基于走航高頻監(jiān)測的水庫冬季水體溶解甲烷濃度分布：以湖北西北口水庫為例*

王雪竹，劉 佳，牛鳳霞，肖尚斌,2，陳 敏,2

(1：三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，宜昌 443002) (2：三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程中心，宜昌 443002)

水庫在全球甲烷(CH4)產(chǎn)生和排放中起著至關(guān)重要的作用. 全球范圍內(nèi)，水庫每年向大氣排放51 Tg的碳，其中36.8 Tg以二氧化碳的形式排放，13.3 Tg以CH4的形式排放[1]. 水庫中CH4排放到大氣中的途徑主要有3種：沉積物中釋放的氣泡、水體中溶解的CH4通過空氣-水界面的擴散以及挺水植物的莖稈[2]，其中大約40%是通過水-氣界面的分子擴散排放到大氣中[1]，尤其是深水湖庫中CH4釋放以擴散為主[3-4]. 近年來，很多學(xué)者在水庫中開展了定點24 h連續(xù)觀測或選取代表性點位監(jiān)測特定時段內(nèi)的擴散通量[5-6]，但這些監(jiān)測數(shù)據(jù)可能并不能準(zhǔn)確代表整個水庫，因為CH4擴散通量受當(dāng)?shù)厮臍庀髼l件的變化和溶解CH4濃度分布不均等諸多因素的影響，因此在時間和空間上有較大差異. 事實上，同一湖庫不同區(qū)域的溶解CH4濃度差異很大，單個湖庫一般存在水平和垂直的濃度梯度：一方面，沿岸沉積物可能成為表層水體溶解CH4的“源”，存在近岸帶與開闊水域的平流輸送[7-8]，支流中高濃度溶解CH4對開闊區(qū)水體的貢獻(xiàn)[9]，雨季陸源有機質(zhì)的輸入導(dǎo)致沿岸水體中溶解CH4濃度升高[10]；另一方面，沉積物持續(xù)向水體中擴散CH4，通常最接近沉積物的水層溶解濃度最高并累積在溫躍層以下[11-12]，在部分湖庫中也發(fā)現(xiàn)溶解CH4濃度峰值出現(xiàn)在溫躍層之上的情況[13-14]，原因可能是季節(jié)變化引起的水體摻混，能夠使溫躍層以下的溶解CH4向水面遷移[1]. 因此，研究水體中溶解CH4濃度的空間分布規(guī)律不僅是準(zhǔn)確估算其排放通量的關(guān)鍵，也是揭示湖庫中CH4形成機制的重要支撐.

以往對水體溶存CH4濃度的監(jiān)測通常使用頂空平衡等方法[15-16]，實驗過程相對耗時耗力，導(dǎo)致一定時間內(nèi)有限樣點、有限次數(shù)的監(jiān)測，且數(shù)據(jù)精度受實驗者主觀操作技能的影響較大. Xiao等新近研制的新型快速水-氣平衡裝置(FaRAGE)[17]極大縮短了響應(yīng)時間(t95%=12 s，包括溫室氣體分析儀的響應(yīng)時間)，且達(dá)到了誤差小于0.5%的測量精度，連接便攜式溫室氣體分析儀能夠?qū)崿F(xiàn)水中溶解CH4濃度的高頻連續(xù)監(jiān)測. 本文利用該裝置以宜昌市黃柏河流域內(nèi)的西北口水庫為例，走航式原位監(jiān)測水體溶解CH4濃度及水環(huán)境因子，初步探討河道型水庫溶解CH4濃度的分布規(guī)律和重要影響因子，以期為同類型水庫CH4排放的準(zhǔn)確估計及水庫溫室氣體模型的開發(fā)提供科學(xué)參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

西北口水庫位于湖北省宜昌市夷陵區(qū)境內(nèi)，系長江北岸一級支流黃柏河流域梯級開發(fā)的骨干工程，大壩類型為鋼筋砼面板堆石壩，最大壩高95 m，水庫總庫容2.1億m3，為大(2)型水庫，壩址以上承雨面積862 km2，多年平均徑流量3.88億m3(1)數(shù)據(jù)來源于宜昌市水利局..

本次實驗過程中，從庫首至庫尾選取了3個采樣點開展垂向監(jiān)測(圖1)，分別代表水庫中不同水深的區(qū)域.

圖1 西北口水庫監(jiān)測點分布Fig.1 Distribution of the sampling sites in the Xibeikou Reservoir

1.2 監(jiān)測方法

1.2.1 現(xiàn)場環(huán)境因子監(jiān)測 走航式監(jiān)測時將多參數(shù)水質(zhì)儀(HydrolabDS5，美國)固定在船的一側(cè)(水面以下20 cm)，船在航行過程中連續(xù)測定水溫、溶解氧濃度、pH、水深、葉綠素a濃度等水體理化因子；定點垂向監(jiān)測時將多參與潛水泵固定在一起用繩子從表層緩慢放到底層連續(xù)監(jiān)測.

1.2.2 水體溶解CH4濃度監(jiān)測 包括表層水體連續(xù)走航式監(jiān)測和典型斷面垂向監(jiān)測，水中溶解CH4濃度采用新型快速水-氣平衡裝置及方法[17]連接便攜式溫室氣體分析儀(Picarro G2201-i)連續(xù)測定. 當(dāng)進(jìn)行走航式監(jiān)測時，將水-氣平衡裝置的進(jìn)水口連接到水面以下20 cm處的潛水泵，從庫首開始向庫尾方向走“S”形航線連續(xù)取水，與此同時使用移動設(shè)備上的GPS軟件記錄船只移動過程的地理坐標(biāo)與時間. 斷面溶解CH4濃度的剖面監(jiān)測與多參數(shù)水質(zhì)儀分層監(jiān)測同步，整個實驗過程中均未擾動沉積物.

1.3 水-氣界面氣體擴散通量估算方法

采用薄邊界層法[18]計算水庫內(nèi)水-氣界面CH4擴散通量，其中表層濃度通過原位連續(xù)走航式監(jiān)測，風(fēng)速數(shù)據(jù)由黃柏河下游夷陵區(qū)氣象站提供.

1.4 數(shù)據(jù)分析和繪圖方法

采用Spearman相關(guān)系數(shù)分析表層溶解CH4濃度與水體各理化因子的相關(guān)性. 基于走航過程中連續(xù)監(jiān)測的溶解CH4濃度值和水環(huán)境因子，以及移動設(shè)備記錄船只航行過程的經(jīng)緯度值繪制表層水體溶解CH4濃度和環(huán)境因子空間分布圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 表層水體環(huán)境因子與溶解CH4濃度的分布特征

表層水體pH均值為8.2(7.3～9.2)，水庫水體呈弱堿性；電導(dǎo)率均值為475 μS/cm (470～485 μS/cm)，濁度均值為47.2 NTU(43.0～65.2 NTU)，葉綠素a濃度均值為2.83 μg/L(0.88～11.69 μg/L)，溶解氧濃度均值為8.81 mg/L(8.37～10.38 mg/L)(圖2a)，水溫范圍在9.85～12.03℃，壩前開闊水域的水溫變化不大，庫中至庫尾水溫逐漸降低(圖2b). 表層水體溶解CH4濃度平均值為0.079 μmol/L，從庫尾至庫首方向逐漸減小，最大值(0.233 μmol/L)出現(xiàn)在庫尾，最低值(0.039 μmol/L)在庫首(圖2c). 按深泓線每1 km為間距把水庫分為13段，然后計算相鄰段表層水體溶解CH4平均濃度的變化率，在距回水末端1和7 km處識別出兩個濃度變化的突變點，據(jù)此將表層溶解CH4濃度的變化分為3個部分：距回水末端1 km內(nèi)為濃度快速降低段，濃度范圍為0.117～0.233 μmol/L，水深為0.72～5.63 m；1～6 km內(nèi)為緩慢降低段，濃度范圍為0.055～0.117 μmol/L，水深為5.63～24.77 m；6～13 km范圍內(nèi)為濃度平穩(wěn)段，濃度范圍為0.039～0.080 μmol/L，水深為24.77～27.66 m.

圖2 西北口水庫表層水體溶解氧濃度(a)、水溫(b)和溶解CH4濃度(c)Fig.2 Dissolved oxygen concentration (a), water temperature (b) and dissolved CH4 (c) in surface water of the Xibeikou Reservoir

2.2 特征斷面水體環(huán)境因子與溶解CH4濃度的垂向分布特征

1#采樣點從水面到24.5 m水溫均值為(12.04±0.01)℃，24.5 m到底層水溫從12.02℃逐漸減小到11.70℃；溶解氧分布與水溫變化相似，從表層至24.5 m均值為(8.32±0.02) mg/L，從24.5 m至底層從8.35 mg/L逐漸減小到8.16 mg/L；電導(dǎo)率從表層至24.5 m變化不大，均值為481 μS/cm，從24.5 m至底層逐漸增大到488 μS/cm；濁度從表層74.0 NTU逐漸下降至底層73.0 NTU，溶解氧和葉綠素a濃度在水柱上變化不大，均值分別為8.31 mg/L和1.28 μg/L(圖3). 2#采樣點從水面到22.3 m水溫均值為(11.96±0.01)℃，22 m到底層水溫從11.95℃逐漸減小到11.41℃；溶解氧濃度從表層至22.3 m均值為(8.65±0.03) mg/L，從22.3 m至底層逐漸增加到8.93 mg/L；電導(dǎo)率從表層至24 m變化不大，均值為476 μS/cm，從24 m至底層逐漸增大到488 μS/cm；濁度從表層的62.5 NTU逐漸下降至底層的60.3 NTU，溶解氧和葉綠素a濃度在水柱上變化不大，均值分別為8.66 mg/L和1.92 μg/L(圖4). 3#采樣點水深僅4.76 m，垂向水體基本混勻，水溫、pH、電導(dǎo)率、溶解氧濃度和葉綠素a濃度均值分別為(11.51±0.01)℃、8.18±0.01、473 μS/cm、(9.09±0.03) mg/L和3.89 μg/L，濁度從表層的58.0 NTU緩慢下降到底層的56.5 NTU(圖5).

圖3 西北口水庫1#采樣點溶解CH4濃度及環(huán)境因子垂向分布Fig.3 Vertical distributions of dissolved CH4 concentration and environmental factors at sampling site 1# in the Xibeikou Reservoir

圖4 西北口水庫2#采樣點溶解CH4濃度及環(huán)境因子垂向分布Fig.4 Vertical distributions of dissolved CH4 concentration and environmental factors at sampling site 2# in the Xibeikou Reservoir

圖5 西北口水庫3#采樣點溶解CH4濃度及環(huán)境因子垂向分布Fig.5 Vertical distributions of dissolved CH4 concentration and environmental factors at sampling site 3# in the Xibeikou Reservoir

1#采樣點溶解CH4濃度從表層的0.035 μmol/L升高至底層的0.038 μmol/L，均值為(0.036±0.001) μmol/L，在12～17 m水深范圍濃度有較小波動. 2#采樣點溶解CH4濃度從表層的0.048 μmol/L升高到底層的0.053 μmol/L，均值為(0.049±0.001) μmol/L，1#和2#采樣點垂向CH4濃度在中上層變化均不明顯，而在底層逐漸升高，在庫底達(dá)到最大. 3#采樣點垂向溶解CH4濃度均值為(0.200±0.003) μmol/L，與1#、2#采樣點不同的是，從表層至水面下4 m處溶解CH4濃度從0.201 μmol/L緩慢升高到0.209 μmol/L，然后至庫底緩慢降到0.203 μmol/L.

3 討論

3.1 水庫溶解CH4濃度變化規(guī)律及主要影響因素

表層水體溶解CH4濃度與距回水末端的距離呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.81，P<0.01，表1)，觀測的西北口水庫上游天然河道的溶解CH4濃度為0.020 μmol/L，僅為庫尾最高濃度的十分之一，說明庫尾水體中溶存CH4以沉積物擴散為主. 庫尾常設(shè)有攔污網(wǎng)，天然河流匯入水庫后，大量來自上游的污染物被攔截累積在庫尾，劉佳等[19]在該水庫的監(jiān)測結(jié)果顯示沉積物中總磷含量從庫尾至庫首呈現(xiàn)遞減趨勢. 此外，作者在全年監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)庫尾淺水區(qū)水體的葉綠素a濃度均高于中下游的區(qū)域，其中秋季庫尾表層葉綠素a濃度高達(dá)32 μg/L，3#采樣點的底層溶解CH4濃度的高值很可能是由于多年來不斷沉積的藻類殘體成為被CH4菌還原的底物，增加了沉積物的CH4產(chǎn)量[20-21]. 事實上，河流入庫口及水體營養(yǎng)狀況已被指出是影響湖庫溶解CH4分布的一個關(guān)鍵因素，例如Borges等對Kivu湖的巡航觀測發(fā)現(xiàn)在同一湖泊中，小支流的溶解CH4濃度總比湖中心高[22]，Paranaíba等采用膜滲透方法對3個水庫的走航監(jiān)測發(fā)現(xiàn)每個水庫的河流流入?yún)^(qū)溶解CH4濃度均較高[16]，所以表層CH4濃度梯度很可能是淺水區(qū)較高濃度的溶存CH4沿河道向下游水體的水平擴散. 這種沿表層水體水平輸送而產(chǎn)生的空間差異在其他湖庫研究中也有報道，例如Pighini等監(jiān)測大小不同湖庫后發(fā)現(xiàn)，不同湖泊中岸邊水體溶解CH4總比湖中心高很多，通過同位素分析發(fā)現(xiàn)開闊水體的溶解CH4很多來自于淺水區(qū)沉積物[23]，F(xiàn)ernández等發(fā)現(xiàn)同一湖泊中表層水體溶解CH4的平均濃度和淺水區(qū)表面積/湖泊總面積呈顯著正相關(guān)關(guān)系，但與整個湖泊面積的相關(guān)性并不顯著[24].

以濃度變化為依據(jù)將水庫劃分為3個部分，其中濃度快速降低段(水深<5.63 m)的平均濃度是整個水庫平均濃度的2.16倍，但是其河道長度僅占整個水庫的2/13. 水深作為沉積物與表層水體連通性的表征，是衡量CH4原位產(chǎn)生及消耗的重要指標(biāo)[25]. 淡水湖泊中51%～80%的溶解CH4被氧化消耗[26]，溶解CH4濃度、溶解氧濃度及水溫等因素均會影響微生物在水體中的氧化效率. 本次調(diào)查中，表層溶解CH4濃度與水深呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.89，P<0.01，表1).氣泡擴散是水庫CH4釋放的常見方式，這些氣泡內(nèi)幾乎可以全部是CH4，也可以是CH4、氮氣、二氧化碳和氫氣的混合氣體. 3個采樣點底部溶解CH4濃度為1#<2#<3#，說明較高的靜水壓力(即水深)可能會減少沉積物的CH4氣泡的釋放量[27]，從而降低氣泡在上升的過程中與周圍水體的交換[28]，庫尾淺水區(qū)域較小的靜水壓力和受到風(fēng)浪和船只的擾動更容易產(chǎn)生氣泡[29-30]，這些氣泡在水柱中上升的過程中迅速和周圍水體進(jìn)行氣體交換而增加水體溶解CH4的量. 另一方面，比較3個斷面上溶解CH4濃度的變化過程，庫首和庫中底層溶解CH4濃度均在沉積物以上約4～5 m范圍內(nèi)呈線性減少，在中上層變化不大；水深越深，溶存CH4在水柱中擴散的過程中消耗量越高[31]，庫尾淺水區(qū)垂向水體摻混，底層溶解CH4通過水體對流更易交換到表層.

表層溶解CH4濃度與葉綠素a濃度之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.95，P<0.01，表1). 藻類新陳代謝過程中除了對沉積物有機質(zhì)的貢獻(xiàn)之外[32]，部分學(xué)者認(rèn)為富營養(yǎng)化水體中藍(lán)藻易將無機碳轉(zhuǎn)化為CH4，并通過甲基磷酸鹽的去甲基化產(chǎn)CH4[33]. 但是在國內(nèi)其他富營養(yǎng)化淡水水域的調(diào)查結(jié)果中溶解CH4濃度與本次冬季實驗的結(jié)果很相近(表2)，并且在國內(nèi)其他水庫的調(diào)查還發(fā)現(xiàn)了表層水體溶解CH4濃度與葉綠素a濃度的負(fù)相關(guān)關(guān)系[34]. 不同水體中，溶解CH4濃度受眾多水環(huán)境因素的共同影響，葉綠素a濃度是否是水體溶解CH4濃度的主要控制因素還需進(jìn)一步研究. 葉綠素a濃度能較好地表征淡水生態(tài)系統(tǒng)中浮游植物的數(shù)量和分布特征，浮游植物光合作用產(chǎn)生氧氣，其死亡后又能成為沉積物中發(fā)酵產(chǎn)生CH4的原料，所以表層溶解CH4濃度與溶解氧濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.97，P<0.01，表1).

表1 西北口水庫表層溶解CH4濃度、溶解氧與水體理化參數(shù)的相關(guān)性分析(N=1050)

表2 國內(nèi)外部分淡水生態(tài)系統(tǒng)溶解CH4濃度對比

“-”表示文獻(xiàn)中并未提及.

水庫水溫的高低及分布是由季節(jié)變化及其他自然因素共同影響的結(jié)果，水溫直接影響氣體溶解度及水柱上的對流模式，水庫在各個季節(jié)呈現(xiàn)完全不同的溫度分布，從而影響垂向水體的摻混程度及物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化. 本次調(diào)查中庫尾表層水溫最低值比庫首低2.18℃，3#采樣點底層水溫比1#采樣點底層水溫低2.53℃. 表層水體溶解CH4濃度與表層水溫呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.77，P<0.01，表1)，與以往湖泊和稻田的研究結(jié)論并不一致[35-36]. 天然湖泊與河道型水庫的區(qū)別在于湖泊邊界較為固定，邊緣受日照影響大，淺水區(qū)水溫比湖中深水區(qū)高；而山區(qū)河道型水庫的水溫分布不同，尤其是在冬季枯水期，支流基本枯竭，受上游來流和兩岸山體遮掩的影響，表層水溫表現(xiàn)出沿河道的縱向差異. 不少學(xué)者發(fā)現(xiàn)溶解CH4濃度與水溫呈正相關(guān)關(guān)系是因為水溫升高有利于增大沉積物的CH4產(chǎn)量[37]. 但本次實驗過程中我們發(fā)現(xiàn)，1#采樣點底層水溫高于3#采樣點底層水溫，而溶解CH4濃度的大小卻相反，可能是因為在冬季水溫較低的情況下，沉積物中產(chǎn)CH4菌對溫度的敏感性并不大. pH值與水體有機質(zhì)、微生物的分解和水生生物的代謝密切相關(guān)，是影響CH4產(chǎn)生和釋放的重要因素之一，但是本次實驗中，表層水體溶解CH4濃度與pH值相關(guān)性較小，在冬季可能是影響其分布的次要因素.

選取水深(h)或距回水末端的距離(L)作為影響水庫表層溶解CH4濃度(CCH4)分布的主要因子(0.17 m≤h≤27.66 m，L<12.9 km)，采用冪函數(shù)和對數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表3所示. 從擬合結(jié)果可以看出，以水深或距回水末端的距離為自變量的冪函數(shù)和對數(shù)函數(shù)關(guān)系式均能較好地呈現(xiàn)西北口水庫表層水體溶解CH4濃度的沿程分布規(guī)律.

表3 西北口水庫不同形式的表層溶解CH4濃度擬合關(guān)系式

3.2 水-氣界面CH4通量估算

以表層水體溶解CH4濃度變化的空間分區(qū)為依據(jù)，利用薄邊界層法在監(jiān)測地區(qū)當(dāng)月平均風(fēng)速(1.4 m/s)下估算3個區(qū)域內(nèi)水-氣界面的CH4擴散通量：濃度快速降低段的通量平均值為(0.023±0.004) mg/(m2·h)，緩慢降低段和濃度平穩(wěn)段的通量平均值分別為(0.012±0.003)和(0.007±0.001) mg/(m2·h). 濃度快速降低段的擴散通量分別是緩慢降低段和濃度平穩(wěn)段通量的1.92和3.29倍，但其河道長度僅占整個水庫的2/13，這意味著以往僅在開闊水域內(nèi)單一點位測量的通量數(shù)據(jù)，其研究結(jié)果可能低估了水庫的擴散通量. Li等[39]發(fā)現(xiàn)單位面積的水庫CH4排放量在非生物因素中與氣溫、水溫的相關(guān)性最為顯著，本次調(diào)查的水庫在冬季的擴散通量相較于國內(nèi)其他水庫的調(diào)查結(jié)果處于較低水平(表4)，可能是由于冬季沉積物中產(chǎn)CH4菌的代謝活性較低，并且枯水期水庫中水體停留時間相對較長，大量溶解CH4被氧化消耗，所以水-氣界面的擴散通量相對較低.

表4 國內(nèi)部分水庫水-氣界面CH4擴散通量對比

4 結(jié)論

為了探討河道型水庫溶解甲烷濃度的空間分布規(guī)律，利用新型快速水-氣平衡裝置(FaRAGE)連接便攜式溫室氣體分析儀對西北口水庫進(jìn)行走航式監(jiān)測及垂向監(jiān)測，主要結(jié)論如下：

1)表層水體溶解CH4濃度呈現(xiàn)出從庫尾至庫首逐漸降低的分布特征：距回水末端1 km內(nèi)為濃度快速降低段，溶解CH4濃度范圍為0.117～0.233 μmol/L；1～6 km內(nèi)為緩慢降低段，溶解CH4濃度范圍為0.055～0.117 μmol/L；6～13 km范圍內(nèi)為濃度平穩(wěn)段，溶解CH4濃度范圍為0.039～0.080 μmol/L.

2)水庫表層水體溶解CH4濃度與表層水溫、水深及距回水末端的距離呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.77、-0.89、-0.81；P<0.01)，與葉綠素a濃度、溶解氧濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.95、0.97；P<0.01). 以水深或距回水末端的距離為自變量給出的對數(shù)擬合和冪函數(shù)擬合公式能較好地表達(dá)西北口水庫表層溶解CH4濃度的分布規(guī)律.

3)當(dāng)月平均風(fēng)速下，濃度快速降低段的甲烷擴散通量分別是緩慢降低段和濃度平穩(wěn)段的1.92和3.29倍，其河道長度僅占整個水庫的2/13，說明庫尾淺水區(qū)域是甲烷釋放的“熱點”區(qū)域.