三峽庫(kù)區(qū)澎溪河水華過(guò)程中CO2濃度及通量變化研究

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(1.重慶三峽研究院 重慶 404100；2.重慶交通大學(xué) 重慶 4000714)

近幾十年來(lái)，全球變暖已經(jīng)引起世界各國(guó)學(xué)者以及政府的共同關(guān)注，人們都普遍認(rèn)為溫室氣體濃度升高的主要原因是化石燃料的燃燒，而水力發(fā)電則是一種清潔能源。但是，現(xiàn)在已有的大量研究表明，水庫(kù)已經(jīng)成為大氣CO2和CH4的一個(gè)重要排放源，水庫(kù)溫室氣體的研究逐漸成為熱點(diǎn)[1,2]。水華指淡水水體中藻類大量繁殖的一種自然生態(tài)現(xiàn)象，是水體富營(yíng)養(yǎng)化的一種特征，主要由于生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中含有大量氮、磷的廢污水進(jìn)入水體后，藍(lán)藻、綠藻、硅藻等大量繁殖后使水體呈現(xiàn)藍(lán)色或綠色浮沫的一種現(xiàn)象。三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)，水庫(kù)次級(jí)支流出現(xiàn)水體富營(yíng)養(yǎng)化，在其他生態(tài)環(huán)境因子的綜合作用下，局部水域水華頻繁暴發(fā)[3]。

本文擬以三峽水庫(kù)澎溪河回水區(qū)的夏初季節(jié)水華為研究對(duì)象，開(kāi)展野外觀測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)原位實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)野外觀測(cè)研究自然條件下藻類水華過(guò)程中的CO2的吸收和釋放情況；通過(guò)添加不同濃度梯度的磷，測(cè)定藻類在生長(zhǎng)和消亡過(guò)程中的CO2的吸收和釋放情況。綜合揭示該流域在水華過(guò)程中的CO2變化規(guī)律。

一、材料與方法

(一)研究區(qū)域與采樣方案

澎溪河(又稱“小江”)是三峽庫(kù)區(qū)中段長(zhǎng)江北岸一級(jí)支流，流域面積5172.5km2，干流全長(zhǎng)182.4km，壩前145 m下回水區(qū)全長(zhǎng)約60km。其中，高陽(yáng)平湖是澎溪河145 m 回水區(qū)中段較具獨(dú)特性的水域(圖1)，其上游(養(yǎng)鹿楊家壩小江電站)、下游(代李子牛欄溪)河段均為峽谷型河道，河道狹長(zhǎng)且斷面變化不大，水力條件相對(duì)單一，而高陽(yáng)平湖水域則是在上述兩個(gè)峽谷之間水域面積為4～5km2(水位145 m)的開(kāi)闊水域，湖沼特征上近似于過(guò)水型湖泊。

圖1 澎溪河回水區(qū)及高陽(yáng)平湖水域示意圖

本實(shí)驗(yàn)選擇在2016年4月22日至5月10日，在澎溪河高陽(yáng)平湖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行原位培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),取平湖湖水?dāng)嚢杈鶆蚝笃骄峙渲?2個(gè)桶中(圖2)，每個(gè)桶裝30L湖水，桶中分別添加不同濃度梯度的磷(表1)[4]。

圖2 原位培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

備注TP濃度(mg/L)樣品編號(hào)原水(0)0.11,2,31倍磷(1P)0.24,5,610倍磷(10P)17,8,9100倍磷(100P)1010,11,12

(二)檢測(cè)方法與數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析指標(biāo)包括:pH值、溶解氧(DO)、水溫等。其中，采用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(HACH?MS5)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定pH值(精度分別為0.01個(gè)單位)；采用YSI?Pro ODO測(cè)定水溫、DO(測(cè)試精度分別為0.1℃，0.01mg/L)；現(xiàn)場(chǎng)氣溫、大氣壓采用手持式數(shù)字大氣壓計(jì)測(cè)得。水-氣界面CO2擴(kuò)散通量采用頂空平衡法測(cè)量。氣樣分析采用安捷倫7820型氣相色譜儀。氣體采用十通閥進(jìn)樣，CO2經(jīng)TDX-01色譜柱分離后直接用FID檢測(cè)器檢測(cè)。

頂空平衡法用氣象色譜儀測(cè)出CO2積分峰面積算出CO2在水中的濃度，水-氣界面的CO2交換通量計(jì)算公式為：

Flux=KX(C1-C2)

式中Flux為CO2氣體擴(kuò)散通量，mg/(m2·h)；KX為氣體交換系數(shù)；C1為頂空平衡法測(cè)出的水中CO2濃度，μatm/min或ppm/s；C2為水中CO2飽和濃度，μatm/min或ppm/s。頂空法測(cè)得的CO2通量為負(fù)通量表示水體從大氣吸收CO2，正通量表示水體向大氣釋放CO2氣體。

二、結(jié)果與討論

(一)藻類的生長(zhǎng)狀況

圖3 Chl.a、DO、pH變化示意圖

葉綠素-a(Chla)的初始值(第0天)為70(mg/m3)左右；原水、1P、10P的Chl.a在第2天達(dá)到最高值便逐漸降低，其葉綠素最大值分別為94.2、85.3、78.9 mg/m3。100P的Chla一直下降，直到第9天開(kāi)始回升，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)Chla高于其他三組。對(duì)于溶解氧(DO)，1P、10P前四天上升，并在第4天都達(dá)到最大值，分別為16.00、15.88(mg/L)，而其他濃度梯度的水樣DO在第2天達(dá)到峰值便馬上下降。DO最終穩(wěn)定在9mg/L左右?？傮w而言，1P、10P的溶解氧略高于原水和100P的水樣。pH值的變化情況與溶解氧類似，1P、10P的pH在第4～6天時(shí)出現(xiàn)了明顯大于添加其他濃度梯度的峰值，且整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中pH都明顯高于原水和100P的實(shí)驗(yàn)組。

實(shí)驗(yàn)初期原水中含有少量磷，但隨著磷被消耗，藻類生長(zhǎng)受營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的限制，光合作用減弱導(dǎo)致DO減少以及pH降低并回歸到正常；而對(duì)于100P的桶中，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)由實(shí)驗(yàn)初期的不適宜濃度變?yōu)檫m宜濃度，導(dǎo)致Chla增大，pH增大。藻類光合作用吸收CO2使水體中HCO3-濃度降低，導(dǎo)致水體pH上升；而呼吸作用則相反。本研究采樣主要為白天，光合作用普遍強(qiáng)于呼吸作用，導(dǎo)致pH上升，水體堿性增強(qiáng)。在一定范圍內(nèi)，堿性增強(qiáng)有利于藻類生長(zhǎng)。

(二)不同磷濃度下的CO2通量

實(shí)驗(yàn)期間，CO2通量均為正，表現(xiàn)為“源”(圖4)。實(shí)驗(yàn)桶中水體CO2氣體主要來(lái)源于桶中藻類、細(xì)菌等的呼吸作用和大氣中CO2的溶解兩個(gè)方面。本實(shí)驗(yàn)采樣時(shí)間為11:00～14:00，此時(shí)光合作用大于呼吸作用，由于光合作用產(chǎn)生大量O2，O2的分壓較大，使水體中CO2氣體分壓減少。最終導(dǎo)致水體向大氣中釋放CO2氣體，表現(xiàn)為“源”。

圖4 CO2通量變化

(三)相關(guān)性分析

本實(shí)驗(yàn)采用Pearson相關(guān)法對(duì)CO2通量及各理化指標(biāo)(pH、DO、Chl-a等)進(jìn)行相關(guān)性分析(表2)。結(jié)果表明本實(shí)驗(yàn)求得的CO2通量與Chl-a、pH、DO均無(wú)相關(guān)性。分析認(rèn)為實(shí)驗(yàn)桶中浮游植物的光合作用和呼吸作用是影響CO2產(chǎn)匯的關(guān)鍵。白天藻類光合作用吸收CO2釋放O2，并使水體pH增大，導(dǎo)致CO2主要表現(xiàn)為匯。原理上CO2通量與Chl-a、pH和DO應(yīng)為負(fù)相關(guān)性。但由于本實(shí)驗(yàn)是在桶中進(jìn)行，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中藻類水華僅為輕度水華，水體溶解態(tài)CO2并未達(dá)到飽和等因素，使得本次實(shí)驗(yàn)中CO2通量與Chl-a、pH、DO均無(wú)相關(guān)性。

表2 相關(guān)性分析表

三、結(jié)論

本次對(duì)三峽澎溪河水華過(guò)程中的CO2通量研究表明，藻類的生在死亡過(guò)程會(huì)受到不同磷濃度梯度的影響，只有在適宜的濃度梯度下才會(huì)促進(jìn)藻類的生長(zhǎng)，且藻類的生長(zhǎng)受到磷的限制。但在藻類的生長(zhǎng)死亡過(guò)程中對(duì)CO2通量釋放與吸收基本沒(méi)有影響。本實(shí)驗(yàn)中水-氣界面CO2通量與Chl-a、pH、磷酸鹽、DO均無(wú)相關(guān)性