巖溶濕地表層水體CO2分壓時(shí)空分布特征及其擴(kuò)散通量*

楊詩(shī)笛，吳 攀，曹星星，劉 閃，廖家豪

(1：貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025) (2：貴州大學(xué)喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550025)

CO2分壓(pCO2)是影響水體表面向大氣釋放CO2的重要因素之一[4]，當(dāng)表層水體中pCO2高于大氣時(shí)，可通過(guò)分子擴(kuò)散、對(duì)流傳輸?shù)韧緩皆谒?氣界面處釋放CO2，此時(shí)水體便成為“碳源”，相反則為“碳匯”[5]. 因此，pCO2不僅是揭示水生生態(tài)系統(tǒng)碳源、匯效應(yīng)的重要指標(biāo)，還可通過(guò)相關(guān)模型估算水-氣界面CO2的擴(kuò)散通量，該指標(biāo)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水庫(kù)[6]、湖泊[7-8]、河流[9-10]、海洋[11]等水-氣界面的CO2源匯特征及其擴(kuò)散通量研究. 我國(guó)西南地區(qū)是世界最大的巖溶連片分布區(qū)，具有碳庫(kù)巨大及碳循環(huán)活躍等特點(diǎn)，是進(jìn)行區(qū)域和全球碳循環(huán)研究的重要場(chǎng)所. 目前關(guān)于西南地區(qū)巖溶水體水-氣界面pCO2及其擴(kuò)散通量的相關(guān)研究主要集中在巖溶地表河流[12]及巖溶水補(bǔ)給型湖、庫(kù)水體[13-14]方面，而對(duì)于水生植被豐富的巖溶濕地水體則相對(duì)缺乏.

貴州省威寧縣草海是我國(guó)最大的天然巖溶濕地，有研究表明，草海流域由于巖溶作用產(chǎn)生的溶解性無(wú)機(jī)碳每年有58.8%被固定在水生植物中[15]，說(shuō)明該濕地內(nèi)水生植物對(duì)穩(wěn)定區(qū)域巖溶碳匯效應(yīng)具有十分重要的作用. 關(guān)于草海水-氣界面CO2擴(kuò)散通量?jī)H有陳忠婷等[16]利用通量箱進(jìn)行初步揭示，但前人僅對(duì)草海部分點(diǎn)位進(jìn)行了一期觀測(cè)，并不能代表草海濕地水-氣界面整體的CO2釋放特征. 基于此，本文以草海濕地表層水為研究對(duì)象，分別于豐、枯水期利用網(wǎng)格布點(diǎn)法對(duì)全湖覆水區(qū)域進(jìn)行了樣品采集，以期揭示該濕地表層水pCO2的時(shí)空分布差異及其影響因素，闡明水體中CO2的源匯效應(yīng)，并估算其擴(kuò)散通量. 研究結(jié)果對(duì)明晰巖溶濕地CO2排放特征具有重要參考價(jià)值，可為我國(guó)西南喀斯特地區(qū)碳循環(huán)及巖溶碳匯的穩(wěn)定性研究提供科學(xué)依據(jù)，亦可進(jìn)一步深化對(duì)巖溶濕地生態(tài)系統(tǒng)碳收支平衡的認(rèn)識(shí).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

草海巖溶濕地屬國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，位于貴州省威寧縣草海鎮(zhèn)境內(nèi)(26°49′～26°53′N，104°12′～104°18′E，海拔2171 m). 其水面面積約25 km2，蓄水量為3.9×107m3，平均水深僅2.4 m. 草海屬山地溫暖帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫10.5℃，年均日照時(shí)數(shù)1805.4 h，年平均風(fēng)速3 m/s，年平均降水量950.9 mm. 豐水期為5-10月(約占全年降水量的88%[15])，枯水期為11月到次年4月. 根據(jù)中國(guó)氣象網(wǎng)數(shù)據(jù)[17]，草海在1981-2010年間，豐水期月平均最大降水量發(fā)生在7月(174.1 mm)，月均氣溫17.7℃；枯水期月平均最小降水量發(fā)生在12月(7.1 mm)，月均氣溫3.7℃. 匯入草海的河流大多是源于泉水的短小河溪[18]，入湖河流共5條，出湖河流僅1條，其流量隨降水季節(jié)變化而改變，豐水期流量增大，枯水期流量明顯減少，有的甚至斷流. 濕地內(nèi)水生植被種類繁多，東側(cè)靠近縣城的淺水區(qū)及沼澤化地段以水蔥(Scirpusvalidus)、水莎草(Juncellusserotinus)和李氏禾(Leersiahexandra)等挺水植物為主，生物量(以濕重計(jì)占總重之比)為17.18%；而西側(cè)的深水區(qū)則以狐尾藻(Myriophyllumspicatum)和光葉眼子菜(Potamogetonlucens)等沉水植物為主，生物量為76.89%[19]，是草海水生植被的主體. 濕地在地質(zhì)構(gòu)造上位于北東向北西向斷裂、褶皺的交接復(fù)合部位，流域范圍內(nèi)地層巖性以石炭系碳酸鹽巖為主，包括石炭系下統(tǒng)舊司組、上司組和擺佐組(圖1).

1.2 樣品采集與分析方法

根據(jù)草海的自然地理狀況和水環(huán)境特征，本研究分別于2019年7月25日、27日(豐水期)和2019年12月7日(枯水期)日間(9：00-18：00)采集草海表層濕地水，以約0.5 km2為公里網(wǎng)格，共設(shè)置49個(gè)采樣點(diǎn)，基本涵蓋全水域(圖1). 由于豐水期草海東側(cè)挺水植物茂盛，采樣船無(wú)法駛?cè)?，因此部分樣點(diǎn)未能采集，沒(méi)有計(jì)入采樣點(diǎn)總數(shù)內(nèi)；而枯水期濕地四周水位較低，湖區(qū)周邊6個(gè)點(diǎn)位的樣品未能采集. 同時(shí)，采集了5條入湖河流(管家院子小河流R1、溫家屯河R3、萬(wàn)下河R4、東山河R5和金鐘河R6)和1條出湖河流(R2)，枯水期因R3干涸而未采集到樣品.

圖1 草海采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Lake Caohai

1.3 pCO2及其擴(kuò)散通量計(jì)算

水中pCO2計(jì)算公式為[20]：

(1)

碳酸鈣飽和度指數(shù)(SIC)計(jì)算公式為[21]：

(2)

水氣界面CO2擴(kuò)散通量的大小與方向由大氣和水體表面CO2分壓差以及氣體交換系數(shù)共同決定，可由公式(3)計(jì)算[23-24]：

Fc=k·KH(pCO2-pa)

(3)

式中，F(xiàn)c為水氣界面擴(kuò)散通量(mmol/(m2·d))，F(xiàn)c>0表示水體向大氣中釋放CO2；Fc<0表示水體吸收CO2.pCO2為表層水體CO2分壓(μatm)；pa為大氣CO2分壓(μatm)；KH為亨利常數(shù)(mol/(L·atm))，可由公式(4)計(jì)算；k為氣體傳輸系數(shù)(m/d)，主要取決于風(fēng)速和溫度，可由公式(5)計(jì)算. 本研究在采樣時(shí)未測(cè)定風(fēng)速，風(fēng)速值引用威寧縣氣象站(編號(hào)56691)記錄的日均風(fēng)速值，2019年7月25日、27日的日均風(fēng)速分別為1.3和2 m/s；2019年12月7日的日均風(fēng)速為1.5 m/s，該數(shù)據(jù)來(lái)自貴州省氣象檔案館.

lg (KH)=108.3865+0.01985076Tw-6919.53/Tw-40.45154lgTw+669365/Tw2

(4)

式中，Tw表示水溫(K).

(5)

式中，U10表示水面上方10 m處的風(fēng)速(m/s)；Sc為CO2的施密特?cái)?shù)，取決于溫度t(℃)，可由公式(6)計(jì)算；指數(shù)n取決于U10，U10>3.7 m/s時(shí)，n=1/2，U10<3.7 m/s時(shí)，n=2/3.

Sc=1911.1-118.11t+3.4527t2-0.04132t3

(6)

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究數(shù)據(jù)采用EXCEL 2010和IBM SPSS Statistics 20軟件進(jìn)行分析，采樣布點(diǎn)圖和數(shù)據(jù)圖采用ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行繪制.

2 結(jié)果與討論

2.1 草海濕地水體理化指標(biāo)及主要離子變化特征

草海濕地豐、枯水期平均水溫分別為(22.44±0.61)和(5.19±0.99)℃，季節(jié)性變化較為明顯，水體理化指標(biāo)及主要離子的時(shí)空分布如圖2、3所示. 濕地水體呈弱堿性，豐、枯水期pH平均值分別為9.54±0.56、8.52±0.30，空間分布均表現(xiàn)為中西部湖區(qū)大于東部湖區(qū). 豐、枯水期草海水體DO濃度分別為(7.55±0.87)和(9.70±0.36)mg/L，由于在豐水期水溫較高的環(huán)境下，氧氣的溶解度降低，加之微生物代謝耗氧量大[25]，使得DO濃度呈現(xiàn)枯水期高于豐水期的特征，豐水期其空間分布呈西部湖區(qū)高于東部湖區(qū)趨勢(shì)，枯水期則相反.

圖2 草海水體理化指標(biāo)的時(shí)空分布Fig.2 Spatiotemporal distribution of physicochemical parameters of water in Lake Caohai

有研究表明，草海濕地水體上述理化參數(shù)及主要離子的濃度分布與水生植物的生理過(guò)程密切相關(guān)[21]，加之水溫、pH和DO濃度等水體理化指標(biāo)以及碳酸鹽平衡體系共同影響著水體中CO2的濃度分布[26-27]. 而草海豐、枯水期水體理化指標(biāo)和主要離子濃度變化明顯，進(jìn)而可導(dǎo)致草海不同時(shí)期水體pCO2表現(xiàn)出顯著的時(shí)空差異.

圖3 草海水體主要離子的時(shí)空分布Fig.3 Spatiotemporal distribution of main ions of water in Lake Caohai

表1 進(jìn)、出草海河流的水化學(xué)基本特征*

2.2 草海濕地水體pCO2

2.2.1 草海濕地水體pCO2時(shí)空變化特征 草海濕地表層水體pCO2具有明顯的時(shí)空差異(圖4). 豐水期pCO2的變化范圍為0.44～645.65 μatm，平均值為(55.94±124.73)μatm，低于標(biāo)準(zhǔn)大氣的pCO2(398 μatm)[21]，其空間分布上呈東部湖區(qū)及靠近河流入湖口區(qū)域高于中部湖區(qū)，高值區(qū)出現(xiàn)在草海東側(cè)靠近挺水植物區(qū)域，湖區(qū)總體而言pCO2較低，這主要與水生植物的光合作用有關(guān). 枯水期pCO2的變化范圍為35.48～707.95 μatm，平均值為(310.46±173.54)μatm，空間分布總體呈東部湖區(qū)及靠近河流入湖口區(qū)域高于中西部湖區(qū)，與豐水期相比枯水期pCO2均值較高，這與無(wú)水生植被參與的巖溶地下水中pCO2呈雨季(豐水期)高于旱季(枯水期)的研究結(jié)果相反[28-29]. 綜合來(lái)看，草海豐、枯水期pCO2的平均值與全球湖泊(1000 μatm)相比水平略低[30]，且兩期水體的pCO2標(biāo)準(zhǔn)差較大，說(shuō)明整個(gè)湖區(qū)pCO2分壓存在顯著的時(shí)空變異，其空間分布均呈東側(cè)區(qū)域和靠近河流入湖口處pCO2偏高的特征，一方面主要是由于東部區(qū)域水深相對(duì)較淺，生長(zhǎng)有部分挺水植物，這些植物生長(zhǎng)在水面以上，水中植物根系和沉積物中微生物的呼吸作用共同導(dǎo)致該區(qū)域水體pCO2較高；另一方面，通過(guò)對(duì)5條入湖河流的pCO2計(jì)算發(fā)現(xiàn)，豐、枯水期河流pCO2值均較高(表1)，是標(biāo)準(zhǔn)大氣pCO2的1.5～10倍，且豐水期分布于西側(cè)的入湖河流(R3、R4、R5)TN、TP濃度較高，其中TN濃度已超出我國(guó)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅴ類限值(2 mg/L)，表明這部分區(qū)域的濕地水體在豐水期接受的外源有機(jī)碳較多，含碳有機(jī)物質(zhì)在微生物作用下分解產(chǎn)生CO2，進(jìn)而增大水體pCO2值，因此靠近河流入湖口區(qū)域的濕地水體pCO2偏高. 而出湖河流R2的pCO2值與濕地水體具有相似的特征，這可能與濕地中水生植被的生命活動(dòng)以及濕地生態(tài)系統(tǒng)的地球化學(xué)過(guò)程變化有關(guān).

圖4 草海豐、枯水期水體pCO2時(shí)空分布特征Fig.4 Spatiotemporal distribution characteristic of pCO2 of water in Lake Caohai in wet and dry seasons

表2 草海水體理化因子與pCO2的相關(guān)性分析

圖5 草海水體中主要離子轉(zhuǎn)化過(guò)程簡(jiǎn)圖 (根據(jù)文獻(xiàn)[32]修改)Fig.5 The schematic diagram of main ions transformation process in water of Lake Caohai (modified according to literature[32])

2.3 草海濕地水-氣界面CO2擴(kuò)散通量估算

目前水-氣界面CO2擴(kuò)散通量的常用方法主要為模型計(jì)算法和通量箱法，其中模型計(jì)算法具有取樣方便、環(huán)境因素對(duì)氣體分析影響小等優(yōu)點(diǎn)[39]. 根據(jù)公式(3)～(6)，草海濕地水-氣界面CO2擴(kuò)散通量于豐、枯水期的變化范圍分別為-43.27～27.16和-33.36～28.15 mmol/(m2·d)，平均值分別為(-34.49±12.93)mmol/(m2·d)和(-8.02±15.85)mmol/(m2·d)(圖6). 本研究結(jié)果顯示草海濕地水-氣界面CO2的擴(kuò)散通量總體上為豐水期最低，在整個(gè)湖區(qū)范圍內(nèi)變化較小，除東側(cè)有一個(gè)點(diǎn)位CO2擴(kuò)散通量為正值外，其他98%的采樣點(diǎn)(48個(gè)點(diǎn))均為負(fù)值，總體上表現(xiàn)為大氣CO2的匯；而枯水期CO2擴(kuò)散通量較豐水期相比變化幅度增大，湖區(qū)不同位置呈現(xiàn)出較大差異，有12個(gè)點(diǎn)位為正值，占采樣點(diǎn)總數(shù)的28%，基本分布在東側(cè)區(qū)域，該側(cè)區(qū)域部分水體由豐水期的碳匯轉(zhuǎn)變成碳源的CO2擴(kuò)散特征. CO2擴(kuò)散通量的時(shí)空變化規(guī)律基本與pCO2相同(圖4)，兩期水體CO2擴(kuò)散通量的空間分布從西側(cè)到東側(cè)均呈現(xiàn)“由匯到源”的CO2擴(kuò)散特征，說(shuō)明水-氣界面CO2擴(kuò)散通量主要受pCO2控制，這與前人研究一致[40]. 綜上，草海巖溶濕地兩個(gè)極端水文期，整體表現(xiàn)為CO2匯.

圖6 草海豐、枯水期水-氣界面CO2擴(kuò)散通量的時(shí)空分布特征Fig.6 Spatiotemporal distribution of CO2 diffusion flux in water-air interface of Lake Caohai in wet and dry seasons

此外，前人利用通量箱法得出草海覆水區(qū)域中西部和東部CO2擴(kuò)散通量范圍分別為-46.83～-10.81 和10.81～25.21 mmol/(m2·d)[16]，本文估算得出的豐水期草海水體CO2擴(kuò)散通量的空間分布特征與其一致，但本文估算值整體略高于前人實(shí)測(cè)值，這主要是因?yàn)槠淅媚Ｐ凸浪銡怏w交換系數(shù)時(shí)需要風(fēng)速等重要?dú)庀髤?shù)，而本研究中風(fēng)速值參照的是采樣點(diǎn)附近氣象站的日值數(shù)據(jù)而非實(shí)測(cè)值. 同時(shí)，由于草海東側(cè)區(qū)域因豐水期挺水植物的存在以及枯水期水位低的問(wèn)題，未進(jìn)行樣品采集，因而在空間變化的分析上有限，且當(dāng)前的研究結(jié)果是基于豐、枯水期各一次性日間采樣的結(jié)果，因此僅代表兩期水樣在09：00-18：00時(shí)間段內(nèi)的水-氣界面碳交換通量，在時(shí)間代表性上有限，若要詳細(xì)而全面掌握湖泊水-氣界面CO2通量的變化特征，則需對(duì)濕地在不同氣候和季節(jié)條件下，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間(至少一年)、高頻次(小于7 d/次)、晝夜24 h的監(jiān)測(cè)，并記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)而深入研究整個(gè)草海濕地生態(tài)系統(tǒng)CO2擴(kuò)散通量的變化規(guī)律.

2.4 與其他巖溶湖、庫(kù)CO2擴(kuò)散通量對(duì)比

從表3可以看出，現(xiàn)有研究中大多巖溶水補(bǔ)給型湖、庫(kù)CO2擴(kuò)散通量平均為正值，我國(guó)西南云貴地區(qū)湖、庫(kù)CO2擴(kuò)散通量平均達(dá)到177.8 mmol/(m2·d)[41]，說(shuō)明巖溶地區(qū)湖、庫(kù)水體總體表現(xiàn)為大氣CO2的源，這與碳酸鹽巖風(fēng)化向巖溶地區(qū)湖庫(kù)輸送大量溶解性無(wú)機(jī)碳使水體中堿度增加有關(guān)，有報(bào)道指出碳酸鹽巖的溶解是驅(qū)動(dòng)全球一半以上湖泊水體釋放CO2的關(guān)鍵因子[42]. 而本研究的草海巖溶濕地水體CO2擴(kuò)散通量與巖溶地區(qū)這些藻型湖庫(kù)相比，CO2排放量較低，且在整個(gè)湖區(qū)上存在較大的空間差異性，豐、枯水期總體上表現(xiàn)為大氣CO2的匯. 這主要是因草海屬草型湖泊濕地，盡管巖溶作用向濕地內(nèi)輸送了大量溶解性無(wú)機(jī)碳，但茂盛的狐尾藻和眼子菜等沉水植物以及浮游藻類均可利用水體中溶解性無(wú)機(jī)碳進(jìn)行光合作用. 前人對(duì)沉水植物豐富的巖溶河流水化學(xué)晝夜監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，白天受水生生物光合作用影響，水體pCO2低于大氣分壓[43-44]，本研究?jī)善谒畼拥牟杉谌臻g進(jìn)行，表明該濕地內(nèi)水生生物的光合作用是維持水體CO2欠飽和的主要原因，同時(shí)從兩期水體擴(kuò)散通量均值可以看出，枯水期水生植被大量消亡后，大氣CO2向水體中擴(kuò)散的通量均值較豐水期明顯降低，說(shuō)明水生植被的生長(zhǎng)對(duì)于該濕地流域碳循環(huán)影響較大.

表3 不同地區(qū)巖溶水補(bǔ)給型湖、庫(kù)CO2擴(kuò)散通量

3 結(jié)論

2)草海水體豐水期CO2擴(kuò)散通量的變化范圍為-43.27～27.16 mmol/(m2·d)，平均值為(-34.49±12.93)mmol/(m2·d)，而枯水期CO2擴(kuò)散通量的變化范圍為-33.36～28.15 mmol/(m2·d)，平均值為(-8.02±15.85)mmol/(m2·d)，兩期水體CO2擴(kuò)散通量的時(shí)空分布與pCO2一致，就兩個(gè)極端水文期而言草海水體總體表現(xiàn)為大氣CO2的匯，這有別于巖溶地區(qū)湖、庫(kù)水體CO2的釋放特征，表明濕地對(duì)巖溶地區(qū)碳循環(huán)有著較大的影響.