薄邊界層法與靜態(tài)通量箱法估算水-氣界面CH4通量對比

穆曉輝 張軍偉 龍 麗 雷 丹

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

薄邊界層法與靜態(tài)通量箱法估算水-氣界面CH4通量對比

穆曉輝 張軍偉 龍 麗 雷 丹

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

采用薄邊界層法與在線測量-靜態(tài)通量箱法對三峽庫區(qū)水-氣界面溫室氣體甲烷(CH4)通量進(jìn)行比較，得到兩種估算方法差異性．結(jié)果顯示：靜態(tài)通量箱法結(jié)果多數(shù)點(diǎn)高于薄邊界層法，一般為薄邊界層法的1.2～12倍；極少數(shù)點(diǎn)薄邊界層法高于靜態(tài)通量箱法．

薄邊界層法； 靜態(tài)通量箱法； 溫室氣體通量

工業(yè)革命后，大氣中的溫室氣體，包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)等濃度的上升，造成溫室效應(yīng)，使人類面臨全球性的環(huán)境問題[1]．其中的CH4為CO2溫室效應(yīng)的20多倍，為第二大貢獻(xiàn)的溫室氣體[2]，工業(yè)化以前，大氣中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有0.72×10-6，到2011年已接近1.803×10-6，比工業(yè)革命前增長了150%[3]．在全球變暖的背景下，CH4的排放通量大小已不可忽視．

大壩的興建，土地利用方式的改變，水庫水體溫室氣體的源匯問題及通量大小成為了研究的熱點(diǎn)之一[4]．關(guān)于對水-氣界面溫室氣體通量的估算，采用了不同的技術(shù)和方法測量水-氣界面溫室氣體通量[5]，主要包括了靜態(tài)箱法(STAT)、薄邊界層法(TBL)、渦度相關(guān)法等[6-7]．方法的不同又會導(dǎo)致測量結(jié)果的偏高或偏低，影響溫室氣體通量的正確估算[8-9]．

在這幾種方法中．靜態(tài)通量箱法操作簡單，利用一個(gè)密閉的的箱體，箱體底部中通，應(yīng)用到水體或土壤中，收集以擴(kuò)散方式排放的溫室氣體，通過箱體內(nèi)氣體濃度隨時(shí)間的變化來計(jì)算氣體通量[10]．靜態(tài)通量箱法可以同時(shí)地分析多種溫室氣體的排放通量，應(yīng)用廣泛．但靜態(tài)通量箱法對時(shí)間的要求比較高，每個(gè)點(diǎn)需要花費(fèi)大量的時(shí)間去采集氣體，不便于進(jìn)行大面積的溫室氣體監(jiān)測．另外，通量箱法也受到許多因素的影響，例如箱體擾動、箱體內(nèi)外溫差、箱內(nèi)氣壓變化、箱體大小以及箱內(nèi)氣體混合程度等[11-12]．

薄邊界層法是基于氣體水-氣界面擴(kuò)散過程的模型方法，可以快速地得到結(jié)果[13]，其中氣體交換系數(shù)k是薄邊界層法計(jì)算通量的關(guān)鍵．研究表明，在較大風(fēng)速下，湖泊、水庫、海洋中，表層水體k值可以表示為風(fēng)速的函數(shù)[14-16]．在弱風(fēng)條件下，Cole等[17]利用六氟化硫(SF6)在不同水體進(jìn)行了弱風(fēng)條件下氣體交換系數(shù)k計(jì)算方法的研究，通過向水體中添加SF6，并跟蹤其擴(kuò)散過程，計(jì)算弱風(fēng)條件下的氣體交換系數(shù)k，進(jìn)而估算水-氣界面的氣體通量．但薄邊界層法屬于模型算法，結(jié)果存在許多不確定性，受風(fēng)速、降雨等的影響較大[17-18]．

渦度相關(guān)法是目前直接測定大氣與群落間碳交換通量的主要方法，為微氣象學(xué)中的一種[19]．與其他方法相比，可以實(shí)現(xiàn)對碳通量的快速響應(yīng)與觀測，實(shí)現(xiàn)對大面積區(qū)域和全球的溫室氣體通量估算，但需要滿足特定的環(huán)境條件，且成本偏高，技術(shù)要求高[20-21]．

在各種方法中，因存在原理的不同使結(jié)果存在著極大的差異性．三峽大壩興建后，其水庫水體溫室氣體排放近年來備受關(guān)注．本研究以三峽庫區(qū)干流和支流香溪河為對象，利用薄邊界層法和通量箱法兩種方法，對水-氣界面CH4交換通量進(jìn)行估算比較．

1 兩種估算水-氣界面氣體擴(kuò)散通量方法

1.1 薄邊界層(TBL)法

TBL方法計(jì)算水-氣界面氣體通量(F)的公式[22]為：

(1)

其中F為水-氣界面擴(kuò)散通量(mmol·m-2·h-1)，k為氣體交換系數(shù)(cm·h-1)，Cw(μmol/L)為該氣體在表層水體中的濃度，Ceq(μmol/L)為該氣體相對于上方空氣而言平衡時(shí)表層水體中的濃度．Cw和Ceq可直接或間接測定．

表層水體溶解氣體濃度Cw采用下式計(jì)算[23]：

(2)

式中，Cgas(μmol/L)為頂空平衡法-氣相色譜儀監(jiān)測得到的結(jié)果，即平衡后氣袋內(nèi)氣相部分中的氣體濃度，β為Bunsen系數(shù)(L/L/atm)，R為普適氣體常數(shù)(0.082，L·atm/mol/K)，T為室溫(K)；n為氣體的摩爾體積(L/mol)，Vgas和Vwater分別為注入氮?dú)獾捏w積和氣袋內(nèi)水樣體積．

Cgas的測定采用頂空-氣相色譜法，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場采集表層水100 mL注入真空氣袋，同時(shí)注入3 mL氯化汞快速殺死水中微生物，以保存水樣．水樣采集完后送回實(shí)驗(yàn)室，每袋注入200 ml 99.99%的高純氮?dú)猓瑢悠反糜谡袷幤魃险袷?0 min以上，靜置24 h以上，使樣品袋內(nèi)的氣-液達(dá)到兩相平衡，然后抽取氣體約50 ml注入氣相色譜儀(福立GC9790II，中國)測定CH4濃度．實(shí)驗(yàn)期間使用便攜式氣象站(YGY-QXY，中國)現(xiàn)場測定風(fēng)速．

Ceq的計(jì)算根據(jù)亨利定律計(jì)算[24]：

(3)

式中，Cg為上覆大氣中的氣體濃度，R為普適氣體常數(shù)，T為溫度，kH為亨利常數(shù)，kH?為T=298.15K時(shí)的亨利常數(shù)，ΔsolnH/R=-d(lnkH)/d(1/T)和T?=298.15K．

氣體傳輸系數(shù)根據(jù)Cole等[25]1998年根據(jù)示蹤氣體SF6得到的，為了便于不同氣體間和不同水溫條件下的對比，按Schmidt數(shù)為600對氣體傳送輸運(yùn)速率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的得到k600(cm·h-1)：

(4)

U10為水面上方10 m風(fēng)速(m·s-1)．通?，F(xiàn)場監(jiān)測所得的水體上方風(fēng)速Uz可用下式進(jìn)行換算[26]：

(5)

式中，z為測量風(fēng)速時(shí)的高度(m)，Uz為z高度風(fēng)速大小(m·s-1)，Cd10為10 m時(shí)的阻力系數(shù)(取1.3×10-3)，κ為VonKarman常數(shù)(取0.41)．

k值計(jì)算公式采用Wanninkhof等[15]建立的公式計(jì)算，當(dāng)風(fēng)速小于3.7 m/s時(shí)，甲烷的傳輸系數(shù)公式為：

(6)

CH4施密特?cái)?shù)按下列計(jì)算公式[27]．淡水鹽度忽略不計(jì)，公式為：

(7)

1.2 靜態(tài)通量箱法

實(shí)驗(yàn)采用快速溫室氣體在線分析儀(DLT-100，美國)連接通量箱，形成一個(gè)完整的回路，在線實(shí)時(shí)監(jiān)測箱內(nèi)氣體濃度變化，通量箱直徑30 cm，高50 cm，箱體頂部設(shè)有兩根6 mm聚乙烯管與儀器相連，箱頂安裝有兩個(gè)微型風(fēng)扇以便于使箱內(nèi)的空氣混合均勻．采樣前倒置5 min，使箱內(nèi)空氣混合均勻，每次監(jiān)測時(shí)間為15～20 min．

通量箱法用以下公式計(jì)算擴(kuò)散通量[28]：

(8)

式中，F(xiàn)為水氣界面擴(kuò)散通量(mg·m-2·h-1)，Sslope為箱內(nèi)甲烷隨時(shí)間的變化率，F(xiàn)1為μL·L-1到μg·m-3的轉(zhuǎn)化系數(shù)(CH4為655.47 μg·m-3)，F(xiàn)2為秒到小時(shí)的轉(zhuǎn)化系數(shù)(3 600)，V為靜態(tài)箱漂浮在水面時(shí)箱內(nèi)氣體的體積(m3)，Asurface為通量箱箱底的面積(m2)，F(xiàn)3為μg到mg的轉(zhuǎn)化系數(shù)(1 000)．

甲烷濃度隨時(shí)間變化(圖1)，由于采樣點(diǎn)水深較深，甲烷在產(chǎn)生氣泡上升過程中被氧化，所觀測結(jié)果無明顯氣泡產(chǎn)生．

圖1 采樣點(diǎn)靜態(tài)箱內(nèi)甲烷濃度隨時(shí)間變化擬合結(jié)果

2 研究結(jié)果與討論

該研究選取位于三峽庫區(qū)的干流和支流香溪的6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，包括茅坪、黃陵廟、南津關(guān)、香溪河口、香溪河萬古寺、香溪河峽口．通量結(jié)果使用其中的33個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以靜態(tài)箱法為橫坐標(biāo)，薄邊界層法為縱坐標(biāo)，其中可以看出通量箱法結(jié)果多數(shù)明顯高于薄邊界層法，甚至有的高出了許多數(shù)量級，極少數(shù)點(diǎn)薄邊界層法高于通量箱法．靜態(tài)通量箱法與薄邊界層法具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，利用SPSS進(jìn)行分析，Spearman相關(guān)系數(shù)為0.47(P<0.01)．

圖2 薄邊界層法與通量箱法對比

國內(nèi)，李建鴻等[29]利用靜態(tài)通量箱法和薄邊界層法對對不同地質(zhì)背景水庫區(qū)夏季水-氣界面溫室氣體CH4和CO2交換通量進(jìn)行比較研究中，得出靜態(tài)箱法平均是模型箱法的4.24～5.01倍；高潔等[30]利用靜態(tài)通量箱法和薄邊界層法測定內(nèi)陸水體CH4和N2O排放通量比較研究中，得出通量箱法與薄邊界層法測定的甲烷通量差異很大，靜態(tài)通量箱法是薄邊界層法0.57～7.69倍．國外，Duchemin等[31]將薄邊界層法與靜態(tài)箱法通量估算CH4結(jié)果進(jìn)行比較，得出通量箱法所測出通量值大多數(shù)明顯高于薄邊界層法．

3 結(jié) 論

采用通量箱法與薄邊界層法對三峽水庫水-氣界面CH4通量的連續(xù)監(jiān)測結(jié)果表明，通量箱估算結(jié)果普遍大于薄邊界層法，甚至高出許多．只有少數(shù)點(diǎn)薄邊界層法大于通量箱法．多數(shù)情況下，薄邊界層法結(jié)果可能會低估水-氣界面溫室氣體實(shí)際通量，而通量箱法則可能高于水-氣界面溫室氣體實(shí)際值．

薄邊界層法大多受風(fēng)速制約，而采樣地區(qū)風(fēng)速日變化較大，從估算結(jié)果準(zhǔn)確性來說，宜選用通量箱法進(jìn)行估算．

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[責(zé)任編輯 周文凱]

Comparison between Thin Boundary Layer Method and Static Chamber Method for Estimating Methane Fluxes on Water-air

Mu Xiaohui Zhang Junwei Long Li Lei Dan

(College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

A comparison between the thin boundary layer method and online monitoring-static chamber method for estimating greenhouse gases(CH4) fluxes of methane across the water-air interface of the Three-Gorges Reservoir. The differences between the two methods are obtained. The results show that the static chamber method results in most points higher than ones by thin boundary layer method; generally, it is 1.2-12 times ones by thin boundary layer method.

thin boundary layer method； static chamber method； flux of greenhouse gases

2016-11-02

國家自然科學(xué)基金(41273110)；湖北省自然科學(xué)基金(2014CFB672);湖北省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(Q20151209)

雷 丹(1980-)，女，講師，博士，主要研究方向?yàn)樗こ蹋瓻-mail：88598687@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.02.009

TV12：P332

A

1672-948X(2017)02-0039-04