泥河水庫夏季水–氣界面甲烷通量日變化研究

于洪賢，慈雪倫，黃璞祎

(東北林業(yè)大學(xué)野生動物資源學(xué)院，哈爾濱150001)

甲烷是大氣中僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體，其輻射強度為二氧化碳的21倍[1]，對全球變暖具有重要意義.近十年來，水庫不斷向大氣排放甲烷的觀測結(jié)果，引起了各國學(xué)者對水庫溫室氣體排放的關(guān)注.由于影響水庫甲烷排放的因子很多，例如有機質(zhì)含量、溫度、水質(zhì)等[2]，因此監(jiān)測不同類型水庫的甲烷排放通量是評估全球氣候變化趨勢的重要前提.

我國東北地區(qū)存在上千座水庫，僅黑龍江省就有大小水庫600余座，其中灌溉型水庫超過60%.因此，測定灌溉型水庫水－氣界面的甲烷通量，對于評價該類型水庫對氣候變暖的貢獻(xiàn)率，具有重要的科學(xué)意義.本研究通過測定大型平原灌溉型水庫——泥河水庫夏季水－氣界面的甲烷通量，以揭示東北灌溉型水庫甲烷排放的日變化規(guī)律;探討環(huán)境因子與甲烷通量的相互關(guān)系，為估算灌溉型水庫的甲烷排放提供數(shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù).

1 材料和方法

1.1 泥河水庫地概況

泥河水庫位于黑龍江省泥河下游，地理坐標(biāo)46°15'N，126°37'E，始建于1958年，1978年建成，屬于大型平原灌溉型水庫，集水區(qū)和灌溉區(qū)面積分別為1 515 km2和48 km2，敞水區(qū)面積40 km2，平均和最大水深分別為2.57 m和4.5 m.該區(qū)域?qū)儆诘湫蜏貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫3.3℃，年平均降水505.4 mm.由于集水區(qū)主要為農(nóng)田，有大量的氮磷營養(yǎng)鹽進(jìn)入庫區(qū)，水庫屬于富營養(yǎng)化水體.泥河水庫敞水區(qū)在7～9月間有大量水生植物分布，主要優(yōu)勢種包括馬來眼子菜Potamogeton malaianus和菱Trapa sp.

1.2 樣品的采集與分析

試驗于2008年7月采用靜態(tài)浮箱－氣相色譜法，測定了泥河水庫出水口、庫中心和入水口24 h的甲烷排放通量.靜態(tài)箱為直徑40 cm，高30 cm的透明有機玻璃圓筒(1面封底).箱內(nèi)安裝有1個用于充分混合氣體的6V風(fēng)扇.在采樣箱的外部固定1漂浮設(shè)備(游泳圈)，采樣時將箱體倒置于水面上，并通過調(diào)節(jié)游泳圈保持采樣箱浸入水面下5 cm.在箱的頂部設(shè)置1個安有可調(diào)節(jié)氣閥的采樣孔，同時，將游泳圈用繩子固定于采樣船上，以保證采樣箱的位置穩(wěn)定.每個采樣點測定3個樣本，采樣箱之間的距離＜3 m.罩箱后立即采集氣體40 mL，而后每隔10 min采集40 mL氣體，連續(xù)采集3次，用于氣體樣品分析.氣體樣本在24 h內(nèi)送回實驗室進(jìn)行分析.氣體采集時間分別為13:00、17:00、21:00、5:00、9:00.氣體采樣的同時測定箱內(nèi)外的氣溫、表層水溫和氣壓.

氣體樣品采用北京北分瑞利sp2100氣相色譜儀進(jìn)行分析，色譜柱為長2 m、內(nèi)徑4 mm不銹鋼管，內(nèi)填充GDX－502高分子多孔聚合物，檢測器FID，柱溫80℃，檢測室溫度120℃，汽化室溫度120℃，載氣(N2)流量為50 mL/min.甲烷通量計算方法[3].

其中:F為甲烷通量，正值表示由水體向大氣中排放，負(fù)值表示吸收;V為箱內(nèi)空氣體積;A為箱子覆蓋面積;Ct為t時刻箱內(nèi)甲烷體積混合比濃度;t為時間;ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷氣體密度;T0和P0分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣絕對溫度(273.15 K)和氣壓(1 013.25 hPa);P為采樣地點的氣壓;T為采樣時的絕對溫度.

1.3 環(huán)境因子測定

溫度、溶氧DO采用YSI－6600野外多參數(shù)水質(zhì)分析儀測定;風(fēng)速儀測定風(fēng)速;水中總有機碳TOC采用TOC自動分析儀測定;水樣經(jīng)過Whatman GF/F(經(jīng)過450℃去碳)濾紙過濾后，經(jīng)TOC自動分析儀測定的值為溶解有機碳DOC;總氮TN、總磷TP分別采用GB11894－89，GB7478－87方法測定.

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析ANOVA確定泥河水庫甲烷通量的時空差異;采用Pearson相關(guān)系數(shù)評價甲烷通量與各環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系;采用SPSS17.0軟件進(jìn)行分析，顯著性水平設(shè)定為α=0.05;圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差.

2 實驗結(jié)果

2.1 環(huán)境因子特征

從表1可以看出，入水口的氣溫、水溫略高于庫中心和出水口;水深由低到高的順序是入水口＜出水口＜庫中心;風(fēng)速變化范圍不大，為2.20～3.30 m/s;庫中心的溶氧最高，達(dá)到8.94 mg/L，其次為入水口，出水口最低僅為3.67 mg/L;TOC、DOC和TP由低到高的順序是，入水口＜庫中心＜出水口;出水口的TN最高為1.71，其次為入水口和庫中心.

表1 泥河水庫的環(huán)境因子

2.2 泥河水庫夏季甲烷通量日變化

泥河水庫甲烷通量日變化范圍是1.60～46.25 mg/(m2·h)，平均13.48 mg/(m2·h).單因素方差分析ANOVA表明，不同時刻的甲烷排放通量存在顯著差異(P＜0.05);Dunnett T3多重比較結(jié)果顯示，夜間21:00的甲烷通量顯著低于日間5:00和9:00的排放通量.盡管方差分析顯示，不同采樣點間的甲烷排放通量差異不顯著，但仍可看出庫中心的甲烷排放量最低，為(7.76±6.18)mg/(m2·h)，其次為入水口(13.57±12.23)mg/(m2·h)和出水口(19.12±18.26)mg/(m2·h).

2.3 甲烷通量與環(huán)境因子的相關(guān)分析

相關(guān)性分析表明(表2)，甲烷通量與TN存在顯著正相關(guān)(P＜0.05);與氣溫、水溫、水深、風(fēng)速、DO、TOC、DOC、TP等環(huán)境因子的相關(guān)性未達(dá)到顯著水平.

圖1 泥河水庫甲烷通量日變化特征

表2 甲烷通量與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)

3 討論

泥河水庫夏季甲烷通量日變化范圍是1.60～46.25 mg/(m2·h)，平均13.48 mg/(m2·h)，即由水體向大氣排放甲烷，屬于甲烷的凈源，同已往的研究結(jié)果一致[5]，但是高于溫帶水庫平均甲烷通量0.83(0.42～3.33)mg/(m2·h)，接近熱帶水庫的平均甲烷排放通量12.5(0.83～62.5)mg/(m2·h)[2]，這可能是由于本研究僅測定了夏季泥河水庫的甲烷通量，而夏季是湖泊、水庫甲烷排放最高的季節(jié)所致.

湖泊、水庫的甲烷排放日變化往往與植物的分布情況和優(yōu)勢種類有關(guān)[5].Bolpagni等發(fā)現(xiàn)，在有水生植物存在的水域，甲烷排放高峰出現(xiàn)在白天，而沒有水生植物的水域，夜間甲烷排放最高.泥河水庫夏季敞水區(qū)甲烷排放表現(xiàn)出晝高(5:00和9:00)夜低(21:00)的趨勢，可能與優(yōu)勢種為沉水植物馬來眼子菜和浮葉植物菱有關(guān).與本研究結(jié)果相似，在分布有大量沉水植物龍須眼子菜Potamogeton pectinatus的烏梁素海敞水區(qū)，其甲烷排放也是晝高夜低[6].

盡管方差分析顯示，不同采樣點間的甲烷通量差異不顯著，但仍可看出庫中心的甲烷排放量最低(7.76±6.18)mg/(m2·h)，其次為入水口(13.57±12.23)/mg·(m2·h)和出水口(19.12±18.26)/mg(m2·h).水深較高可能是解釋庫中心甲烷排放較低的原因，因為底質(zhì)中產(chǎn)生的甲烷在向大氣排放的過程中需要穿過水柱，在這個過程中甲烷可能被氧化為二氧化碳，水深增加會使甲烷被氧化的機會增多，因此排放到大氣中的甲烷減少[4]，Huttunen也發(fā)現(xiàn)，湖泊敞水區(qū)的甲烷排放量低于沿岸區(qū)[2].此外庫中心的溶氧較高也可能是導(dǎo)致甲烷通量較低另一原因，因為水體中較高的含氧狀態(tài)有利于甲烷被氧化.

一般認(rèn)為甲烷產(chǎn)生與溫度密切相關(guān)，在沿海、稻田和湖泊中有關(guān)甲烷與溫度的關(guān)系研究分別發(fā)現(xiàn)甲烷日產(chǎn)量與水溫、土溫或氣溫呈顯著正相關(guān)[7].泥河水庫夏季甲烷排放通量與氣溫和水溫之間也表現(xiàn)出一定程度的正相關(guān).類似的，北京密云水庫敞水區(qū)的甲烷通量與表層水溫呈顯著正相關(guān)[4];武漢東湖(富營養(yǎng)型湖泊)全年表現(xiàn)為大氣甲烷的源，其中夏季(7～8月)是甲烷排放的高峰期，而溫度是引起東湖夏季甲烷排放高峰的主要原因[7].但是，由于本試驗期間溫度(氣溫、水溫)變化幅度較小(＜3℃)，甲烷排放通量維持在較高水平，因此溫度與甲烷通量之間的相關(guān)性未達(dá)到顯著水平.

水中溶氧增加會加快甲烷的氧化過程，導(dǎo)致甲烷排放減少[8]，因此泥河水庫中心的溶氧最高而甲烷排放最低.在貓?zhí)恿饔虻?級水庫中也發(fā)現(xiàn)，水中溶氧越低甲烷含量越高[8].已往研究發(fā)現(xiàn)，外源有機碳是影響湖泊、水庫甲烷排放的重要因子而非DOC，本研究也證實泥河水庫甲烷通量與DOC之間不存在顯著相關(guān)，與Xing等對亞熱帶富營養(yǎng)化湖泊的相關(guān)研究結(jié)論一致.

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