郭佳晨，阮愛東,2，李思言，張子怡

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098；2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210098)

引 言

CH4是第二大溫室氣體，其全球變暖潛勢(GWP)是CO2的25倍，對全球氣候變化影響至關(guān)重要[1]。輻照強度占大氣層中溫室氣體總輻照強度的18%，對全球熱平衡也有著重要貢獻[2]。且隨著全球變暖，CH4對溫室效應(yīng)的貢獻正在逐年遞增[3]。大氣環(huán)境中的CH4來源主要為自然源和人為源，其中，自然源占40%[4]。而湖泊是大氣的重要釋放源，據(jù)估計全球湖泊CH4釋放量為8～48×109kg/a，為自然源CH4釋放總量的6%～16%[5]。湖泊CH4主要來自沉積物中產(chǎn)甲烷菌的厭氧分解[6]。此外，湖泊還發(fā)揮著凈化水質(zhì)、維持生態(tài)平衡、促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展等諸多重要作用[7]。因此，深入探索湖泊甲烷排放通量變化和甲烷釋放途徑，有助于正確評估湖泊甲烷釋放和潛力大小，為人類最終有效調(diào)控湖泊甲烷釋放，減少甲烷排放量提供科學(xué)基礎(chǔ)。

太湖地處長江三角洲，是我國第三大淡水湖泊，平均水深1.89m[8]。隨著周邊經(jīng)濟發(fā)展，大量有機物的排入，再加上太湖水體自身流速緩慢、自凈能力弱等原因，導(dǎo)致太湖水體富營養(yǎng)化日益嚴(yán)重[9]。豐富的有機質(zhì)匯入為沉積物中的產(chǎn)甲烷菌提供了良好的環(huán)境條件，從而促進甲烷釋放；此外，這也使得太湖成為了國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點對象。然而目前針對太湖CH4釋放的研究主要集中在水-氣界面的排放通量及其季節(jié)特征[10-11]，并未對太湖CH4釋放潛力和釋放途徑進行研究。因此，本研究以太湖不同湖區(qū)為研究對象，運用水-氣界面甲烷排放通量測定和室內(nèi)厭氧培養(yǎng)等方法，測定和分析了太湖沉積物CH4釋放潛力和途徑的分布特征，研究結(jié)果為太湖CH4釋放及其潛力評估提供數(shù)據(jù)支撐，對太湖參與全球碳循環(huán)及響應(yīng)氣候變化提供了理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

為避免夏季水華干擾，本研究以冬季(2017年12月6日)為采樣時間。選取了太湖大浦、湖心、胥湖和貢湖區(qū)域為采樣點，采樣點位見圖1。沉積物樣品采用柱狀采樣器進行原味柱狀采樣，在各采樣區(qū)域隨機采集3個平行樣。除進行水-氣通量測定之外的沉積物樣品柱每隔5cm進行分裝，放入隔熱容器冷藏運至實驗室后，冷凍保存于-80℃冰箱(AA039M；Kaltis)。

圖1 太湖采樣點位圖Fig.1 Location map of sampling points in Taihu Lake

1.2 實驗方法

1.2.1 水-氣界面甲烷排放通量測定

水-氣界面CH4排放通量采用靜態(tài)箱法采集水-氣界面氣體，對不同采樣點的沉積物柱進行密封，隔一定時間采用一次性注射器抽取20mL氣體并注入500mL氣體采樣袋中，帶回實驗室采用氣相色譜GC-7890A(Agilent，美國)測定CH4濃度。檢測器為氫火焰離子化檢測器，載氣為氮氣(99.999%,南京特種氣體有限公司)，溫度250℃，H2流量40mL/min，空氣流量400mL/min，尾吹氣流量25mL/min。

1.2.2 室內(nèi)培養(yǎng)環(huán)境的構(gòu)建

Understanding the Implication of Word "Risk" in New Quality Management System……………ZHANG Xiaoyu, YANG Yaxian(1·80)

于無菌操作臺上，稱量1g每5cm分層的沉積物樣品裝入25mL已滅菌厭氧試管中，并加入1mL水樣混勻。分4組，3組實驗組分別加入0.1mL的HCOONa(0.01mol/L)、CH3OH(0.01mol/L)、CH3COONa(0.01mol/L)，第4組為空白對照組，加入0.1mL水樣。每組設(shè)置3個平行樣，然后用氮氣鼓吹5min，制造厭氧環(huán)境，最后用已滅菌的硅膠塞進行密封。

1.2.3 室內(nèi)培養(yǎng)

將構(gòu)建好的培養(yǎng)體系放入恒溫培養(yǎng)箱中于30℃，80rmp條件下振蕩培養(yǎng)48h。然后用5mL一次性注射器抽取5mL氣體，采用氣相色譜GC-7890A(Agilent，美國)測定CH4含量。

1.2.4 理化因子測定

含水率采用烘干法測定各深度沉積物的含水率；鹽度采用土壤水分電導(dǎo)溫度測量儀測定；總有機碳采用550℃燒失量法測定沉積物總有機質(zhì)含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

運用Microsoft Office Excel 2019對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，使用Origin 2018對分析結(jié)果進行繪圖。其中，水-氣界面CH4排放通量采用靜態(tài)箱法[12]，其計算公式如下：

(1)

式中:F為CH4排放通量(mg/m2/h)；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的CH4氣體密度；V為箱內(nèi)頂空氣體體積；A為箱子底面積；ΔC/Δt為單位時間內(nèi)CH4氣體濃度變化量；T為采樣溫度。

(2)

式中，v為CH4生成速率(μg/g)；M為CH4相對分子量；ppm為測得甲烷濃度(μg/g)；T為氣體溫度(℃)；P為氣體壓力(Pa)；V為頂空體積(mL)；m為底泥干重(g)；t為累積的產(chǎn)氣時間(d)。

2 結(jié)果與討論

2.1 太湖不同湖區(qū)水-氣界面CH4排放通量特征

通過對太湖大浦湖區(qū)、湖心區(qū)、胥湖和貢湖四個水域的CH4水-氣界面排放通量進行分析(圖2)，發(fā)現(xiàn)四個湖區(qū)中大浦湖區(qū)沉積物水-氣界面CH4排放通量最高，達到1.249 9mg/m2/h。這可能與大浦湖區(qū)地理位置有關(guān)：大浦位于太湖西北部，沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)密集，入湖營養(yǎng)元素豐富[14]，而這些營養(yǎng)物質(zhì)最終都會進入到沉積物中[15]，導(dǎo)致沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)遠(yuǎn)高于其他湖區(qū)，為產(chǎn)甲烷菌提供了充足的底物。其次為貢湖區(qū)域0.907 2 mg/m2/h，胥湖區(qū)0.546 2 mg/m2/h。湖心區(qū)CH4排放通量最低，僅為0.365 7 mg/m2/h。

圖2 太湖不同湖區(qū)水-氣界面CH4排放通量Fig.2 Methane emission fluxes at water-gas interface in different lake areas of Taihu Lake

太湖沿岸水域的CH4排放通量均高于湖心區(qū)，結(jié)合各湖區(qū)地理位置分析，我們發(fā)現(xiàn)這極有可能是由于太湖沿岸受周邊人類活動影響，營養(yǎng)物質(zhì)輸入，導(dǎo)致沉積物中有機物豐富造成的。我們還發(fā)現(xiàn)，胥湖湖區(qū)CH4排放通量小于貢湖區(qū)。根據(jù)《2017年太湖健康狀況公報》[16]得知胥湖區(qū)沉水植物要比貢湖區(qū)豐富，因此，我們推測造成胥湖區(qū)CH4排放通量小于貢湖區(qū)的原因可能是沉水植物分布狀況不同。Peng等人[17]研究發(fā)現(xiàn)，沉水植物會影響產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)。其可以對水生態(tài)系統(tǒng)和物質(zhì)循環(huán)進行調(diào)控[18]，降低沉積物中氮磷濃度[19]。這也驗證了本文上述的推測和結(jié)果。

2.2 太湖沉積物CH4釋放潛力平面分布特征

根據(jù)上述CH4排放通量結(jié)果，結(jié)合不同湖區(qū)地理位置及其水動力條件，我們選取了上述采樣點中大浦和湖心兩個較為典型的、具有代表性的區(qū)域來分析CH4釋放潛力的垂向空間分布特征(如圖3)。由圖3可知，無論是空白樣品、還是添加了底物HCOONa、CH3OH和CH3COONa的實驗組，大浦湖區(qū)沉積物的CH4產(chǎn)氣速率在整個深度上均高于湖心區(qū)，這說明大浦湖區(qū)產(chǎn)甲烷菌的活性要高于湖心區(qū)，這主要是由于不同湖區(qū)沉積物理化性質(zhì)不同導(dǎo)致。而最直接的影響因素為沉積物中有效有機質(zhì)的含量，大浦湖區(qū)沉積物由于外源輸入其有機質(zhì)含量要高于湖心區(qū)，這可能使得大浦湖區(qū)沉積物中產(chǎn)甲烷菌代謝活性較高，因而其CH4釋放潛力整體上高于湖心區(qū)。這與上述水-氣界面CH4排放通量分析結(jié)論相一致。

注：a圖為空白試驗組、b圖中添加了HCOONa底物、c圖中添加了CH3OH底物、d圖中添加了CH3COONa底物分別代表產(chǎn)甲烷菌釋放CH4的3種途徑，即CO2還原途徑、甲基途徑和乙酸發(fā)酵途徑。圖3 不同底物條件下CH4產(chǎn)氣速率Fig.3 Gas production rate of CH4 under different substrates

2.3 環(huán)境因子與沉積物CH4釋放潛力的相關(guān)性

將大浦湖區(qū)和湖心區(qū)17個樣品不同途徑的CH4釋放潛力與含水率、鹽度和TOC3種環(huán)境因子進行相關(guān)性分析(下表)。結(jié)果表明，含水率、總有機碳與沉積物CH4釋放潛力呈正相關(guān)，且兩者與乙酸途徑CH4釋放潛力的相關(guān)性均較顯著。而鹽度與三種途徑CH4釋放潛力均呈負(fù)相關(guān)，但其相關(guān)性并不顯著。這說明，含水率和總有機碳在一定程度上影響著沉積物的CH4釋放潛力。Liu等人[20]研究也發(fā)現(xiàn)含水率是甲烷排放的關(guān)鍵理化特性，其主要是通過改變產(chǎn)甲烷菌的群落結(jié)構(gòu)[21]，進而影響CH4釋放潛力。此外，Liu等人[22]通過研究還發(fā)現(xiàn)有機碳含量與甲烷產(chǎn)生的潛力具有顯著相關(guān)性。這與本文的研究結(jié)果一致。因此，含水率和總有機碳對太湖沉積物CH4的釋放潛力具有顯著影響。

表 環(huán)境因子與CH4釋放潛力的Spearman相關(guān)性Tab. Spearman correlation between environmental factors and CH4 release potential

2.4 太湖沉積物CH4釋放途徑及其垂向分布特征

產(chǎn)甲烷菌通過厭氧降解產(chǎn)生CH4，根據(jù)其利用底物類型可分為3種途徑：氫營養(yǎng)型、甲基營養(yǎng)型和乙酸營養(yǎng)型[23～25]。因此，通過添加不同底物來研究分析大浦和湖心區(qū)沉積物CH4釋放途徑及其垂向特征(圖4)。由圖可知，無論是大浦湖區(qū)還是湖心區(qū)，沉積物整個深度上產(chǎn)生CH4的三種途徑均存在，這說明不同湖區(qū)不同深度的沉積物中三種營養(yǎng)型的產(chǎn)甲烷菌均有分布。

注：Blank為空白組；HCOONa代表氫營養(yǎng)型；CH3OH代表甲基營養(yǎng)型；CH3COONa代表乙酸營養(yǎng)型。圖4 不同湖區(qū)CH4釋放途徑及其垂向分布Fig.4 CH4 release pathways and its vertical distribution in different lakes

此外，大浦湖區(qū)隨深度增加而呈現(xiàn)出的空間差異性也比湖心區(qū)明顯。其中大浦湖區(qū)0～5cm深度產(chǎn)氣速率達到最高，之后隨深度增加呈現(xiàn)出先增加再減小的趨勢；而湖心區(qū)在整個垂向結(jié)構(gòu)上并無明顯差異性，且產(chǎn)氣速率較低。推測主要有兩方面原因：其一，湖心區(qū)受到人類活動影響較小，沉積物剖面各項指標(biāo)變化不明顯[26]；其二，湖心區(qū)流速要小于大浦湖區(qū)，水動力對沉積物擾動較弱[8]，進而造成湖心區(qū)沉積物理化性質(zhì)在深度上的差異要小于大浦湖區(qū)。因此產(chǎn)甲烷菌在湖心沉積物中的垂向分布差異不明顯，進而導(dǎo)致其CH4釋放潛力差異也不明顯。

大浦湖區(qū)沉積物除5～10cm深度之外，均是甲基途徑產(chǎn)氣潛力最高，其中0～5cm深度產(chǎn)CH4潛力最大，而10～35cm產(chǎn)CH4潛力次之，且較穩(wěn)定。其次為氫營養(yǎng)型和乙酸營養(yǎng)型，產(chǎn)CH4潛力均在0～5cm深度最大，而其余深度均較低，且無明顯波動。湖心區(qū)與大浦湖區(qū)相似，在沉積物整個深度之間均是甲基途徑CH4潛力最高，但與大浦湖區(qū)不同的是湖心區(qū)在15～20cm深度之間甲基途徑CH4潛力達到最大，0～5cm之間最小，且產(chǎn)CH4潛力較高區(qū)域在10～35cm之間。氫營養(yǎng)型和乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)CH4潛力在0～45cm深度均較小，且無明顯的垂向差異。

3 結(jié) 論

3.1 太湖不同湖區(qū)水-氣界面CH4排放通量存在差異。3個沿岸區(qū)域的水-氣界面CH4排放通量高于湖心區(qū)，其中大浦湖區(qū)最高，達1.249 9 mg/m2/h。

3.2 沉積物CH4釋放潛力存在空間差異：大浦湖區(qū)CH4釋放潛力高于湖心區(qū)。此外，沉積物CH4釋放潛力與含水率、總有機碳呈正相關(guān)；與鹽度呈負(fù)相關(guān)。

3.3 大浦和湖心區(qū)沉積物產(chǎn)CH4潛力最大的途徑均為甲基途徑，且潛力較大的深度集中在10～35cm；CO2途徑和乙酸途徑次之。此外，大浦湖區(qū)CH4釋放潛力隨沉積物深度呈現(xiàn)的空間差異性大于湖心區(qū)。

3.4 太湖是CH4排放的凈產(chǎn)生源，含水率、有機質(zhì)和鹽度等環(huán)境因子的差異均會影響甲烷排放和釋放潛力，進而對太湖沉積系統(tǒng)的碳循環(huán)產(chǎn)生重要影響。此外，沉積物深度也是影響太湖甲烷排放和釋放潛力的重要因素。