賈 磊,張 彌*,蒲旖旎,趙佳玉,王 嬌,謝燕紅,張 圳,肖 薇,石 婕,邱吉麗

養(yǎng)殖塘CH4通量時空變化特征及其影響因素

賈 磊1,張 彌1*,蒲旖旎1,趙佳玉1,王 嬌2,謝燕紅1,張 圳1,肖 薇1,石 婕1,邱吉麗1

(1.南京信息工程大學(xué),氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實驗室大氣環(huán)境中心,江蘇 南京 210044；2.山西省太原市氣象局,山西 太原 030000)

本研究基于多通道密閉式動態(tài)箱法對亞熱帶典型養(yǎng)殖塘CH4通量的時空變化特征及其影響因素進行了分析.結(jié)果表明:亞熱帶養(yǎng)殖塘CH4主要排放方式是冒泡,CH4擴散及冒泡通量均呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征.春、夏、秋、冬4個季節(jié)CH4擴散通量分別為:0.113, 0.830, 0.002, 0.005μmol/(m2·s),冒泡通量分別為0.923, 1.789, 0.006, 0.007μmol/(m2·s),冒泡通量占總通量的比例分別為89.04%、68.29%、78.95%和60.52%.在冬、春季養(yǎng)殖塘沒有人工管理措施的情況下,CH4通量隨著離岸距離的增加而增大,冬、春季養(yǎng)殖塘中間區(qū)域CH4總通量分別是岸邊淺水區(qū)的34.70和2.98倍.夏季養(yǎng)殖活躍期CH4通量在空間上呈現(xiàn)出:人工投食區(qū)(7.371μmol/(m2·s))>自然生長區(qū)(2.151μmol/(m2·s))>人工增氧區(qū)(0.888μmol/(m2·s))>岸邊淺水區(qū)(0.206μmol/(m2·s))的特征.在0.5h尺度上,春季CH4擴散通量與水溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與風(fēng)速呈負相關(guān)關(guān)系,秋季CH4擴散通量與水溫、風(fēng)速呈正相關(guān)關(guān)系,冒泡通量和水溫呈正相關(guān)關(guān)系.在日尺度上,水溫是CH4擴散通量和冒泡通量的主控因子,兩者均隨著水溫升高呈指數(shù)增加,并且冒泡通量的水溫敏感性10(12.72)大于擴散通量(7.78).

養(yǎng)殖塘；密閉式動態(tài)箱法；CH4擴散通量；CH4冒泡通量；時空變化特征；影響因素

全球水產(chǎn)養(yǎng)殖的快速發(fā)展會導(dǎo)致水體溫室氣體排放增加[1-2].作為世界上最大的淡水養(yǎng)殖國家,中國占全球水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量的58%[3].受“退養(yǎng)還湖”政策影響,湖泊養(yǎng)殖面積逐年下降,池塘養(yǎng)殖成為我國主要淡水養(yǎng)殖方式,占淡水養(yǎng)殖總面積的一半以上,并且逐年增長[4].養(yǎng)殖塘普遍面積較小,水深較淺,水體容易與周圍陸地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生物質(zhì)交換,是重要的CH4排放源.與自然水體相比,人工飼料投入和養(yǎng)殖魚類代謝產(chǎn)物積累帶來大量有機物,導(dǎo)致養(yǎng)殖塘CH4排放量高于政府間氣候變化專門委員會(IPCC)提出的熱帶和亞熱帶濕地的排放水平而成為排放熱點[5].因此,明確養(yǎng)殖塘CH4排放特征及其影響因素已成為內(nèi)陸水體溫室氣體循環(huán)研究中亟待解決的科學(xué)問題.

水體中CH4由底泥厭氧環(huán)境中微生物分解有機物產(chǎn)生,并通過冒泡、擴散和植物介導(dǎo)3種途徑由水體向大氣排放[6].研究發(fā)現(xiàn),在沒有挺水植物的水體中,CH4主要以冒泡方式排放,小型水體中甲烷冒泡通量約占總排放量的40%～60%[7].自然水體由于有機物含量和水深存在空間異質(zhì)性,加之CH4冒泡排放具有高度的隨機性,從而導(dǎo)致CH4通量存在明顯的空間差異[8-12].對于養(yǎng)殖塘,人工管理措施(人工投食、增氧等)使水體理化性質(zhì)的空間分布更復(fù)雜,從而導(dǎo)致CH4通過擴散、冒泡排放通量的空間格局更為復(fù)雜.結(jié)合傳輸系數(shù)法和倒置漏斗法對養(yǎng)殖塘CH4通量觀測表明,CH4擴散通量和冒泡通量不僅存在空間差異還存在季節(jié)變化特征[21-22].但由于傳輸系數(shù)法和倒置漏斗法采樣頻率低,無法長時間連續(xù)觀測,可能造成CH4高通量事件被忽略,導(dǎo)致養(yǎng)殖塘CH4通量的時空變化特征仍存在不確定性.傳統(tǒng)的靜態(tài)箱-氣相色譜法無法進行高頻連續(xù)觀測,也無法區(qū)分CH4的不同排放途徑[13-19].微氣象學(xué)方法能得到通量貢獻源區(qū)內(nèi)CH4排放通量,卻無法捕捉CH4通量的空間變化特征[20].利用密閉式動態(tài)箱,可實現(xiàn)同時對CH4冒泡通量和擴散通量進行原位高頻連續(xù)觀測,并且可以通過設(shè)置多個采樣點對養(yǎng)殖塘不同區(qū)域的CH4通量進行多點觀測,這對于明確養(yǎng)殖塘不同排放途徑的CH4通量及其時空變化特征十分必要.

CH4擴散和冒泡過程均受到溫度、氣壓等環(huán)境因子的影響.但由于不同途徑排放CH4通量的影響因子及其對影響因子響應(yīng)的敏感性存在差異[23-24].因此,基于總通量與環(huán)境因子之間的統(tǒng)計關(guān)系對CH4排放量模擬可能存在偏差[25].明確養(yǎng)殖塘不同途徑CH4排放通量的影響因子及其對因子變化的響應(yīng)關(guān)系,是準確估算養(yǎng)殖塘以及進行尺度上推準確估算區(qū)域CH4排放的關(guān)鍵.

長江中下游地區(qū)地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),氣候溫暖濕潤,水網(wǎng)密布,是我國水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要區(qū)域,該地區(qū)的養(yǎng)殖池塘占全國養(yǎng)殖池塘總面積的23.7%[4],因此該區(qū)域是CH4排放的熱點區(qū)域.本研究選取位于長江中下游地區(qū)的安徽省一處典型的淡水養(yǎng)殖塘,基于多通道密閉式動態(tài)箱法,對不同季節(jié)的CH4冒泡和擴散通量進行多點觀測,分析養(yǎng)殖塘CH4冒泡、擴散及總通量的時空變化特征及其影響因子,以期為養(yǎng)殖塘CH4排放對區(qū)域乃至全球內(nèi)陸水體溫室氣體排放貢獻研究提供數(shù)據(jù)和理論支撐,同時為其他水體溫室氣體通量觀測研究提供方法參考.

1 材料與方法

1.1 研究地概況

本研究選擇的養(yǎng)殖塘位于安徽省滁州市全椒縣官渡村淡水養(yǎng)殖區(qū)(118.69°E,32.24°N,圖1).該地屬亞熱帶季風(fēng)氣候,夏季多偏南風(fēng)、溫暖多雨,冬季多偏北風(fēng)、寒冷干燥.年平均氣溫為15.8℃,年平均降水量為1090mm(數(shù)據(jù)來源:http://data.cma.cn/).養(yǎng)殖塘面積7738m2,平均水深1.8m,且岸邊區(qū)域水深小于池塘中間區(qū)域.該養(yǎng)殖塘為魚、蚌混養(yǎng)塘,主要養(yǎng)殖魚類為鰱魚()、青魚()、草魚()和鳙魚()等.每年主要養(yǎng)殖季節(jié)為春、夏、秋三季.

圖1 研究區(qū)位置及采樣點分布

▲小氣候觀測點 ●通量觀測點 ◆渦輪增氧機 □養(yǎng)殖塘水體

本研究在養(yǎng)殖塘中設(shè)置A、B1、C1、D1、B2、C2和D2共7個通量觀測點(圖1),其中:A點位于養(yǎng)殖塘西岸岸邊淺水區(qū),B1、C1和D1分別位于西岸向養(yǎng)殖塘中央延伸的10,20,30m處.B2、C2和D2分別位于西岸向南岸延伸的10,20,30m處,其中D2點距離南岸10m.B1點靠近養(yǎng)殖塘飼料投入點,為人工投食區(qū).C1點遠離飼料投入點和渦輪增氧機,為自然生長區(qū).D1點靠近渦輪增氧機,為人工增氧區(qū).本研究分別在2018年秋季10月24～26日、2019年冬季1月13～19日、春季5月3～13日和夏季7月24日～8月5日對養(yǎng)殖塘CH4通量進行觀測,其中秋季在A點進行CH4通量觀測,春季在A、B2、C2和D2這4個點進行CH4通量觀測;夏季和冬季在A、B1、C1和D1這4個點進行CH4通量觀測.

1.2 多通道密閉式動態(tài)箱設(shè)計及通量計算原理

使用高度40cm,直徑32cm的圓柱狀透明塑料箱體扣置在水面上,箱體依靠泡沫浮圈漂浮在水面上.漂浮圈邊緣固定氣囊,當氣囊充氣時依靠其浮力將箱體打開,氣囊未充氣時箱體完全扣置在水面上,箱體下邊緣沒入水下,完全密封.通過延時繼電器控制氣泵定時給氣囊充氣和抽氣,實現(xiàn)箱體自動打開和關(guān)閉.箱體頂部設(shè)置進氣口和出氣口,使用內(nèi)徑為0.635cm特氟龍導(dǎo)管通過多通道氣路切換裝置與便攜式溫室氣體分析儀(915-0011-CU STOM, Los Gatos Research Inc., SF, USA)(LGR)連接,實現(xiàn)箱體內(nèi)CH4濃度在線實時測量.該儀器對CH4濃度100s測量精度為100×10-9mol/mol.氣路切換裝置設(shè)置4組進、出氣口,通過延時繼電器控制氣路之間切換,整套觀測系統(tǒng)可以對4個觀測點進行自動觀測.

實驗開始時控制氣泵給氣囊充氣使箱體1打開,箱體內(nèi)氣體與大氣充分交換;15min后,控制氣泵抽氣使箱體自動關(guān)閉,分析儀開始記錄箱體內(nèi)CH4濃度,去除由于箱體起落對水體造成擾動的時間,選取2min之后的數(shù)據(jù)進行通量計算,箱體保持關(guān)閉狀態(tài)15min后對箱體1測量結(jié)束,之后氣囊再次充氣,箱體自動打開,進入氣體交換狀態(tài).與此同時,氣路切換裝置將氣路切換到箱體2并進行與上述過程相同的流程,對箱體2的CH4通量進行觀測.依次進行全部4個箱體觀測后返回箱體1,如此循環(huán)觀測,4個箱體總測量周期為2h.

在得到LGR測得箱體內(nèi)的CH4濃度1Hz原始數(shù)據(jù)后進行10s平均,用于后續(xù)通量計算.觀測期間CH4以擴散方式排放時,箱體內(nèi)CH4濃度呈線性增加,如圖2a中的AB段.擴散通量的計算方法為:對AB段箱體內(nèi)CH4濃度隨時間變化進行線性擬合,得到擬合斜率d/d,代入以下公式中可以得到CH4擴散通量[19]:

圖2 CH4擴散通量和冒泡通量計算方法

當發(fā)生冒泡現(xiàn)象時,箱體內(nèi)CH4濃度會出現(xiàn)一個躍升,如圖2b所示.對于CH4冒泡通量的計算方法是:先對AB段進行線性擬合,并根據(jù)擴散通量計算方法得到這一觀測時段內(nèi)CH4擴散通量k,根據(jù)擴散通量求得觀測時間結(jié)束時,即C點處的CH4濃度,即為觀測時間內(nèi)通過擴散方式排放的CH4而導(dǎo)致的濃度變化量.CD之間的濃度差即為觀測時間段內(nèi)通過冒泡方式排放的CH4濃度變化量.CD點濃度差與AD點濃度差的比值即為該時段內(nèi)CH4冒泡排放的貢獻量.通過這一比值與總通量的乘積可以得到觀測時段內(nèi)CH4冒泡通量[26-27].

1.3 其他觀測數(shù)據(jù)

觀測目標養(yǎng)殖塘西岸岸邊安裝有小氣候觀測系統(tǒng)儀器,其中包括溫度濕度傳感器(HMP155, Vaisala Inc., Helsinki, Finland) 、風(fēng)速風(fēng)向傳感器(05103, R M Young Company, Traverse City, Michigan, USA)可同時獲取氣溫和風(fēng)速風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù),且溫度濕度傳感器和風(fēng)速風(fēng)向傳感器架設(shè)在距離地面高度1.5m處.同時配備水溫計(109-L, Campbell Scienti?c Inc., Logan, Utah, USA)用以獲取水面以下20cm處的水溫數(shù)據(jù).通過在線數(shù)據(jù)分析程序?qū)⑺袣鉁?、氣壓和風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)計算為0.5h平均值數(shù)據(jù).

2 結(jié)果與分析

2.1 CH4通量時間變化特征

2.1.1 CH4通量日變化特征 為明確養(yǎng)殖塘CH4通量日變化特征,在2019年春季5月9～11日對養(yǎng)殖塘CH4通量進行連續(xù)觀測得到CH4擴散通量、冒泡通量和總通量日變化如圖3所示,觀測期間CH4通量并沒有明顯日變化規(guī)律.觀測期間CH4擴散、冒泡和總通量平均值分別為0.131,1.020,1.151μmol/(m2·s).其中CH4擴散通量最大值出現(xiàn)在5月11日11:00,為0.559μmol/(m2·s),冒泡通量最大值出現(xiàn)在5月10日00:00,為2.925μmol/(m2·s).

如圖4所示,白天(06:00～18:00)總通量、擴散通量和冒泡通量平均值分別為1.032,0.117, 0.916μmol/(m2·s);夜間(18:00～次日06:00)總通量、擴散和冒泡通量平均值分別為1.377,0.160,1.217μmol/ (m2·s).經(jīng)過獨立樣本T檢驗,CH4總通量、冒泡通量和擴散通量晝夜均值之間的差異并不顯著(擴散通量= 0.472、冒泡通量=0.354、總通量=0.361),因此可使用白天CH4通量觀測結(jié)果代表全天平均水平.

白天CH4通量的變化特征主要與太陽輻射造成的環(huán)境溫度變化一致,呈現(xiàn)出 “單峰型”變化趨勢(圖5).春季各時間段均出現(xiàn)冒泡現(xiàn)象,擴散、冒泡和總通量最大值分別為0.354, 1.436, 1.790μmol/(m2·s).夏季各時段均出現(xiàn)冒泡現(xiàn)象,擴散、冒泡和總通量最大值分別為1.104, 2.623, 3.706μmol/(m2·s).秋季CH4冒泡現(xiàn)象主要出現(xiàn)在下午,并且當冒泡現(xiàn)象出現(xiàn)時,CH4總通量顯著提升,CH4總通量的變化特征主要由冒泡通量決定,其中擴散、冒泡和總通量最大值分別為0.003,0.053,0.055μmol/(m2·s).冬季上午CH4冒泡通量較大,下午和傍晚CH4冒泡通量明顯減少,其中擴散、冒泡和總通量最大值分別為0.010,0.026, 0.034μmol/(m2·s).

圖4 2019年5月9～11日養(yǎng)殖塘CH4通量晝夜差異

2.1.2 CH4通量季節(jié)變化特征 如圖6所示,秋季觀測期間CH4總通量日均值最大值出現(xiàn)在10月24日,為0.027μmol/(m2·s),最小值出現(xiàn)在10月25日為0.001μmol/(m2·s).其中,擴散通量日均值最大值出現(xiàn)在10月24日,為0.002μmol/(m2·s),只有10月24日出現(xiàn)CH4冒泡現(xiàn)象,冒泡通量為0.025μmol/(m2·s),占總通量的比例高達91.91%.

冬季觀測期間總通量日均值最大值出現(xiàn)在1月15日,為0.037μmol/(m2·s),最小值出現(xiàn)在1月13日為0.001μmol/(m2·s).其中,除1月13日和16日外各天均觀測到CH4冒泡現(xiàn)象,且冒泡通量、擴散通量日均值最大值均出現(xiàn)在1月15日,分別為0.027和0.010μmol/(m2·s).

春季觀測期間各天均出現(xiàn)冒泡現(xiàn)象,冒泡通量占總通量的比例均超過70%,總通量日均值最大值出現(xiàn)在5月13日,為1.538μmol/(m2·s),最小值出現(xiàn)在5月4日,為0.626μmol/(m2·s).其中,擴散通量和冒泡通量日均值變化趨勢均與總通量一致,最大值均出現(xiàn)在5月13日,分別為0.408,1.130μmol/(m2·s),最小值均出現(xiàn)在5月4日,分別為0.017,0.609μmol/ (m2·s).

圖5 養(yǎng)殖塘春、夏、秋、冬季多日平均白天CH4通量變化

夏季觀測期間每天均有冒泡現(xiàn)象,總通量日均值最大值出現(xiàn)在8月4日,為4.234μmol/(m2·s),最小值出現(xiàn)在7月30日,為0.821μmol/(m2·s).其中,擴散通量日均值最大值出現(xiàn)在8月3日,為1.719μmol/ (m2·s),最小值出現(xiàn)在8月5日,為0.171μmol/(m2·s).冒泡通量日均值最大值出現(xiàn)在8月4日,為3.247μmol/(m2·s),最小值出現(xiàn)在7月30日,為0.626μmol/(m2·s).

分析各季節(jié)CH4通量日均值發(fā)現(xiàn),在各個季節(jié)均存在CH4冒泡現(xiàn)象.但是,CH4冒泡通量在秋、冬季節(jié)觀測時并非每天出現(xiàn).在春、夏季節(jié)每天均有出現(xiàn).

圖6 2018～2019年秋(a)、冬(b)、春(c)、夏(d)季CH4擴散通量、冒泡通量日均值

表1 不同季節(jié)CH4擴散通量、冒泡通量、總通量和冒泡通量占比

由表1可見,CH4擴散通量、冒泡通量和總通量均呈現(xiàn)出:夏季>春季>冬季>秋季的特征.CH4擴散通量在夏季與其他3個季節(jié)之間呈顯著差異,夏季CH4擴散通量是春季的7.35倍,是秋冬季節(jié)平均值的237.14倍.CH4冒泡通量在秋冬季與春夏季之間差異顯著,其中CH4冒泡通量春夏季平均值是秋冬季平均值的208.62倍.不同季節(jié)CH4冒泡通量不同,但是CH4冒泡通量占總通量的比值均大于60%,春季占比最高,為89.04%,年平均為74.14%.

2.2 CH4通量空間變化特征

觀測期間,養(yǎng)殖塘不同區(qū)域CH4擴散通量、冒泡通量和冒泡方式在總通量中的貢獻均呈現(xiàn)出明顯的空間差異.

如圖7a所示,冬季總通量由A到D1逐漸增大,A點CH4總通量為0.001μmol/(m2·s),D1點CH4總通量為0.025μmol/ (m2·s),兩觀測點之間CH4總通量差異顯著.其中A點擴散通量最小,為0.001μmol/(m2·s), C1點擴散通量最大,為0.013μmol/(m2·s),且C1點擴散通量與A和B1點差異顯著,而與D1點差異不顯著.由于CH4冒泡在空間上的隨機性,冒泡通量各點之間差異不顯著,其中A點冒泡通量最小,為2.077× 10-6μmol/ (m2·s),D1點冒泡通量最大,為0.020μmol/ (m2·s),并且D1點冒泡通量在總通量中所占比例最大,為77.78%.

如圖7b所示,春季C2點CH4總通量最大,為2.017μmol/(m2·s),且與其他3個觀測點之間有顯著差異.各觀測點CH4擴散通量、冒泡通量變化趨勢與總通量相一致,C2點擴散通量、冒泡通量分別為0.204和1.814μmol/(m2·s),均顯著高于其他觀測點.B2點擴散通量、冒泡通量最小,分別為0.042和0.500μmol/(m2·s).此外,春季冒泡通量在總通量中所占比例均超過85%,且在各觀測點之間差異較小.

柱狀圖上方字母A、B表示不同采樣點擴散通量差異性,a、b和c表示冒泡通量差異性.含有相同字母表示差異不顯著,不含有相同字母表示差異顯著

圖7c所示,夏季位于人工投食區(qū)的B1點CH4總通量最大,達7.371μmol/(m2·s),而岸邊淺水區(qū)A點總通量最小,為0.206μmol/(m2·s).A點CH4總通量與位于人工增氧區(qū)D1點差異不顯著,而與位于人工投食區(qū)的B1和自然生長區(qū)C1點差異顯著.其中B1點CH4擴散通量、冒泡通量分別為2.623和4.748μmol/(m2·s),顯著高于其他點.CH4擴散通量和冒泡通量最低為A點,該點擴散通量、冒泡通量分別為0.029和0.177μmol/(m2·s).D1點CH4冒泡通量在總通量所占比例高于其他點,達到87.36%,而B1點冒泡通量占總通量的比例最小,為64.42%.

養(yǎng)殖塘CH4通量總體表現(xiàn)為,在冬春季沒有人為管理措施時,CH4通量隨著與離岸距離的增加而增大,冬季中間區(qū)域CH4總通量是岸邊淺水區(qū)的34.70倍,春季中間區(qū)域的CH4總通量是岸邊淺水區(qū)的2.98倍.夏季養(yǎng)殖塘CH4受人工管理措施影響,人工投食區(qū)CH4冒泡和擴散通量均顯著高于其他區(qū)域,其總通量為自然生長區(qū)的3.43倍,人工增氧區(qū)域的CH4通量比自然生長區(qū)低58.70%,比人工投食區(qū)低88.00%.

2.3 氣象要素對CH4通量的影響

養(yǎng)殖塘CH4擴散、冒泡和總通量在各季節(jié)均不符合正態(tài)分布,因此在分析養(yǎng)殖塘CH4通量與氣溫、水溫、氣壓和風(fēng)速之間相關(guān)性時,采用spearman相關(guān)性分析.結(jié)果如表2所示,在0.5h尺度上,春季CH4擴散通量與氣溫和水溫呈現(xiàn)顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.188和0.236,與風(fēng)速和氣壓呈現(xiàn)顯著負相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為-0.185和-0.168.該結(jié)果說明,溫度升高會導(dǎo)致CH4擴散通量增加,而風(fēng)速、氣壓增加會導(dǎo)致擴散通量減小.CH4冒泡出現(xiàn)的隨機性導(dǎo)致春季CH4冒泡通量和總通量與氣象要素之間未呈現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系.秋季CH4擴散通量、冒泡通量和總通量均與水溫和氣溫呈現(xiàn)出顯著正相關(guān),即隨著溫度升高,CH4通量及各種途徑排放的CH4均會增加.此外,冒泡通量與氣壓呈顯著負相關(guān)(<0.01),相關(guān)系數(shù)為-0.446,即氣壓增加會導(dǎo)致冒泡通量減小.冬、夏季觀測期間CH4通量和氣象要素變化幅度較小,因此未得到顯著相關(guān)關(guān)系.

表2 不同時間尺度CH4通量與氣象要素的Spearman相關(guān)性分析

注:數(shù)值為相關(guān)系數(shù),**表示在0.01水平上顯著相關(guān),*表示在0.05水平上顯著相關(guān).

在日尺度上,CH4擴散通量、冒泡通量及總通量與氣溫和水溫之間均呈顯著正相關(guān),而與氣壓呈現(xiàn)負相關(guān),與風(fēng)速無顯著相關(guān)關(guān)系.CH4擴散通量、冒泡通量及總通量與水溫的相關(guān)性大于氣溫,表明水溫直接影響CH4通量.

表3 不同時間尺度CH4通量與氣象要素的多元逐步回歸分析

注:表中k、m和z分別為CH4擴散通量、冒泡通量和總通量,單位為μmol/(m2·s);w為水溫,單位為℃;WS為風(fēng)速,單位為m/s.

由表2可以得到,CH4通量受多個氣象要素影響,由多個氣象因子共同決定,為消除不同氣象要素之間的相互關(guān)聯(lián),分析CH4通量的主導(dǎo)影響因子,對數(shù)據(jù)進行多元逐步回歸擬合.如表3所示,在0.5h尺度上,春季CH4擴散通量主要影響因子為水溫和風(fēng)速,且與水溫正相關(guān),與風(fēng)速負相關(guān).秋季CH4擴散通量主要影響因子為水溫和風(fēng)速,且與水溫和風(fēng)速均正相關(guān),基于水溫和風(fēng)速的回歸方程可以解釋45.9%的CH4擴散通量變化.秋季冒泡通量和總通量主要影響因子為水溫,基于水溫的回歸方程可以分別解釋22.4%的CH4冒泡通量和24.0%的CH4總通量變化.在日尺度上,CH4擴散通量、冒泡通量和總通量的主要影響因子均為水溫,基于水溫的線性擬合方程可以分別解釋44.3%的擴散通量、50.4%的冒泡通量和51.8%的總通量變化.

在日尺度上,進一步分析CH4擴散通量和冒泡通量對水溫變化的響應(yīng)關(guān)系發(fā)現(xiàn),兩者均隨著水溫升高呈指數(shù)增加趨勢(圖8).CH4擴散通量和冒泡通量與水溫的指數(shù)擬合方程的擬合優(yōu)度2分別達到0.710和0.622,CH4擴散通量和冒泡通量對水溫變化的敏感性10分別為7.78和12.72,這表明CH4冒泡通量對溫度的變化更為敏感.

3 討論

3.1 亞熱帶養(yǎng)殖塘CH4通量的排放水平及排放途徑

眾多研究發(fā)現(xiàn),小型水體的甲烷排放高于大型水體,并且養(yǎng)殖水體的甲烷排放會高于自然小型水體[36].本研究對比了亞熱帶地區(qū)不同類型水體年平均CH4通量研究,從表4的統(tǒng)計中可以得出,亞熱帶養(yǎng)殖塘年平均CH4通量為0.173μmol/(m2·s),約為亞熱帶其他自然水體的4.90倍,是未用于養(yǎng)殖的富營養(yǎng)化池塘的5.60倍[43].與其他水體類型相比,養(yǎng)殖動物代謝產(chǎn)物淤積,以及飼料投入等大量的外源碳輸入,為養(yǎng)殖塘中CH4產(chǎn)生提供了充足的底物供給,使養(yǎng)殖池塘這一特殊類型小型水體,具有更高的CH4排放量值.

對比本研究與亞熱帶其他養(yǎng)殖塘的CH4排放量可以看出,CH4排放量最高出現(xiàn)在夏季.Yang等[56]對福建閩江河口養(yǎng)殖塘觀測得到其夏季CH4通量為2.135μmol/(m2·s),與本研究所得夏季CH4通量2.619μmol/(m2·s)相當.說明夏季氣溫和水溫高,魚蝦新陳代謝旺盛,飼料大量投入,水體中有機質(zhì)增加,并且水溫高有利于有機物質(zhì)的分解,從而使養(yǎng)殖塘CH4的排放量增大.本研究全年平均水平高于其他養(yǎng)殖塘研究,是因為本研究對不同季節(jié)養(yǎng)殖塘CH4通量進行多天連續(xù)觀測,各季節(jié)的觀測時間相對集中,特別是春、夏季觀測期間氣溫與水溫較高,因此根據(jù)CH4通量和氣溫的相關(guān)關(guān)系可得,觀測的CH4通量代表了該季節(jié)養(yǎng)殖塘CH4通量最高水平.對湖北宜昌5個養(yǎng)殖塘觀測得到CH4年平均通量為0.175μmol/(m2·s),是本研究的20%[39].該研究每月進行1次通量觀測,由于氣象要素影響,各天之間CH4通量日均值存在差異,低采樣頻率可能造成CH4高通量事件的忽視,從而低于本研究的CH4排放水平.

表4 亞熱帶不同類型內(nèi)陸水體CH4年平均通量

內(nèi)陸水體中,CH4由水體底泥中的厭氧微生物分解有機物產(chǎn)生,主要通過冒泡方式向上傳輸?shù)竭_水面并釋放到大氣中,同時,溶解在水中的CH4氣體通過擴散方式向大氣中釋放,而有挺水植物生長的地方,CH4還可以通過植物介導(dǎo)的方式向外排放[57].在本研究中,養(yǎng)殖塘并沒有大型水生植被,因此CH4排放主要以冒泡方式向外排放,冒泡通量占總通量的年平均比例為74.14%.不同季節(jié)CH4冒泡通量在總通量中所占比例存在差異,其中春季最大,為89.04%,冬季最小,為60.52%.對于太湖梅梁灣CH4通量觀測結(jié)果得到CH4冒泡通量比例范圍為31.2%～71.0%,低于本研究結(jié)果[58-59].與自然水體相比,養(yǎng)殖塘由于人工投食為厭氧微生物產(chǎn)生CH4提供了豐富的有機質(zhì),具有較高的CH4產(chǎn)生速率.養(yǎng)殖塘普遍水深較淺,減小了CH4氣泡在向上傳輸過程中被氧化的機率.同時,養(yǎng)殖塘面積普遍較小,受風(fēng)擾動小,CH4氣泡在傳輸過程中不容易破碎,更有利于CH4通過冒泡形式排放.因此,CH4冒泡通量在總通量中所占的比例高.張秀芳等[22]對于2個養(yǎng)殖塘夏季CH4通量觀測得到冒泡通量占總通量的比例分別為97.5%和96.4%,高于本研究夏季觀測結(jié)果.原因可能是該研究采用倒置漏斗的方法進行CH4冒泡通量收集和觀測,而CH4擴散通量則通過傳輸系數(shù)法進行觀測,且該研究采樣點均位于養(yǎng)殖塘岸邊,方法差異和冒泡通量的空間差異均給冒泡通量在總通量中所占比例結(jié)果帶來差異.

3.2 養(yǎng)殖塘CH4通量空間變化特征

已有研究表明,對于自然水體,CH4冒泡和擴散通量存在空間差異.CH4通量空間變化特征主要與水體深度[60]、水生植物[52]以及有機物輸入[59]有關(guān).而對于養(yǎng)殖池塘,本研究得到,冬春季CH4空間差異主要受離岸距離影響,岸邊淺水區(qū)CH4通量小,中間區(qū)域CH4通量大,養(yǎng)殖塘中間區(qū)域擴散通量和冒泡通量均顯著高于岸邊淺水區(qū).在養(yǎng)殖塘多年養(yǎng)殖過程中,人工投食和養(yǎng)殖生物活動的主要區(qū)域均位于養(yǎng)殖塘中間區(qū)域,因此殘留飼料和養(yǎng)殖生物代謝產(chǎn)生的有機物易于在這一區(qū)域積累,而岸邊淺水區(qū)有機物含量較少.這種有機物空間分布不均勻造成CH4通量呈現(xiàn)出中間區(qū)域高于岸邊淺水區(qū)的分布特征.王嬌等[21]對于春季養(yǎng)殖塘CH4通量的觀測也得到了養(yǎng)殖塘中間區(qū)域CH4冒泡通量遠大于岸邊淺水區(qū).

當夏季淡水養(yǎng)殖活躍期進行人工投食和增氧時,CH4通量的空間差異受人工管理措施影響.人工投食區(qū)CH4冒泡和擴散通量均顯著高于其他區(qū)域,其總通量為自然生長區(qū)的3.43倍.人工投入的飼料若未完全被魚類利用,殘留在池塘底泥當中,為產(chǎn)CH4微生物提供豐富的有機質(zhì),促進CH4的產(chǎn)生和向外排放,因此人工投食區(qū)CH4通量明顯高于其它區(qū)域.Yang等[61]對于亞熱帶養(yǎng)蝦塘的觀測同樣得到投食區(qū)CH4排放顯著增加,約占CH4總排放通量的60%.而對于江蘇興化的養(yǎng)殖魚塘觀測得到人工飼料投喂區(qū)CH4通量低于營養(yǎng)富集區(qū)[38].導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是在該研究中有機物質(zhì)主要在營養(yǎng)富集區(qū)積累,導(dǎo)致營養(yǎng)富集區(qū)溶解有機碳高于飼料投喂區(qū).

對于高密度的池塘養(yǎng)殖,為保證養(yǎng)殖魚類有充足的氧氣,避免窒息死亡,需要人工增氧措施向水體中補充氧氣[62].本研究發(fā)現(xiàn)在靠近養(yǎng)殖塘人工增氧區(qū)域的CH4通量比自然生長區(qū)低58.70%,比人工投食區(qū)低88.00%.水體中的溶解氧會對CH4起到氧化的作用,一方面,CH4在水體的傳輸過程中被溶解在水中的氧氣氧化;另一方面,CH4的產(chǎn)生需要厭氧環(huán)境,而水體中氧氣會抑制厭氧微生物的分解過程[63].丁維新等[64]通過對比不同養(yǎng)殖塘CH4通量得出,增氧措施能夠使養(yǎng)殖塘CH4排放通量平均降低92.67%.Liu等[42]對于魚蟹養(yǎng)殖塘的研究也證明,即使沉積物DOC濃度高,增氧裝置的使用依然有效降低了CH4通量.本研究養(yǎng)殖塘采取葉輪增氧機進行人工增氧,通過渦輪葉片攪動水體達到增氧目的,使增氧區(qū)域CH4通量降低,但其作用的空間范圍十分有限,并未對整個養(yǎng)殖塘產(chǎn)生明顯作用.相比之下,底層微孔曝氣增氧對養(yǎng)殖塘底部的增氧效果更佳,可以高效降低養(yǎng)殖塘CH4排放[65-66].

綜上所述,離岸距離及人為管理措施是影響?zhàn)B殖塘CH4通量格局的主要因素.在觀測和估算養(yǎng)殖塘CH4排放通量時,應(yīng)該充分考慮由于水體特征和人工養(yǎng)殖措施(人工投食和增氧)空間分布不均造成的CH4通量空間變化特征.同時,通過合理優(yōu)化養(yǎng)殖塘人工管理措施可以達到CH4減排的目的.

3.3 養(yǎng)殖塘CH4通量的影響因子

已有研究得到,溫度和氣壓等環(huán)境因子是影響水體CH4排放通量的重要因素,而環(huán)境因子對于不同CH4排放過程的影響機制不同[23-24].其中,溫度升高一方面會導(dǎo)致底泥中產(chǎn)CH4微生物活性增強,加速CH4產(chǎn)生并且以冒泡形式向上傳輸,導(dǎo)致CH4冒泡通量增加[67];另一方面,溫度升高使CH4在水中溶解度降低,更容易從水體中向大氣釋放,使CH4擴散通量增大[68-69].對于氣壓,一方面氣壓可能是CH4冒泡的觸發(fā)因素,因此其對于CH4冒泡通量有很大影響[12];另一方面,氣壓同樣會影響CH4在水中的擴散速率,從而影響CH4擴散通量[41].

對于CH4冒泡通量,本研究得到其在日尺度上與水溫有顯著正相關(guān),CH4冒泡通量與水溫呈指數(shù)關(guān)系,冒泡通量的水溫敏感性10為12.72.王嬌等[21]對于冬春季養(yǎng)殖塘CH4通量的觀測結(jié)果顯示,CH4冒泡通量與水溫呈顯著正相關(guān),溫度敏感性10為14.88,與本研究相似.對于CH4擴散通量,本研究得到其在日尺度上與水溫均呈顯著正相關(guān),其中CH4擴散通量對水溫的敏感性10為7.78.而對于洞庭湖濕地CH4通量的研究表明,擴散通量與溫度之間呈現(xiàn)出線性正相關(guān)[70].在太湖[59]、南京城市水體[71]溫室氣體通量的研究也得到了線性正相關(guān)的結(jié)論.造成該線性相關(guān)的原因為:養(yǎng)殖塘底泥中有機質(zhì)更豐富,而自然水體底泥中有機物的限制可能會強烈削弱CH4通量與溫度之間的指數(shù)關(guān)系.本研究結(jié)果表明,與CH4擴散通量相比,冒泡通量對水溫敏感性更高.其原因在于,水溫升高會直接影響底泥中微生物活性,促使CH4產(chǎn)生并以冒泡形式向外排放,而由于CH4在水體當中溶解度較低,因此CH4擴散通量對水溫變化做出的響應(yīng)較小.

同時本研究得到,氣壓上升會導(dǎo)致CH4冒泡通量下降,但CH4通量與氣壓之間的變化關(guān)系主要由于氣壓和溫度協(xié)同變化所導(dǎo)致.而蒲旖旎等[58]在太湖梅梁灣的觀測結(jié)果表明,氣壓每變化1kPa,CH4冒泡通量變化0.131 μmol/(m2·s),由此可以看出,當氣壓降低時,更多含有CH4氣體的氣泡由底泥當中釋放出來并向上傳輸.

4 結(jié)論

4.1 亞熱帶養(yǎng)殖塘CH4擴散通量、冒泡通量和總通量在季節(jié)尺度上均呈現(xiàn)出:夏季>春季>冬季>秋季的特征.在各季節(jié)中,冒泡均為CH4排放的主要途徑,冒泡通量占總通量74.14%.其中,冒泡通量在總通量中的比例春季最高,冬季最低.該養(yǎng)殖塘年均甲烷總通量為0.919μmol/(m2·s).

4.2 亞熱帶養(yǎng)殖塘CH4總通量、擴散通量、冒泡通量均呈現(xiàn)出空間變化特征.人為管理及離岸距離是空間變化的主要影響因素.在沒有人工投食和增氧措施情況下,CH4通量由岸邊淺水區(qū)向中間區(qū)域逐漸增大.在人工投食及增氧措施的影響下,夏季人工投食區(qū)CH4通量為自然生長區(qū)的3.43倍,人工增氧區(qū)CH4通量比自然生長區(qū)低58.70%.

4.3 在日尺度上,CH4擴散通量和冒泡通量均與水溫呈顯著正相關(guān),其溫度敏感性分別為7.78和12.72,與擴散通量相比,冒泡通量對水溫的敏感性更強.

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Temporal and spatial characteristics of methane flux and its influencing factors in a typical aquaculture pond.

JIA Lei1, ZHANG Mi1*, PU Yi-ni1, ZHAO Jia-yu1, WANG Jiao2, XIE Yan-hong1, ZHANG Zhen1, XIAO Wei1, SHI Jie1, QIU Ji-li1

(1.Yale-NUIST Center on Atmospheric Environment, International Joint Laboratory on Climate and Environment Change, Nanjing University of Information Science &Technology, Nanjing 210044, China；2.Taiyuan Meteorological Bureau of Shanxi Province, Taiyuan 030000, China)., 2021,41(6)：2910～2922

Applied the multi-channel closed dynamic floating chamber, the spatial and temporal variations of CH4flux and its impact factors in an aquaculture pond were identified. The results showed that ebullition was the major transport pathway of CH4emission. CH4diffusion flux and ebullition flux had visible seasonal variation. The CH4diffusion flux was 0.113, 0.830, 0.002 and 0.005 μmol/(m2·s) in spring, summer, autumn and winter, respectively. The ebullition flux was 0.923, 1.789, 0.006 and 0.007μmol/(m2·s) in spring, summer, autumn and winter, respectively. The ratio of the ebullition flux to the total flux was 89.04%、68.29%、78.95% and 60.52% respectively in the four seasons. The total CH4flux also exhibited spatial variations within the pond. In winter and spring, artificial managements were not performed. The total CH4flux increased with increase of offshore distance. The total CH4flux was 34.7 and 2.98 times higher in the middle area of the pond than that in the shallow water area close to bank in winter and spring, respectively. But, during breeding period in summer, the spatial pattern of CH4flux was related to artificial managements. The total CH4flux showed the following sequence: artificial feeding zone (7.371μmol/(m2·s))>natural growth zone (2.151μmol/(m2·s)) >artificial oxygenation zone (0.888μmol/(m2·s)) > shallow water zone along the shore (0.206μmol/(m2·s)). At the half hourly scale, CH4diffusion flux positively correlated with water temperature and negatively correlated with wind speed significantly in spring. In autumn, CH4diffusion flux positively correlated with water temperature and wind speed.CH4ebullition flux positively correlated with water temperature significantly. At the daily scale, water temperature was the main impacting factor of CH4diffusion flux and ebullition flux. Both of the fluxes increased exponentially with the increase of water temperature. The water temperature sensitivity(Q10) of ebullition flux was higher than that of diffusive flux. The10was 12.72 and 7.78, respectively.

aquaculture ponds；multi-channel closed dynamic floating chamber method；CH4ebullition flux；CH4diffusion flux；temporal and spatial characteristics；impact factors

X51

A

1000-6923(2021)06-2910-13

賈 磊(1993-),男,山西朔州人,南京信息工程大學(xué)碩士研究生,主要研究地-氣溫室氣體交換.

2020-10-29

國家自然科學(xué)基金資助項目(41575147,41975143);河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點實驗室開放研究基金項目(Z201901H)

* 責任作者, 副教授, zhangm.80@nuist.edu.cn