城市水體CO2和CH4通量監(jiān)測(cè)的靜態(tài)箱法與薄邊界層模型估算法比較

謝 恒 龍 麗 穆曉輝 張文麗

(1.三峽大學(xué) 生物與制藥學(xué)院,湖北 宜昌 443002;2.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

河流是溫室氣體(CO2和CH4)重要的排放源,尤其是受人類活動(dòng)影響最大的城市河流[1].研究發(fā)現(xiàn),受人類活動(dòng)影響大的河流比受人類影響較小的河流,其CH4排放通量要高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)[1-2].城市河流溫室氣體排放通量的測(cè)定,對(duì)闡明人類活動(dòng)下河流溫室氣體產(chǎn)生與排放機(jī)制,以及在區(qū)域尺度上估算溫室氣體通量,都有重要的意義.

當(dāng)前,原位觀測(cè)水-氣界面釋放通量的方法有3種：微氣象法、靜態(tài)箱法(floating static chamber,FSC)和根據(jù)公式計(jì)算釋放通量的薄邊界層法(the boundary layer equation,BLE).其中運(yùn)用較多的方法主要為FSC和BLE.FSC是根據(jù)待測(cè)氣體的濃度在一個(gè)密閉環(huán)境中隨時(shí)間的變化率來(lái)計(jì)算其釋放通量的一種方法,是觀測(cè)水-氣界面溫室氣體通量最常用的一種方法[3].但這種方法也存在一些缺點(diǎn),比如箱體對(duì)水體表層有擾動(dòng),改變了水體表面空氣的自然湍流狀況,使測(cè)得的結(jié)果偏離真實(shí)情況.并且在有風(fēng)或流動(dòng)水體的觀測(cè)條件下,箱體與表層水體的摩擦引起的擾動(dòng),可能導(dǎo)致額外的溫室氣體排放,影響觀測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性[4].BLE是基于水-氣界面的CO2和CH4擴(kuò)散通量取決于水體與大氣中對(duì)應(yīng)氣體的濃度以及氣體的交換系數(shù)這一原理,通過(guò)同時(shí)測(cè)量表層水和大氣中的溫室氣體濃度,計(jì)算兩者的濃度差,再根據(jù)氣體交換系數(shù),計(jì)算通量[5].已有研究表明,這種方法在淡水生態(tài)系統(tǒng)中,在小時(shí)間尺度上研究溫室氣體的日變化上很有效果[6].但此方法對(duì)擴(kuò)散過(guò)程的原理和驅(qū)動(dòng)機(jī)制并沒(méi)有很好的體現(xiàn),模型計(jì)算的結(jié)果可能存在較大的不確定性[7].

Duchemin等人研究發(fā)現(xiàn),BLE計(jì)算得到的結(jié)果往往低于FSC的觀測(cè)結(jié)果[8].許多研究指出風(fēng)速能解釋兩種方法的大部分差異.BLE法測(cè)定的水-氣界面通量的釋放主要受風(fēng)速控制,一般認(rèn)為風(fēng)速低于5 m·s-1或高于10 m·s-1,BLE法就存在很大的不確定性.尤其在風(fēng)速低于2 m·s-1,風(fēng)速基本不影響水-氣界面氣體交換.目前由于方法的不統(tǒng)一以及技術(shù)、原理上的不確定,使得在估算時(shí)不能確定不同生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的釋放通量,導(dǎo)致不能回答關(guān)鍵的政策問(wèn)題和制定大規(guī)模減排措施[9].由于這個(gè)原因,對(duì)目前用來(lái)測(cè)量生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體通量的各類方法的科學(xué)性、適用性等進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)就顯得很迫切.本研究擬在低風(fēng)速下(風(fēng)速小于2 m·s-1),以城市景觀河流求索溪為研究對(duì)象,分別運(yùn)用FSC和BLE兩種不同的方法,測(cè)定和比較水-氣界面24 h內(nèi)晝夜CH4和CO2通量變化,并結(jié)合相關(guān)環(huán)境因子進(jìn)行分析,期望找出兩種估算方法產(chǎn)生差異的原因,為相關(guān)研究提供依據(jù).

1 研究地點(diǎn)與方法

1.1 樣地概況

求索溪是宜昌市三峽大學(xué)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(zhǎng)2.1 km,寬約4 m,是典型的大學(xué)校園河道.該校園河道水深約0.8 m,總水量約2.4萬(wàn)m3,底泥厚度平均50～80 cm.求索溪水體主要來(lái)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,夏季水中的藍(lán)綠藻會(huì)大量繁殖,部分河段水體黑臭[10].本研究樣點(diǎn)選擇在求索溪中下游,三峽大學(xué)行政樓旁,該點(diǎn)水深約0.6 m,水面較為開(kāi)闊.

1.2 采樣與計(jì)算方法

1.2.1 FSC法

氣樣采集設(shè)備為一個(gè)不透明金屬通量箱(直徑30 cm,高50 cm),箱體采用不銹鋼材質(zhì),箱頂設(shè)有微型風(fēng)扇以便于使箱內(nèi)的空氣混合均勻,為了使箱內(nèi)溫度在測(cè)量過(guò)程中不發(fā)生較大變化,箱外設(shè)有保溫層,在保溫層外貼有反光膜,箱體頂部有兩根硅導(dǎo)管與一臺(tái)DLT-100溫室氣體分析儀(LGR,美國(guó))連接(如圖1所示).

圖1 DLT-100密閉式靜態(tài)通量箱示意圖

觀測(cè)時(shí)間為2015年7月2日下午1點(diǎn)至7月3日下午2點(diǎn),每半小時(shí)測(cè)量一次CH4和CO2的通量.每次測(cè)量前,將箱口朝上大約10 min,以便箱內(nèi)充滿空氣,測(cè)量時(shí)將通量箱慢慢水平置于水面,使箱口浸入水中,保證箱內(nèi)空氣與外界隔絕.在通量監(jiān)測(cè)同時(shí),采用手持氣象站(YGY-QXY,武漢)測(cè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣溫、氣壓、風(fēng)速等,采用哈希Hydrolab DS5(美國(guó)HACH)多參數(shù)水質(zhì)分析儀測(cè)定p H、水溫等,并采集表層水樣帶回實(shí)驗(yàn)室,根據(jù)水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)測(cè)定葉綠素a濃度.同時(shí)采集表層水體,注入氣袋內(nèi),固定水樣后帶回實(shí)驗(yàn)室.

靜態(tài)通量箱法CH4和CO2通量的計(jì)算采用公式(1)進(jìn)行計(jì)算[11].

式中,F指CH4和CO2通量(mg·m-2·h-1);α指通量箱內(nèi)氣體濃度的變化率;F1指μL/L到μg/m3的轉(zhuǎn)化系數(shù)(CH4的為655.47μg·m-3,CO2的為1 798.45μg·m-3);F2為小時(shí)到分鐘的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化系數(shù)(1 000).

1.2.2 薄邊界層法(BLE法)

裝有表層水樣的氣袋帶回實(shí)驗(yàn)室后,注入體積比為1∶2的氮?dú)?經(jīng)超聲波震蕩20 min,再靜置24 h后,抽取袋內(nèi)的氣體,用氣象色譜儀分析氣體中CH4和CO2的含量.采用公式(2)進(jìn)行計(jì)算[12]：

式中,F指氣體通量(mg·m-2·h-1),k指水氣界面氣體交換速率(cm·h-1);Cw指表層水體溶解氣體的濃度;Csat指表層水體溶解的氣體與大氣中的氣體達(dá)到平衡時(shí),水體中的溶解氣體的濃度.

Cw的計(jì)算通過(guò)公式(3)[13],求得.

式中,Cg為氣象色譜儀測(cè)定的待測(cè)氣體濃度(mol·L-1);β指Bunsen系數(shù)(L/L/atm);R指氣體常數(shù)(0.082,L·atm·mol-1·K-1);T為溫度(K);22.356是氣體的摩爾體積(L·mol-1);Vg/Vl指注入裝有水樣氣袋內(nèi)的氣體的體積與水樣體積之比,本研究設(shè)置為2∶1.

Csat的計(jì)算公式(4)[14]為

式中,Cgas為表層水體上方的大氣中的待測(cè)氣體濃度;kH為亨利定律常數(shù);R為氣體常數(shù);T為溫度;kθ為在298.15K下的亨利定律常數(shù);-ΔH/R=Hsoln-d(lnk H)/d(1/T);Tθ為298.15 K..

氣體傳輸系數(shù)k根據(jù)J?hne B等1987年得到的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[15]：

k600指為了便于不同氣體間和不同水溫條件下的對(duì)比,按Schmidt數(shù)為600對(duì)氣體傳送輸運(yùn)速率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的計(jì)算公式得到,kg,T和Scg,T是在給定氣體和溫度下的傳輸系數(shù)和施密特?cái)?shù)[16].這里由于風(fēng)速低于儀器檢測(cè)下限,默認(rèn)為無(wú)風(fēng)條件,n取2/3[17].

2 結(jié)果與分析

2.1 水-氣界面CH4和CO2通量晝夜變化

兩種不同測(cè)定和計(jì)算方法得出的求索溪水-氣界面CH4和CO2通量晝夜變化如圖2所示.結(jié)果表明,水-氣界面CO2的吸收與釋放過(guò)程明顯.BLE法測(cè)定的CO2通量從13：00到21：00之間表現(xiàn)為吸收固定;FSC法測(cè)定CO2通量則從13：00到次日凌晨3：00之間表現(xiàn)為吸收固定.兩種方法測(cè)得的CH4晝夜通量均為正值,表明水體向大氣釋放CH4.

2.2 兩種方法測(cè)定水-氣界面CH4和CO2通量的比較

結(jié)果表明,BLE法測(cè)定計(jì)算出水-氣界面CH4通量的變化范圍在(0.134～0.426)mg·m-2·h-1,平均為(0.27±0.013)mg·m-2·h-1;FSC法測(cè)定計(jì)算出水-氣界面CH4通量的變化范圍在(0.085～0.261)mg·m-2·h-1,平均值(0.16±0.007)mg·m-2·h-1.

BLE法得出水-氣界面CO2通量的變化范圍在(-45.023～36.905)mg·m-2·h-1,平均為(7.09±4.32)mg·m-2·h-1.FSC法計(jì)算出CO2通量的變化范圍在(-80.447～40.228)mg·m-2·h-1,平均值(-12.26±5.42)mg·m-2·h-1.對(duì)于水-氣界面CO2通量的測(cè)定,在氣溫和水溫較低的凌晨和上午,兩種方法測(cè)定的通量比較接近,但在溫度較高的下午,兩者的差異較大,BLE法測(cè)定的通量明顯較正;這就使得BLE法計(jì)算得水-氣界面CO2通量的均值為正,表現(xiàn)為釋放.值得注意的是,FSC法測(cè)定計(jì)算出的水-氣界面CO2通量顯示,在晚上21：00至凌晨3：00仍為負(fù)值,表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸收.

總的來(lái)看,BLE法計(jì)算得出水-氣界面CH4和CO2通量要明顯高于FSC法測(cè)定計(jì)算結(jié)果(P＜0.05).兩種方法計(jì)算出來(lái)的CO2通量有較強(qiáng)線性正相關(guān)(R2=0.85),但兩種方法計(jì)算出來(lái)的CH4通量之間無(wú)顯著的相關(guān)(如圖3所示).

圖2 兩種方法得出的水-氣界面CH 4和CO2通量晝夜變化

2.3 水-氣界面CH4和CO2通量與相關(guān)環(huán)境因子的相關(guān)性

從表1中可看出,BLE計(jì)算出的CH4通量與氣溫和水溫呈顯著負(fù)相關(guān);與p H呈極顯著負(fù)相關(guān);與氣壓呈極顯著正相關(guān).FSC計(jì)算出的CH4通量只與p H和DO呈顯著負(fù)相關(guān).BLE和FSC計(jì)算出的CO2通量都與氣溫,p H,水溫,DO呈極顯著負(fù)相關(guān);與氣壓呈極顯著正相關(guān).

圖3 兩種方法計(jì)算水-氣界面CH 4和CO 2通量的比較

圖4 相關(guān)環(huán)境因子的晝夜變化

表1 CO2和CH4通量與相關(guān)環(huán)境因子的相關(guān)性

3 討論與分析

溫室氣體排放通量由氣體產(chǎn)生和傳輸過(guò)程共同決定的.兩種方法測(cè)定計(jì)算出水-氣界面的CH4和CO2通量有一定的正相關(guān),表明水中溶解氣體的擴(kuò)散過(guò)程可能是直接或間接比較這兩種方法的相關(guān)參數(shù)[18].有些對(duì)大型深、淺水體及池塘的研究認(rèn)為,BLE法會(huì)低估水-氣界面氣體通量的釋放,尤其在風(fēng)速較低的情況下[8].他們認(rèn)為,在異質(zhì)性較高的水庫(kù),FSC法相對(duì)適合一些.也有研究指出,在低風(fēng)速下,FSC法往往會(huì)高估水-氣界面氣體通量[19].本研究表明,BLE計(jì)算得出水-氣界面CH4和CO2通量要明顯高于FSC的測(cè)定計(jì)算結(jié)果(P＜0.05),這跟Duchemin et al.的研究較大水庫(kù)的結(jié)果不同[8].對(duì)于水-氣界面CO2通量的測(cè)定,FSC法測(cè)定的結(jié)果顯示,在晚上21：00至凌晨3：00仍為表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸收;與BLE法相比,顯然低估了水-氣界面CO2釋放.FSC法低估的原因可能跟單位時(shí)間內(nèi)線性模擬氣體變化速率(α)有關(guān).

通常認(rèn)為影響FSC法測(cè)定通量的主要因素是溫度,因?yàn)樵跍y(cè)定過(guò)程中箱體內(nèi)氣溫有可能會(huì)升高[20].但在實(shí)驗(yàn)測(cè)定過(guò)程中,箱體內(nèi)的溫度并沒(méi)有升高.本研究結(jié)果中FSC法測(cè)定的通量,只有CO2通量與水溫和氣溫顯著相關(guān),CH4通量則與溫度無(wú)明顯相關(guān).有研究表明,由于水溫與水-氣界面氣體通量的釋放速率無(wú)顯著相關(guān),他們認(rèn)為相對(duì)于別的因子來(lái)講,水溫不是比較BLE法和FSC法的重要參數(shù)[8].在本研究中,BLE法估算的CH4和CO2通量與溫度(包括水溫、氣溫)顯著負(fù)相關(guān),這可能跟水體中氣體的溶解度有關(guān).研究表明,溫度越高,氣體在水中的溶解度就越低[21],相應(yīng)BLE法計(jì)算出的通量就較低.

水-氣界面CH4和CO2通量與環(huán)境因子的相關(guān)性表明,BLE估算的CH4和CO2通量與p H呈極顯著負(fù)相關(guān),與氣壓呈極顯著正相關(guān);這可能也與氣體在水中的溶解度有關(guān).有研究表明,氣壓是影響氣體在水體中溶解度的重要參數(shù).隨氣壓的增大,氣體在水體中的溶解度增加[21],相應(yīng)BLE法計(jì)算出的通量就較高.此外,p H值與水體有機(jī)質(zhì)的分解和水生生物的代謝密切相關(guān);一般,p H值較高時(shí),CH4的溶解濃度減小;水體中游離CO2將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁},使得水體中CO2分壓降低,導(dǎo)致水中溶解的CO2處于不飽和狀態(tài),氣體在水體溶解度降低,相應(yīng)BLE法計(jì)算出的通量就較低.而且,一般在富營(yíng)養(yǎng)化水體中,溶解的CH4呈過(guò)飽和狀態(tài).本研究水體葉綠素a為0.16 mg/L,處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),氣體溶解度較高.綜上,以上因子均可能通過(guò)影響水體氣體的溶解度而導(dǎo)致BLE法計(jì)算結(jié)果高于FSC法觀測(cè)結(jié)果.

兩種方法估算出來(lái)水-氣界面的CO2通量有較強(qiáng)的正相關(guān),但估算的CH4通量則無(wú)顯著相關(guān)(圖3).顯然,影響這兩種方法進(jìn)行估算CH4和CO2通量的參數(shù)有一定的差異.需要更多的研究來(lái)進(jìn)一步理解和確定影響水-氣界面溫室氣體排放的因素.