徐琳琳，李 哲，李 翀，陳永柏，郭勁松，肖 艷

(1：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶400044)(2：中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院水庫水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400714)(3：中國長江三峽集團(tuán)，北京 100038)

三峽澎溪河高陽平湖碳通量初步分析及不確定性

徐琳琳1,2，李 哲2,3，李 翀3，陳永柏3，郭勁松2，肖 艷2

(1：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶400044)(2：中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院水庫水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400714)(3：中國長江三峽集團(tuán)，北京 100038)

為明確三峽水庫支流澎溪河回水區(qū)的碳收支特征，以澎溪河高陽平湖水域?yàn)檠芯繉ο?，建立了河道型水庫主要路徑碳收支估算方法，對高陽平湖?011年9月至2012年8月一個完整水文周年內(nèi)主要路徑的碳通量進(jìn)行了收支動態(tài)分析. 結(jié)果表明,2011年9月至2012年8月，澎溪河高陽平湖水域河流輸入的碳通量為133548.55 t C，輸出的碳通量為125651.82 t C，水-氣界面的擴(kuò)散碳通量為762.56 t C，消落帶土-氣界面的擴(kuò)散碳通量為123.74 t C，水中氣泡的釋放碳通量為0.38 t C，降水輸入的碳通量為104.58 t C，全年高陽平湖水域碳的凈積累量為7114.63 t C，宏觀上呈現(xiàn)碳積累特征；澎溪河高陽平湖水域水體碳素總體上呈現(xiàn)出河道型水庫特有的縱向輸移特征. 高陽平湖水域上游大量碳素的輸入及其在高陽平湖水域的滯留可能會是該水域水-氣界面溫室氣體釋放的主要來源. 盡管總體上高陽平湖全年呈現(xiàn)出碳積累的特點(diǎn)，但一些方法依然存在不確定性(水-氣界面擴(kuò)散碳通量和氣泡釋放碳通量的時空異質(zhì)性等), 需要更系統(tǒng)、更長期的工作予以驗(yàn)證或改進(jìn).

三峽水庫；澎溪河；高陽平湖；碳；空間分布；收支動態(tài)

河流通常是水體碳素在陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋間的轉(zhuǎn)換過渡區(qū)域，其輸送的溶解態(tài)物質(zhì)和顆粒態(tài)物質(zhì)占陸地向邊緣海洋傳輸量的90%，在全球碳循環(huán)中有著舉足輕重的作用[1-3]. 筑壩蓄水對河流碳輸送產(chǎn)生了顯著影響，是近年來全球變化研究的熱點(diǎn)之一[4-5]. 盡管如此，目前對水庫碳收支的研究依然有限，大部分研究以湖泊為對象開展. Hope等在研究美國威斯康辛州27個湖泊中發(fā)現(xiàn)湖泊水體中的CO2含量與流域及湖泊面積的比值有明顯的正相關(guān)關(guān)系，說明流域輸入是湖泊水體中碳素的主要來源[8]. Richey等對湖泊系統(tǒng)的碳路徑進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)湖泊除了從地表徑流和地下水源獲得碳以外，同時還能從上空物質(zhì)中獲得碳[9-10]. Keller等在對Gatun水庫進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，以氣泡釋放形式擴(kuò)散的CO2和CH4通量范圍分別為500～1000和5～10 mg/(m2·d)[11]. Duchemin等對加拿大寒帶地區(qū)水庫的溫室氣體釋放通量進(jìn)行了為期兩年的研究，橫向?qū)Ρ攘怂畮鞙厥覛怏w的監(jiān)測方法，并通過對水庫的長年跟蹤監(jiān)測，構(gòu)建了水庫溫室氣體的估算評價體系[12]. 嵇曉燕等利用靜態(tài)箱法對太湖地區(qū)四季的水-氣界面CO2通量的季節(jié)變化特征進(jìn)行了研究[13].

目前國內(nèi)研究大多只關(guān)注水庫水-氣界面CO2和CH4溫室氣體的通量特征，或從某單一方面研究溫室氣體的通量. 從水庫關(guān)鍵界面碳通量和碳收支的角度來揭示筑壩蓄水對碳生物地球化學(xué)過程的影響，目前鮮有報道. 本研究以三峽水庫典型支流澎溪河高陽平湖水域?yàn)檠芯繉ο?，在高陽平湖關(guān)鍵界面碳通量觀測基礎(chǔ)上，對其碳收支進(jìn)行初步分析，研究將為下一階段開展水庫碳循環(huán)模型研究奠定前期基礎(chǔ).

1 材料與方法

高陽平湖水域(圖1)地處澎溪河下游永久回水區(qū)中部，具有類似湖泊的地貌環(huán)境及水文水力特征. 受水庫運(yùn)行影響，在三峽水庫季節(jié)性水位漲落下呈現(xiàn)出“淺水湖泊-深水湖泊”的交替變化特征，在庫區(qū)中段支流回水區(qū)或庫灣中具有典型性和代表性. 研究時間為一個完整水文周年(2011年9月-2012年8月)，共設(shè)置高陽平湖入口、湖心、出口、庫灣平臺(含消落帶)4個采樣點(diǎn)(圖2)，逐月開展跟蹤觀測.

圖1 澎溪河高陽平湖位置Fig.1 Backwater area of Pengxi River and Lake Gaoyang

圖2 高陽平湖采樣點(diǎn)位置Fig.2 Location of sampling sites in Lake Gaoyang

從水庫生態(tài)系統(tǒng)外部來看，水體碳素的遷移過程主要包括河流輸送、水-氣界面氣體擴(kuò)散、土-氣界面氣體擴(kuò)散、氣泡釋放以及降水輸送等(圖3). 作為一個獨(dú)立的系統(tǒng)，本研究著重考慮了出入系統(tǒng)各關(guān)鍵界面的碳通量情況，而關(guān)于系統(tǒng)內(nèi)部的一些過程則并不予考慮，主要原因有以下幾個方面：

1)藻類初級生產(chǎn)(光合固碳)和細(xì)菌降解作用(好氧產(chǎn)生CO2、厭氧產(chǎn)生CH4)，均將調(diào)節(jié)改變水體中的CO2或CH4濃度，并最終通過水-氣界面氣體交換予以實(shí)現(xiàn). 水-氣界面靜態(tài)箱法所測試的CO2和CH4通量值(正值代表水體向大氣釋放；負(fù)值代表水體從大氣吸收)，既包含了藻類光合呼吸導(dǎo)致的CO2吸收，也包括了水體中因細(xì)菌降解等向大氣釋放的CO2和CH4. 不僅是水體中CO2和CH4源、匯“雙向”過程匯總后的一個表觀結(jié)果，也是水體和大氣中CO2、CH4濃度相互關(guān)系的表現(xiàn).

2)本研究中測試的河流輸入、輸出部分，包含了泥沙的輸入、輸出，關(guān)于泥沙(含碳)在高陽平湖內(nèi)沉積，研究認(rèn)為該部分屬于系統(tǒng)內(nèi)部碳在高陽平湖中積累的結(jié)果.

圖3 高陽平湖水域水體碳素遷移過程示意Fig.3 Sketch of water carbon migration process of Lake Gaoyang

進(jìn)一步將該收支方案進(jìn)行概化或簡化：

1)高陽平湖控制斷面(高陽平湖入口至其出口斷面)水域面積大約為3～4 km2，近岸高陽鎮(zhèn)場鎮(zhèn)污水收集后排至該水域下游. 故在對高陽平湖碳收支的初步估算中，近岸場鎮(zhèn)點(diǎn)源對該水域的碳輸入可忽略不計.

2)高陽平湖為典型的過水型湖泊，其控制斷面的流域面積僅為5～6 km2，流域面積相對較小，沿岸并無大面積農(nóng)田耕作，且空間邊界為175 m水位線(包含了低水位運(yùn)行期時消落帶所帶來的碳輸入)，因此研究認(rèn)為相對于河流縱向輸送，175 m水位線以上區(qū)域的面源所帶來的碳輸入可忽略. 故對高陽平湖碳收支的初步估算中，暫不涉及面源所帶來的碳輸入.

3)本研究對消落帶土-氣界面進(jìn)行了監(jiān)測，但消落帶在裸露期間可能因陸生植被恢復(fù)出現(xiàn)碳匯，植被在受淹后可能被降解，對水-氣界面CO2、CH4通量有所貢獻(xiàn). 受實(shí)驗(yàn)條件所限，因植被恢復(fù)期間出現(xiàn)碳匯部分并未予以考慮. 而植被受淹后可能降解并對水-氣界面CO2、CH4的貢獻(xiàn)量研究認(rèn)為已經(jīng)隱含在水-氣界面CO2、CH4的監(jiān)測結(jié)果中，故并不予以額外單獨(dú)計算.

故主要針對上述5個主要碳路徑對高陽平湖水域進(jìn)行碳收支估算和分析.

現(xiàn)場測試分析指標(biāo)包括：采用YSI?63型pH測量儀測定水體pH值(精度0.01個pH); 采用YSIProODO溶解氧儀測定水溫及溶解氧(DO)(精度分別為0.1℃和0.01 mg/L)；堿度(TA)采用HACH公司的微量滴定器及標(biāo)準(zhǔn)硫酸溶液現(xiàn)場滴定(精度為1.25 μl)；現(xiàn)場還測定風(fēng)速、氣溫等. 現(xiàn)場采樣結(jié)束后, 將各斷面水樣帶回實(shí)驗(yàn)室于48 h 內(nèi)完成其他指標(biāo)的分析測試工作.

1.1 河流輸送碳通量

將高陽平湖水域看作一個整體，水體碳素的河流輸送包括河流輸入和河流輸出兩條路徑. 上游水體中的碳素通過河流輸入進(jìn)入高陽平湖，高陽平湖中的碳素又通過河流輸出流向下游，兩者的差值即為高陽平湖水域在河流輸送過程中輸入或輸出的水體碳素通量. 通過公式計算，即可估算出高陽平湖水域每個月河流輸送過程中所產(chǎn)生的碳通量. 本研究中，高陽平湖入口和出口采樣點(diǎn)均設(shè)置3個平行采樣斷面，每個月的采樣深度根據(jù)實(shí)際水深而確定，對各采樣深度水樣進(jìn)行等量混合后完成測試工作，然后取3個平行斷面的平均值作為河流輸送和輸出碳通量.

G1=86400Q1·C1·t

(1)

式中，G1為河流輸送碳通量(g)，Q1為河流流量(m3/s)，C1為水體碳素平均濃度(mg/L)，t為采樣月份的天數(shù)(d).

河流輸入、輸出中的總碳量等于溶解性無機(jī)碳(DIC)、溶解性有機(jī)碳(DOC)和顆粒態(tài)碳(PC)三者之和(即：TC=DIC+DOC+PC). DIC濃度現(xiàn)場滴定，DOC濃度采用Shimazu?TOC-V總碳分析儀(精度為1.5%以內(nèi))測定, PC和顆粒有機(jī)碳(POC)濃度采用EuroVector?, EA3000元素分析儀 (精度為0.05%～0.15%)測定. 采集的原水通過450℃預(yù)燃燒4 h的Whatman?GF/F膜，濾液存放于玻璃管中，加入飽和氯化汞溶液于0～4℃低溫保存，用于DOC濃度的測定；所得濾膜一式兩份，一份用于PC濃度的測定，另一份用1 mol/L的鹽酸酸化以去除顆粒無機(jī)碳(PIC),并用蒸餾水清洗3次，用于POC濃度的測定. 兩份濾膜均烘干至恒重放于封口袋中，-20℃冷凍保存，一周內(nèi)完成分析. 研究期間，每月定時在高陽平湖入口和出口采樣點(diǎn)采集水樣，測試碳濃度，分別代表河流輸入和輸出的碳濃度.

由于在高陽平湖水域沒有獨(dú)立的水文站測定水文數(shù)據(jù)，以溫泉水文站為參考點(diǎn)來推算高陽平湖水域河流流量值. 溫泉水文站控制流域面積為1241.1 km2，而高陽平湖水域控制流域面積約為4820 km2. 根據(jù)兩個斷面的控制流域面積，即可簡單推算出高陽平湖水域的河流流量[16]：

Q1=3.875Q0

(2)

式中，Q0為溫泉水文站河流流量(m3/s).

1.2 水-氣界面氣體擴(kuò)散碳通量

研究將高陽平湖劃分為3部分，高陽平湖入口、湖心和出口3個采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)分布代表這3部分的水-氣界面氣體擴(kuò)散通量. 通過公式計算即可估算出水-氣界面溫室氣體(CO2和CH4)擴(kuò)散碳通量：

(3)

式中，G2為水-氣界面氣體擴(kuò)散碳通量(g)；Fluxj為各采樣點(diǎn)的擴(kuò)散通量(mg/(m2·h))；Sj為各采樣點(diǎn)的水域面積；j=1、2、3分別代表高陽平湖入口、湖心和出口采樣點(diǎn).

采用浮箱法監(jiān)測水-氣界面氣體擴(kuò)散碳通量. 研究采用改良型靜態(tài)箱進(jìn)行野外監(jiān)測，其箱體材料為聚乙烯塑料，外觀為長方體，外部有隔熱保溫包裹. 改良型靜態(tài)箱三邊尺寸為長×寬×高=450 mm×350 mm×150 mm，箱內(nèi)設(shè)有風(fēng)扇用來混勻氣體，同時還設(shè)有感溫探頭用來測量箱內(nèi)溫度，每一采樣點(diǎn)均設(shè)置兩個靜態(tài)箱. 采氣全程時間為10 min，采樣間隔2 min，每個采樣點(diǎn)共取氣6次. 采樣時用針筒抽取靜態(tài)箱內(nèi)氣體100 ml，注入鋁箔采氣袋后保存，在48 h內(nèi)使用Agilent GC 7820氣相色譜儀完成氣體濃度分析測試，并通過模型公式[17]計算得到水-氣界面氣體(CO2和CH4)擴(kuò)散碳通量：

(4)

式中，k為測試氣體濃度變化斜率(mg/(L·s))；P為監(jiān)測時的大氣環(huán)境壓力(kPa)；F1為分鐘到小時的轉(zhuǎn)換系數(shù)，60；F2為ppm到μg/m3的轉(zhuǎn)換系數(shù)；V2為靜態(tài)箱內(nèi)空氣體積(L)；SP為標(biāo)準(zhǔn)大氣(101.325 kPa)；T為氣溫(℃)；S2為靜態(tài)箱所覆蓋水面面積(m2).

依據(jù)高陽平湖水域水下地形圖，選取175 m水位線為空間邊界面，以在邊界面上到兩個采樣點(diǎn)間距離相同點(diǎn)的連線為劃分邊界，對整個高陽平湖進(jìn)行劃分. 通過劃分后測量計算，高陽平湖入口、湖心和出口3個采樣點(diǎn)分別代表了高陽平湖22%、57%和21%的水域面積. 考慮到三峽水庫調(diào)蓄作用將引起水位的變化，將高陽平湖水域面積同水位進(jìn)行回歸分析，即可通過水位高低來推算出高陽平湖水域面積.

1.3 土-氣界面氣體擴(kuò)散碳通量

受三峽水庫調(diào)蓄的影響，在夏季低水位運(yùn)行期，高陽平湖水域會在175 m水位線以下形成大片近岸消落帶區(qū)域. 土壤中含有豐富的有機(jī)碳，土-氣界面溫室氣體的擴(kuò)散同樣也是碳收支路徑中重要環(huán)節(jié). 通過公式即可估算出高陽平湖水域近岸消落帶土-氣界面溫室氣體擴(kuò)散碳通量：

(5)

式中，G3為土-氣界面氣體擴(kuò)散碳通量(g)；S3為采樣月份的消落帶面積.

在2012年3-8月夏季低水位運(yùn)行期對近岸消落帶土-氣界面溫室氣體擴(kuò)散通量進(jìn)行監(jiān)測，綜合考查后，采樣點(diǎn)選擇在高陽平湖水域李家壩處近岸消落帶區(qū)域. 每月在高陽平湖水域消落帶中選取3種不同類型土地性質(zhì)(草地、花生地和玉米地)的采樣點(diǎn)，采用靜態(tài)箱法,采樣時間均設(shè)置在上午11：00左右. 采樣提前2 d在采樣點(diǎn)處埋設(shè)靜態(tài)箱底座，使其適應(yīng)周圍土壤環(huán)境，采樣時采用水封法保證靜態(tài)箱內(nèi)密封完全，每一采樣點(diǎn)均設(shè)置兩個靜態(tài)箱. 分別采集0、10、20和30 min共4次樣品，采樣時用針筒通過三通閥抽取靜態(tài)箱內(nèi)氣體，注入鋁箔采氣袋后保存，此后處理方法與水-氣界面氣體相同.

在高陽平湖水域水下地形圖中找出175 m水位線和145 m水位線之間的消落帶區(qū)域，選擇各個特征邊坡測量其近岸消落帶邊坡坡度值，最后取平均值推算出高陽平湖水域綜合邊坡坡度值為30.9°. 由于已知在各個水位高度下高陽平湖水域面積，故通過邊坡坡度值即可推算出在各個水位高度下的消落帶面積.

1.4 氣泡釋放碳通量

受到三峽水庫調(diào)蓄的影響，高陽平湖水域庫灣近岸區(qū)域呈現(xiàn)出“落干-淹沒”的交替特征. 野外觀測發(fā)現(xiàn)，自入春開始淹沒的庫灣近岸區(qū)域存在氣泡釋放現(xiàn)象. 通過公式即可得到高陽平湖水域溫室氣體氣泡釋放碳通量:

(6)

式中，G4為氣泡釋放碳通量(g)；i=1、2、3、4分別代表深度為3、5、8和10 m的采樣點(diǎn)；Fbi為各采樣點(diǎn)氣泡釋放通量(μmol/(m2·d));Si為各采樣深度所控制的水域面積.

研究時間為2012年3-8月，選取高陽平湖水域李家壩處庫灣開展氣泡監(jiān)測，采樣周期為每月一次，均在當(dāng)月下旬，每次持續(xù)一周. 采樣裝置采用改進(jìn)的倒置漏斗，由金屬薄皮材料(馬口鐵)制作，在接縫處進(jìn)行焊接密封，敞口部為鍍鋅鋼圈包裹在金屬薄皮材料內(nèi)，其敞口直徑為750 mm，高為1000 mm，集氣瓶容積為2 L，倒置漏斗敞口部分設(shè)置有配重10 kg的吊墜. 水面錨繩一端固定于岸邊175 m水位線以上，另一端固定于位于庫灣湖心的野外實(shí)驗(yàn)平臺(平臺處水下高程約為138 m). 4個氣泡收集裝置由淺至深地栓于水面錨繩下方，裝置下部敞口處水深約為1.5 m. 4個采樣點(diǎn)所在處垂向?qū)?yīng)水深分別為3、5、8和10 m(圖4). 隨著壩前水位的變化，每月開展監(jiān)測前預(yù)先調(diào)整4個采樣點(diǎn)所處水平位置，確保其所在處對應(yīng)水深自近岸處至湖心依次遞增. 氣泡收集期間，為避免收集氣泡過多而重新溶于水中，采氣時間間隔為24 h并在現(xiàn)場完成氣泡體積測定. 收集的氣體用針筒注入鋁箔采氣袋保存，48 h內(nèi)使用Agilent GC 7820氣相色譜儀完成氣泡氣體濃度分析測試. 氣泡釋放通量計算公式為：

(7)

式中，C4為氣泡濃度(μmol/L);V4為氣泡收集的體積(m3)；S4為倒置漏斗底面積(m2)；t1為采樣間隔時間(d).

以上4個采樣點(diǎn)由淺入深將整個高陽平湖湖面看作近似長方形構(gòu)造，每個采樣點(diǎn)來代表一個深度控制范圍內(nèi)的氣泡釋放通量水平，由淺至深依次代表近岸水深10 m以內(nèi)湖面36%、23%、23%和18%的水域面積，再結(jié)合高陽平湖不同水位時的近岸邊坡坡度，即可推算出各月高陽平湖水域溫室氣體氣泡釋放通量.

圖4 高陽平湖庫灣氣泡收集裝置布置示意Fig.4 Sketch of ebullition collecting funnels for collecting bubbles at the sampling estuary of Lake Gaoyang

1.5 降水輸送碳通量

大氣降水過程將會向水生生態(tài)環(huán)境中輸入溶解態(tài)無機(jī)碳(DIC)，因此降水輸送也被看作是高陽平湖水域碳收支過程的重要路徑. 水域面積、降水量和降水碳濃度三者的乘積即為高陽平湖水域降水輸送碳通量.

G5=10-3S175 m·Q5·C5

(8)

式中，G5為降水輸送碳通量(g)；S175m為水域面積(m2)；Q5為采樣月份的降雨量(mm)；C5為降水碳濃度(mg/L).

選取高陽平湖水域4次典型短時強(qiáng)降水過程進(jìn)行研究. 在夏季低水位運(yùn)行期和冬季高水位運(yùn)行期各設(shè)置2次采樣. 每次降水過程前，高陽平湖水域天氣均為多云，降水結(jié)束后天氣慢慢轉(zhuǎn)好. 依次在高陽平湖入口、湖心和出口采集雨水水樣，并同步觀測其pH、水溫等環(huán)境指標(biāo). 現(xiàn)場利用塑料采樣瓶將采集的雨水水樣混合后，帶回實(shí)驗(yàn)室在24 h內(nèi)使用Shimadzu?TOC儀完成其碳濃度的測試，將4次采樣結(jié)果取平均值即可得到高陽平湖水域降水輸送過程中的水體碳素濃度.

水域面積同樣通過模型公式進(jìn)行推求，空間邊界選擇為高陽平湖水域175 m水位線，降水量通過高陽平湖野外氣象站實(shí)測得到. 野外氣象站設(shè)在高陽平湖水域近岸，定期更換干燥劑和采集數(shù)據(jù)，可真實(shí)地反映出高陽平湖水域的各個氣象指標(biāo).

1.6 數(shù)據(jù)處理

研究期間，所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一錄入Excel軟件整理分類，并通過SPSS和Origin軟件進(jìn)行統(tǒng)計和圖形分析，采用Spearman相關(guān)性分析說明數(shù)據(jù)間變化的線性相關(guān)性.

2 結(jié)果與分析

通過對高陽平湖水域主要路徑碳收支估算方法的建立，利用對高陽平湖水域主要碳路徑的監(jiān)測數(shù)據(jù)，代入計算公式，即可對高陽平湖水域主要路徑的碳收支情況進(jìn)行估算與分析.

2.1 河流輸送碳通量

河流輸入碳通量峰值出現(xiàn)在2011年9月，為35216.89 t C，輸出碳通量為33830.22 t C. 河流輸入最低值出現(xiàn)在2012年2月，僅為3110.05 t C，輸出碳通量也僅為2939.03 t C. 從2011年12月至2012年2月河流輸入和輸出的碳通量都處于較低水平，最高才達(dá)到4635.86 t C,且輸入和輸出變化趨勢基本保持一致(圖5). 河流輸入碳通量與輸出碳通量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r輸入-輸出=0.999,Sig.≤0.01)，說明河流在輸送水體碳素過程具有連續(xù)性. 河流輸入碳通量明顯大于河流輸出碳通量，這部分差值將滯留在高陽平湖水域中. 從各形態(tài)碳來看，滯留的DIC、DOC、POC和PIC的逐月碳通量變化幅度較大，以DIC為主，僅DIC在2012年7月達(dá)到峰值，為3173.33 t C， POC和PIC均在2011年9月達(dá)到峰值，分別為583.83和537.43 t C(圖5).

圖5 高陽平湖河流輸送總碳、各形態(tài)碳通量及河流流量Fig.5 Carbon budget of river transport, different forms of carbon flux and flow of Lake Gaoyang

2.2 水-氣界面氣體擴(kuò)散碳通量

CO2擴(kuò)散通量碳“源”峰值出現(xiàn)在2012年1月，為145.41 t C，而在2012年3月出現(xiàn)了碳“匯”的峰值，為-62.72 t C，從2012年5月之后均表現(xiàn)為碳“匯”，可能的原因是隨著溫度逐漸升高，浮游植物生長旺盛，光合作用吸收水體中的CO2，使之表現(xiàn)為碳“匯”，這與蔣滔等[18]發(fā)現(xiàn)的高陽平湖在低水位期水-氣界面CO2的特征相似. 從2011年9月至2012年4月，CH4雖表現(xiàn)為碳“源”，但基本保持較低值，而在2012年5、6月，CH4擴(kuò)散通量迅速上升并達(dá)到峰值(207.27 t C)，隨后又重新回到較低值. 這可能是由于5、6月氣溫回升導(dǎo)致水溫上升，使得產(chǎn)甲烷菌進(jìn)入其適宜溫度，促進(jìn)淹沒有機(jī)碳被分解從而產(chǎn)生大量CH4擴(kuò)散通量進(jìn)入大氣中，隨后由于大量有機(jī)碳的分解使得水體重新回到平衡(圖6a).

2.3 土-氣界面氣體擴(kuò)散碳通量

土-氣界面CO2氣體擴(kuò)散通量在4、5月表現(xiàn)為碳“匯”，在5月達(dá)到峰值，為-45.34 t C. 其余月份CO2氣體擴(kuò)散通量均表現(xiàn)為碳“源”，在6月達(dá)到峰值，為93.01 t C. 土-氣界面CH4氣體擴(kuò)散通量在研究期間均處于較低水平，大部分時間表現(xiàn)為碳“匯”，8月CH4氣體通量達(dá)到碳“匯”峰值，為-0.30 t C(圖6b).

圖6 高陽平湖水-氣界面(a)和土-氣界面(b)氣體擴(kuò)散碳通量Fig.6 Diffusive fluxes of water to air interface (a) and water-level-fluctuating zone (b) of Lake Gaoyang

2.4 氣泡釋放碳通量

CO2和CH4的氣泡釋放通量均在2012年6月迅速上升達(dá)到峰值，此時CH4氣泡釋放通量為0.27 t C，CO2為0.01 t C，隨后的7、8月氣泡釋放量又減小. CH4氣泡釋放通量顯著高于CO2，且兩者釋放過程具有同步性(圖7).

2.5 降水輸送碳通量

從2011年12月至2012年2月大氣降水輸送碳量都比較低，且最低值在2012年2月，僅為0.02 t C；在2012年7月突然上升達(dá)到峰值，為31.04 t C. 逐月降水輸送碳通量變幅較大(圖8).

2.6 高陽平湖碳積累結(jié)果

對高陽平湖水域5個主要路徑的碳收支進(jìn)行逐月估算，得到一周年高陽平湖水域逐月碳收支情況.

水域整體上呈現(xiàn)出碳積累的特征，從2011年10月至2012年4月逐月碳積累都較低，在1月出現(xiàn)最低值，僅為6.83 t，峰值出現(xiàn)在2012年7月，為2572.10 t. 逐月碳積累結(jié)果變幅比較明顯(圖9).

圖7 高陽平湖溫室氣體氣泡釋放碳通量Fig.7 Ebullition fluxes of Lake Gaoyang

圖8 高陽平湖大氣降水輸送碳通量Fig.8 Carbon budget of precipitation of Lake Gaoyang

圖9 高陽平湖碳積累結(jié)果Fig.9 Carbon budget of Lake Gaoyang

3 討論

3.1 高陽平湖水域全年碳通量分析

對高陽平湖各個路徑碳收支情況逐一進(jìn)行全年核算(圖10). 河流輸入碳通量為133548.55 t C，輸出碳通量為125651.82 t C，全年共有7896.73 t C在河流輸送過程中滯留在該水域，其中DIC是主要部分，為6979.13 t C. 水-氣界面溫室氣體擴(kuò)散碳通量整體表現(xiàn)為碳“源”，全年共有762.56 t C通過水-氣界面從該水域進(jìn)入大氣中，其中CO2氣體擴(kuò)散通量為366.69 t C，CH4氣體擴(kuò)散通量為395.88 t C. 近岸消落帶土-氣界面溫室氣體擴(kuò)散碳通量整體也表現(xiàn)為碳“源”，全年共有123.74 t C通過土-氣界面從土壤進(jìn)入大氣中，其中CO2氣體排放通量表現(xiàn)為碳“源”，為124.22 t C，而CH4氣體排放通量盡管表現(xiàn)為碳“匯”，但僅為-0.48 t C. 溫室氣體氣泡釋放碳通量整體亦表現(xiàn)為碳“源”，但全年也僅有0.38 t C通過氣泡釋放的方式從該水域進(jìn)入大氣中，其中CH4氣體氣泡釋放通量為0.37 t C，而CO2氣體氣泡釋放通量僅為0.01 t C. 全年還有104.58 t C通過大氣降水的方式輸入該水域中.

高陽平湖全年碳輸入為133653.13 t C，碳支出為126538.50 t C，全年碳凈積累量為7114.63 t C，總體呈現(xiàn)出碳積累的特征. 碳積累現(xiàn)象主要同河流縱向輸移過程中上下游碳的輸入輸出相關(guān)，這同高陽平湖為過水型湖泊的生態(tài)特征基本吻合.

圖10 高陽平湖水域主要路徑碳通量收支Fig.10 The main path of water carbon budget of Lake Gaoyang

在高陽平湖水域存在溫室氣體釋放現(xiàn)象，其中通過水-氣界面釋放的比重最大，其次是通過土-氣界面，而氣泡釋放對碳收支的貢獻(xiàn)非常小. 上游大量碳的輸入和滯留可能是溫室氣體釋放的來源. 滯留在水域的碳在合適的情況下促使了CO2和CH4氣體釋放，使得該水域成為溫室氣體釋放的碳“源”. 高陽平湖水域源源不斷的碳源輸入可能導(dǎo)致溫室氣體釋放現(xiàn)象的持久性存在.

3.2 不同碳路徑的討論

三峽水庫生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程在不同的時空區(qū)段內(nèi)呈現(xiàn)明顯差別[19]，高陽平湖水域的碳收支也存在著時間區(qū)段內(nèi)的差別.

3.2.1 河流輸送碳通量 在冬季高水位運(yùn)行期和泄水期，河流輸入和輸出碳通量整體處于較低水平，且輸入和輸出通量基本保持一致；而在夏季低水位運(yùn)行期有較高水平的碳通量輸送，且輸入碳通量明顯大于輸出碳通量，這部分差值滯留在該水域中. 該水域的上游和下游均為河道型水域，河流在輸送過程中由較窄的河道進(jìn)入開闊的平湖水域時，流速的減緩可能會使水體攜帶的碳素在此區(qū)域滯留. 夏季低水位運(yùn)行期，汛期河流流量較大且使得流速差異較大. 河流流量較大帶來了較高的碳通量輸送，流速的差異又使得碳素滯留效應(yīng)增大. 而冬季高水位運(yùn)行期時，流量大大減小，流速差異也隨之變小，河流輸送碳通量減小，水域內(nèi)基本無碳素滯留現(xiàn)象. 在2012年7月，河流輸送過程中就有2567.08 t C滯留在該水域.

3.2.2 水-氣界面氣體擴(kuò)散碳通量 研究期間CO2和CH4擴(kuò)散通量變幅均較大，冬季高水位運(yùn)行期CO2氣體擴(kuò)散通量表現(xiàn)為碳“源”且保持在較高水平，而CH4氣體擴(kuò)散通量雖表現(xiàn)為碳“源”但水平較低，幾乎無變幅；夏季低水位運(yùn)行期CO2氣體擴(kuò)散通量在大部分時間中為碳“匯”，而CH4氣體擴(kuò)散通量表現(xiàn)更為活躍. 不同水位運(yùn)行期水-氣界面氣體擴(kuò)散通量的這種差異性與環(huán)境因素(pH、DO濃度、水溫、葉綠素濃度等)有關(guān)，具體參照文獻(xiàn)[19].

3.2.3 土-氣界面氣體擴(kuò)散碳通量 在泄水期，土-氣界面CO2氣體擴(kuò)散通量整體表現(xiàn)為碳“匯”，CH4氣體擴(kuò)散通量也表現(xiàn)為碳“匯”；在低水位運(yùn)行期土-氣界面CO2氣體擴(kuò)散通量整體表現(xiàn)為碳“源”，CH4氣體擴(kuò)散通量依舊表現(xiàn)為碳“匯”，且在6月達(dá)到碳“源”的峰值. 從全年來看，6月的水位最低，僅為146.94 m，此時消落帶土壤面積為全年最大值，且有一部分長時間淹沒區(qū)在此時露出水面，沉積的有機(jī)碳釋放進(jìn)入大氣中，導(dǎo)致較高的CO2氣體擴(kuò)散通量. 土-氣界面總體對高陽平湖的水域碳收支的貢獻(xiàn)較小.

3.2.4 氣泡釋放氣體擴(kuò)散碳通量 在泄水期，CO2和CH4氣泡釋放通量均表現(xiàn)為碳“源”，且變幅不大；在低水位運(yùn)行期，CO2和CH4氣泡釋放通量的變幅大，在6月達(dá)到峰值，之后迅速下降為較低水平. 水溫升高是導(dǎo)致氣泡形成并釋放的根本原因[20]，氣溫的上升很可能是6月氣泡釋放通量出現(xiàn)峰值的主要原因，但7月為主汛期，水體流動劇烈，庫灣水位陡漲陡落，故盡管7月水溫進(jìn)一步升高，但水文水動力特征可能不利于氣泡形成并釋放，而進(jìn)入8 月伏旱期后，徑流量下降，為氣泡釋放創(chuàng)造了穩(wěn)定的緩流環(huán)境[21-22].

3.2.5 降水輸送碳通量 降水輸送碳通量取決于降水量大小，在冬季高水位運(yùn)行期降水量很小，大氣降水輸送碳通量也很小. 隨著時間的推移，降水量的增加也使得大氣降水輸送相應(yīng)增加. 7月為汛期，降雨量大，故大氣降水輸送碳通量也比較大.

高陽平湖水域逐月碳積累結(jié)果受季節(jié)和水庫運(yùn)行狀態(tài)變化影響明顯，在冬季高水位運(yùn)行期碳積累處于低水平且變幅??；泄水期碳積累與高水位運(yùn)行期相似(除5月變幅較大)；而在夏季低水位運(yùn)行期，各月碳積累變幅較大，整體碳通量遠(yuǎn)高于高水位運(yùn)行期和泄水期. 5個不同路徑下的碳通量受季節(jié)和水庫運(yùn)行狀態(tài)變化影響明顯導(dǎo)致整個水域碳通量變化明顯.

3.3 高陽平湖碳收支的局限性和不確定性分析

本研究以宏觀介質(zhì)界面(水-氣界面、土-氣界面)和空間界面(控制斷面)獲得了一個完整周年內(nèi)高陽平湖的碳通量收支情況. 盡管總體上高陽平湖全年呈現(xiàn)出碳積累的特點(diǎn)，但一些方法依然存在局限性或不確定性：

1)對高陽平湖出入口的大斷面測量依賴于每月1次的監(jiān)測采樣，監(jiān)測結(jié)果的瞬變性及其代表性對研究結(jié)果將可能產(chǎn)生顯著的影響.

2)水-氣界面CO2和CH4擴(kuò)散通量，易受到現(xiàn)場風(fēng)速、氣壓、溫度改變等氣象條件的干擾，具有時空異質(zhì)性特點(diǎn). 靜態(tài)箱法通過測量箱體內(nèi)氣體濃度變化的方法獲得水-氣界面CO2和CH4氣體擴(kuò)散通量，雖然該方法被廣為采用，但它將在一定程度上改變現(xiàn)場的實(shí)際環(huán)境條件，將可能使得水-氣界面CO2和CH4擴(kuò)散通量的測試值同實(shí)際情況之間存在偏差，從而使得測試結(jié)果具有不確定性.

3)同水-氣界面擴(kuò)散碳通量相似，氣泡釋放碳通量亦具有極強(qiáng)的時空異質(zhì)性. 通常認(rèn)為氣泡產(chǎn)生同水溫、水深、流速、湖底有機(jī)質(zhì)含量等密切相關(guān)，但在監(jiān)測中并無法準(zhǔn)確判定氣泡釋放空間和時間特點(diǎn). 故監(jiān)測結(jié)果本身亦具有一定不確定性.

4)高陽平湖的分層及季節(jié)變化會對CO2和CH4水平遷移產(chǎn)生影響，深水水庫溫躍層以下的CO2和CH4可能在擴(kuò)散到表層之前，就通過河流輸送到下游載釋放出來，這個量可能很多，但在水-氣界面通量上反映不出來.

除上述方法可能存在的不確定性外，在進(jìn)行碳通量的計量中，不同方法之間的監(jiān)測誤差和不確定性傳遞問題在本研究中并未予以考慮. 上述方法的局限性或不確定性，使得本研究結(jié)論依然需要更系統(tǒng)、更長期工作予以驗(yàn)證或改進(jìn).

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A preliminary study of carbon balance and the uncertainty for Lake Gaoyang, Pengxi River of the Three Gorges Reservoir

XU Linlin1,2, LI Zhe2,3**, LI Chong3, CHEN Yongbo3, GUO Jinsong2& XIAO Yan2

(1:FacultyofUrbanConstructionandEnvironmentalEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,P.R.China)(2:KeyLabofReservoirWaterEnvironment,ChongqingInstituteofGreenandIntelligentTechnology,ChineseAcademyofSciences,Chongqing400714,P.R.China)(3:ChinaThreeGorgesCorporation,Beijing100038,P.R.China)

To understanding the carbon budget, our research chose Lake Gaoyang as object and established an estimate method of carbon budget. From September 2011 to August 2012, we analyzed the main path of carbon budget for the Lake Gaoyang in Pengxi River. The main conclusions for the one year are as follows: input carbon fluxes of river transport were 133548.55 t C, output carbon fluxes of river transport were 125651.82 t C, diffusive fluxes of water to air interface were 762.56 t C, diffusive fluxes of water-level-fluctuating zone were 123.74 t C, ebullition fluxes were 0.38 t C, input carbon fluxes of precipitation were 104.58 t C, and net accumulation of carbon fluxes of the Lake Gaoyang were 7114.63 t C. It was mainly in the form of dissolved inorganic carbon. The carbon in the water of the Lake Gaoyang in Pengxi River showed the characteristics of longitudinal transport along the river channel. Lots of carbon went into the uplift air and deposited in Lake Gaoyang from upstream. It may be the main source of greenhouse gases on the water to air interface. As a whole, Lake Gaoyang presents the characteristic of carbon accumulation throughout the year, but some methods remains uncertain for the spatial and temporal heterogeneity of water-gas interface diffusion flux and air release flux. We need more systematic and long-term work to verify or modify.

Three Gorges Reservoir; Pengxi River; Lake Gaoyang; carbon; spatial distribution; budget

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51679226)和重慶市基礎(chǔ)科學(xué)和前沿技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(CSTC2015JCYJBX0006)聯(lián)合資助. 2015-06-11收稿; 2016-06-09收修改稿. 徐琳琳(1989～)，女，碩士研究生；E-mail: xulinlin0707@163.com.

*通信作者；E-mail: ZheLi81@sina.com.

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2017， 29(1)： 116-126

DOI 10.18307/2017.0113

?2017 byJournalofLakeSciences