某富營養(yǎng)化池塘夏季溫室氣體通量的晝夜變化

張　成，龍　麗，呂新彪，李迎晨，彭　峰

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院,武漢　430074；2.三峽大學(xué) a.電氣與新能源學(xué)院；b.水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌　443002)

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某富營養(yǎng)化池塘夏季溫室氣體通量的晝夜變化

張成1,2a，龍麗2b，呂新彪1，李迎晨2b，彭峰2b

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院,武漢430074；2.三峽大學(xué) a.電氣與新能源學(xué)院；b.水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌443002)

為揭示富營養(yǎng)化淺水池塘?xí)円剐缘臏厥覛怏w通量特征，利用DLT-100溫室氣體分析儀高采樣頻率的優(yōu)勢(shì)，通過48 h的在線觀測(cè)，獲得了宜昌野豬林池塘夏季CH4和CO2擴(kuò)散和冒泡釋放的晝夜性通量數(shù)據(jù)。觀測(cè)點(diǎn)F點(diǎn)水氣界面總CH4和CO2通量分別約為595.2，1 450.8 mg/(m2·d)，CH4和CO2氣泡排放量分別占到總排放量的99.7%和3.0%。觀測(cè)期內(nèi)冒泡存在高度時(shí)間變異性，最大的一次CH4冒泡釋放速率為424.28 mg/(m2·h)，占2 d內(nèi)總氣泡釋放量的35.75%，而大多數(shù)時(shí)段的CH4冒泡速率低于20.0 mg/(m2·h)。監(jiān)測(cè)期內(nèi)CH4和CO2擴(kuò)散通量的最高值分別為各自最低值的6.0和6.5倍。監(jiān)測(cè)表明，富營養(yǎng)化淺水池塘夏季CH4通量非常高，且主要以冒泡方式釋放；而CO2通量明顯響應(yīng)于浮游植物光合作用和呼吸作用交替的新陳代謝作用，存在晝夜性的變化規(guī)律。

溫室氣體；氣體擴(kuò)散通量；冒泡通量；野豬林池塘；富營養(yǎng)化

1　研究背景

淡水生態(tài)系統(tǒng)是CO2和CH4的重要排放源[1]。湖泊、池塘和水庫面積約為地球表面積的3%，其中，天然湖泊和池塘的面積約4.2×106km2，而水庫的面積約2.6×105km2，農(nóng)用池塘約7.7×104km2[2]。湖泊和水庫溫室氣體釋放研究受到大量關(guān)注[1,3]，然而極少有研究涉及到這些面積小、深度相對(duì)較淺但自然地理特征和富營養(yǎng)化狀況迥異的池塘。小湖泊和池塘在全球的面積/數(shù)量以及在全球碳循環(huán)中的重要性可能被低估[1]。小濕地湖泊和池塘，往往泥炭豐富并有較高的CO2和CH4排放[1]。已有研究表明，這些面積小但CH4排放量高的地區(qū)，如濕地池塘，貢獻(xiàn)了濕地區(qū)域總CH4預(yù)算的相當(dāng)大部分，并是導(dǎo)致區(qū)域上估算CH4排放量不確定性的主要因素[4]。

地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致太陽光能變化和晝夜性的生物地球化學(xué)循環(huán)，特別是在穩(wěn)定的水文條件下，其中某些晝夜性生物地球化學(xué)過程的變化幅度與年際尺度的變化相當(dāng)[5]。然而，相對(duì)于季節(jié)尺度氣體通量的研究而言，晝夜時(shí)間尺度氣體通量的報(bào)道非常少，且是剛剛受到關(guān)注。迄今為止，極少關(guān)于氣體冒泡實(shí)時(shí)通量的研究報(bào)道，大多數(shù)關(guān)于氣體冒泡速率的研究是利用氣泡收集器進(jìn)行的[1]，這只能反映長監(jiān)測(cè)期的平均通量。研究天然水域中生物地球化學(xué)過程的晝夜變化有助于揭示其中發(fā)生的快速變化過程，它們是構(gòu)成天然水系統(tǒng)整體過程必不可少的部分并起著重要作用[5]。已有關(guān)于溫室氣體通量晝夜變化的報(bào)道是以3～4 h為采樣時(shí)間間隔[1]，因而數(shù)據(jù)并不連續(xù)，從而可能導(dǎo)致重要隱藏的信息不能被揭示出來。本文首次報(bào)道持續(xù)48 h的溫室氣體通量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源于2013年夏天對(duì)亞熱帶氣候背景下一個(gè)富營養(yǎng)化池塘的監(jiān)測(cè)。期望實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果可為從擴(kuò)散和冒泡2個(gè)角度認(rèn)識(shí)小且淺的池塘溫室氣體釋放問題提供參考。

2　材料和方法

2.1研究區(qū)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)

野豬林池塘(111°20′50.16″E,30°44′30.978″N)位于湖北省宜昌市的郊區(qū)。宜昌屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，春天溫差大、夏季干而多暴雨、秋季多雨、冬季潮濕時(shí)而有雪。年平均氣溫為16.9 ℃，平均降雨量為1 215.6 mm。該池塘約2 500 m2，最大水深和平均水深分別為2.5 m和1.5 m。池塘是為當(dāng)?shù)厣跤忻囊粋€(gè)餐廳所包圍的魚塘，其水體TN和TP濃度分別約0.067 mg/L和0.020 mg/L，底部覆蓋松軟的薄層有機(jī)沉積物(TOC含量為27.92 mg/g)，且通常會(huì)在冬季被疏浚。藻類的大量繁殖使得水域呈現(xiàn)綠色(主要是Fragilaria,Scenedesmus quadricanda和Oocystis)。2013年7月22—24日，我們?cè)诰嚯x岸邊分別約2 m的N點(diǎn)(水深約1.2 m)和約5 m的F點(diǎn)(水深約1.5 m)進(jìn)行了48 h的連續(xù)觀測(cè)。

2.2現(xiàn)場采樣、測(cè)量與分析

通過現(xiàn)場測(cè)量得到表層和底層水溫(Ts和Tb)、pH值、氣溫(Ta)、氣壓(Pa)，光照強(qiáng)度(Ii)和風(fēng)速(Swi)。水溫、水體pH值和溶解氧濃度(DO)的測(cè)定使用Orion Star A329便攜多參數(shù)儀(美國)。自水面下0.1 m處和底部上方0.1 m處分別取350 mL水樣用于表層水、底層水Chl-a濃度分析，水樣采集、運(yùn)輸和分析方法參見國家標(biāo)準(zhǔn)[6]。

2.3水-氣界面溫室氣體通量監(jiān)測(cè)

本文利用動(dòng)態(tài)封閉漂浮通量箱系統(tǒng)測(cè)量水-氣界面的CH4和CO2晝夜通量。該箱體不透明，表層為隔熱材料，體積43.30 L、表面積0.096 m2(直徑和高度分別為0.35 m和0.45 m)。箱內(nèi)頂部安有2個(gè)小風(fēng)扇，以使箱內(nèi)混合均勻。當(dāng)進(jìn)行水-氣界面CH4和CO2通量觀測(cè)時(shí)，將該箱體與DLT-100溫室氣體分析儀(Los Gatos Research，美國)相連接。該儀器能以1 Hz頻率實(shí)時(shí)、連續(xù)地測(cè)量箱內(nèi)CH4和CO2濃度，先前的研究人員對(duì)其有詳細(xì)的描述，并廣泛使用[1]。單次通量觀測(cè)通常約30 min，然后將箱體提起以使得箱內(nèi)氣體與環(huán)境空氣充分交換、混合，待下次觀測(cè)時(shí)將通量箱慢慢放置水面，這樣每30 min進(jìn)行1次通量觀測(cè)，N點(diǎn)和F點(diǎn)交替進(jìn)行。

當(dāng)沒有或很少有氣泡進(jìn)入箱內(nèi)時(shí)，其中CH4和CO2的濃度因逐漸增加或減少而使得時(shí)間-氣體濃度曲線呈現(xiàn)直線形式(圖1(a))。在這種情況下，應(yīng)用Lambert and Fréchette[7]給出的簡單線性回歸方法計(jì)算氣體釋放速率和通量。當(dāng)有氣泡進(jìn)入箱內(nèi)時(shí)(圖1(b))，則箱內(nèi)氣體濃度會(huì)急劇上升。利用DLT-100儀器的高頻采樣優(yōu)勢(shì)，可將冒泡通量和擴(kuò)散通量區(qū)別開來，在圖1(b)中：AB段和CD段擴(kuò)散，BC段冒泡。方程(y=0.003 20x+2.42)由AB段數(shù)據(jù)通過線性擬合得到，即甲烷濃度增量擴(kuò)散方程; Ct為監(jiān)測(cè)結(jié)束時(shí)實(shí)測(cè)的箱內(nèi)甲烷濃度; Cd為根據(jù)擬合方程所計(jì)算出的、監(jiān)測(cè)終點(diǎn)時(shí)箱內(nèi)甲烷濃度(即監(jiān)測(cè)終點(diǎn)時(shí)擴(kuò)散的甲烷濃度)；Ct與Cd之差即是由氣泡釋放的甲烷濃度。圖中所示數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)的20個(gè)點(diǎn)的平均值。

圖1　通量箱內(nèi)甲烷濃度隨時(shí)間變化Fig.1　Curves of changes in CH4 concentration with bubble and without bubble during a single flux monitoring period

3　監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在F點(diǎn)，以冒泡方式釋放的CH4和CO2甲烷分別占二者總釋放量的99.7%和3.0%；在N點(diǎn)，以冒泡方式釋放的CH4和CO2甲烷分別占各自總釋放量的96.41%和3.43%。結(jié)果證實(shí)在淺的富營養(yǎng)化淡水系統(tǒng)中，冒泡排放對(duì)二氧化碳CO2釋放的貢獻(xiàn)并不顯著；與此相反對(duì)甲烷釋放而言則十分顯著[8]。在Petit Saut水庫也觀察到類似現(xiàn)象，氣泡釋放占CH4總釋放量的50%～80%，而CO2氣泡釋放量則<1%[9]。在淡水湖Priest Pot(小且過度富營養(yǎng)化)，96%的CH4通過氣泡釋放，99%的CO2通過擴(kuò)散釋放[10]。此外，在各自的48次觀測(cè)中，F(xiàn)點(diǎn)和N點(diǎn)分別有44次和21次出現(xiàn)了明顯的冒泡釋放現(xiàn)象。2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的CH4和CO2擴(kuò)散通量均呈現(xiàn)出響應(yīng)于地球自轉(zhuǎn)和太陽輻射的晝夜性變化特征，特別是CO2擴(kuò)散通量尤為明顯(圖2)。氣體通量隨時(shí)間變化意味著通量測(cè)量次數(shù)和時(shí)間段的選擇對(duì)獲得準(zhǔn)確的平均值而言十分重要[11]。本文的數(shù)據(jù)還表明，CH4和CO2擴(kuò)散通量在9:00和21:00左右同時(shí)接近平均值，該時(shí)間段可作為富營養(yǎng)化水體水-氣通量調(diào)查時(shí)單次采樣選擇時(shí)段的參考(圖2)。

由于2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)上述基本一致的氣體擴(kuò)散通量規(guī)律性，本文僅分析F點(diǎn)的晝夜性氣體通量特征。

表1　觀測(cè)期主要環(huán)境因子相關(guān)系數(shù)

注：**表示0.01置信水平顯著相關(guān)(2-tailed);*表示0.05置信水平顯著相關(guān)(2-tailed);Ta表示氣溫；Pa表示氣壓；Swi表示風(fēng)速；Ii表示光照強(qiáng)度；DOs和DOb分別表示表層和底層水體溶解氧濃度；pH-s和pH-b分別表示表層和底層水體pH值;Ts和Tb分別表示表層和底層水體溫度;Chl-as和Chl-ab分別表示表層和底層水體Chl-a濃度;Ch1-a表示葉綠素a;pH-s和pH-b為37，Chl-as和Chl-ab為24，其他參數(shù)為48；表1中的數(shù)據(jù)是由N個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)得來的；非顯著性相關(guān)數(shù)據(jù)被略去。

表2　監(jiān)測(cè)期內(nèi)主要環(huán)境因子晝夜變異性統(tǒng)計(jì)

圖2　監(jiān)測(cè)期內(nèi)晝夜性的CH4和CO2擴(kuò)散通量

3.1環(huán)境因子的變化

除了水體pH值和底層水體DO濃度外，其他環(huán)境因子與氣溫間具顯著相關(guān)性，呈現(xiàn)明顯的晝夜變化，從而響應(yīng)于地球的自轉(zhuǎn)和太陽輻射(表1和圖3)。監(jiān)測(cè)期內(nèi)主要環(huán)境因子的變異情況見表2。在監(jiān)測(cè)期間，氣溫變幅為12.3℃，而表層和底層水溫度的變幅分別為5.7 ℃和3.4 ℃，且3者呈現(xiàn)同步變化，存在顯著的正相關(guān)性(表1和圖3)。

圖3　觀測(cè)期環(huán)境因子及CH4和CO2通量的晝夜變化(7月)Fig.3　Diel changes of environmental factors and CH4and CO2fluxes in July

過量的營養(yǎng)物質(zhì)、高溫天氣和靜止的水動(dòng)力條件，促使了池塘內(nèi)的藻類繁殖(圖3，表1和表2)，表現(xiàn)為表層水體Chl-a濃度與氣溫和光照間存在的顯著正相關(guān)性(表1)。浮游植物新陳代謝導(dǎo)致表層水體中DO與Chl-a濃度表現(xiàn)為相似的變化趨勢(shì)(圖3)。變異系數(shù)表明所有環(huán)境因子中風(fēng)速變化最大，這可能與池塘周圍的建筑對(duì)風(fēng)的阻塞有關(guān)。

3.2水-氣界面CH4和CO2通量的晝夜變化

監(jiān)測(cè)期內(nèi)CH4和CO2擴(kuò)散通量的晝夜性變化均較大。監(jiān)測(cè)期內(nèi)CH4和CO2擴(kuò)散通量的最高值分別為各自最低值的7.7和7.5倍(表3)，明顯高于先前在三峽水庫干流郭家壩觀測(cè)到的4.4倍和3.6倍[12]，說明淺水水庫晝夜性溫室氣體通量的變異性更大。此外，CO2通量的變化總體呈現(xiàn)出白天低、夜晚高的特點(diǎn)，明顯響應(yīng)于藻類光合作用和呼吸作用的交替。

表3　CH4和CO2通量晝夜變異性統(tǒng)計(jì)

注：Diff-CH4為CH4擴(kuò)散通量；Bubb-CH4為CH4冒泡通量。

3.3水-氣界面CH4和CO2通量及釋放途徑

F點(diǎn)水-氣界面總CH4和CO2通量都非常高，分別約為595.2，1 450.8 mg/(m2·d)。

與三峽水庫干流郭家壩的夏季氣體通量(CH4和CO2通量分別為1.36，5 943.40 mg/(m2·d)相比，野豬林池塘的CH4和CO2通量分別為三峽水庫的436.61倍和0.26倍。與三峽水庫香溪河支流庫灣的通量年均值(分別約6，1 836.48 mg/(m2·d)[13]相比，野豬林池塘的CH4和CO2通量分別約為前者的100倍和0.79倍。同一氣候條件下的清江水庫，CH4通量與郭家壩接近，而CO2通量略小[14]。數(shù)據(jù)對(duì)比表明，富營養(yǎng)化的小湖泊和池塘，因有機(jī)質(zhì)更豐富而有較高的CO2和CH4排放，為導(dǎo)致區(qū)域上估算CH4排放量不確定性的主要因素[4]。

CH4氣泡排放占其總排放量的99.7%，表明在該富營養(yǎng)化淺水池塘中CH4主要是以冒泡方式排放到空氣中；而CO2的氣泡排放量只占其總量的約3.0%，說明冒泡方式對(duì)于CO2釋放量的意義不大。

4　討　論

4.1CO2和CH4晝夜性擴(kuò)散通量

觀測(cè)期內(nèi)CO2晝夜性擴(kuò)散通量與氣壓呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；而與氣溫、光照強(qiáng)度、表層和底層水體DO、表層水體pH、表層和底層水體水溫,以及表層和底層水體Chl-a濃度為顯著負(fù)相關(guān)(表4)。太陽輻射和地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致晝夜循環(huán)性的氣壓、氣溫、表層水溫和光照強(qiáng)度變化。表層水體Chl-a濃度的變化體現(xiàn)了強(qiáng)弱交替的光合作用和呼吸作用對(duì)光照強(qiáng)度變化的影響，同時(shí)表現(xiàn)為藻類的新陳代謝直接影響到DOs(表1)和水體溶解CO2濃度變化，從而導(dǎo)致了氣體通量的晝夜性變化特征[15]。白天當(dāng)光合作用速率超過呼吸作用時(shí)，CO2被消耗并有氧氣產(chǎn)生；晚上無光合作用，呼吸作用消耗氧氣并產(chǎn)生CO2[5]。這樣，觀測(cè)到監(jiān)測(cè)期CO2夜間擴(kuò)散量為白天擴(kuò)散量的約2倍(表5)。CH4晝夜性通量與水體溫度存在顯著正相關(guān)性(表4)，這印證了已有的關(guān)于較高的溫度有利于甲烷生成的認(rèn)識(shí)[16-17]。

表4　CO2和CH4晝夜擴(kuò)散通量與主要環(huán)境因子間的相關(guān)系數(shù)

注：**表示0.01 置信水平顯著相關(guān) (2-tailed); *表示0.05置信水平顯著相關(guān)(2-tailed),其他說明見表1。

表5　觀測(cè)期內(nèi)晝、夜氣體通量和水溫

4.2CH4冒泡通量的晝夜性變化

在48 h觀測(cè)期內(nèi)，CH4和CO2的冒泡通量沒有明顯的時(shí)間規(guī)律性。CH4冒泡頻繁，在48次通量觀測(cè)過程中44次捕獲到CH4氣泡(91.6%)，但是只捕獲到7次CO2氣泡(14.6%)。

圖4　觀測(cè)期CH4冒泡速率的頻率分布Fig.4　Frequency of CH4bubbling rate

本文觀測(cè)到的1次CH4冒泡速率為424.28 mg/(m2·h)(圖4)，這次釋放量占2 d內(nèi)總氣泡釋放量的35.75%。大多數(shù)時(shí)段的CH4冒泡速率低于20.0 mg/(m2·h)。這表明，冒泡釋放存在高度變異性，短時(shí)間內(nèi)的CH4通量測(cè)量可能造成真實(shí)氣泡通量的嚴(yán)重低估。因此,在冒泡頻繁的富營養(yǎng)化淡水生態(tài)系統(tǒng)延長監(jiān)測(cè)時(shí)間和選擇科學(xué)的時(shí)間段對(duì)于獲得接近真實(shí)、精確的氣體通量同樣重要。

5　結(jié)　論

適宜的光照、溫度和過量的營養(yǎng)條件導(dǎo)致野豬林池塘水體富營養(yǎng)化、微藻繁殖。本文長達(dá)48 h的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)表明，該池塘CO2擴(kuò)散釋放存在顯著的晝夜性變化特征，藻類新陳代謝主導(dǎo)了表層水體的生物地球化學(xué)過程，藻類死亡沉降并在厭氧條件下降解產(chǎn)生CH4和CO2。觀測(cè)期內(nèi)，冒泡釋放存在高度變異性，CH4和CO2的冒泡通量沒有明顯的時(shí)間規(guī)律性。CH4氣泡排放占其總排放量的99.7%，而CO2的氣泡排放量只占其總量的3.0%。

致謝:三峽大學(xué)王琤浩、李向龍、吳高昌和劉力參與了野外監(jiān)測(cè)，藻類鑒定由歐陽凱華完成。一并致謝！

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(編輯：陳敏)

Diel Greenhouse Emissions from an Eutrophic Pond in Summer

ZHANG Cheng1,2,LONG Li3,Lü Xin-biao1,LI Ying-chen3,PENG Feng3

(1.College of Earth Resource,China University of Geosciences,Wuhan430074,China; 2.College of Electrical Engineering & New Energy,China Three Gorges University,Yichang443002,China; 3.College of Hydraulic & Environmental Engineering,China Three Gorges University,Yichang443002，China)

Methane (CH4)and Carbon dioxide (CO2)emission pathways in summer were quantified during a 48 hours online survey of a subtropical shallow pond in Yichang,China.We separated the diel bubble and diffusion gas fluxes measured by the DLT-100 Analyzer (Los Gatos Research,USA)thanks to its high sampling frequency.The total emission fluxes of CH4and CO2were 595.2 mg/(m2·d)and 1450.8 mg/(m2·d)respectively.Bubble emissions of CH4and CO2accounted for 99.7% of the total CH4emission and only 3.0% of the total CO2from the pond.Bubble emissions are highly time-variable in the observation period,with the biggest CH4bubbling rate of 424.28 mg/(m2·h),accounting for 35.75% of the two days’ total bubbling CH4emissions,but ebullition CH4flux was mainly located at <20 mg/(m2·h).The maximums of the diel diffusion CH4and CO2flux were 6.0 and 6.5 times of the responding minimums respectively.

greenhouse gases; diffusion flux; bubbling flux; Yezhulin pond; eutrophic pond

2015-04-10；

2015-05-07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41273110); 湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFB672)；湖北省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(Q20151209)；湖北省自然科學(xué)基金指導(dǎo)性計(jì)劃項(xiàng)目(2015CFC834)

張成(1974- )，男，湖北松滋人，講師，博士研究生，主要從事環(huán)境地質(zhì)相關(guān)研究，(電話)13972603074(電子信箱)390414859@qq.com。

呂新彪(1962-)，男，新疆庫爾勒人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事礦床學(xué)研究，(電話)15972934906(電子信箱)748555304@qq.com。

10.11988/ckyyb.201502892016,33(08):28-33

X14

A

1001-5485(2016)08-0028-06