謝 恒 龍 麗 穆曉輝 張文麗

(1.三峽大學(xué) 生物與制藥學(xué)院,湖北 宜昌 443002;2.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

河流是溫室氣體(CO2和CH4)重要的排放源,尤其是受人類活動影響最大的城市河流[1].研究發(fā)現(xiàn),受人類活動影響大的河流比受人類影響較小的河流,其CH4排放通量要高出1～2個數(shù)量級[1-2].城市河流溫室氣體排放通量的測定,對闡明人類活動下河流溫室氣體產(chǎn)生與排放機(jī)制,以及在區(qū)域尺度上估算溫室氣體通量,都有重要的意義.

當(dāng)前,原位觀測水-氣界面釋放通量的方法有3種：微氣象法、靜態(tài)箱法(floating static chamber,FSC)和根據(jù)公式計算釋放通量的薄邊界層法(the boundary layer equation,BLE).其中運(yùn)用較多的方法主要為FSC和BLE.FSC是根據(jù)待測氣體的濃度在一個密閉環(huán)境中隨時間的變化率來計算其釋放通量的一種方法,是觀測水-氣界面溫室氣體通量最常用的一種方法[3].但這種方法也存在一些缺點,比如箱體對水體表層有擾動,改變了水體表面空氣的自然湍流狀況,使測得的結(jié)果偏離真實情況.并且在有風(fēng)或流動水體的觀測條件下,箱體與表層水體的摩擦引起的擾動,可能導(dǎo)致額外的溫室氣體排放,影響觀測結(jié)果的準(zhǔn)確性[4].BLE是基于水-氣界面的CO2和CH4擴(kuò)散通量取決于水體與大氣中對應(yīng)氣體的濃度以及氣體的交換系數(shù)這一原理,通過同時測量表層水和大氣中的溫室氣體濃度,計算兩者的濃度差,再根據(jù)氣體交換系數(shù),計算通量[5].已有研究表明,這種方法在淡水生態(tài)系統(tǒng)中,在小時間尺度上研究溫室氣體的日變化上很有效果[6].但此方法對擴(kuò)散過程的原理和驅(qū)動機(jī)制并沒有很好的體現(xiàn),模型計算的結(jié)果可能存在較大的不確定性[7].

Duchemin等人研究發(fā)現(xiàn),BLE計算得到的結(jié)果往往低于FSC的觀測結(jié)果[8].許多研究指出風(fēng)速能解釋兩種方法的大部分差異.BLE法測定的水-氣界面通量的釋放主要受風(fēng)速控制,一般認(rèn)為風(fēng)速低于5 m·s-1或高于10 m·s-1,BLE法就存在很大的不確定性.尤其在風(fēng)速低于2 m·s-1,風(fēng)速基本不影響水-氣界面氣體交換.目前由于方法的不統(tǒng)一以及技術(shù)、原理上的不確定,使得在估算時不能確定不同生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的釋放通量,導(dǎo)致不能回答關(guān)鍵的政策問題和制定大規(guī)模減排措施[9].由于這個原因,對目前用來測量生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體通量的各類方法的科學(xué)性、適用性等進(jìn)行客觀評價就顯得很迫切.本研究擬在低風(fēng)速下(風(fēng)速小于2 m·s-1),以城市景觀河流求索溪為研究對象,分別運(yùn)用FSC和BLE兩種不同的方法,測定和比較水-氣界面24 h內(nèi)晝夜CH4和CO2通量變化,并結(jié)合相關(guān)環(huán)境因子進(jìn)行分析,期望找出兩種估算方法產(chǎn)生差異的原因,為相關(guān)研究提供依據(jù).

1 研究地點與方法

1.1 樣地概況

求索溪是宜昌市三峽大學(xué)校園重要景觀水體,是校區(qū)排泄暴雨洪水的主要通道.全長2.1 km,寬約4 m,是典型的大學(xué)校園河道.該校園河道水深約0.8 m,總水量約2.4萬m3,底泥厚度平均50～80 cm.求索溪水體主要來源為周邊的自然降水和部分校園及周邊居民生活污水,水體流量小,且底泥富集了大量的污染物,夏季水中的藍(lán)綠藻會大量繁殖,部分河段水體黑臭[10].本研究樣點選擇在求索溪中下游,三峽大學(xué)行政樓旁,該點水深約0.6 m,水面較為開闊.

1.2 采樣與計算方法

1.2.1 FSC法

氣樣采集設(shè)備為一個不透明金屬通量箱(直徑30 cm,高50 cm),箱體采用不銹鋼材質(zhì),箱頂設(shè)有微型風(fēng)扇以便于使箱內(nèi)的空氣混合均勻,為了使箱內(nèi)溫度在測量過程中不發(fā)生較大變化,箱外設(shè)有保溫層,在保溫層外貼有反光膜,箱體頂部有兩根硅導(dǎo)管與一臺DLT-100溫室氣體分析儀(LGR,美國)連接(如圖1所示).

圖1 DLT-100密閉式靜態(tài)通量箱示意圖

觀測時間為2015年7月2日下午1點至7月3日下午2點,每半小時測量一次CH4和CO2的通量.每次測量前,將箱口朝上大約10 min,以便箱內(nèi)充滿空氣,測量時將通量箱慢慢水平置于水面,使箱口浸入水中,保證箱內(nèi)空氣與外界隔絕.在通量監(jiān)測同時,采用手持氣象站(YGY-QXY,武漢)測定監(jiān)測點的氣溫、氣壓、風(fēng)速等,采用哈希Hydrolab DS5(美國HACH)多參數(shù)水質(zhì)分析儀測定p H、水溫等,并采集表層水樣帶回實驗室,根據(jù)水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)測定葉綠素a濃度.同時采集表層水體,注入氣袋內(nèi),固定水樣后帶回實驗室.

靜態(tài)通量箱法CH4和CO2通量的計算采用公式(1)進(jìn)行計算[11].

式中,F指CH4和CO2通量(mg·m-2·h-1);α指通量箱內(nèi)氣體濃度的變化率;F1指μL/L到μg/m3的轉(zhuǎn)化系數(shù)(CH4的為655.47μg·m-3,CO2的為1 798.45μg·m-3);F2為小時到分鐘的轉(zhuǎn)化系數(shù)(60);V是通量箱的體積(m3);S是通量箱的底面積(m2);F3是μg到mg的轉(zhuǎn)化系數(shù)(1 000).

1.2.2 薄邊界層法(BLE法)

裝有表層水樣的氣袋帶回實驗室后,注入體積比為1∶2的氮氣,經(jīng)超聲波震蕩20 min,再靜置24 h后,抽取袋內(nèi)的氣體,用氣象色譜儀分析氣體中CH4和CO2的含量.采用公式(2)進(jìn)行計算[12]：

式中,F指氣體通量(mg·m-2·h-1),k指水氣界面氣體交換速率(cm·h-1);Cw指表層水體溶解氣體的濃度;Csat指表層水體溶解的氣體與大氣中的氣體達(dá)到平衡時,水體中的溶解氣體的濃度.

Cw的計算通過公式(3)[13],求得.

式中,Cg為氣象色譜儀測定的待測氣體濃度(mol·L-1);β指Bunsen系數(shù)(L/L/atm);R指氣體常數(shù)(0.082,L·atm·mol-1·K-1);T為溫度(K);22.356是氣體的摩爾體積(L·mol-1);Vg/Vl指注入裝有水樣氣袋內(nèi)的氣體的體積與水樣體積之比,本研究設(shè)置為2∶1.

Csat的計算公式(4)[14]為

式中,Cgas為表層水體上方的大氣中的待測氣體濃度;kH為亨利定律常數(shù);R為氣體常數(shù);T為溫度;kθ為在298.15K下的亨利定律常數(shù);-ΔH/R=Hsoln-d(lnk H)/d(1/T);Tθ為298.15 K..

氣體傳輸系數(shù)k根據(jù)J?hne B等1987年得到的經(jīng)驗公式計算[15]：

k600指為了便于不同氣體間和不同水溫條件下的對比,按Schmidt數(shù)為600對氣體傳送輸運(yùn)速率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的計算公式得到,kg,T和Scg,T是在給定氣體和溫度下的傳輸系數(shù)和施密特數(shù)[16].這里由于風(fēng)速低于儀器檢測下限,默認(rèn)為無風(fēng)條件,n取2/3[17].

2 結(jié)果與分析

2.1 水-氣界面CH4和CO2通量晝夜變化

兩種不同測定和計算方法得出的求索溪水-氣界面CH4和CO2通量晝夜變化如圖2所示.結(jié)果表明,水-氣界面CO2的吸收與釋放過程明顯.BLE法測定的CO2通量從13：00到21：00之間表現(xiàn)為吸收固定;FSC法測定CO2通量則從13：00到次日凌晨3：00之間表現(xiàn)為吸收固定.兩種方法測得的CH4晝夜通量均為正值,表明水體向大氣釋放CH4.

2.2 兩種方法測定水-氣界面CH4和CO2通量的比較

結(jié)果表明,BLE法測定計算出水-氣界面CH4通量的變化范圍在(0.134～0.426)mg·m-2·h-1,平均為(0.27±0.013)mg·m-2·h-1;FSC法測定計算出水-氣界面CH4通量的變化范圍在(0.085～0.261)mg·m-2·h-1,平均值(0.16±0.007)mg·m-2·h-1.

BLE法得出水-氣界面CO2通量的變化范圍在(-45.023～36.905)mg·m-2·h-1,平均為(7.09±4.32)mg·m-2·h-1.FSC法計算出CO2通量的變化范圍在(-80.447～40.228)mg·m-2·h-1,平均值(-12.26±5.42)mg·m-2·h-1.對于水-氣界面CO2通量的測定,在氣溫和水溫較低的凌晨和上午,兩種方法測定的通量比較接近,但在溫度較高的下午,兩者的差異較大,BLE法測定的通量明顯較正;這就使得BLE法計算得水-氣界面CO2通量的均值為正,表現(xiàn)為釋放.值得注意的是,FSC法測定計算出的水-氣界面CO2通量顯示,在晚上21：00至凌晨3：00仍為負(fù)值,表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸收.

總的來看,BLE法計算得出水-氣界面CH4和CO2通量要明顯高于FSC法測定計算結(jié)果(P＜0.05).兩種方法計算出來的CO2通量有較強(qiáng)線性正相關(guān)(R2=0.85),但兩種方法計算出來的CH4通量之間無顯著的相關(guān)(如圖3所示).

圖2 兩種方法得出的水-氣界面CH 4和CO2通量晝夜變化

2.3 水-氣界面CH4和CO2通量與相關(guān)環(huán)境因子的相關(guān)性

從表1中可看出,BLE計算出的CH4通量與氣溫和水溫呈顯著負(fù)相關(guān);與p H呈極顯著負(fù)相關(guān);與氣壓呈極顯著正相關(guān).FSC計算出的CH4通量只與p H和DO呈顯著負(fù)相關(guān).BLE和FSC計算出的CO2通量都與氣溫,p H,水溫,DO呈極顯著負(fù)相關(guān);與氣壓呈極顯著正相關(guān).

圖3 兩種方法計算水-氣界面CH 4和CO 2通量的比較

圖4 相關(guān)環(huán)境因子的晝夜變化

表1 CO2和CH4通量與相關(guān)環(huán)境因子的相關(guān)性

3 討論與分析

溫室氣體排放通量由氣體產(chǎn)生和傳輸過程共同決定的.兩種方法測定計算出水-氣界面的CH4和CO2通量有一定的正相關(guān),表明水中溶解氣體的擴(kuò)散過程可能是直接或間接比較這兩種方法的相關(guān)參數(shù)[18].有些對大型深、淺水體及池塘的研究認(rèn)為,BLE法會低估水-氣界面氣體通量的釋放,尤其在風(fēng)速較低的情況下[8].他們認(rèn)為,在異質(zhì)性較高的水庫,FSC法相對適合一些.也有研究指出,在低風(fēng)速下,FSC法往往會高估水-氣界面氣體通量[19].本研究表明,BLE計算得出水-氣界面CH4和CO2通量要明顯高于FSC的測定計算結(jié)果(P＜0.05),這跟Duchemin et al.的研究較大水庫的結(jié)果不同[8].對于水-氣界面CO2通量的測定,FSC法測定的結(jié)果顯示,在晚上21：00至凌晨3：00仍為表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸收;與BLE法相比,顯然低估了水-氣界面CO2釋放.FSC法低估的原因可能跟單位時間內(nèi)線性模擬氣體變化速率(α)有關(guān).

通常認(rèn)為影響FSC法測定通量的主要因素是溫度,因為在測定過程中箱體內(nèi)氣溫有可能會升高[20].但在實驗測定過程中,箱體內(nèi)的溫度并沒有升高.本研究結(jié)果中FSC法測定的通量,只有CO2通量與水溫和氣溫顯著相關(guān),CH4通量則與溫度無明顯相關(guān).有研究表明,由于水溫與水-氣界面氣體通量的釋放速率無顯著相關(guān),他們認(rèn)為相對于別的因子來講,水溫不是比較BLE法和FSC法的重要參數(shù)[8].在本研究中,BLE法估算的CH4和CO2通量與溫度(包括水溫、氣溫)顯著負(fù)相關(guān),這可能跟水體中氣體的溶解度有關(guān).研究表明,溫度越高,氣體在水中的溶解度就越低[21],相應(yīng)BLE法計算出的通量就較低.

水-氣界面CH4和CO2通量與環(huán)境因子的相關(guān)性表明,BLE估算的CH4和CO2通量與p H呈極顯著負(fù)相關(guān),與氣壓呈極顯著正相關(guān);這可能也與氣體在水中的溶解度有關(guān).有研究表明,氣壓是影響氣體在水體中溶解度的重要參數(shù).隨氣壓的增大,氣體在水體中的溶解度增加[21],相應(yīng)BLE法計算出的通量就較高.此外,p H值與水體有機(jī)質(zhì)的分解和水生生物的代謝密切相關(guān);一般,p H值較高時,CH4的溶解濃度減小;水體中游離CO2將會轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁},使得水體中CO2分壓降低,導(dǎo)致水中溶解的CO2處于不飽和狀態(tài),氣體在水體溶解度降低,相應(yīng)BLE法計算出的通量就較低.而且,一般在富營養(yǎng)化水體中,溶解的CH4呈過飽和狀態(tài).本研究水體葉綠素a為0.16 mg/L,處于富營養(yǎng)化狀態(tài),氣體溶解度較高.綜上,以上因子均可能通過影響水體氣體的溶解度而導(dǎo)致BLE法計算結(jié)果高于FSC法觀測結(jié)果.

兩種方法估算出來水-氣界面的CO2通量有較強(qiáng)的正相關(guān),但估算的CH4通量則無顯著相關(guān)(圖3).顯然,影響這兩種方法進(jìn)行估算CH4和CO2通量的參數(shù)有一定的差異.需要更多的研究來進(jìn)一步理解和確定影響水-氣界面溫室氣體排放的因素.