城市淺水河流冬夏季溫室氣體日變化及影響因素

謝 恒 龍 麗 肖尚斌 張 成 張文麗

(1. 三峽大學 生物與制藥學院， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學 水利與環(huán)境學院， 湖北 宜昌 443002； 3. 三峽大學 電氣與新能源學院， 湖北 宜昌 443002)

城市淺水河流冬夏季溫室氣體日變化及影響因素

謝 恒1龍 麗2肖尚斌2張 成3張文麗1

(1. 三峽大學 生物與制藥學院， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學 水利與環(huán)境學院， 湖北 宜昌 443002； 3. 三峽大學 電氣與新能源學院， 湖北 宜昌 443002)

為理解城市淺水河流溫室氣體的日變化特征及其與環(huán)境因素之間的相互關系，以求索溪為研究對象，分別在冬季和夏季采用靜態(tài)通量箱法連續(xù)24 h測定水-氣界面CH4和CO2通量，并結合環(huán)境因素進行分析．結果表明，無論冬季還是夏季，求索溪都是吸收CO2的匯、釋放CH4的源．兩季水-氣界面CO2日平均擴散通量無顯著差異，但因溫度、水體pH值等影響，夏季有顯著的日變化．夏季水-氣界面CH4日平均擴散通量顯著高于冬季，這跟溫度、濕度等因素有關．此外，夏季求索溪多以冒泡形式隨機釋放CH4氣體．夏季溫度、濕度等因子日變化顯著，因而估算夏季水體水-氣界面日平均擴散通量，24 h的連續(xù)測定是很必要的．

城市淺水河流； 日變化； 冒泡； 溫室氣體

在現(xiàn)代城市中，城市河流在景觀娛樂、調蓄洪澇、調節(jié)氣候和改善城市生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了重要的作用．城市河流基本上屬于靜止或緩流水體，由于地理位置的特殊性，相對封閉，交換能力差，底泥較厚且有機質、N、P等營養(yǎng)物質豐富，常處于富營養(yǎng)狀態(tài)[1]．岸邊有機物的大量輸入及其在底泥中的儲存會刺激水生生物和微生物的新陳代謝，可能會導致CO2和CH4等溫室氣體的大量排放[2]．CO2和CH4是最重要的溫室氣體，對增強溫室效應的貢獻率分別達到60%和15%[3]．目前國內外對內陸水體中溫室氣體的研究多集中于自然河流、湖泊、濕地和水庫[4-5]，而針對受人類活動影響較大的城市河流的相關研究極少．但城市河流因具有獨特的地理與水質條件，以及其在城市生態(tài)環(huán)境中的作用，研究其溫室氣體的產(chǎn)生和排放很有必要．

目前關于城市河流水-氣界面溫室氣體通量的研究不多[2，4，6]．其中大部分研究采用靜態(tài)箱采氣-實驗室檢測，且取樣時間間隔較大，一般2～3 h間隔采樣，而且僅測定白天的幾個時段來估算城市水體的平均排放通量[2，4]．但城市水體一般多為淺水，其溫室氣體的晝夜通量大小差異明顯，溫度、含氧量(DO)、pH值等因素都對溫室氣體通量有重要影響[7]．因此測定水體水-氣界面CO2和CH4排放通量的24 h日變化來估算城市水體水-氣界面CO2和CH4排放通量很重要．本研究選取宜昌市三峽大學校園內的淺水景觀河流——求索溪作為研究對象，分別于冬、夏兩季，采用靜態(tài)通量箱法連續(xù)24 h監(jiān)測水-氣界面溫室氣體排放，并對相關因素進行分析．本研究對深入理解城市淺水河流溫室氣體的日變化特征及其與環(huán)境因素之間的相互關系具有重要意義．

1 研究地點與方法

1.1 樣地概況

求索溪是宜昌市三峽大學校園重要景觀水體，是校區(qū)排泄暴雨洪水的主要通道．全長2.1 km，寬約8 m，是典型的大學校園河道．該校園河道水深約0.8 m，總水量約2.4萬m3，底泥厚度平均50～80 cm．求索溪水體主要來源為周邊的自然降水和部分校園及周邊居民生活污水，水體流量小，且底泥富集了大量的污染物，夏季出現(xiàn)水中的藍綠藻大量繁殖[8]．本研究樣點選擇在求索溪中下游，三峽大學行政樓旁，該點水深約0.6 m，水面較為開闊，富營養(yǎng)化嚴重．

1.2 測量與計算方法

采用靜態(tài)通量箱法測量水-氣界面CH4和CO2通量．氣樣采集設備為通量箱，箱體(直徑30 cm，高50 cm)采用不銹鋼材質，箱頂設有微型風扇以便于使箱內的空氣混合均勻，為了不使箱內溫度在采樣過程中升高過快，箱外設有保溫層，在保溫層外貼有反光膜，箱體頂部設有兩根硅導管與一臺DLT-100溫室氣體分析儀(LGR,美國)連接．

冬季測量時間選在在1月18號，夏季測量時間在6月28號．天氣情況良好，適合進行晝夜24 h的觀測．每半小時測量一次CH4和CO2的通量．采樣前，將箱口朝上大約5 min，以便箱內充滿空氣，采樣時將采樣箱置于水面，使箱口浸入水中，保證箱內空氣與外界隔絕．在通量監(jiān)測同時，采用氣壓計(DYM3-01)測定監(jiān)測點的氣溫、氣壓，采用照度計(TES-1330A)測定瞬時輻照強度，采用Orion便攜式多參數(shù)儀測定pH、水溫、DO等，并采集表層水樣帶回實驗室，根據(jù)水和廢水監(jiān)測分析方法(第4版)測定葉綠素a濃度．

靜態(tài)通量箱法CH4和CO2通量的計算采用公式(1)進行計算[9]．

式中，F(xiàn)為CH4和CO2通量[mg·(m2·h)-1]；α指通量箱內氣體通量的變化率；F1指μL/L到μg/m3的轉化系數(shù)(CH4的為655.47 μg/m3，CO2的為1 798.45 μg/m3)；F2為分鐘到小時的轉化系數(shù)(60)；V是通量箱的體積(m3)；S是通量箱的底面積(m2)；F3是μg到mg的轉化系數(shù)(1 000)．

在測量時，冒泡釋放的CH4進入通量箱內，造成箱體內CH4濃度急劇上升，利用DLT-100高頻采樣的優(yōu)勢(1s測量一個數(shù)據(jù))，可以計算出CH4的冒泡量．本研究中CH4冒泡通量的計算，采用了龍麗等人的研究方法計算得到[10]．

采用EXCEL和SPSS10.0對數(shù)據(jù)進行分析，用EXCEL對數(shù)據(jù)進行作圖．

2 結 果

2.1 環(huán)境因子

求索溪冬季和夏季的風速都很小，冬季風速日均值為0.61 m/s，夏季風速的日均值0.15 m/s，均屬于極低風速(小于1 m/s)．冬、夏兩季氣溫的日變化趨勢較為一致；冬季氣溫日變幅為3.53～8.10℃，夏季為21.56～31.66℃．受氣溫的直接影響，冬、夏季水溫差別較大；冬季水溫日變幅為8.03～9.25℃，夏季水溫日變幅為25.35～29.11℃．夏季氣溫和水溫的日變化均顯著大于冬季的．兩個季節(jié)的濕度日變化變化趨勢一致，冬季平均濕度(58.66%)比夏季低(82.98%)．冬季水體的溶解氧含量(DO)日變幅為17.02～20.87 mg/L，夏季為18.48～27.04 mg/L；夏季水體DO日變化明顯．冬季水體平均DO顯著比夏季低．夏季水體的葉綠素a(Chl-a)含量日變化較冬季明顯；夏季水體的葉綠素a(Chl-a)平均含量(472.09 mg/m3)顯著高于冬季水體中的(181.59 mg/m3)．兩個季節(jié)水體的pH值均大于8．求索溪冬季氣壓比夏季高，日變幅分別為101.60～102.11 kPa和99.66～99.97 kPa．

圖1 冬、夏季環(huán)境因子的日變化

2.2 冬、夏季水-氣界面CH4和CO2擴散通量日變化

冬季，水-氣界面CO2擴散通量的日變幅為-17.01～4.53 mg·m-2·h-1，其中最大釋放量出現(xiàn)在中午．夏季，水-氣界面CO2擴散通量的日變幅明顯比冬季的日變幅要大(-61.24～22.13 mg·m-2·h-1)，其中最大釋放通量出現(xiàn)在上午7時左右；下午呈現(xiàn)出顯著的吸收狀態(tài)，最大吸收通量在15：30時左右．冬季水-氣界面CO2擴散通量的日平均通量為-10.14 mg·m-2·h-1，與夏季的日平均通量(-16.61 mg·m-2·h-1)在統(tǒng)計上無顯著差異(P=0.088)．

無論在冬季還是在夏季，水-氣界面CH4擴散通量均表現(xiàn)為釋放．冬季，水-氣界面CH4擴散通量的日變幅為0.039～0.123 mg·m-2·h-1；夏季，水-氣界面CH4擴散通量的日變幅為0.036～0.206 mg·m-2·h-1．夏季水-氣界面CH4擴散通量的日變幅顯著大于冬季的，且水-氣界面CH4擴散通量的日平均通量(0.114 mg·m-2·h-1)顯著高于冬季的日平均通量(0.076 mg·m-2·h-1)(P<0.05)．

圖2 冬、夏季水-氣界面CO2和CH4擴散通量日變化

2.3 排放通量與環(huán)境參數(shù)的相關性

相關性分析表明，CH4擴散通量與水溫、DO、氣溫呈顯著正相關(α=0.01)，與濕度呈正相關(α=0.05)，與氣壓呈顯著負相關(α=0.01)；CO2擴散通量與pH、DO、氣溫呈顯著負相關(α=0.01)，與水溫呈負相關(α=0.05)，與濕度和氣壓呈正相關(α=0.01)．

表1 擴散通量與環(huán)境參數(shù)的相關性

*在0.05水平(雙側)上顯著相關；**在0.01水平(雙側)上顯著相關．

2.4 夏季水-氣界面CH4的冒泡通量

在本次觀測過程中，CH4的冒泡過程在冬季沒有發(fā)生，但在夏季十分明顯．在24 h觀測期間，除了晚上零點沒有出現(xiàn)冒泡外，其余時段都有冒泡發(fā)生．并且整個測定期間，冒泡呈現(xiàn)無規(guī)律變化；日平均冒泡通量為90.75 mg·m-2·h-1．

圖3 夏季CH4冒泡通量

3 討論與分析

目前國內一些城市水體溫室氣體排放的研究，大多僅用白天幾個時段的測量值代表日平均通量，比如常思琦等[11]對上海市城市河流——蘇州河，采用浮箱法于白天每間隔4 h測量3個時段，進行溫室氣體日平均排放通量的研究，發(fā)現(xiàn)蘇州河冬季的CH4日平均排放通量均值為0.006 mg·m-2·h-1，夏季的日平均排放通量均值0.594 mg·m-2·h-1．與本研究相比，冬季求索溪水-氣界面CH4擴散通量日平均通量為0.076 mg·m-2·h-1，與蘇州河冬季的CH4排放通量均值相差不大；但夏季求索溪水-氣界面CH4擴散通量日平均通量為0.114 mg·m-2·h-1，顯著低于夏季蘇州河的(夏季蘇州河是夏季求索溪CH4的擴散通量的5.2倍)．

究其原因可能有以下幾個：首先，跟測定的間隔以及測定的頻率有關．對蘇州河的研究僅選擇在白天的3個時段測定得出日平均值，而本研究是每半小時測定一次，連續(xù)測定了24 h計算得出日平均值．由于溫度影響水體氣體分子的擴散速度及其在水體中的溶解度，進而影響水-氣界面CO2和CH4氣體排放[12-13]．而且水溫還會通過對底泥溫度的影響，進而影響促產(chǎn)甲烷以及甲烷氧化過程中細菌的數(shù)量和活性[13]．在本研究中，水-氣界面CH4釋放通量與氣溫、水溫均呈顯著的正相關．可見，氣溫和水體溫度顯著的日變化會影響到水-氣界面CH4釋放通量．由于冬季氣溫及水體溫度日變化不大，CH4釋放通量的日變幅不顯著，因而對日平均釋放量影響不大．但夏季則不然，受溫度的影響，CH4的擴散通量有顯著的日變幅，白天CH4的擴散通量顯著高于晚上的．因此蘇州河的CH4擴散通量可能顯著被高估了．可見，對于氣溫較高的夏季，估算水體水-氣界面CH4擴散通量的日平均量，24 h的連續(xù)測定是很必要的．

其次，可能跟水體的深度和DO含量有關．一般，CH4在水中的溶解度很小，厭氧條件下微生物分解沉積物中的有機質產(chǎn)生CH4，在上升到水面的過程中很容易被氧化成CO2[14]．本研究對象求索溪，水體較淺(不到1 m)，且DO含量較高(幾乎飽和)，沉積物厭氧產(chǎn)生的CH4可能大部分被氧化生成CO2．

最后，可能與測定方法有關．對蘇州河CH4擴散通量的觀測是采用靜態(tài)箱收集氣體，再帶回室內分析的方法．這種離線檢測的方法并未將擴散通量和冒泡通量區(qū)分開，其計算結果代表觀測時段內的總通量．而在淺水河流中，大部分的CH4以冒泡形式釋放，且冒泡在時間上具有很大的變異性[15]．本研究的測定方法，采用的是連續(xù)的24 h在線觀測，計算結果將擴散通量與冒泡通量區(qū)分開，更加精確地計算了CH4的釋放通量．

求索溪夏季水-氣界面CH4擴散通量的日平均通量(0.114 mg·m-2·h-1)顯著高于冬季的日平均通量(0.076 mg·m-2·h-1)(P<0.05)．這除了跟夏季溫度較高有關外，跟大氣濕度也有關．一般當濕度增大，空氣中水蒸氣分子增多，由于水蒸氣分子比空氣分子密度小，故混合氣體的密度減小，對水-氣界面的壓強就變小，CH4在水-氣界面會向大氣中擴散，造成CH4擴散通量升高[16]．相關分析表明，CH4擴散通量與與大氣濕度呈正相關(α=0.05)．

求索溪冬季水-氣界面CO2擴散通量的日平均通量與夏季的日平均通量在統(tǒng)計上無顯著差異(P=0.088)，均表現(xiàn)為吸收固定大氣CO2；但夏季水-氣界面CO2擴散通量的日變幅(-61.24～22.13 mg·m-2·h-1)明顯比冬季的日變幅(-17.01～4.53 mg·m-2·h-1)大．這跟夏季溫度日變化顯著，水體Chl-a平均含量顯著高于冬季水體有關．氣溫升高，水生植物的光合作用相應增加，有利于CO2從大氣進入水體，從而影響CO2在水-氣界面間的擴散[17]．本研究中，水-氣界面CO2的排放量與氣溫、水溫均呈顯著的負相關關系．表明，隨氣溫和水溫的升高，CO2吸收通量增加．進一步分析發(fā)現(xiàn)，夏季求索溪Chl-a含量較高(472.09±170.56 mg/m3)；表明隨著氣溫和水溫的升高，藻類光合作用增強，吸收CO2的量增加，從而影響水-氣界面CO2的通量．此外，水體pH值直接影響水中碳酸鹽體系的動態(tài)平衡及分布，是影響水-氣界面氣體通量的另一主要因素．一般當水體pH值>6.4時，水中不同形態(tài)無機碳之間的動態(tài)平衡逐漸向HCO3-和CO32-一側移動，水體呈弱堿性，水中游離的CO2很少[18]．本研究中，尤其在夏季，水體pH值日變化在7.38～8.91，pH值從上午9點開始逐漸增加．隨著水體pH值的增加，水體中CO2分壓會逐漸減小，會進一步促進大氣中CO2進入水體(如圖2所示)．相關分析表明，水-氣界面CO2通量與水體pH值呈顯著負相關，這與許多研究結果一致[2，14，19]．

淺水河塘中水-氣界面CH4氣體多以冒泡形式釋放．有研究表明，夏季池塘水-氣界面超過90%以上的CH4是以冒泡的方式釋放[10，20]．影響冒泡的因素很多，如溫度，沉積物顆粒大小以及機械性能，水生生物的影響等[21]．本研究中，在冬季沒有觀測到求索溪水-氣界面CH4的冒泡現(xiàn)象；但在夏季，求索溪水-氣界面CH4通過冒泡產(chǎn)生的CH4通量占釋放總量的99.9%，且表現(xiàn)出很大的隨機性．在一個觀測時段(20 min)內，有時沒有CH4的冒泡，有時則會觀測到4～5次的冒泡現(xiàn)象．一般由于夏季溫度較高，直接刺激產(chǎn)甲烷菌的活性使其趨于活躍[22]，大幅度增加了CH4的產(chǎn)量，從源頭上促進CH4釋放[23]．其次夏季水體中的水生生物較冬季活躍，水生生物通過導致沉積物在短距離上的持續(xù)的或者隨機的混合作用[24]，通常會造成沉積顆粒的運移，從而影響CH4氣泡的產(chǎn)生．

4 結 論

1)求索溪冬季和夏季均排放CH4，夏季水-氣界面CH4擴散通量日平均通量顯著高于冬季，這跟夏季氣溫、水溫較高以及空氣濕度等因素有關．此外，夏季求索溪多以冒泡形式隨機釋放CH4氣體．2)求索溪冬季和夏季水-氣界面CO2擴散通量無顯著差異；但夏季因溫度、水體pH值及藻類的影響，有顯著的日變化．3)溫度、濕度等環(huán)境因子在夏季日變化顯著，因而估算夏季水體水-氣界面CH4擴散通量的日平均量，24 h的連續(xù)測定是很必要的．

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[責任編輯 周文凱]

Diurnal Variation of Greenhouse Gases from Urban Shallow River in Winter and Summer

Xie Heng1Long Li2Xiao Shangbin2Zhang Cheng3Zhang Wenli1

(1. College of Biological & Pharmaceutical Science, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2. College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 3. College of Electrical Engineering & Renewable, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

Employing floating static chamber method, the greenhouse gases fluxes at the water-air interface of the Qiusuo River, including CO2and CH4, were continuously monitored for 24 hours in winter and summer, respectively. Based on these observed data, the variation and its effecting factors are analyzed. The results show that the Qiusuo River is the sink of absorbing CO2and the source of releasing CH4whether in winter or summer. No differences in diurnal mean CO2fluxes were found between the two seasons. However in summer, there was significant diurnal changes in CO2fluxes because of some effecting factors, such as temperature and pH value. Diurnal mean CH4fluxes in summer was higher than that in winter, which is mainly related to temperature and humidity. Besides, most CH4fluxes in summer were released by bubbling. There were significant diurnal changes in environmental factors in summer; therefore it is necessary to monitor continuously for 24 hours to estimate its diurnal mean gas fluxes at the water-air interface.

urban shallow river； diurnal variation； bubbling emission； greenhouse gases

2016-12-23

三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心開放基金(KF2016-03)；湖北省自然科學基金項目(2014CFB672)

謝 恒(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為環(huán)境生態(tài)學．E-mail： 1182696787@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.04.007

X831

A

1672-948X(2017)04-0031-05