連續(xù)筑壩湟水一級支流火燒溝對河流水-氣界面溫室氣體通量的影響研究

張艷春，張志法，陶雅琴，陳玉鵬，毛旭鋒，*

1. 青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室，青藏高原地理過程與生態(tài)保育教育部重點實驗室，西寧 810000

2. 高原科學與可持續(xù)發(fā)展研究院，西寧 810000

3. 青海師范大學地理科學學院，西寧 810000

4. 西寧湟水國家濕地公園，西寧市湟水林場，西寧810000

0 前言

中國是世界上擁有水壩數(shù)量最多的國家，水壩提供了防洪、發(fā)電、供水、灌溉等諸多功能。水壩的建設會造成自然河流阻斷，其物理水文因素發(fā)生改變，使得天然河道湖庫化，生物生境破碎，河流有機質(zhì)含量增加，有機質(zhì)在微生物的作用下會產(chǎn)生CH4、CO2等溫室氣體，必然影響河流溫室氣體排放過程。由于水壩修建后河流的平均滯留時間延長，強化了氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)在庫區(qū)滯留沉積作用，有研究顯示河流含氮量增加會促進N2O的排放量相應地增加[1]，氮磷等也為 CH4的排放提供物質(zhì)基礎。與單個水壩相比，梯級水壩對溫室氣體排放的影響機制研究還很匱乏。連續(xù)筑壩指在同一條河流上修建一系列的水壩。我國在長江、黃河的干流和各大支流連續(xù)修建有大量的攔河壩，這些水壩形成上下串聯(lián)的水文連續(xù)體，在水質(zhì)、水溫、泥沙和生物等方面具有傳遞效應，進而對河流溫室氣體的排放產(chǎn)生深遠的影響。

水庫溫室氣體排放的研究從1993年Rudd等[2]對南美熱帶雨林地區(qū)開始，自此各國學者對相關問題展開研究。目前國際上溫室氣體排放的研究熱點集中在加拿大[3-4]、美國中西部[5-6]、歐洲[7-9]以及熱帶地區(qū)[10-11]等地，國內(nèi)的研究主要集中分布在東部、中部地區(qū)的水庫[12-13]以及城市河流[14-15]、湖泊[16-17]等，且重點關注單個水庫的溫室氣體時空排放特征。對于水-氣界面監(jiān)測溫室氣體通量的方法有靜態(tài)箱[12-13]、倒置漏斗法[18]、梯度法[19-20]以及渦度相關法[21-22]等，其中靜態(tài)箱原理簡單、操作方便，能夠同時分析多種氣體?？傮w而言，國內(nèi)外學者針對水庫溫室氣體的研究區(qū)廣、研究方法多樣，研究區(qū)受不同程度人類活動影響，水-氣界面溫室氣體排放通量數(shù)量級不同，且存在一定的排放規(guī)律。然而對于梯級水壩溫室氣體的研究卻極少，如有研究指出[1]水庫高密度的梯級開發(fā)會使河流溫室氣體排放量極大地增加。梯級水壩修建后，溫室氣體排放模式如何？空間的聯(lián)系和影響如何？這些都需要進一步研究。這里以湟水一級支流為例，開展梯級水壩對河流水-氣界面溫室氣體CH4、CO2、N2O排放的影響，分析時空變化，判斷影響因素，以期能夠為河流生態(tài)建設和管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

火燒溝位于青海省西寧市湟水河南岸，是湟水河的一級支流，黃河的二級支流，其分布范圍為36°28′30"—136°39′01"N，101°33′20"—101°43′55"E(圖1)。河流屬于高原寒溫帶半干旱氣候區(qū)，氣壓低，日照長，太陽輻射強，晝夜溫差大。年平均氣溫和年平均降水量分別為5.8 ℃和380 mm。

圖1 火燒溝梯級水壩地理位置示意圖Figure 1 The location of the Huoshaogou River

由于地形和缺水等因素，加上人類活動的影響，火燒溝植被退化、泥沙淤積、水土流失非常嚴重。2013年隨著海綿城市改造建設和湟水國家濕地公園生態(tài)工程的實施，火燒溝形成由上到下的連續(xù)多級水壩的水體。本研究以前 4級水壩為研究區(qū)，上游選取一點(如圖1中的第5采樣點)作為對照區(qū)。

2 樣品采集與方法

2.1 采集方法與裝置

2018年 4—8月各月中旬天氣晴朗微風的條件下，對火燒溝 5級階梯進行現(xiàn)場觀測測定，包括溫室氣體采集、水文、水質(zhì)、氣象、植物、底泥等的收集與監(jiān)測。

本文溫室氣體通量采用漂浮靜態(tài)箱-氣相色譜法測定。靜態(tài)箱由采樣箱和泡沫漂浮架組成，采樣箱是鋁箔包裹表層的 PVC材料制成的圓桶(直徑30 cm，高 40 cm)；漂浮架是用鐵絲固定的泡沫板，采樣箱頂部有小孔連接溫度傳感器和氣體導管，氣體導管連接三通閥，便于采集氣體。采樣前將箱體倒置于通風處，使箱內(nèi)氣體達到平衡。采樣時將采樣箱放置在水面，使箱口浸沒到水中以保證箱內(nèi)空氣與外界隔絕。采樣時間為 9:00—21:00，每隔 3 h采樣一次，氣體收集時間為箱體下水后0、15、30、45 min，五級階梯靜態(tài)箱同步采樣。用50 ml注射器將氣體收集到氣體采樣袋，樣品采集完帶回實驗室24 h內(nèi)利用氣相色譜儀完成氣體濃度分析。本實驗利用經(jīng)改裝Agilent7890B的檢測溫度350 ℃帶電子捕獲檢測器的后檢測器ECD檢測N2O濃度，檢測溫度 250 ℃帶離子火焰化前檢測器 FID檢測 CO2和CH4的濃度。

一天的9:00—21:00每隔3 h在靜態(tài)箱放置水面后依次對五級階梯的風速、氣溫、水溫、電導率、氧化還原電位(ORP)和溶解氧進行觀測，采用 YSI水質(zhì)多參數(shù)儀、手持式小型氣象站等測量現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)。此外還需收集各樣點500 ml水樣，以便測定水體的總碳(TOC)、總氮(TN)、總磷(TP)、COD，其中TOC采用TOC分析儀法，TN、TP和COD分別采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法、鉬酸銨分光光度法和堿性高錳酸鉀氧化法測定；并收集樣方內(nèi)的植物、底泥，分別測定其 TOC、TN、TP 含量，其中TOC和TN分別采用容量法和凱氏定氮法，植物和底泥的TP分別采用硫酸-雙氧水消解鉬銻抗比色法和NaOH熔融-鉬銻抗比色法。

2.2 CO2、CH4、N2O通量計算方法

溫室氣體通量指單位時間內(nèi)單位面積垂直方向的溫室氣體濃度變化量，其計算方式為[23]:

式中F為氣體通量，mg·(m2·h)-1；V為進入浮箱的空氣體積，m3；P1為分與小時的轉(zhuǎn)換系數(shù)，取 60；P2為ppm與μg·m-3的轉(zhuǎn)換系數(shù)(CO2: 1798.45；CH4: 655.47，N2O: 1798.56)；P3為 μg 與 mg 的轉(zhuǎn)換系數(shù)，取1000；S為浮箱在水上部分的表面積，m2。Δc·Δt-1為溫室氣體的時間濃度關系圖中的濃度斜率，ppm·min-1。當F＞0表示氣體從水體向大氣排放，即為“源”，當F＜0表示水體吸收大氣，即為“匯”。

采用 Matlab R2018a，origin9.1、Arcgis10.2、SPSS 24、Excel等軟件進行論文的圖形繪制和數(shù)據(jù)分析處理。利用Pearson相關分析和多元逐步回歸分析方法，對各指標對溫室氣體通量的影響進行研究。

3 結果與分析

3.1 水-氣界面溫室氣體時空變化

火燒溝水-氣界面CH4、CO2、N2O的空間變化由春夏季采樣時期梯級變化圖(圖 2 a—f)綜合可得:筑壩區(qū)(第一階梯-第四階梯)溫室氣體的排放量高于未筑壩區(qū)(第五階梯)，以中上游河段排放的溫室氣體最多。

CH4和N2O在觀測期間均表現(xiàn)為河流溫室氣體的“源”(圖 a、d；圖 c、f)，筑壩區(qū)排放量顯著高于未筑壩區(qū)；由CH4、N2O春夏季排放通量范圍得，未筑壩區(qū)比筑壩區(qū)吸收的CH4、N2O多，排出的CH4、N2O少；CH4和N2O春夏季筑壩區(qū)平均排放通量均高于未筑壩區(qū)。CO2在春夏季均表現(xiàn)出明顯的排放與吸收交替進行的特征(圖 b、e)，不過春季整體上表現(xiàn)為 CO2的“源”，夏季表現(xiàn)為 CO2的“匯”，研究區(qū)地處青藏高原冬季漫長，春季升溫迅速，在冬季冰封期，河流中大量的有機碳積累得不到有效的釋放[13]，在春季河流解凍過程中，水中大量 CO2向大氣排出；而夏季河流植物長勢良好，在水體中在進行光合作用時初級生產(chǎn)大于呼吸消耗，其吸收作用大幅增強。其春夏季筑壩區(qū)平均排放通量均高于未筑壩區(qū)。河流在未筑壩區(qū)排放少量的溫室氣體，而經(jīng)中下游水壩攔截后氣體排放量增加，這與前人在貓?zhí)犹菁壦畮斓难芯縖1]相一致，說明火燒溝梯級水壩修建之后在為海綿城市建設發(fā)揮作用的同時，溫室氣體排放問題也應重點關注。

各類溫室氣體在筑壩區(qū)不同梯級之間存在差異，但主要以中上游河段排放氣體為主。春季筑壩區(qū)CH4排放通量的極值主要集中在中游(第三級階梯)和中上游(第四級階梯)河段，夏季的極值主要集中在中上游。CO2在春季筑壩區(qū)的排放通量極大值和極小值都出現(xiàn)在中游，夏季的極大值和極小值均集中在中上游。筑壩區(qū)的N2O春季在中下游和中游河段集中排放，夏季在中上游河段，春夏季都是排放為主；排放量最少的階梯由春季的第四階梯向夏季的第二階梯轉(zhuǎn)移?；馃郎吓_階式的分布，上游水體下泄時會攜帶大量營養(yǎng)物質(zhì)在中上游河段富集，而該河段流速很緩，水流搬運能力較低，致使下游碳源、氮源儲量較少，使得河段溫室氣體排放通量呈現(xiàn)出由上游階梯和下游階梯向中上游階梯累積的“梭形累積”；此外，中上游河段受光照等因素影響較少，氣溫最高，也會影響該處溫室氣體的集中排放。

水-氣界面溫室氣體的時間變化特征由梯級變化圖(圖2 a—f)綜合可得: CH4、N2O的排放通量夏季明顯高于春季；CO2在春季以排放為主，夏季各階梯以吸收為主；各類溫室氣體在各梯級之間的日變化水平不同。

(1)CH4在春季(圖 a)整個時期河流向大氣排放了 31639.56 μg·(m2·h)-1的氣體；隨著觀測時間推移，未筑壩區(qū)逐漸減少并向吸收轉(zhuǎn)變，筑壩區(qū)一整天均在向大氣大量排放，其在中游河段的日變化最大，變異系數(shù)Cv為 158.95%，但弱于未筑壩區(qū)的變化水平。夏季(圖 d)整個時期河流向大氣排放了321698.75 μg·(m2·h)-1的 CH4，以 15:00 和 18:00 的排放最集中，夏季CH4的排放量是春季的10.17倍；筑壩區(qū)比未筑壩區(qū)的日變化水平小，以中上游河段的日變化最大(Cv=104.15%)。CH4在春夏季各梯級的日變化水平受排放極值的影響。(2)CO2在春季(圖b)向大氣排放了 1147.51 mg·(m2·h)-1的氣體；未筑壩區(qū)在春季以隨時間吸收與排放交替進行的方式吸收CO2，筑壩區(qū)整體以排放為主。夏季(圖 e)整個時期河流向大氣吸收了 325.78 mg·(m2·h)-1的 CO2；未筑壩區(qū)除9:00排放了極少量的氣體外，其余均在吸收；筑壩區(qū)除第四階梯在18:00和第三階梯在21:00排放了大量氣體外，其他河段各時間以吸收為主。春夏季筑壩區(qū) CO2的日變化水平均強于未筑壩區(qū)。(3)N2O 在春季(圖 c)和夏季(圖 f)各時期由河流向大氣分別排放了 3753.39 μg·(m2·h)-1和 10315.84 μg·(m2·h)-1的 N2O，夏季 N2O 的排放量是春季的2.75倍。春季未筑壩區(qū)表現(xiàn)為“源”“匯”交替，夏季以排放為主；筑壩區(qū)從春季的二、三階梯集中排放向夏季第四階梯集中大量排放轉(zhuǎn)變。本實驗中 CH4和 N2O通量季節(jié)變化趨勢為夏季高于春季，與眾多研究結果[13-14]一致，夏季氣溫、水溫升高，微生物活性增強，河流中植物由春季的零星分布到夏季密集生長，水中有機質(zhì)含量增加，均有助于夏季溫室氣體排放量增多。

3.2 環(huán)境因子及其對溫室氣體通量的影響

溫室氣體的產(chǎn)生和擴散都與外部環(huán)境有關，本實驗各指標的季節(jié)變化見圖3(a—f)，其中圖a—c的橫軸m—n表示m級階梯第n個時間點。氣象指標在9:00—21:00時間段各梯級水壩之間波動如圖3a、b: 夏季氣溫明顯高于春季，風速、氣壓則是春季高于夏季。水環(huán)境指標季節(jié)變化見圖 c、d: 電導率存在明顯的周期變化規(guī)律；夏季溶解氧低于春季，水溫相反；ORP波動范圍大，且大部分以第三級階梯為極值。水生態(tài)參數(shù)季節(jié)變化如圖 e、f: 水體總氮(TN)和總有機碳(TOC)季節(jié)波動大體一致；春季的總磷(TP)波動幅度大，基本大于變化很小的夏季；pH 變化不大，春季略高于夏季；高錳酸鹽指數(shù)夏季高于春季，未筑壩區(qū)低于筑壩區(qū)。各梯級水壩內(nèi)不論在植物還是底泥中TOC和TN的季節(jié)波動都較大，TP的變化都較小(圖g、h)。

本實驗利用 Pearson相關分析研究了各指標對溫室氣體通量的影響，其結果見表1。CH4通量與氣溫、水溫、CODmn呈正相關關系，與氣壓、pH、 ORP呈負相關關系；CO2通量與水體TOC和水體TN呈正相關關系；N2O通量與CODmn、pH呈正相關關系，與氣壓、風速呈負相關關系。

3.3 影響溫室氣體排放的因子

將實驗中監(jiān)測的各類環(huán)境因子與CH4、N2O通量利用多元逐步回歸分析建立最優(yōu)回歸方程如下:

圖2 春夏季采樣時期CH4、CO2、N2O梯級變化圖(a-f)Figure 2 Cascade changes of CH4, CO2 and N2O during spring and summer sampling period

由上式知: CH4通量主要受氣壓影響，與氣壓呈負相關關系；CO2通量主要受水體TN影響，與其呈正相關關系；N2O 通量的主要影響因素是風速、CODmn和底泥 TOC，與 CODmn為正相關關系，與風速和底泥 TOC均為負相關關系。

綜合上述 Pearson相關分析和多元逐步回歸分析可得: 本研究中，氣壓是影響 CH4的關鍵因素，水體TN是影響CO2的關鍵因素，風速和CODmn是N2O通量的主要影響因素。

圖3 各環(huán)境因子季節(jié)變化Figure 3 Seasonal variations of environmental factors

表1 溫室氣體通量與部分環(huán)境因子Pearson相關分析表Table 1 Pearson's correlation coefficient between greenhouse gases fluxes and environment factors

4 討論

氣象指標中氣壓和風速分別以影響溫室氣體在水中溶解度、水氣交換面積，對氣體交換量產(chǎn)生作用，當氣壓升高時，氣體溶解度增加，有利于溫室氣體從大氣進入水體[14]。Duchemin等[24]研究表明隨著風速加大，水-氣界面的氣體交換通量變大?；馃郎嫌^測期間夏季的氣壓低于春季，與溫室氣體夏季排放量多于春季相一致，本實驗中 CH4、N2O 與氣壓呈負相關關系(rCH4= -0.447，rN2O= -0.332)；春夏季風速相差不大，平均風速為 0.62 m·s-1，對水-氣界面風力擾動較小，只與 N2O通量產(chǎn)生負相關關系(r= -0.393)，與其他研究區(qū)的研究結果相一致[25-26]。

水文指標是影響河流生態(tài)系統(tǒng)的重要環(huán)境參數(shù)，直接或間接影響溫室氣體的產(chǎn)生。(1)氣溫和水溫可以影響氣體溶解度、交換速率，也可以作用于微生物酶活性、水生植物初級生產(chǎn)等。夏季平均氣溫、水溫比春季分別高 8.5 ℃、6.5 ℃，可以加快產(chǎn)甲烷過程促進其排放，尤其是 15:00的氣溫正好滿足產(chǎn)甲烷菌的最適溫度 30—40 ℃[15]，其平均水溫也高于其他時間段，這與相關分析和觀測情況得到的結論相一致: CH4分別與氣溫、水溫呈正相關關系(r氣溫= 0.305，r水溫= 0.383)，CH4的夏季排放量顯著高于春季。(2)觀測期間火燒溝的 pH波動范圍在7.5—8.3，產(chǎn)甲烷菌、硝化作用和反硝化作用的最適范圍分別為 6.0—8.0、3.4—8.6和 7.0—8.0[27-29]，在該范圍內(nèi)有利于CH4和N2O排放。由相關性分析得，pH與CH4通量呈負相關關系(r= -0.333)，與N2O正相關性達到極顯著水平(r= 0.55)?；馃郎狭饔虻膒H波動范圍在硝化反應和反硝化反應的最適范圍之內(nèi)，pH高低與N2O釋放量成正比相一致。(3)ORP強弱會制約水中有機質(zhì)的分解，影響氣體排放。有研究表明[30]氧化還原電位對碳通量的產(chǎn)生和遷移有影響。Masscheleyn 等[31]研究指出-250 ＜ ORP ＜-150 mV時CH4排放量隨ORP減小而逐漸增大，春季的ORP均高于-150 mV，夏季在-250—-150 mV范圍內(nèi)的部分占 68%，因此夏季 CH4排放量多于春季，ORP與CH4呈極顯著負相關關系(r= -0.441)。(4)CODmn用于衡量水中有機質(zhì)含量多少的指標，CODmn越高，溫室氣體產(chǎn)生所需物源越豐富，越有利于氣體產(chǎn)生，與本實驗結果相一致: CODmn和CH4、N2O呈正相關關系(rCH4= 0.409，rN2O= 0.331)，觀測中 CODmn夏季是春季的23倍，未筑壩區(qū)低于筑壩區(qū)，與CH4、N2O通量夏季排放量高于春季，筑壩區(qū)高于未筑壩區(qū)一致。

水質(zhì)、植物、底泥中的TOC、TN、TP含量也對溫室氣體通量有影響。在劉叢強等人[32]的研究中發(fā)現(xiàn)水壩更有利于磷素的攔截，同時在微生物活性增強時會溶解底泥中的磷酸鹽，使得磷素積累；碳源、氮源富集，促進微生物生長同時呼吸作用加強且為反硝化作用提供能量來源，促進溫室氣體排放。本研究中CO2通量與水體TOC和水體TN呈正相關關系(rTOC=0.309，rTN=0.315)； N2O 通量與底泥TN 無明顯的相關性(r=0.012)，根據(jù) Silvennoimen等[9]等人的研究表明水生態(tài)系統(tǒng)中，底泥中進行的反硝化作用產(chǎn)生的N2O最多，與本實驗結論相反的原因可能與人為干擾致使水中 TN含量偏高或者所處的青藏高原地理位置有關，因此長時間多維度的對各種形式的河流氮源監(jiān)測是必要的。

浮游動植物是河流生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的主要組成部分[33]，在眾多研究中均表明，溫室氣體水-氣界面交換通量的一個主要影響因子是水生生物的初級生產(chǎn)力，而葉綠素是表征初級生產(chǎn)力的直接指標?；馃郎舷募旧锘钴S，植物密布，實驗過程中未收集各樣點的浮游生物以及葉綠素 a，未進行定量分析研究，不知其對溫室氣體排放的影響，該不足需要在之后的研究中進行改進。

5 結論

通過對火燒溝梯級水壩水-氣界面溫室氣體CH4、CO2、N2O時空變化及影響因子分析研究，得到梯級水壩修建對天然河道水-氣界面溫室氣體影響較大。主要結論如下:

(1)梯級水壩修建后，筑壩區(qū)溫室氣體的排放量明顯高于未筑壩區(qū)；其中筑壩區(qū)以中上游河段排放的溫室氣體最多。CH4和N2O在筑壩區(qū)大量排放溫室氣體，未筑壩區(qū)表現(xiàn)為少量排放或吸收。筑壩區(qū)的 CO2在春季以排放為主，夏季以吸收為主；而未筑壩區(qū)兩季均在吸收。

(2)整個火燒溝梯級水壩CH4和N2O的排放通量呈現(xiàn)出夏季明顯高于春季的趨勢。夏季CH4和N2O的排放通量分別是春季的10.17倍和2.75倍。春季為CO2排放的“源”，向大氣排放了 1147.51 mg·(m2·h)-1的氣體；夏季為 CO2排放的“匯”，向大氣吸收了 325.78 mg·(m2·h)-1的 CO2。

(3)各類環(huán)境因子對溫室氣體通量有不同程度的影響。氣象指標、水文指標、水質(zhì)、植物、底泥中的TOC、TN、TP含量等與本研究中的溫室氣體通量有一定相關性。其中氣壓是影響CH4的關鍵因素，水體TN是影響CO2的關鍵因素，而風速和CODmn是影響N2O通量的主要因素。