南寧市南湖濕地秋季水-氣界面溫室氣體(CO2/CH4)通量及其影響因子*

劉 勝,樊 璠

(南寧師范大學(xué) a.環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院；b.北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室;c.教育科學(xué)學(xué)院,廣西 南寧 530001)

全球變暖已經(jīng)是一個不爭的事實，而引起全球變暖最主要的因素就是“溫室效應(yīng)”，CO2和CH4是引起“溫室效應(yīng)”的兩種主要溫室氣體，兩種氣體對溫室效應(yīng)的貢獻分別為70%和23%[1]。濕地是溫室氣體重要排放源，受全球變暖影響，濕地中儲存的碳可能以CO2和CH4的形式排放到大氣中，對全球變暖形成正反饋。目前國內(nèi)外學(xué)者對濕地CO2/CH4排放的研究多集中于自然濕地，如沼澤[2]，湖泊[3]，泥炭地[4]，河口三角洲[5]等，且多位于高緯、高山、低溫地區(qū)，對低緯度地區(qū)尤其是南亞熱帶地區(qū)濕地碳循環(huán)的研究亟待加強。同時濕地溫室氣體的排放存在很大的不確定性，這種不確定性主要來源于不同區(qū)域不同類型濕地溫室氣體的排放強度，空間格局(緯度或區(qū)域分布)，時間變異以及排放數(shù)據(jù)的缺乏[6-8]，所以有必要加強對數(shù)據(jù)缺乏地區(qū)濕地溫室氣體排放時空變異的研究。

城市濕地是指城市區(qū)域之內(nèi)的海岸與河口、河岸、淺水湖沼、水源保護區(qū)、自然和人工池塘以及污水處理廠等具有水陸過渡性質(zhì)的生態(tài)系統(tǒng)，是一種特殊的濕地類型[9]。城市濕地不同于自然濕地，受到人為因素的干擾和管理[10]，可能會影響城市濕地溫室氣體的排放。此外,近年來我國興起建設(shè)濕地公園的熱潮[11]，我國城市濕地公園數(shù)量逐年增多，引起社會的關(guān)注，如果管理不當，會導(dǎo)致城市濕地排放更多的溫室氣體。從城市濕地溫室氣體排放的角度，加強城市濕地溫室氣體排放及其影響因素的研究成為一個新型的課題。

目前國內(nèi)外學(xué)者對濕地碳交換進行了大量研究，這些研究主要集中在濕地溫室氣體排放的時空變化及其影響因子方面，并取得了一系列研究成果。以濕地CH4排放為例，全球CH4排放最活躍的地區(qū)是泥炭沼澤分布的北緯40～70°的溫帶和北方地區(qū)，以及森林沼澤分布的10 °N～10 °S之間的熱帶地區(qū)，各占全球CH4排放量的 40%，其中北方沼澤占全球CH4排放總量的18%～38%[12]。研究表明，大氣甲烷排放的2/3來自(亞)熱帶地區(qū)，尤其是(亞)熱帶濕地[13]。同時CH4的排放具有明顯的日變化和季節(jié)變化[14]。在前人研究的基礎(chǔ)上，Xiao等[15]完成了全國濕地碳平衡的初步估算。但對于我國南亞熱帶地區(qū)濕地溫室氣體排放的研究相對缺乏，Nature最新研究表明中國西南(云南、貴州、廣西)地區(qū)碳匯被低估，西南地區(qū)每年產(chǎn)生碳匯3.5億t，約占全國陸地碳匯的31.5%[16]。進行不同類型濕地的CO2/CH4通量以及影響因子的觀測，是準確評估中國濕地CO2/CH4排放量以及碳匯的關(guān)鍵。研究表明溫度、水文條件和空氣氣壓控制著甲烷排放的日變化和季節(jié)變化，而水文條件和溫度則解釋了甲烷排放在微觀和宏觀尺度上的空間變異[17]，同時溫度、水位和基質(zhì)質(zhì)量(Substrate availability)被認為是影響濕地土壤CO2/CH4釋放最重要的三個因子[18-20]。盡管目前對濕地碳交換過程各種潛在的影響因子比較清楚，但不同濕地類型碳交換過程的主要控制因子是否存在差異，以及各種影響因子之間存在怎樣的交互作用還有待于進一步研究。

城市濕地是陸地濕地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成部分。目前，世界上有超過1/2的人口居住在城市，預(yù)計2050年將達到2/3。城市化趨勢導(dǎo)致全球淡水發(fā)生了重大改變——“城市水體綜合癥”：較高的營養(yǎng)和污染負荷、連通性改變、集水區(qū)表面不透水、河岸硬化及河道改變等癥狀。城市水體的溫室氣體排放必然對這些變化做出響應(yīng)，然而，城市淡水CH4排放的經(jīng)驗數(shù)據(jù)很少，既沒有包括在全球排放預(yù)算中，也沒有系統(tǒng)評估城市所有潛在CH4排放源。國外學(xué)者Ortega[21]對德國首都柏林湖泊、河流、溪流、池塘甲烷排放的速率和驅(qū)動因素進行了研究，發(fā)現(xiàn)池塘是甲烷排放的熱點，多種因素聯(lián)合控制著城市水體甲烷的排放，Martinez-Cru[22]對墨西哥城城市水體甲烷排放進行了研究，發(fā)現(xiàn)城市化引起水質(zhì)指標的變化是影響水體甲烷排放的重要因素，國內(nèi)Yu[23]和Wang[24]分別對上海和重慶市的城市河流溫室氣體排放進行了研究，發(fā)現(xiàn)城市化增加了河流的CO2/CH4排放。城市化直接或間接的影響了濕地的溫室氣體排放，南亞熱帶城市濕地溫室氣體排放形式如何？影響因子又是什么？這些問題仍然不是很清楚。

本研究以南亞熱帶南寧市內(nèi)最大城市濕地南湖為研究對象，通過漂浮靜態(tài)箱-氣相色譜法對秋季南湖水氣界面溫室氣體CO2/CH4通量進行了觀測，并對相關(guān)影響因子進行了分析，估算該城市秋季濕地溫室氣體排放量并與其他濕地類型進行比較，為控制城市濕地溫室氣體排放、建設(shè)低碳城市提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

南寧地處北回歸線南側(cè)，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。南湖(22°48′51″N，108°21′18″E)位于南寧市中心區(qū)，是南寧市城區(qū)內(nèi)最大的城市景觀濕地，湖面呈東北-西南走向的狹長型；全湖由南湖九拱橋和南湖大橋自西向東人為劃分為上湖、中湖、下湖三個湖段。整個湖面長3.8 km，寬250～380 m，面積107 hm2，平均水深1.5 m，湖面容積約為1.8×106m3[25]。

南湖近岸區(qū)會有水生植物分布，甲烷排放較高[20]，但是由于湖泊面積寬廣，湖心面積非常大，若以近岸區(qū)的CH4通量代表整個湖泊CH4通量將會過高估計湖泊水體對大氣CH4的貢獻[26]，因此將采樣點主要選擇在湖泊的湖心區(qū)。

在南湖湖心設(shè)置采樣點，并設(shè)置了4個重復(fù)，實驗于2019年11月16日-2020年1月18日(秋季)進行，

1.2 樣品采集和分析方法

1.2.1 氣體樣品的采集和分析

本實驗采用漂浮靜態(tài)暗箱-氣象色譜法監(jiān)測南湖濕地秋季CO2/CH4排放特征。在監(jiān)測開始前，將特制的汽車內(nèi)胎緩慢放到水面，使之在水面漂浮起來，再把頂部密封，底部中通的圓柱形暗箱，放入輪胎中部的圓形鋼槽中，并用水充滿鋼槽，阻隔空氣進入箱體，這個過程盡量減少水面的攪動。實驗中為避免箱體晃動飄走，所以在底部內(nèi)胎系上繩索，在監(jiān)測期間固定繩子。

采樣頻率為每周一次，每次采樣時間為上午9：00-11：00。準備采樣前，先把箱體頂部排氣口和開關(guān)打開排氣一分鐘，之后用透明的細長橡膠管，連接箱體頂部的排氣口與進氣口混氣一分鐘，混氣結(jié)束后把排氣口和開關(guān)關(guān)閉，然后用100mL的注射器從進氣口中采集第一個樣品(80mL)，收集到0.1升的真空鋁箔采樣袋中，并在氣袋上注明采樣點信息、采樣時間，然后放在不透光的箱子中進行儲存。每隔十分鐘進行一次采樣，每個監(jiān)測點采集四個氣體樣品，四個監(jiān)測點每次共采集16個氣樣。同時在現(xiàn)場記錄當日的氣溫、采樣點的水溫、箱內(nèi)溫度、風(fēng)速等。采集的氣體樣品 24小時內(nèi)用氣相色譜儀(Agilent 4890D,Agilent Technologies,USA)分析。CO2/CH4通量計算式為[27]：

式中：F:CO2/CH4的排放通量 mg/(m2·h)；ρ:在標準狀況下1摩爾CO2/CH4的密度；dc/dt:CO2/CH4濃度隨時間變化率；H:箱內(nèi)頂部到水面的高度(cm)；T:靜態(tài)箱內(nèi)的溫度(℃)。

1.2.2 水化學(xué)指標的采集和分析

現(xiàn)場采用有機玻璃采水器(CG-0025L-JG,Grasp,China)，采樣深度為水面以下50cm。水體pH用pH 計(PH-100,Li Chen,China)測定。水體電導(dǎo)率用電導(dǎo)率儀(DDS-307A,INESA Scientific Instrument,China)測定。水體溶解氧用溶解氧測定儀(JPB-607A,INESA Scientific Instrument,China)測定。水樣中的總氮、總磷、氨氮、硝態(tài)氮指標的測定參考《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》[28]。水體中葉綠素a(chla)含量經(jīng) 90%熱乙醇提取后用分光光度法測定。溶解性無機碳(DIC,主要是HCO3-)用堿度試劑盒(德國 Merck 公司)滴定，滴定精度為0.01 mg/L；溶解性有機碳(DOC)將水樣過0.45μm濾膜后用總有機碳分析儀(Multi N/C 2100,Analytik Jena AG,Germany)。溶解性總氮(DTN)、溶解性總磷(DTP)采用堿性過硫酸鉀法測定。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

相關(guān)分析選擇Pearson相關(guān)分析，逐步多元線性回歸分析被用來分析影響CO2/CH4排放通量的影響因子。所有統(tǒng)計分析用SPSS 20.0 (SPSS Institute Inc.,Chicago,IL,USA)軟件完成，繪圖用Sigma Plot 11.0 program (Systat Software,Inc.,San Jose,CA,USA)完成，顯著性水平設(shè)定為ɑ=0.05。文中數(shù)據(jù)均為平均值±標準差，n=4。

2 結(jié)果

2.1 南湖秋季水體基本理化性質(zhì)

南湖秋季平均水溫為19.04±2.86°C，溶解氧平均值為6.25±0.76mg/L，電導(dǎo)率平均值為157.6±23.9μs/cm，水體pH為7.99±0.29，溶解性無機碳(HCO3-)為1.55±0.2mmol/L，溶解性有機碳(DOC)為3.07±1.04mg/L，總氮、總磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮分別為1.08±0.21 mg/L,0.13±005 mg/L,0.27±0.05 mg/L，0.54±0.12 mg/L，溶解性總氮(DTN)、溶解性總磷(DTP)分別為0.84±0.09 mg/L，0.08±0.04 mg/L，葉綠素a為2.14±0.77 mg/m3。

2.2 南湖濕地秋季水-氣界面CO2/CH4變化

南湖濕地秋季水-氣界面CO2通量在 2019年11月16日達到最大，為248.58±520.11 mg CO2/(m2·h)，于2019年11月30日達到最低值，為-997.97±29.43 mg CO2/(m2·h)，南湖秋季水-氣界面CO2平均通量為-184.73±400.14mg CO2/(m2·h)，整體為大氣CO2的匯(圖1)。

圖1 南湖濕地秋季水-氣界面CO2變化 圖2 南湖濕地秋季水-氣界面CH4變化

南湖濕地秋季水-氣界面CH4通量在2020年1月11日達到最大，為5.93±5.42 mg CH4/(m2·h)，于2019年11月16日達到最低值，為-0.85±1.39 mg CH4/(m2·h)，南湖秋季水-氣界面CH4平均通量為0.96±2.2mg CH4/(m2·h)，整體為大氣CH4的源(圖2)。

2.3 南湖濕地秋季水-氣界面CO2/CH4和水化學(xué)指標的關(guān)系

Pearson 相關(guān)分析顯示南湖水氣界面CO2通量和水體溶解性無機碳有極顯著的負相關(guān)(P<0.001)(圖3)，水氣界面CH4通量和溶解性總磷具有極顯著的正相關(guān)(P<0.001)(圖4)。逐步多元回歸分析表明，南湖水氣界面CO2通量=1383.916-1019.2×(HCO3-)，F(xiàn)=17.094，R2=0.335，P<0.001，水體溶解性無機碳是影響南湖秋季水氣界面CO2通量的重要影響因子，單獨解釋了CO2通量的33.5%；南湖水氣界面甲烷通量=-2.677+42.789×(DTP)，F(xiàn)=21.737，R2=0.39，P<0.001，溶解性總磷是影響南湖秋季水氣界面CH4通量的重要影響因子，其單獨解釋了CH4通量的39%。南湖水氣界面CO2/CH4通量和DOC、葉綠素a等其他水化學(xué)指標均無顯著相關(guān)性(P>0.05)。

圖3 南湖水氣界面CO2通量和無機碳的相關(guān) 圖4 南湖水氣界面CH4通量和溶解性總磷的相關(guān)性

3 討論

3.1 南湖濕地CO2/CH4通量和其他地區(qū)比較

將本研究同國內(nèi)外其他研究進行比較(表1)，南湖濕地秋季CO2呈吸收狀態(tài)，不同于鄱陽湖、三江平原的CO2排放狀態(tài)[29-31]，也低于中國以及全球的CO2通量值[7,32]，但和同緯度的廣州海珠湖濕地以及北京順義區(qū)的Chaobai河相比，CO2通量均呈吸收狀態(tài)[10,33]。南湖濕地秋季CH4通量為大氣的“源”，CH4通量低于福建人工濕地、鄱陽湖、三江平原、芬蘭、美國佛羅里達州城市濕地公園、澳大利亞昆士蘭水庫以及中國湖泊的CH4排放通量[7,20,30,31,34-37]，高于廣州海珠湖、三峽水庫、以及全球湖泊的甲烷排放量[38-40]，這些差異可能跟氣候、植被、水化學(xué)指標等有關(guān)，非常復(fù)雜。

表1 南湖濕地CO2/CH4通量和其他地區(qū)比較

南寧地處亞熱帶南緣，根據(jù)氣溫及物候現(xiàn)象，南寧市無冬季[41]，本研究在南寧秋季進行，因此對南湖秋季水氣界面CO2/CH4通量的測定可得知水體含碳氣體排放的下限，進而為準確估算水體溫室氣體的排放奠定堅實基礎(chǔ)?？紤]到在100年的時間尺度上CH4的增溫潛式為CO2的34倍[7]，以秋季南湖CO2/CH4排放通量為基準，經(jīng)估算南湖濕地秋季共固定249.96t CO2當量的含碳溫室氣體。

3.2 南湖濕地CO2/CH4通量的影響因素

本研究表明，南湖秋季水體溶解性無機碳含量是影響水氣界面CO2通量最重要的影響因子。一般而言，在軟水湖泊水氣界面CO2的排放主要受湖泊新陳代謝的影響，即由于受到外源有機碳的輸入，湖泊生態(tài)系統(tǒng)的呼吸作用超過了生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力，導(dǎo)致了湖泊CO2的超飽和和CO2的大量排放[42,43]。但是在硬水(或巖溶水)湖泊中，陸源無機碳的輸入可能會影響湖泊CO2的排放[44,45]，地表水和地下水中CO2的輸入以及碳酸鹽的沉淀所產(chǎn)生的CO2會影響湖泊的新陳代謝過程，進而會影響整個湖泊的凈CO2排放[45]。Finlay等[46]對加拿大 Saskatchewan省六個硬水湖泊的CO2排放研究發(fā)現(xiàn)，由于受到可溶性無機碳輸入的影響，其CO2排放要高于大多數(shù)北方湖泊；Knoll等[47]對美國Ohio州兩個巖溶水庫研究發(fā)現(xiàn)，盡管巖溶水庫是大氣CO2的排放源，但整個水庫仍是凈自養(yǎng)狀態(tài)，這是因為巖溶水庫CO2的通量受到可溶性無機碳的影響。如果可溶性無機碳的輸入過高，CO2的排放將取決于流域無機碳的輸入，而湖泊的代謝作用將扮演一個次要角色。本研究中南湖濕地CO2通量和水體溶解性無機碳達到極顯著相關(guān)關(guān)系，可能是碳酸鹽巖礦物的溶解與沉淀影響了南湖濕地秋季CO2的排放。本研究發(fā)現(xiàn)南湖水氣界面CO2/CH4通量和DOC、葉綠素a均無顯著相關(guān)性(P>0.05)，證明了有機質(zhì)的礦化和藻類的新陳代謝活動均不是影響南湖秋季水氣界面CO2/CH4通量的因素[48]。本研究中溶解性總磷是影響南湖秋季水氣界面CH4通量的重要影響因子，氮磷營養(yǎng)鹽是浮游植物主要的營養(yǎng)源，其促進了浮游植物的生長，為湖泊甲烷的生成提供了底物。

4 結(jié) 語

本研究表明南湖秋季整體為大氣CO2的匯，水體溶解性無機碳是影響南湖秋季水氣界面CO2通量最重要的影響因子，這和大多數(shù)地區(qū)湖泊水-氣界面溫室氣體排放通量的主要調(diào)控環(huán)境因子為“溫度”明顯不同。另外本研究只是進行了秋季的觀測，在其他季節(jié)，甚至更長時間(年際尺度)，南湖是否為大氣CO2的匯？CO2排放的影響因子是否會發(fā)生變化還需要進一步的驗證，同時增加溫室氣體排放觀測頻率。本研究表明南湖濕地是大氣CH4的源，溶解性總磷是影響南湖秋季水氣界面CH4通量最重要的影響因子，意味著以后在城市濕地的管理中要注意加強水體磷的控制，減少甲烷的排放。