城市小型景觀水體CO2與CH4排放特征及影響因素

黃 婷,王曉鋒,劉婷婷,龐吉麗,陳彥蓉,吳文潔,趙舒寧,吳勝男1,2,,王繼龍1,2,

1 長江上游濕地科學研究重慶市重點實驗室,重慶 401331 2 三峽庫區(qū)地表生態(tài)過程重慶市野外科學觀測研究站,重慶 405400 3 重慶師范大學地理與旅游學院,重慶 401331 4 華東師范大學河口海岸研究所,上海 200241

二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)是大氣中最重要的溫室氣體。河流、湖泊、水庫等淡水生態(tài)系統(tǒng)作為陸地碳的“匯”,是全球C的生物地化循環(huán)最活躍的場所[1-2],并通過水-氣界面向大氣排放CO2和CH4,成為大氣溫室氣體的重要來源[2-4]。據(jù)估算,全球淡水系統(tǒng)每年向大氣中排放大約1.4—2.1 Pg CO2[1,4]和0.12 Pg CH4[3],分別相當于全球陸地生態(tài)系統(tǒng)年凈初級生產(chǎn)的固碳總量(2.6 Pg)的54%—81%[5]和全球CH4排放總量的20%[6],甚至超過了全球海洋年CO2凈吸收量(約2.0 Pg)[7]。同時,湖泊、水庫等靜水水體年CO2、CH4的排放總量分別約為0.62 Pg[8]和0.09 Pg[3],是淡水生態(tài)系統(tǒng)排放總量的重要組成[9]。淡水系統(tǒng)含碳氣體的排放在全球和區(qū)域尺度碳平衡中具有重要貢獻,成為全球關(guān)注的熱點。

當前大多數(shù)研究以大型河流、湖泊和水庫為主[10-13],對面積不易統(tǒng)計的小型水體的排放關(guān)注較少[14],導致淡水系統(tǒng)CO2、CH4清單仍存在較大的不確定性。由于水體較淺,交換能力差以及“匯水面積/水域面積”大,小型水體單位面積受納的陸源碳更多、沉積層代謝產(chǎn)生的含碳氣體更容易傳輸至表層水體形成排放,因此具有更高的CO2/CH4排放潛勢[15-16]。Kankaala等[16]對芬蘭的湖泊群研究表明,面積越小,湖泊的CO2和CH4排放速率越快,特別是面積小于0.1 km2時,湖泊CO2和CH4排放通量隨湖泊面積的減小呈指數(shù)式增加。Holgerson等[17]認為,小型池塘水體CO2和CH4排放通量遠高于其他大型靜水水體。Holgerson等[18]研究指出,盡管小型水體(<0.01 km2)總面積僅占全球湖泊、水塘總面積的8.6%,但卻貢獻了約15.1%的CO2排放和40.6%的CH4排放[18]。Raymond等[4]研究表明,由于對小型湖泊和水塘碳氣體排放的忽視可能導致全球湖泊、水庫CO2排放總量低估40%—50%。因此,開展小型水體溫室氣體排放通量的研究對精確評估淡水系統(tǒng)在全球溫室氣體排放格局中的貢獻具有重要意義。然而,由于小型水體環(huán)境容量差,對環(huán)境變化的敏感性強,因此碳排放具有不確定性[16-18],特別是一些人類活動主導的小型水體碳排放研究較少。

近20年來,全球城市化極大的改變了區(qū)域地表過程,一系列小型水體轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘芯坝^水體,與人工營造的景觀水體共同組成了城市區(qū)特有的水體類型[19]。由于城市水體具有獨特的流域環(huán)境,且受到強烈的人類活動(水污染、水環(huán)境修復、景觀植物種植等)干擾,其碳氮循環(huán)及溫室氣體排放特征具有特殊性和不確定性[11]。溫志丹等[20]對我國吉林省長春市的7個城市湖泊的研究發(fā)現(xiàn),城市水體CO2和CH4排放通量呈2—3個量級的變異,由于大量人為碳源的輸入,導致其平均排放通量高于大多數(shù)自然水體。Ortega等[21]的研究中,城市小型水體CH4排放通量是湖泊和河流的4倍多。龍麗等[22]的研究也指出,城市小型水體CH4排放量比自然湖泊高1—2個數(shù)量級?？梢?城市水體具有較強的溫室氣體排放潛勢,特別是小型水體,可能是城市淡水系統(tǒng)CO2和CH4排放的新熱點。然而,目前僅少數(shù)學者對城市小型水體碳排放開展了研究[21-22],對其排放的強度以及關(guān)鍵影響因素等仍不十分清楚,尤其是與人類生活密切相關(guān)的城市景觀水體的監(jiān)測極為薄弱,成為區(qū)域淡水生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放中最不確定的環(huán)節(jié)。

隨著全球城市化進程的不斷加快,城市生活環(huán)境對景觀水體的依賴性增強,景觀水體數(shù)量越來越多,在區(qū)域碳循環(huán)及溫室氣體排放清單中的貢獻也不容忽視。為明確城市小型景觀水體溫室氣體排放特征及關(guān)鍵影響因素,本研究選取重慶市大學城區(qū)域8個景觀水體和外圍的2個自然水體為研究對象,通過漂浮箱法和頂空模型法監(jiān)測水氣界面CO2與CH4的排放通量,結(jié)合城市環(huán)境、水生植物分布以及水環(huán)境參數(shù)的分析,探討城市小型景觀水體溫室氣體排放時空特征及其關(guān)鍵驅(qū)動因素,進一步評價了不同方法在景觀水體C氣體通量監(jiān)測中的適用性,為城市淡水系統(tǒng)碳循環(huán)研究提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶西部新城的中心區(qū),屬亞熱帶季風性濕潤氣候,氣候溫和、四季分明、雨量充沛。月平均氣溫在7.8—28.5 ℃,年降雨量為1082.9 mm。研究區(qū)屬川東平行嶺谷低山丘陵區(qū),地貌復雜,加之豐富的降雨,形成了數(shù)量龐大的小型水塘或湖泊。自2008年以來,該區(qū)域成為重慶市城市化速度最快的區(qū)域之一,城市建設(shè)導致大量小型水體被改造為城市景觀水體,廣泛分布于居民小區(qū)和校園區(qū)內(nèi),構(gòu)成了典型的景觀類型。

1.2 采樣點設(shè)置

選擇研究區(qū)內(nèi)5所高校(重慶大學、重慶師范大學、重慶醫(yī)科大學、重慶科技學院、四川美術(shù)學院)和3個居民區(qū)(師大苑、富力城小區(qū)、東橋郡)內(nèi)的景觀水體為研究對象,同時選擇城市區(qū)外圍的2個小型水體(石馬山水庫、礦廠溝水庫)作為對照,共計10個水體。所選水體水域面積在0.003—0.090 km2,平均水深范圍為1—6 m,屬于典型的小型景觀水體。各水體基本特征如表1所示。每個水體根據(jù)面積、水深特征設(shè)置3—5個重復采樣點進行采樣監(jiān)測,共計30個采樣點。

同時,根據(jù)不同水體人工種植的景觀植物的分布特征,在重慶大學、重慶師范大學、四川美術(shù)學院、師大苑、富力城小區(qū)5個水生植物分布較多的水體,區(qū)分有、無水生植物分布進行采樣點布設(shè),在有植物分布的水域增設(shè)3個重復采樣點,共計15個采樣點。

1.3 樣品采集

分別于2019年1月(冬季)、4月(春季)、7月(夏季)和10月(秋季)對選取的采樣點進行采樣。使用有機玻璃采水器采集表層0.5 m深處的水樣500 mL裝入樣品瓶中。所有水樣保存于冷藏箱帶回實驗室,于4 ℃低溫避光保存并在3 d內(nèi)完成水體理化參數(shù)的測定。

采用漂浮箱法進行水-氣界面 CO2/CH4排放通量監(jiān)測。漂浮箱由PVC材質(zhì)的采集箱和漂浮裝置兩部分組成：采集箱規(guī)格為30 cm × 30 cm × 40 cm(長×寬×高),箱體外表由鋁箔包裹以減少太陽輻射引起的箱內(nèi)溫度的快速變化；采集箱底部鏤空,頂部設(shè)置兩個小孔,一個連接銅管保持箱體內(nèi)外氣壓穩(wěn)定,另一個連接氣體導管,用于氣體采樣。漂浮裝置由泡沫板制成,用于固定采集箱。每個采樣點設(shè)置3個重復漂浮箱同步采樣,箱體底部浸入水面9 cm左右。一旦靜態(tài)箱安置成功,立即進行氣體抽取作為0 min氣樣,隨后于5、10、15、20 min時分別采集氣樣,所采氣樣均保存于10 mL真空管中,用于CO2/CH4濃度測定。

同時采用頂空振蕩法進行水體溶存氣體濃度的測定[23]。首先用注射器抽取原位0.5 m深處水樣,緩慢注入體積為54 mL的氣密性有機玻璃管中,完全注滿。打開玻璃管一端的排水閥,從另一端用注射器緩慢注入24 mL已知濃度的標準空氣,多余水樣從水閥排除,形成頂空。劇烈振蕩5 min,靜置待頂空與水體達到平衡后,抽取頂空氣體,用于CO2/CH4濃度分析。

現(xiàn)場利用傳統(tǒng)水深儀測定原位水體深度,使用矯正的多參數(shù)水質(zhì)分析儀(MantaTM2 Multiparameter System,Eureka Company,USA)測定原位表層水體溫度、pH和溶解氧(DO)等理化參數(shù),利用手持式氣象儀(Kestrel 2500,USA)測定水面以上1 m處風速、氣溫和氣壓。與此同時,記錄點周圍環(huán)境特征、水生植被生長情況等。

1.4 樣品分析

表2 不同水體表層水碳、氮、磷含量

利用氣相色譜儀(磐諾A90,江蘇)測定CO2和CH4濃度。CO2和CH4檢測器為氫火焰離子化檢測器(FID),工作溫度為250℃,載氣為高純度氮氣(N2),以氫氣(H2)為燃氣,空氣為助燃氣,流速分別為60和450 mL/min,采用標氣濃度分別為CO21000 μL/L,CH410 μL/L。

1.5 數(shù)據(jù)計算

1.5.1靜態(tài)箱法監(jiān)測水-氣界面CO2、CH4交換通量

利用氣相色譜儀測定氣樣濃度,通過濃度的變化率,計算水-氣界面氣體排放通量[11],公式如下：

(1)

式中,Fp表示漂浮箱法測定的CO2和CH4排放通量(mmol m-2d-1),dc/dt為采樣時氣體濃度隨時間變化的直線斜率,M為被測氣體摩爾質(zhì)量,P為采樣點氣壓(現(xiàn)場實測值),T為采樣時絕對溫度,V0、P0、T0分別為標準狀態(tài)下的氣體摩爾體積、空氣氣壓和絕對溫度,H為水面以上采樣箱高(30 cm)。

1.5.2水體CO2、CH4溶存濃度計算及氣體排放通量的估算

根據(jù)Henry定律,利用頂空平衡氣體濃度分別計算水體CO2和CH4溶存濃度[24],公式如下：

(2)

cw=ca×kc

(3)

式中,Cw為CO2和CH4溶存濃度(μmol/L),ca為頂空中氣體濃度(μmol/L),cw為頂空平衡條件下水體氣體濃度(μmol/L),c0為初始標準空氣中的氣體濃度,kc表示實測溫度下氣體溶解度系數(shù)。Va和Vw分別表示頂空體積與水體體積(L)。

根據(jù)邊界層模型法估算水-氣界面氣體排放通量[25],公式如下：

Fb=k0×(Cw-Ca)

(4)

Fb表示邊界層模型法估算的氣體排放通量(mmol m-2d-1),Cw和Ca分別表示表層水體溶存氣體濃度(μmol/L)和水氣平衡時的大氣濃度(μmol/L)。k0表示水-氣界面的氣體交換系數(shù)(cm/h)?？紤]到景觀水體水面擾動主要來自風,本研究選擇目前廣泛使用的溫度-風速模型計算k0[23]：

k0=1.58 × e0.30×U10×(Sc/600)-0.5

(5)

Sc(CO2)=1911.1-118.11t+3.4527t2-0.04132t3

(6)

Sc(CH4)=1897.8-114.28t+3.2902t2-0.039061t3

(7)

U10表示采樣區(qū)域上空10 m處常年平均風速(0.95 m/s),t為實測水溫(℃),Sc(CO2)為溫度矯正下CO2的Schmidt常數(shù)。

1.6 統(tǒng)計分析

本研究用SPSS進行統(tǒng)計分析,利用單因素方差分析(One-Way ANOVA)檢驗不同水體、不同季節(jié)之間CO2/CH4排放的差異顯著性,成對t檢驗分析有-無植物覆蓋水域氣體排放通量的差異顯著性,利用相關(guān)分析檢驗氣體排放通量與水體理化參數(shù)的相關(guān)性,主成分分析(PCA)對水環(huán)境參數(shù)進行冗余分析,提取關(guān)鍵指示因子,利用逐步多元回歸分析構(gòu)建指示因子與其他排放通量的預測關(guān)系。利用GraphPad 8.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水體CO2、CH4排放通量

基于靜態(tài)箱法實測的水體CO2和CH4排放通量如圖1所示。8個景觀水體CO2排放通量的變化范圍為-16.3—259.0 mmol m-2d-1,平均為(72.7±65.9)mmol m-2d-1。不同水體間CO2排放通量差異明顯,東橋郡年平均值最高((152.4±113.0))mmol m-2d-1),富力城和重慶醫(yī)科大學次之,其他水體略低；除重慶醫(yī)科大學春季出現(xiàn)負值外,其他均為為正值,表現(xiàn)為大氣CO2的凈排放源；兩個城市外圍水體石馬山和礦廠溝的年均CO2排放通量僅為(11.8±9.6)和(17.9±14.8)mmol m-2d-1,顯著低于城市內(nèi)景觀水體。8個景觀水體CH4排放通量的變化范圍為0.59—20.1 mmol m-2d-1,平均為(2.31±3.48)mmol m-2d-1,呈CH4排放源；景觀水體之間CH4排放通量差異不顯著,僅師大苑、重慶師范大學水體略高于其他水體(圖1)；外圍對照的兩個水體(石馬山,(0.49±0.09)mmol m-2d-1；礦廠溝,(0.71±0.16)mmol m-2d-1)均顯著低于城市內(nèi)的景觀水體(P<0.01)。城市景觀水體CO2和CH4排放通量是對照水體的3.5—6.1和2.0—4.5倍。

圖1 基于漂浮箱法的不同水體水氣界面CO2和CH4排放通量

將10個水體分為居民區(qū)、校園區(qū)和城市外圍區(qū)3組(圖2),居民區(qū)水體CO2與CH4平均排放通量分別為(91.10±59.00)mmol m-2d-1和(2.78±2.55)mmol m-2d-1,高于校園區(qū)水體(CO2(54.60±26.00)mmol m-2d-1,CH4(1.20±0.39)mmol m-2d-1),均顯著高于城市外圍區(qū)的兩個對照水體(CO2(14.80±4.30)mmol m-2d-1,CH4(0.60±0.15)mmol m-2d-1)。

圖2 居民區(qū)、校園區(qū)、城市外圍區(qū)水體CO2和CH4排放通量的比較

2.2 景觀水體CO2、CH4排放通量的季節(jié)差異

重慶城市小型景觀水體CO2、CH4排放通量均呈一定的季節(jié)變化模式(圖3)。CO2排放通量在夏季最高(中值為80.9 mmol m-2d-1),秋季次之(中值為69.3 mmol m-2d-1),冬、春季最低(中值分別為19.0、23.8 mmol m-2d-1)。CH4排放通量春、夏季較高(中值分別為1.31、1.36 mmol m-2d-1),秋季略低(1.07 mmol m-2d-1),但均顯著高于冬季(0.70 mmol m-2d-1)。

圖3 基于漂浮箱法的不同水體水氣界面CO2和CH4排放通量的季節(jié)變化

2.3 水生植物對景觀水體CO2和CH4排放通量的影響

比較了景觀無植物區(qū)(No-P)和植物覆蓋區(qū)(P)水-氣界面CO2和CH4排放通量,如圖4所示。結(jié)果表明,四個季節(jié)有植物分布和無植物分布的水域之間CO2和CH4排放通量均存在顯著差異,有植物覆蓋的水域氣體排放通量均高于開敞水域(P<0.05)。進一步分析有植物區(qū)CO2排放通量是無植物水體的0.41—4.24倍,平均為1.97倍,其中夏季和秋季差異最大(達2.7倍)；有植物區(qū)CH4排放通量是無植物區(qū)的1.67—3.94倍(平均達2.94倍)。作為城市景觀水體的重要組成,水生植物種植對水體CO2和CH4排放通量具有重要影響。

圖4 不同季節(jié)無植物水域(No-P)與有植物水域(P)水-氣界面CO2和CH4排放通量的差異分析

2.4 邊界層模型估算與漂浮箱法測定小型景觀水體CO2、CH4排放通量的比較分析

為評估不同監(jiān)測方法對小型景觀水體溫室氣體排放強度的影響,進一步對比了邊界層模型法和漂浮箱法在監(jiān)測上的差異。頂空法測得10個水體CO2溶存濃度為23.8—142.4 μmol/L,平均為(47.6±29.3)μmol/L(飽和度為(264%±162%)),CH4溶存濃度為0.32—1.93 μmol/L,均值為(1.13±0.56)μmol/L(2055%±1011%),所有水體均屬于氣體過飽和狀態(tài),與漂浮箱監(jiān)測結(jié)果一致。模型法估算景觀水體CO2排放通量均值為(69.7±82.0)mmol m-2d-1(-12.7—370.9 mmol m-2d-1),CH4為(3.69±2.92)mmol m-2d-1(0.18—11.0 mmol m-2d-1),對照水體CO2和CH4排放通量分別為(20.8±16.9)和(1.11±0.47)mmol m-2d-1,總體上景觀水體CO2和CH4排放較自然水體高3倍多。

如圖5所示,兩種方法測定結(jié)果的一元回歸分析結(jié)果表明,邊界層模型法與漂浮箱法測得CO2和CH4通量線性關(guān)系均較好(R2均>0.3)。邊界層模型法估算的CO2排放通量在春季顯著低于漂浮箱法,但夏季則略高于漂浮箱法；CH4排放通量兩種方法相比,二者線性回歸方程斜率均高于1,表明邊界層模型法明顯高估了景觀水體水-氣界面的CH4排放。

圖5 漂浮箱與邊界層模型法估算CO2和CH4排放通量的回歸分析

2.5 城市景觀水體CO2和CH4排放通量與水環(huán)境因子的關(guān)系

表3 CO2、CH4通量與監(jiān)測點理化因子之間的Pearson相關(guān)性

表4 水環(huán)境因子主成分分析的因子得分系數(shù)矩陣

表5 重慶大學城景觀水體CO2和CH4通量預測模型

3 討論

3.1 城市小型景觀水體CO2與CH4排放強度

陸源有機碳進入淡水系統(tǒng)后經(jīng)微生物的分解作用,生成CO2和CH4,并通過擴散、冒泡、植物傳輸?shù)耐緩脚湃氪髿鈁2-4,26]。隨著人為碳、氮、磷等輸入的不斷增多,水體CO2和CH4被進一步增強,形成了一系列溫室氣體排放熱源[20-23]。本研究中,8個典型的城市景觀水體與2個城郊水體的CO2和CH4年均排放通量均為正值,是大氣的凈排放源。這與以往對自然湖泊[10,13]、河流[27]、水庫[28]等淡水系統(tǒng)研究結(jié)果一致。Wang等[23]對重慶主城區(qū)16個小型水庫研究結(jié)果也表明該區(qū)域小型水體具有較強的溫室氣體排放通量。然而,羅佳宸等[29]等研究中,重慶西部的9個湖泊由于受到水體富營養(yǎng)化和較高的初級生產(chǎn)的影響,夏季均呈CO2“匯”。本研究除春季師大苑和重慶醫(yī)科大學兩個水體有輕微富營養(yǎng)化且呈CO2吸收外,大部分呈異養(yǎng)系統(tǒng)。

本研究中,城市景觀水體CO2和CH4排放通量分別為(78.6±66.9)mmol m-2d-1和(2.31±3.48)mmol m-2d-1,與Panneer等[30]對印度水塘系統(tǒng)(Ponds)的研究結(jié)果相似(CO2：(67.1±64.0)mmol m-2d-1,CH4：3.1 mmol m-2d-1),顯著高于全球湖庫水體排放水平的均值(24.4—41.4 mmol m-2d-1和0.44 mmol m-2d-1)[3-4]。Li等[12]根據(jù)我國已有湖庫研究結(jié)果,估算全國湖庫CO2和CH4平均排放通量約為(37.3±68.5)和(2.0±5.8)mmol m-2d-1,也均低于本研究結(jié)果。Wang等[23]、Yoon 等[31]、Martinez-Cruz等[32]研究均表明,城市小型水體由于受到污水排放和高溶解性有機質(zhì)(DOM)輸入,呈增強型的CO2和CH4排放源。圖6所示,重慶城市景觀水體CO2排放通量與南京城市淺水水塘基本一致,但顯著高于鄱陽湖[10]、洞庭湖[13]、太湖[13]、巢湖[8]等國內(nèi)大部分自然湖泊,甚至高于一些熱帶地區(qū)的水體[30]；同時,景觀水體CH4排放通量也處于較高的水平,甚至遠高于水污染嚴重的滇池[13]、太湖[13]等,是長江下游中下游地區(qū)淡水湖泊群CH4排放的3倍[33]。然而,由于沒有明顯外源污染(表1),本研究景觀水體CH4排放明顯低于大部分城市湖泊和城市水塘(圖6)。此外,本研究城市景觀水體CO2和CH4排放均顯著高于城市區(qū)外圍的自然水體(圖1,圖2),這與大部分城市水體研究結(jié)果一致[23,34]。Wang等[23]研究表明,城市內(nèi)的小型水庫CO2和CH4排放通量是林地區(qū)水庫的3倍和7倍。Ortega等[21]發(fā)現(xiàn)柏林城市區(qū)人工水塘CH4排放量是湖泊、河流的4倍多,呈極強的CH4排放源?？傮w可見,城市小型景觀水體具有較強的CO2和CH4排放強度,是區(qū)域淡水系統(tǒng)溫室氣體排放的潛在熱源。

圖6 重慶城市小型景觀水體CO2、CH4排放通量與其他研究的比較[3-5,8,10-13,19,21,23,28-29,30,32-33]

一方面,城市景觀水體面積較小,沉積率高,碳積累速率快,特別是城市表面顆粒物、粉塵等隨徑流輸入形成淤滯沉積層[19],有利于微生物分解代謝和CO2、CH4產(chǎn)生。同時,硬化陸域面風化碎屑物進入城市水體,能夠經(jīng)過化學分解影響水體碳酸鹽平衡,導致水體CO2分壓增加[31]。另一方面,人為碳氮輸入刺激水體原位生物代謝,或通過污水輸入直接增加了外源CH4和CO2的輸入[11,35],進而形成溫室氣體排放熱點。本研究8個景觀水體碳、氮、磷含量均明顯高于兩個對照水體(表2),為原位的C代謝提供了條件。相關(guān)分析結(jié)果表明,水體CO2和CH4排放與碳、氮、磷含量均呈一定的正相關(guān)關(guān)系,進一步說明水體生源要素積累是景觀水體C氣體排放增強的重要因素。

進一步分析表明,居民區(qū)水體可能具有更高的排放通量(圖2)?？紤]到居民區(qū)和校園區(qū)水體營養(yǎng)物質(zhì)含量差異較小(表2),而居民區(qū)景觀水體多屬于人工營造,水深較淺(表1),可能是排放通量較高的主要因素[19]。值得注意的是,水體污染明顯的東橋郡年均CO2和CH4排放高達152.4、5.7 mmol m-2d-1,是城市外圍水體石馬山的8.5和11.7倍?？梢?城市景觀水體作為城市生態(tài)系統(tǒng)的組成部分,CO2和CH4來源、排放過程具有明顯的復雜性。

3.2 城市景觀水體CO2、CH4排放的季節(jié)變化與影響因素

大部分水體CO2、CH4排放具有顯著的季節(jié)變異[41-42]。本研究城市景觀水體CO2排放呈夏、秋季(雨季)高于冬、春季(旱季)的模式,CH4排放在春、夏季略高于秋季,冬季最低,這與大部分研究結(jié)果一致[13,20-21,23,35,41]。Natchimuthu等[5]對瑞典Linkoping水體的研究認為,夏季高溫導致水體微生物代謝增強,是城市淺水水塘CO2和CH4排放季節(jié)變異的主要因素；Ortega等[21]也得出相似的結(jié)論。小型景觀水體較淺,熱容量較小,對溫度的變化極為敏感[2],本研究中,景觀水體CO2、CH4排放通量與水溫均呈顯著正相關(guān)(P<0.05),是CO2和CH4排放季節(jié)變異的重要因素。然而,春季降雨較少、溫度升高、日照時數(shù)延長等促使水體浮游植物的快速繁殖,影響水體光合作用,導致CO2排放在春季最低,甚至出現(xiàn)CO2吸收[20]。同時,表層浮游生物代謝產(chǎn)生的小分子有機碳以及其死亡殘體能夠為沉積層甲烷菌代謝提供新鮮有機碳,加速CH4的產(chǎn)生[43],導致春季出現(xiàn)CH4排放峰值。因此,春季CO2排放低、CH4較高。水體初級生產(chǎn)對景觀水體溫室氣體排放也具有一定的調(diào)控作用。

3.3 城市景觀水體CO2、CH4排放與水環(huán)境因子的關(guān)系

與大部分研究結(jié)果一致[11,29,34,36],景觀水體中CO2排放與pH、DO呈顯著的負相關(guān)關(guān)系,而與溫度呈正相關(guān)關(guān)系。pH主要通過影響水體碳酸鹽平衡進而影響CO2的排放或吸收[5],對水體CO2排放具有較強的指示性。此外,水體光合作用產(chǎn)生DO而消耗CO2,而呼吸作用產(chǎn)生CO2消耗O2[46],因此CO2與O2顯著的負相關(guān)關(guān)系表明景觀水體內(nèi)源代謝是調(diào)控CO2的關(guān)鍵,進一步表明景觀水體是一個增強型的異養(yǎng)系統(tǒng)。

與CO2影響因素分析相似,水體碳含量對CH4排放具有顯著的正驅(qū)動(表3)。Tranvik等[9]研究認為,水體DOC濃度增加能夠直接刺激原位CH4產(chǎn)生和排放；Martinez-Cruz等[32]、Delsontro等[47]、Gonzalez等[48]的研究中,城市湖泊、河流、水塘等水體OC含量對CH4排放通量的變異性具有較高的解釋度,與本研究結(jié)果相似。Martinez等[32]與Ortega等[21]均認為小分子有機質(zhì)輸入和浮游植物的生長對城市水體原位CH4產(chǎn)生有重要影響。城市景觀水體的碳含量一部分源于城市徑流攜帶城市表面的降塵的輸入,另一方面源于水體內(nèi)部浮游生物和水生植物的生長。因此人工地表、景觀植物的種植以及水體富營養(yǎng)化等均對此類水體的CH4排放具有潛在影響。同時,景觀水體CH4排放與TP、DTP呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系,后者解釋了27%和26%的CH4變異性,這在Wang等[23]關(guān)于城市水庫的研究結(jié)果相似。相對于N含量,水體N:P平均為(27±14),P元素在城市景觀水體中的限制性更顯著。在同樣受P限制的黑水灘河的研究中,TP含量對水體溶存CH4濃度解釋量高達52%[27],因此景觀水體中CH4排放對P添加的敏感性極強。PCA和逐步多元回歸結(jié)果表明,水體碳、磷含量是影響CH4排放的關(guān)鍵因素(表3、表4)。值得注意的是,CH4排放與DO含量相關(guān)性不顯著,這與其他研究結(jié)果不一致[11,21,32],主要因為采樣水體水深較淺,水氣交換對溶解氧補給以及CH4由沉積層擴散至表層水體滯留時間較短,因此受DO影響有限?？傊?豐富的碳濃度是CH4排放通量較高的主要條件,而P濃度的差異是導致不同水體間CH4排放變異的關(guān)鍵因素。

3.4 水生植物分布對景觀水體CO2/CH4排放通量的影響

本研究中,漂浮箱法測定水生植物覆蓋區(qū)CO2與CH4排放通量均顯著高于無植物覆蓋的開敞水域(P<0.05),表明水生植物對景觀水體溫室氣體排放具有重要影響。Str?m等[49]的研究表明燈心草(Juncuseffusus)、寬葉香蒲(Typhalatifolia)、蘆葦(Phragmitesaustralis)等覆蓋的水域CO2排放通量是無植物覆蓋水域的5倍多,CH4排放達到14—30倍,其認為水生植物凋落物極大的刺激了原位微生物的呼吸代謝和產(chǎn)甲烷菌活性。Bartlett等[50]、Bastviken等[51]以及Devol等[52]的研究表明,無論生活型和植物種類,水生植物覆蓋區(qū)CH4排放通量較無植物覆蓋區(qū)高1.6—2.8倍。一般認為,水生植物對水體溫室氣體排放的影響存在多種機制[53]：(1)水生植物(特別是挺水植物)的通氣組織作為溫室氣體排放的重要途徑；(2)植物死亡形成的凋落物分解促進原位碳代謝；(3)植物生長過程中根系分泌物能夠刺激根周微生物活性；(4)水生植物(沉水植物)光合作用和呼吸作用直接參與水體碳排放。此外,植物覆蓋改變水體光照、溫度格局,進而影響水體CO2和CH4產(chǎn)生、消耗、輸移過程[44]。本研究水生植物以狐尾藻、荷花、睡蓮等為主,冬季植物死亡后殘體并未清理,可能是導致夏秋季CO2和CH4排放顯著增強的主要原因。同時,具有稠密狐尾藻分布的水域呈明顯的CO2和CH4排放熱點。本研究結(jié)果表明,水生植物分布對景觀水體CO2和CH4排放強度具有重要影響,未來需要結(jié)合城市景觀打造中植物選擇、管理以及種植密度等方面,開展更充分的調(diào)查。

3.5 不同監(jiān)測方法在城市小型景觀水體CO2、CH4排放通量監(jiān)測中適用性分析

目前,對水體溫室氣體排放的監(jiān)測普遍采用的方法有漂浮箱法和邊界層模型法,兩種方法測定結(jié)果的可靠性一直是關(guān)注的熱點。一般認為,漂浮箱法的監(jiān)測結(jié)果更接近實際排放強度[54]。本研究邊界層模型法與漂浮箱法測定的結(jié)果具有良好的線性關(guān)系(尤其是在降水較少的冬季和春季),表明兩種方法在景觀水體氣體排放中具有較好的預測性。漂浮箱法測定的CO2排放通量在春季(均值30.2 mmol m-2d-1)遠高于邊界層模型法(均值6.7 mmol m-2d-1),而夏季則略低于邊界層模型。主要因為研究區(qū)春季風速較小,加之浮游植物快速繁殖導致水體碳酸鹽平衡體系向著堿性方向轉(zhuǎn)變[27],因此基于碳酸鹽平衡體系和風速模型的邊界層模型估算的結(jié)果偏低。CH4排放通量在4個采樣時期,邊界層模型法均高于漂浮箱法,偏估系數(shù)達(2.0±0.8)。這主要因為景觀水體水體面積較小(<0.1 km2),受風力擾動有限,基于區(qū)域平均風速的估算會導致k0的普遍高估[54]。模型法對于開展眾多城市小型水體群的研究中,具有采樣方便、效率高的優(yōu)勢,研究認為其在城市景觀水體的監(jiān)測中具有較好的指示性,但需要進一步優(yōu)化k0模型,針對不同季節(jié)和不同面積水體建立適應性模型,以達到精確估算的目的。

4 結(jié)論

(1)城市小型景觀水體CO2與CH4排放均呈正值,是大氣的凈排放源；與其他研究相比,城市小型景觀水體具有較高的CO2排放和略高的CH4排放通量；城市景觀水體與同區(qū)域城市外圍水體相比,CO2與CH4排放通量高出3.5—6.1、2—4.5倍,是區(qū)域淡水系統(tǒng)排放的熱點,在未來淡水系統(tǒng)排放清單中應予以關(guān)注。

(2)城市小型景觀水體CO2排放呈夏、秋季高于冬、春的模式,CH4呈春、夏季較高,秋季次之,冬季最低的季節(jié)規(guī)律；溫度變化以及春季水體初級生產(chǎn)力的提高可能是造成這種季節(jié)模式的主要因素。

(3)景觀水體較高的碳含量是CO2、CH4排放通量增強的主要因素；同時N含量與CO2排放通量呈顯著正相關(guān),而P含量與CH4呈顯著的正相關(guān),營養(yǎng)鹽的補充可能是不同水體間CO2、CH4排放差異的重要影響因素。景觀水體pH和DO對CO2排放具有較好的指示性。水生植物分布導致小型景觀水體CO2和CH4排放增強,是城市景觀水體氣體排放研究的重要環(huán)節(jié)。

(4)頂空模型法在城市景觀水體界面氣體通量的監(jiān)測中具有有效的指示性,但會導致CO2在春季低估,CH4則普遍高估,需要進一步優(yōu)化模型,提高估算精度。