CO2分压降低。
4结论
(1)澎溪河表层水体p(CO2)范围为538.54—5207.22 μatm, p(CH4)范围为25.21—1072.31 μatm;其中p(CO2)在中游HFH与BJX点位较高,上游与下游点位较低;WQ点位p(CO2)波动不大,HFH、BJX、GY点位p(CO2)在库区蓄水后相对较高;表层水体p(CH4)整体夏季相对较高,蓄水后冬季较低。澎溪河中游,水-气界面CO2扩散通量较高,水-气界面CH4扩散通量中下游较高。
(2)2016年5月到2017年2月在较完整水库运行周期内,澎溪河水-气界面CO2扩散通量平均值约为1.31 mmol·m-2·h-1;而CH4扩散通量全为正值,平均值为0.0079 mmol·m-2·h-1。表现为“源”的特征,CO2与CH4扩散通量的的变化趋势基本与p(CO2)、p(CH4)保持一致。在世界范围的河流中,澎溪河的CO2排放量属于中等水平,CH4排放量较少。
(3)澎溪河水-气界面水气界面CH4通量与p(CH4)、水温、pH值显著正相关,而水-气界面CO2扩散通量与p(CO2)显著正相关,与DO、pH值、Chl-a显著负相关;其他环境因素的影响不明显,有待进一步研究。
陈永根, 李香华, 胡志新, 等. 2006. 中国八大湖泊冬季水-气界面CO2通量[J].生态环境, 15(4): 665-669. [Chen Y G, Li X H, Hu Z X, et al. 2006. Carbon dioxide flux on the water-air interface of the eight lakes in China in winter [J]. Ecology and Environment, 15(4): 665-669.]
程瑶, 王雨春, 胡明明. 2017. 三峡水库支流水文情势差异对水-气界面二氧化碳释放通量特征的影响[J]. 生态学杂志, 36(1): 216-223. [Cheng Y, Wang Y C, Hu M M. 2017. Influence of different water regimes of tributaries in Three Gorges Reservoir on air-water interface CO2 fluxes [J]. Chinese Journal of Ecology, 36(1): 216-223.]
郭劲松, 蒋滔, 李哲, 等. 2011. 三峡水库澎溪河春季水华期p(CO2)及影响因素分析[J]. 水科学进展, 22(6): 829-838. [Guo J S, Jiang T, Li Z, et al. 2011. Analysis on partial pressure of CO2 and influencing factors during spring phytoplankton bloom in the backwater area of Xiaojiang River in Three Gorges Reservoir [J]. Advances in Water Science, 22(6): 829-838.]
黄文敏, 朱孔贤, 赵玮, 等. 2013. 香溪河秋季水-气界面温室气体通量日变化观测及影响因素分析[J].环境科学, 34(4): 1270-1276. [Huang W M, Zhu K X, Zhao W, et al. 2013. Diurnal changes in greenhouse gases at water-air interface of Xiangxi River in autumn and their influencing factors [J]. Environmental Science, 34(4): 1270-1276.]
蒋滔, 郭劲松, 李哲, 等. 2012. 三峡水库不同运行状态下支流澎溪河水-气界面温室气体通量特征初探[J].环境科学, 33(5): 1463-1470. [Jiang T, Guo J S, Li Z, et al. 2012. Air-water surface greenhouse gas flux in Pengxi River at different operational stages of the Three Gorges Reservoir [J]. Environmental Science, 33(5): 1463-1470.]
李双. 2014. 三峡水库库中地区典型干、支流水体p(CO2)的时空分布及影响因素研究[D]. 上海: 上海大学. [Li S. 2014. A preliminary study about the partial pressure and influencing factors of the dissolved carbon dioxide in the mainstream and tributaries of the central Three Gorges Reservoir [D]. Shanghai: Shanghai University.]
李哲, 白镭, 郭劲松, 等. 2013. 三峡水库两条支流水-气界面CO2、CH4通量比较初探[J].环境科学, 34(3): 1008-1016. [Li Z, Bai L, Guo J S, et al. 2013. Comparative study on water-air CO2, CH4 flux in two tributaries in the Three Gorges Reservoir, China [J]. Environmental Science, 34(3): 1008-1016.
李哲, 姚骁, 何萍, 等. 2014. 三峡水库澎溪河水-气界面CO2、CH4扩散通量昼夜动态初探[J]. 湖泊科学, 26(4): 576-584. [Li Z, Yao X, He P, et al. 2014. Diel variations of air-water CO2 and CH4 diffusive fluxes in the Pengxi River, Three Gorges Reservoir [J]. Journal of Lake Sciences, 26(4): 576-584.
林茂. 2012. 鄱阳湖水-气界面温室气体通量研究[D]. 北京: 北京林业大学. [Lin M. 2012. Greenhouse gas fluxes on the water-air interface of Poyang Lake [D]. Beijing: Beijing Forestry University.]
刘丛强, 汪福顺, 王雨春, 等. 2009. 河流筑坝拦截的水环境响应——来自地球化学的视角[J].长江流域资源与环境, 18(4): 384-396. [Liu C Q, Wang F S, Wang Y C, et al. 2009. Responses of aquatic environment to river damming— from the geochemical view [J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 18(4): 384-396.]
梅航远, 汪福顺, 姚臣谌, 等. 2011. 万安水库春季二氧化碳分压的分布规律研究[J]. 环境科学, 32(1): 58-63. [Mei H Y, Wang F S, Yao C C, et al. 2011. Diffusion flux of partial pressure of dissolved carbon dioxide in Wan’an Reservoir in spring [J]. Environmental Science, 32(1): 58-63.]
秦宇, 杨博逍, 李哲, 等. 2017. 夏季金沙江下游水-气界面CO2、CH4通量特征初探[J].湖泊科学,29 (4): 991-999. [Qin Y, Yang B X, Li Z, et al. 2017. CO2 and CH4 flux across water-air interface in summer in the downstream of Jinsha River, southwest China [J]. Journal of Lake Sciences, 29(4): 991-999.]
王亮, 肖尚斌, 刘德富, 等. 2012. 香溪河库湾夏季温室气体通量及影响因素分析[J].环境科学, 33(5): 1471-1475. [Wang L, Xiao S B, Liu D F, et al. 2012. Fluxes of greenhouse gases from Xiangxi River in summer and their influencing factors [J]. Environmental Science, 33(5): 1471-1475.]
吴铭. 2016. 崇州市不同水体CO2、CH4和N2O通量变化特征及其影响因素研究[D].雅安: 四川农业大学. [Wu M. 2016. The characteristics and influencing factors of greenhouse gas emissions in different water bodies in Chongzhou [D]. Ya’an: Sichuan Agricultural University.]
吴瑶洁, 李海英, 陈文重, 等. 2016. 夏季温榆河温室气体释放特征与影响因素研究[J]. 环境科学与技术, 39(5): 8-16. [Wu Y J, Li H Y, Chen W Z, et al. 2016. Effects and emission characteristics of greenhouse gases from Wenyu River in summer [J]. Environmental Science & Technology, 39(5): 8-16.]
吴玉源. 2012. 三峡水库消落带新生湿地温室气体通量评估及碳汇初步研究[D]. 重庆: 重庆大学. [Wu Y Y. 2012. Study on greenhouse gas flux from newly created marshes and carbon sink in the Three Gorges Reservoir [D]. Chongqing: Chongqing University.]
杨萌. 2011. 密云水库温室气体通量的时空特征及其影响因素研究[D]. 北京: 北京林业大学. [Yang M. 2011. Spatial-temporal variation of greenhouse gas flux and its environmental factors at Miyun Reservoir [D]. Beijing: Beijing Forestry University.]
姚臣谌, 汪福顺, 吴以赢, 等. 2010. 新安江水库水体春季二氧化碳分压的分布规律研究[J]. 地球环境学报, 1(2): 150-156. [Yao C C, Wang F S, Wu Y Y, et al. 2010. The vernal distribution of dissolved carbon dioxide (pCO2) in the Xin’anjiang Reservoir [J]. Journal of Earth Environment, 1(2): 150-156.]
姚骁, 李哲, 郭劲松, 等. 2015. 水-气界面CO2通量监测的静态箱法与薄边界层模型估算法比较[J].湖泊科学, 27 (2): 289-296. [Yao X, Li Z, Guo J S, et al. 2015. Comparison between closed static chamber method and thin boundary layer method on monitoring air-water CO2 diffusion flux [J]. Journal of Lake Sciences, 27(2): 289-296.]
喻元秀, 刘丛强, 汪福顺, 等. 2008. 洪家渡水库溶解二氧化碳分压的时空分布特征及其扩散通量[J].生态学杂志, 27(7): 1193-1199. [Yu Y X, Liu C Q, Wang F S, et al. 2008. Spatiotemporal characteristics and diffusion flux of partial pressure of dissolved carbon dioxide (pCO2) [J]. Chinese Journal of Ecology, 27(7): 1193-1199.]
赵炎, 曾源, 吴炳方, 等. 2011. 三峡水库香溪河支流水域温室气体排放通量观测[J].水科学进展,22 (4): 546-553. [Zhao Y, Zeng Y, Wu B F, et al. 2011. Observation on greenhouse gas emissions from Xiangxi River in Three Gorges Region [J]. Advances in Water Science, 22(4): 546-553.]
周广胜. 2003. 全球碳循环[M].北京: 气象出版社: 4-135. [Zhou G S. 2003. Global carbon cycle [M]. Beijing: China Meteorological Press: 4-135.]
稿件与作者信息
秦宇
QIN Yu
秦宇, E-mail: qinyu54001@163.com
王紫薇
WANG Ziwei
李哲
LI Zhe
杨博逍
YANG Boxiao
国家自然科学基金项目(51679226,51609026);重庆市教委科学技术研究项目(KJ1500506);重庆市基础科学与前沿技术研究项目(cstc2017jcyjAX0280)
出版历史
出版时间: 2018年10月29日 (版本2
参考文献列表中查看
地球环境学报
Journal of Earth Environment