北京昆玉河夏季水－氣界面CO2 通量日變化研究

陳文重 王雨春 肖尚斌 李海英 許 濤 吳 婭

（1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌 443002；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

大氣中二氧化碳（CO2）是一種重要的溫室氣體［1］，其溫室效應(yīng)約占總溫室效應(yīng)權(quán)重的50%［2］.自工業(yè)革命以來(lái)，大氣中CO2的濃度正以年均1.9×10－6的速率增加［3］.溫室氣體濃度的變化趨勢(shì)對(duì)預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化及其對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響至關(guān)重要［4］.目前，有關(guān)水－氣界面溫室氣體釋放通量的研究主要集中在稻田、沼澤、湖泊以及人工水庫(kù)［5－7］，而對(duì)城市河流溫室氣體的研究鮮有報(bào)道.

由于城市的大規(guī)模建設(shè)，典型城市河流天然匯水區(qū)域大幅減少，各種生活污水和工業(yè)廢水進(jìn)入城市河流，城市面源污染也隨著降水徑流進(jìn)入河流［8］.對(duì)于溫室氣體的排放，城市河流由于范圍小，受到的關(guān)注也較小.但是城市河流是受人類(lèi)活動(dòng)影響最大的水生態(tài)系統(tǒng)之一［9］.大多數(shù)自然河流大部分時(shí)間處于向大氣排放CO2的狀態(tài)［10］，通過(guò)研究城市河流水－氣界面溫室通量，可以了解人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水域溫室氣體排放的影響.昆玉河位于我國(guó)最大的城市—北京市城區(qū)，這里經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口眾多，且一般CO2的釋放通量在夏季最大［11］.因此，針對(duì)該河開(kāi)展研究有助于了解城市河流溫室氣體的排放水平及過(guò)程.

1 研究區(qū)域概況

昆玉河是貫穿北京西部城區(qū)的重要水系，也是京密引水渠下游從頤和園昆明湖通到玉淵潭八一湖的水道，長(zhǎng)約10km［12－13］.京密引水渠是一條把密云水庫(kù)的水引進(jìn)北京城區(qū)做飲用水的人工渠，它起自密云水庫(kù)白河主壩以南的調(diào)節(jié)池，于懷柔縣城北入懷柔水庫(kù)，下游經(jīng)頤和園的昆明湖，在海淀區(qū)羅道莊與永定河引水渠相匯合，構(gòu)成了北京的輸水系統(tǒng).觀測(cè)點(diǎn)選在位于北京市海淀區(qū)昆玉河之玉淵潭河段玉淵潭試驗(yàn)水電站下游，監(jiān)測(cè)點(diǎn)水深2m 左右.可以代表一般城市河流的水深特點(diǎn).

2 材料與方法

2.1 監(jiān)測(cè)方法

監(jiān)測(cè)測(cè)時(shí)間為2012年8月3日12：00至8月4日12：00，在此期間天氣晴好.

氣體通量采用LGR－100型快速溫室氣體分析儀，該儀器已在水布埡水庫(kù)［14－15］、香溪河庫(kù)灣［16］等水域得到良好應(yīng)用.氣樣采集設(shè)備為自制動(dòng)態(tài)通量箱，箱體（規(guī)格：長(zhǎng)50cm，寬50cm，高40cm）采用塑鋼材質(zhì)，通過(guò)箱體兩側(cè)的支架在箱體頂部裝有一個(gè)定時(shí)自動(dòng)伸縮桿，提升高度為25cm，可將整個(gè)通量箱頂蓋提起使箱體內(nèi)外通風(fēng).箱體上部四周設(shè)有密封槽，注水后可以隔斷箱體內(nèi)外的空氣交換，使整個(gè)箱體達(dá)到密封的效果.箱體內(nèi)側(cè)面設(shè)有兩個(gè)微型風(fēng)扇以便于使箱內(nèi)的空氣混合均勻.為保證監(jiān)測(cè)期間箱內(nèi)溫度不會(huì)劇烈變化，箱外布設(shè)泡沫保溫層，并貼有反光膜，箱體中部有兩根塑料導(dǎo)管與LGR－100型快速溫室氣體分析儀相連.通量箱底部四圍包有一層厚5cm 泡沫，以使通量箱漂浮在水面上.監(jiān)測(cè)前，設(shè)定好自動(dòng)伸縮桿的定時(shí)程序，平衡期，先將頂蓋提升，維持20min，以便箱內(nèi)與箱外空氣充分混合，然后進(jìn)入檢測(cè)期，將頂蓋合上維持40min，如此進(jìn)行循環(huán)監(jiān)測(cè).監(jiān)測(cè)期間，LGR－100型快速溫室氣體分析儀始終處于運(yùn)行狀態(tài)，在數(shù)據(jù)處理時(shí)將平衡期的數(shù)據(jù)作為檢測(cè)期的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，而只計(jì)算檢測(cè)期的通量.測(cè)定時(shí)將通量箱置于水面，箱口浸入水中10cm.在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)期間，同時(shí)采用酸滴定法測(cè)定水樣總堿度（TA），并使用便攜式pH 計(jì)測(cè)定pH，用氣溫氣壓計(jì)測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)氣溫和氣壓，風(fēng)速儀測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速.用PVC 瓶取200 mL水樣，帶回實(shí)驗(yàn)室分析總氮（TN）、總磷（TP），具體方法見(jiàn)《水與廢水分析方法（第4版）》.

2.2 通量計(jì)算方法

溫室氣體的釋放通量是指單位時(shí)間內(nèi)單位面積上溫室氣體濃度的變化量，正值表示氣體從水體向大氣排放，負(fù)值表示水體吸收大氣中該氣體.氣體通量采用如下公式［17］進(jìn)行計(jì)算：

式中，F(xiàn) 為氣體通量（mg·m－2·d－1）；K 為時(shí)間濃度關(guān)系圖中的濃度斜率（mg·kg－1·min－1）；F1為mg／kg與μg／m3的轉(zhuǎn)換系數(shù)（CO2：1 798.45）；F2為分鐘與天的轉(zhuǎn)換系數(shù)（1 440）；V 為進(jìn)入浮箱的空氣體積（m3）；S 為水上部分浮箱的表面積（m2）；F3為μg與mg的轉(zhuǎn)換系數(shù)（1 000）.

3 結(jié)果與分析

3.1 環(huán)境因子

氣溫、風(fēng)速、氣壓、pH、TN、TP 及TA 在24h變化過(guò)程（如圖1所示）.氣壓從8月3日12：00整體保持降低，到下午18：00以后開(kāi)始上升，在夜間24：00左右達(dá)到一天之中的最大值100.30kPa.8 月4 日0：00左右氣壓開(kāi)始下降，到4：00達(dá)到低谷，然后又開(kāi)始上升，至11：00達(dá)到第二個(gè)高峰后又開(kāi)始下降.在一天之中氣壓變化范圍為99.91～100.30kPa，平均值100.12kPa，變化幅度較小.風(fēng)速在8 月3 日12：00～22：00有較大起伏，22：00至次日9：00風(fēng)速基本為零，隨后到11：00有0.1～0.2m·s－1的風(fēng)出現(xiàn).全天風(fēng)速在0～2.0m·s－1，平均值0.25m·s－1，波動(dòng)幅度較大.氣溫是一天之中變化最為明顯的環(huán)境因子，晝夜溫差較大，全天氣溫在23.8～34.7℃，平均值28.8℃.

pH 整體呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，只在21：00出現(xiàn)一個(gè)最大值，之后迅速減小，范圍在8.08～8.92，平均值8.32.TP表現(xiàn)為遞減趨勢(shì)，在8月3日15：00左右和8月4日1：00左右分別出現(xiàn)監(jiān)測(cè)期間的最大值8.9 μg·L－1和最小值4.6μg·L－1，全天平均值6.44μg·L－1.TN 含量呈緩慢的增長(zhǎng)趨勢(shì)，在8月3 日20：20和次日2：20分別出現(xiàn)最高值16.41mg·L－1和最低值12.10mg·L－1.TA 在晝間變化過(guò)程則有較為明顯的波動(dòng)，8月3日23：00至8月4日8：00，TA 變化相對(duì)較為穩(wěn)定，全天TA 范圍在74.2～84.1mg·L－1（CaCO3），平均值77.8mg·L－1（CaCO3）.

圖1 環(huán)境因子日變化

3.2 水－氣界面CO2 通量

觀測(cè)點(diǎn)處水－氣界面的CO2釋放通量可分為2：20～4：20較短的持續(xù)下降期和其他時(shí)段較長(zhǎng)波動(dòng)變化期（如圖2所示）.

圖2 CO2 通量日變化

24h內(nèi)CO2以吸收為主，僅在部分時(shí)段表現(xiàn)為釋放.全天CO2通量在－27.18～12.51mg·m－2·h－1，平均值－7.28mg·m－2·h－1，水體表現(xiàn)為對(duì)CO2的“匯”.CO2通量晝（4：20～19：20）、夜差異較大，晝間平均釋放通量為－8.81mg·m－2·h－1，低于全天平均值，夜間為－4.22mg·m－2·h－1，高于全天平均值.夜間的排放量高于晝間，這與呂東珂［18］、Cole［19］等人的研究結(jié)果一致.

與其他水域相比，昆玉河與有一定富營(yíng)養(yǎng)化的太湖、東湖Ⅰ區(qū)、東湖Ⅱ區(qū)一樣是大氣CO2的“匯”，且釋放通量處于3 者之間.而水質(zhì)較為良好的泥河水庫(kù)、香溪河庫(kù)灣和鄱陽(yáng)湖則為大氣CO2的“源”.昆玉河夏季水－氣界面CO2的釋放通量處在較低的水平（見(jiàn)表1）.

表1 我國(guó)其他水域夏季水－氣界面CO2 日平均釋放通量

4 討 論

水體溫室氣體的產(chǎn)生和傳輸過(guò)程共同決定了水－氣界面溫室氣體通量，這些過(guò)程主要受氣候條件、水體水質(zhì)、植被狀況及其他因素影響［5］.CO2主要由水體底部沉積物中有機(jī)質(zhì)的分解和水柱中有機(jī)碳的氧化降解產(chǎn)生［24］，水底產(chǎn)生的CO2可以通過(guò)擴(kuò)散或氣泡形式向水面?zhèn)鬏敚?5］.另外，水生生物的呼吸作用也釋放溫室氣體［26］，水生植物、浮游植物光合作用則可以固碳［27］.已知影響CO2水－氣界面釋放通量的因素有光照、風(fēng)速、水體透明度等都與浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力有關(guān)系［28－29］.

水－氣界面CO2釋放通量大小及方向由表層水體和大氣CO2分壓差大小決定，通常大氣中的分壓差變化較小，所以CO2通量主要由表層水體CO2的分壓決定［30］.表層水體CO2分壓主要受風(fēng)速、TA、水溫、碳酸鹽分解和生物泵的影響［31］.

相關(guān)性分析結(jié)果（見(jiàn)表2）顯示，昆玉河水－氣界面CO2通量與pH、TP、TN、風(fēng)速呈正相關(guān)性，與TA、溫度、氣壓呈負(fù)相關(guān)，其中與TA 和風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)值較小.水體pH 既影響水中物質(zhì)的遷移和轉(zhuǎn)化過(guò)程［32］，也直接影響水中碳酸鹽的的分布，對(duì)水體CO2的濃度有著直接的控制作用［33］.

表2 環(huán)境因子與CO2 通量的相關(guān)系數(shù)

TA 是指水中能夠接受氫離子即與強(qiáng)酸發(fā)生中和反應(yīng)的物質(zhì)總量.比如氫氧根、碳酸根、重碳酸根等.本文TA 與通量呈負(fù)相關(guān)且相關(guān)系數(shù)較小.一般TA 越大相應(yīng)的水體碳酸鹽、重碳酸鹽就愈多，因此TA 也是影響CO2通量的一個(gè)因素之一［34］.浮游植物在光合作用時(shí)還會(huì)吸收N、P 等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，水體堿度也會(huì)相應(yīng)的降低［35］.所以，堿度集中反應(yīng)了水中CO2的溶解水平.

氣壓是影響氣體在水中溶解度的重要參數(shù)［36］.氣壓升高會(huì)使氣體在大氣中的分壓相應(yīng)的升高，CO2向水體溶解，使向大氣釋放的通量減小.但由于本文中氣壓晝夜變化并不是很大，所以這種效果不太明顯.

氣溫既可以直接影響溫室氣體的排放，也可以通過(guò)調(diào)節(jié)水溫間接的影響溫室氣體的排放［37］.由于在本研究中缺乏水溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，只能通過(guò)氣溫來(lái)進(jìn)行分析，根據(jù)王亮［16］等在香溪河庫(kù)灣進(jìn)行的研究表明，24h內(nèi)水溫受氣溫影響比較明顯，水溫升高會(huì)促進(jìn)CO2的吸收.氣溫升高，氣壓增加，促使CO2從大氣進(jìn)入水體.氣溫降低，CO2從水中進(jìn)入大氣.晝間氣溫高，氣壓高，夜間氣溫低，氣壓低，所以一天之中晝間從大氣進(jìn)入水體的CO2多，而夜間較少.對(duì)于河流而言，由于水體比熱較大，水溫對(duì)太陽(yáng)輻射不敏感，而且較小的水溫變化對(duì)CO2通量的影響也不會(huì)很大［38］.

風(fēng)速是影響水－氣界面碳通量的重要因素［5］.在觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)在風(fēng)浪較大的時(shí)段，水體向大氣的排放量也較大.研究認(rèn)為，風(fēng)應(yīng)力增加了水－氣接觸面積，加速了碳交換；對(duì)底泥產(chǎn)生擾動(dòng)，促使底泥中的CO2排放，與CO2釋放通量正相關(guān)［18］.在本研究中風(fēng)速與CO2通量雖呈正相關(guān)，但相關(guān)性較弱，可能是因?yàn)樵跁円癸L(fēng)力差異大，且24h內(nèi)風(fēng)速都比較小，對(duì)CO2通量的影響不明顯.由于城市河流水淺，河道較為狹窄的特點(diǎn)，在風(fēng)速較大的情況下可能更易受到風(fēng)應(yīng)力的影響.

在生長(zhǎng)季浮游植物是控制表層水體分壓的關(guān)鍵因素，CO2的吸收與釋放大部分是由浮游植物完成.當(dāng)浮游植物進(jìn)行光合作用時(shí)，消耗水中的溶解CO2，提高水體pH，水體CO2分壓降低，大氣中的CO2進(jìn)入水體；呼吸作用時(shí)生物釋放CO2，使表層水體CO2分壓增加，CO2從水體進(jìn)入空氣［21］.晝間水體從大氣中吸收的CO2多，而夜間少.主要原因在于夏季晝長(zhǎng)夜短，日照加強(qiáng)了水體中的光合作用，水體中的CO2通過(guò)光合作用轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳，并且產(chǎn)生氧氣，導(dǎo)致水體氧化還原電位升高、CO2分壓降低，使得河道碳排放強(qiáng)度在日落后達(dá)到最弱、日出前最強(qiáng)［34］.

本文TN 和TP 與CO2通量有較強(qiáng)的相關(guān)性.N、P 是影響浮游植物生長(zhǎng)的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，它們通過(guò)影響浮游植物的生長(zhǎng)來(lái)調(diào)節(jié)水體理化特性，從而影響CO2的釋放通量.

5 結(jié) 論

昆玉河CO2的平均釋放通量晝夜差異較大，晝間吸收多，晚間吸收少，晝夜平均釋放通量為－7.28 mg·m－2·h－1，與其他水域夏季日平均結(jié)果比較處于較低水平.pH、TP、TN 和溫度對(duì)水－氣界面CO2的釋放通量有較大影響.風(fēng)速和TA 晝夜間的變化并不明顯，晝夜間的變化對(duì)溫室氣體的產(chǎn)生和水－氣界面的釋放通量影響較小，晝夜變化過(guò)程與CO2的相關(guān)性較弱.

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