泥河水庫的甲烷排放特征及其影響因子

李紫橋，柴龍會，黃璞祎，于洪賢

(東北林業(yè)大學(xué)野生動物資源學(xué)院，哈爾濱150040)

泥河水庫的甲烷排放特征及其影響因子

李紫橋，柴龍會，黃璞祎，于洪賢

(東北林業(yè)大學(xué)野生動物資源學(xué)院，哈爾濱150040)

為研究東北地區(qū)灌溉型水庫的甲烷排放特征及其影響因子，試驗采用靜態(tài)浮箱法于2008年測定了泥河水庫水—?dú)饨缑娴募淄橥?。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，泥河水庫的甲烷排放通量范圍0.34～19.13 mg·m-2·h-1，平均6.56 mg·m-2·h-1。甲烷排放通量存在明顯的季節(jié)變化，夏季＞秋季＞春季;甲烷排放通量未表現(xiàn)出空間差異。相關(guān)性分析表明，甲烷通量分別與水溫、葉綠素和總氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系;與溶氧和水深為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。該研究建議在評估水庫溫室氣體排放時，應(yīng)充分考慮灌溉型水庫的甲烷排放。

甲烷排放;特征;灌溉;影響因子;樣品采集

甲烷是大氣中第二大溫室氣體，其輻射強(qiáng)度為二氧化碳的21倍，因此測定不同生態(tài)系統(tǒng)—大氣的甲烷通量是評估溫室氣體對全球變暖影響，預(yù)測全球氣候變化趨勢的基本前提。已有監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示水庫是甲烷排放的源，因影響甲烷排放的因子很多，如水溫、溶氧、水深、葉綠素等，水庫的甲烷排放存在時空差異。但是以往水庫甲烷排放的研究多集中于大型水電水庫，而對灌溉型水庫的研究卻相對較少［1］。

我國由于農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，建設(shè)了大量的灌溉型水庫，僅黑龍江省的灌溉型水庫就超過了600座。但是關(guān)于灌溉型水庫的甲烷排放特征及影響因子尚不清楚。研究通過對1個典型灌溉型水庫——泥河水庫的甲烷排放通量監(jiān)測，揭示該類型水庫的甲烷時空排放特征，確定環(huán)境因子與甲烷通量的相互關(guān)系，為估算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 研究地概況

泥河水庫(46°15'N，126°37'E)位于黑龍江省泥河下游，1978年建成，是一個大型平原灌溉型水庫。水庫的集水區(qū)主要為農(nóng)田，集水區(qū)和灌溉區(qū)面積分別為1 515 km2和48 km2。水庫敞水區(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)俚湫蜏貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫3.3℃，年平均降水505.4 mm。

泥河水庫敞水區(qū)在7—9月間分布有大量水生植物，主要優(yōu)勢種包括沉水植物馬來眼子菜和浮葉植物菱［2］。

1.2 樣品的采集

試驗采用靜態(tài)箱—?dú)庀嗌V法，分別于2008年春季(5月)、夏季(7月)、秋季(10月)測定了泥河水庫的甲烷排放通量。共設(shè)置3個采樣點(diǎn)，分別為Ⅰ(出水口)、Ⅱ(水庫中心)、Ⅲ(入水口)。采樣箱為直徑40 cm，高30 cm的透明有機(jī)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，通過雙聯(lián)球連接采氣袋用以采集箱體頂部的氣體。同時，用繩子將游泳圈固定于采樣船上，以保證采樣箱的位置穩(wěn)定。每個采樣點(diǎn)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100 mL，而后每隔10 min采集100 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。試驗期間每4h測定1次，持續(xù)時間為24 h。數(shù)據(jù)取24 h內(nèi)氣體通量的平均值，代表該點(diǎn)1 d的平均甲烷排放通量。采樣期間，同時測定箱內(nèi)外的氣溫、表層水溫(水面下5 cm)和氣壓［3-4］。

1.3 樣品的分析

采用北京北分瑞利sp2100氣相色譜儀對氣體樣品進(jìn)行分析，色譜柱為長2 m、內(nèi)徑4 mm的不銹鋼管，內(nèi)部填充GDX—502高分子多孔聚合物，檢測器為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。

甲烷通量計算公式為:

式中:F為甲烷通量，正值表示由水體向大氣中排放甲烷，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(diǎn)的氣壓;T為采樣時的絕對溫度。

1.4 水環(huán)境因子的測定

水溫、水深、溶氧(DO)和葉綠素均采用YSI—6600野外多參數(shù)水質(zhì)分析儀測定。TN采用GB11894—89方法測定。泥沙水庫水環(huán)境因子見表1。

表1 泥河水庫水環(huán)境因子

2 結(jié)果

2.1 水環(huán)境特征

從表1中可以看出，試驗期間泥河水庫的水溫變化范圍9.37～30.05℃，平均17.46℃。水深范圍0.5～3.4 m，平均1.73 m。DO和葉綠素平均值分別為7.87 mg·L-1和17.78 mg·L-1。TN 平均值為1.50 mg·L-1。單因素方差分析(ANOVA)表明，試驗期間的水溫、水深、DO、葉綠素和TN不存在顯著的空間差異(P＞0.05)。

2.2 泥河水庫甲烷通量特征

泥沙水庫甲烷排放通量柱狀圖如圖1所示，圖1中顯示泥河水庫的甲烷排放通量范圍0.34～19.13 mg·m-2·h-1，平 均 6.56 mg·m-2·h-1。ANOVA表明，各季節(jié)內(nèi)不同采樣點(diǎn)之間的甲烷通量不存在顯著差異(P＞0.05)。不同季節(jié)之間的甲烷通量存在顯著差異(P＜0.05)，Dunnett T3多重比較表明，夏季＞秋季＞春季，且兩兩之間差異顯著(P ＜0.05)。

圖1 泥沙水庫甲烷排放通量柱狀圖

2.3 甲烷通量與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

Pearson相關(guān)性分析見表2。甲烷通量分別與水溫、葉綠素和TN呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05);與DO和水深為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)。

表2 甲烷通量與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)

3 討論

3.1 泥河水庫甲烷排放特征

泥河水庫的甲烷平均通量為6.56 mg·m-2·h-1，介于亞熱帶水庫的排放范圍(0.33～6.94 mg·m-2·h-1)，但是明顯高于長江三峽庫區(qū)(0.08～0.34 mg·m-2·h-1)和美國中西部農(nóng)業(yè)區(qū)的河流型水庫(0.44 mg·m-2·h-1)。因此在評估水庫溫室氣體排放時，應(yīng)充分考慮灌溉型水庫的甲烷排放。

泥河水庫的甲烷排放表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，夏季甲烷排放最高，其次為秋季，春季最低。導(dǎo)致夏季甲烷高排放的主要原因是高溫促進(jìn)了水體的甲烷產(chǎn)生和排放，而且水生植物在夏季大量生長，其根部的分泌物為甲烷產(chǎn)生提供了必須的碳源和排放路徑。此外，春夏季的持續(xù)灌溉導(dǎo)致泥河水庫的水深在夏季最低，而且水體在夏季的溶氧最低，使得甲烷在穿過水柱時被氧化的機(jī)率減少，引起甲烷的高排放。同理，在水深最高且缺乏水生植物的春季，甲烷排放最低;而秋季雖然水溫低于春季，但是較低的水深和大量水生植物的存在為甲烷的產(chǎn)生和排放提供了有利條件，因此秋季甲烷排放高于春季［5-6］。

淡水生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境異質(zhì)性往往會引起甲烷排放的空間差異。本研究發(fā)現(xiàn)水環(huán)境因子不存在顯著的空間異質(zhì)性，因此甲烷排放也未表現(xiàn)出空間差異。泥河水庫水環(huán)境因子同質(zhì)性的原因可能是由于該水庫為淺水平底型水庫，且集水區(qū)為單一的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。

3.2 影響因子

產(chǎn)甲烷細(xì)菌屬于溫度敏感性細(xì)菌，因此溫度是影響水體甲烷排放的重要因子。在本研究中，泥河水庫的甲烷通量與水溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說明溫度升高促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的礦化作用，導(dǎo)致甲烷產(chǎn)生和排放增強(qiáng)，這與北京密云水庫的相關(guān)研究基本相似［7］。

水深高低直接影響甲烷穿過水柱被氧化的幾率。通常水深越低，甲烷穿過水柱被氧化的幾率越低，則甲烷排放越高。與以往的研究結(jié)果相似，泥河水庫的甲烷通量與水深呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

淡水水體中的甲烷需在厭氧條件下通過產(chǎn)甲烷細(xì)菌產(chǎn)生，而當(dāng)水體底層或水柱存在O2時，甲烷可被甲烷氧化細(xì)菌氧化或甲烷產(chǎn)生受到O2的抑制，最終導(dǎo)致甲烷排放減少。泥河水庫的甲烷通量與溶氧之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，即水中溶氧越高，甲烷被氧化的幾率越高，而甲烷排放通量越低，這與貓?zhí)恿饔蛱菁夐_發(fā)水庫的研究結(jié)果相似。

以往關(guān)于濕地、湖泊和水庫的研究表明葉綠素與甲烷通量之間存在正相關(guān)關(guān)系，本研究也發(fā)現(xiàn)泥河水庫的葉綠素與甲烷通量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說明夏季藻類的高生物量可為產(chǎn)甲烷細(xì)菌提供大量的有機(jī)質(zhì)作為底物，進(jìn)而促進(jìn)甲烷的大量排放。

泥河水庫甲烷通量與TN呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這主要是由于水體中TN的增加，會加速水中DO的消耗并促進(jìn)底質(zhì)中的厭氧分解，最終導(dǎo)致水體向大氣排放的甲烷增加。Huttunen等也發(fā)現(xiàn)，以農(nóng)田為集水區(qū)的富營養(yǎng)化湖泊，其敞水區(qū)的甲烷排放顯著高于寡營養(yǎng)湖泊和中營養(yǎng)池塘。

［1］黃璞祎，于洪賢，柴龍會，等.扎龍?zhí)J葦濕地生長季的甲烷排放通量［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2011，22(05):1219-1224.

［2］楊妍，劉叢強(qiáng)，吳攀，等.貓?zhí)恿饔蛱菁夐_發(fā)水庫夏季甲烷排放研究［J］.貴州水力發(fā)電，2009，23(03):12-16.

［3］楊萌，李紅麗，雷霆，等.北京密云水庫甲烷排放通量時空特征及其影響因素研究［J］.濕地科學(xué)，2011，9(02):191-197.

［4］王躍思，王迎紅.中國陸地和淡水湖泊與大氣間碳交換觀測［M］.北京:科學(xué)出版社，2008:115.

［5］黃璞祎，于洪賢，馬成學(xué)，等.扎龍濕地5月份水-氣界面CO2通量研究［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，37(9):91-94.

［6］陳永根，李香華，胡志新，等.中國八大湖冬季水-氣界面 CO2通量［J］.生態(tài)環(huán)境，2006，15(4):665-669.

［7］張發(fā)兵，胡維平，楊龍元.太湖春季水-氣界面碳通量日變化觀測研究［J］. 生態(tài)環(huán)境，2004，13(2):186-190.

［8］鄒建文，黃耀，宗良綱，等.稻田CO2、CH4和N2O排放及其影響因素［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2003，23(6):758-764.

Methane Emission Characteristics and Influencing Factors in Nihe reservoir

LI Zi-qiao;CHAI Long-hui;HUANG Pu-yi and YU Hong-xian
(College of Wildlife Resources，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China)

In order to study methane emission characteristics and influencing factors of irrigation reservoirs in northeast China，static floating chamber method was used to measure methane flux across water-air interface in Nihe reservoir in 2008.The results indicated that methane emission flux ranged from 0.34 to 19.13 mg·m-2·h-1，with the average flux of 6.56 mg·m-2·h-1.There were significantly seasonal differences of methane flux，summer ＞ autumn ＞ spring;there were no spatial differences of methane flux.Correlation analysis showed that methane flux was positively related with water temperature，chlorophyll and total nitrogen;negatively related with dissolved oxygen and water depth.The study suggests that methane emissions of irrigation reservoirs should be considered to accurately estimate greenhouse gases emissions in reservoirs.

methane emission;irrigation;reservoir;influencing factors

X131

B

1007-7596(2014)06-0016-04

2013-12-08

［項目資助］東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目(201310225022);野生動物國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)項目資助(201312);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助(DL09BA17)。

李紫橋(1993-)，女，遼寧阜新人，本科在讀;柴龍會(1979-)，男，湖南張家界人，工程師，碩士，研究方向為濕地生態(tài)學(xué);黃璞祎(1980-)，女，天津人，博士，研究方向為濕地生態(tài)學(xué);于洪賢(1962-)，女，遼寧鞍山人，博士，研究方向為濕地生態(tài)學(xué)。