賀文棖 肖尚斌 劉心庭 劉 佳 朱良辰李毅旭 張鑫毅 陳明鑒 劉 流

(1.三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心, 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;3.湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 湖北 宜昌 443002;4.云南師范大學(xué) 地理學(xué)部, 昆明650500)

甲烷(CH4)是一種具有強(qiáng)烈增溫潛勢(shì)的溫室氣體,在全球氣候變暖中的貢獻(xiàn)率僅次于二氧化碳[1].內(nèi)陸淡水生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)過程中扮演著重要角色,是CH4的主要排放來源[2-3].濕地是內(nèi)陸淡水生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)和氣候調(diào)節(jié)的重要組成部分,它存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化了大量的碳,總的非人為CH4排放量約6%～16%被認(rèn)為是由濕地貢獻(xiàn)[4-6].隨著環(huán)境污染形勢(shì)日趨嚴(yán)重,水體富營養(yǎng)化普遍發(fā)生,富營養(yǎng)改變了CH4生成所需底物及氧化時(shí)所需氧的可利用性,使得濕地CH4排放量存在極大的不確定性[7-9].

CH4濃度變化一般取決于兩個(gè)拮抗過程:CH4生成和氧化,水體富營養(yǎng)化使得這兩個(gè)過程之間的平衡發(fā)生了改變[10].阿爾卑斯山的布爾熱湖因富營養(yǎng)化導(dǎo)致沉積物機(jī)質(zhì)含量以及水中氧可利用性變化,使得沉積物中產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)和豐度發(fā)生了改變[11];滇池和洱海厭氧甲烷氧化潛力以及亞硝酸鹽依賴型厭氧甲烷氧化細(xì)菌的豐度和群落結(jié)構(gòu)受湖泊富營養(yǎng)化顯著影響[12];長江中下游不同營養(yǎng)狀態(tài)湖泊沉積物的礦化速率存在顯著差異,沉積物中氮、磷營養(yǎng)鹽濃度越高,水中溶解甲烷濃度越高[13].然而,這些研究大多集中于大型深水湖泊,對(duì)面積非常小的淺水濕地和湖泊溶存CH4濃度變化規(guī)律研究十分鮮見,這些小面積淺水濕地和湖泊占全球湖泊和濕地面積的8.6%,但CH4擴(kuò)散排放量占內(nèi)陸淡水生態(tài)系統(tǒng)的40.6%[14-15].它們底泥中泥炭豐富,有機(jī)質(zhì)礦化作用強(qiáng)烈,CH4排放量高,在全球和區(qū)域尺度范圍難以測繪,導(dǎo)致它們尚未完全納入當(dāng)?shù)睾腿虻奶碱A(yù)算[16-17].

鑒于此,以湖北省宜昌市12個(gè)不同富營養(yǎng)化狀態(tài)的小面積淺水濕地為研究對(duì)象,采用Xiao等[18]研發(fā)的快速水-氣平衡裝置(Fa-RAGE),對(duì)水體溶解CH4濃度進(jìn)行季節(jié)性監(jiān)測,同時(shí)監(jiān)測各水環(huán)境因子.探究不同營養(yǎng)狀態(tài)沉積下小型淺水濕地溶存CH4濃度季節(jié)變化規(guī)律及影響因素的差異性,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)濕地CH4排放的準(zhǔn)確估計(jì)提供科學(xué)參考.

1 材料及方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于中國湖北省宜昌市境內(nèi),該地區(qū)地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),多年平均降雨量1 206 mm,降雨多集中在6至9月,年均溫度16.9℃,監(jiān)測基本信息見表1.

表1 采樣點(diǎn)基本信息

1.2 樣品采集與處理

2022年3、7、10、12月按照《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》(HJ494—2009)采集水樣,水樣采集前將聚乙烯瓶在1∶1鹽酸中浸泡24 h,再用去離子水清洗烘干后密封在干凈的密封袋中備用,水樣采集前用樣點(diǎn)處水潤洗2～3次,然后進(jìn)行采集,密封后放入車載冷凍箱內(nèi),轉(zhuǎn)運(yùn)到冰箱中保存直至分析.

采用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(YSI-EXO,美國)測定水溫(Temp)、電導(dǎo)率(Sp Cond)、溶解氧(DO)濃度、溶解性總碳(DOC)濃度和葉綠素a(Chl.a)濃度等水環(huán)境參數(shù).表層水體溶解CH4濃度測量采用新型快速水-氣平衡裝置(Fa-RAGE)[18]連接溫室氣體分析儀(Picarro G2301,美國)測定.總磷(TP)、總氮(TN)、硝氮(NO3-N)、氨氮(NH4-N)、正磷酸鹽(PO3-4)指標(biāo)的檢測方法參照文獻(xiàn)[19].

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1 富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)模型

采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對(duì)水體進(jìn)行富營養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià),以葉綠素為基準(zhǔn)參數(shù)求得其他水質(zhì)參數(shù)權(quán)重,最終通過公式(1)加權(quán)得到綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù),公式為:

式中:ITL(∑)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);Wj為第j種水質(zhì)參數(shù)權(quán)重;ITL(j)為第j種水質(zhì)參數(shù)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);m為參與評(píng)價(jià)的參數(shù)個(gè)數(shù).各水質(zhì)參數(shù)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式如下:

式中:X為水體Chl.a的質(zhì)量濃度(mg·m-3);Y為水體TN 的質(zhì)量濃度(mg·L-1);Z為水體TP的質(zhì)量濃度(mg·L-1).以Chl.a為基準(zhǔn)參數(shù),參數(shù)權(quán)重歸一化計(jì)算公式為:

式中:rij為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)Chl.a的相關(guān)關(guān)系;Wj為第j種水質(zhì)參數(shù)權(quán)重.

貧營養(yǎng)為ITL(∑)＜30;中營養(yǎng)為30≤ITL(∑)≤50;輕度富營養(yǎng)為50＜ITL(∑)≤60;中度富營養(yǎng)為60＜ITL(∑)≤70;重度富營養(yǎng)為ITL(∑)＞70.

1.3.2 薄邊界層法

式中:F為水-氣界面擴(kuò)散通量(mg·m-2·h-1);k為氣體交換系數(shù)(cm·h-1);Cw為表層水體溶解甲烷濃度(μmol·L-1),為本研究實(shí)測獲得;Csat為該氣體相對(duì)于上方空氣而言平衡時(shí)表層水體中的濃度(μ·mol-1),通過文獻(xiàn)[20]計(jì)算;F1為厘米與米的轉(zhuǎn)化系數(shù)(0.01);F2為甲烷的相對(duì)分子質(zhì)量(16 g·mol-1).

1.3.3 數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,結(jié)果以均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差表示,使用origin 2021軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)圖表進(jìn)行繪制;使用IBM SPSS探究相關(guān)性、主成分、聚類、線性回歸以及多元逐步回歸分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 水體理化性質(zhì)季節(jié)變化特征

濕地水體理化性質(zhì)季節(jié)變化特征見表2,研究區(qū)域12個(gè)淺水濕地在監(jiān)測時(shí)期主要表現(xiàn)為3個(gè)營養(yǎng)狀態(tài):輕營養(yǎng)(a、b、c、d)、中營養(yǎng)(e、f、g、h)、重營養(yǎng)(i、g、k、l).各項(xiàng)水體理化指標(biāo)呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化,均值大小大多表現(xiàn)為重營養(yǎng)濕地＞中營養(yǎng)濕地＞輕營養(yǎng)濕地.

表2 淺水濕地水體理化參數(shù)季節(jié)變化

2.2 溶存CH4 濃度季節(jié)變化特征及影響因素

水體溶解CH4濃度季節(jié)變化見表3,結(jié)果表明不同營養(yǎng)狀態(tài)的淺水濕地CH4濃度具有不同的季節(jié)性波動(dòng)特征,輕營養(yǎng)和重營養(yǎng)濕地CH4濃度季節(jié)變化趨勢(shì)相同,均表現(xiàn)為先增加再下降的變化趨勢(shì),但輕營養(yǎng)濕地秋季為CH4濃度最大值,重營養(yǎng)濕地最大值出現(xiàn)在夏季,均值分別為1.16μmol·L-1和3.10 μmol·L-1,冬季濃度均為最低,均值分別為0.33 μmol·L-1和2.07μmol·L-1;中營養(yǎng)濕地CH4濃度呈現(xiàn)先增加在下降在增加的波動(dòng)變化趨勢(shì),夏季為CH4濃度最大值春季為最小值,均值分別為1.61 μmol·L-1和0.77μmol·L-1.

表3 不同富營養(yǎng)營養(yǎng)狀態(tài)濕地溶解CH4 濃度季節(jié)變化(單位:μmol·L-1)

ITL(∑)與水體溶存CH4濃度關(guān)系如圖1所示,濕地ITL(∑)值越大,水體溶存CH4濃度越高.濕地CH4的濃度變化主要受兩個(gè)拮抗過程影響:CH4生成和氧化,水體富營養(yǎng)會(huì)加劇CH4生成和氧化對(duì)環(huán)境因子的敏感性,CH4生成比CH4氧化對(duì)環(huán)境因子更敏感,富營養(yǎng)化放大了此敏感性[21].此外富營養(yǎng)程度更嚴(yán)重的濕地中內(nèi)源營養(yǎng)物質(zhì)的釋放(碳、氮、磷)促進(jìn)了沉積物垂向坡面的變化,導(dǎo)致CH4濃度增加[22].

圖1 不同濕地溶解甲烷濃度季節(jié)變化圖

采樣一元線性回歸對(duì)濕地溶存CH4濃度與環(huán)境因子進(jìn)行線性擬合結(jié)果如圖2所示,TN 濃度、TP濃度、DO 濃度以及p H 值擬合效果最佳(R2＞0.5).隨著水體TN 和TP 濃度的升高,CH4濃度明顯增大(圖2(a)中R2=0.67;圖2(b)中R2=0.51;),水體氮磷含量升高是濕地富營養(yǎng)化的主要影響因素之一,較高的氮磷濃度會(huì)導(dǎo)致更豐富的甲烷生成底物,例如影響甲烷營養(yǎng)體豐度和II型甲烷營養(yǎng)體比例[11-12].通常認(rèn)為CH4是在嚴(yán)格厭氧條件下有機(jī)質(zhì)分解和氧化降解的最終產(chǎn)物[23],較高的溶解氧條件會(huì)抑制產(chǎn)甲烷菌的活性,加速甲烷氧化(圖2(c)中R2=0.55),近來有研究發(fā)現(xiàn)表層水體中的有氧區(qū)域有產(chǎn)甲烷微生物的存在[24],但這類微生物產(chǎn)甲烷的影響機(jī)制尚不清楚,Tang等[25]認(rèn)為這類生物在水中產(chǎn)甲烷過程中可以通過配備某種酶來抵消產(chǎn)甲烷過程中分子氧的影響或使用不涉及氧敏感酶的替代途徑.水生生態(tài)系統(tǒng)中酸堿環(huán)境的差異,p H 值越大,CH4濃度越低(圖2(d)中R2=0.57),p H 值對(duì)產(chǎn)甲烷和甲烷氧化微生物的豐度、群落結(jié)構(gòu)以及生命代謝會(huì)產(chǎn)生重要的影響[26-27].Qiu等[28]通過從甲烷微生物群落以及能量代謝多方面綜合探究不同p H 值下產(chǎn)甲烷的影響,結(jié)果表明隨著p H 值越大,大多數(shù)參與甲烷生產(chǎn)酶基因的豐度和活性越低,例如乙酸激酶和甲酰甲烷呋喃脫氫酶.

圖2 溶解CH 4 濃度與環(huán)境因子的線性擬合

對(duì)所有環(huán)境因子進(jìn)行主成分分析,得到兩個(gè)主成分(見表4),累積解釋所有環(huán)境變量的61.34%,其主成分1主要與DO、SpCond、TN、TP、PO3-4等關(guān)系密切,表征水體生化特征和營養(yǎng)水平;主成分2主要與水溫、DOC、Chl.a相關(guān)性最強(qiáng),表征水體的初級(jí)生產(chǎn)力和碳儲(chǔ)存水平.Charlotte等[29]研究表明濕地由于較高的凋落物產(chǎn)量和厭氧分解,CH4排放與濕地初級(jí)生產(chǎn)力呈顯著正相關(guān).濕地中的碳通量受初級(jí)生產(chǎn)力的強(qiáng)烈驅(qū)動(dòng),水體富營養(yǎng)化提高初級(jí)生產(chǎn)力,并且可能因濕地植被類型而有所差異[30-31].

表4 水環(huán)境因子主成分分析的因子得分系數(shù)

采用逐步多元回歸分析篩選溶存CH4濃度的關(guān)鍵控制因子,結(jié)果顯示,TN、Temp、Chl.a和p H 值為溶存CH4濃度主要的控制因子(R2=0.87,P＜0.001),其中TN、Chl.a濃度以及Temp顯著促進(jìn)溶存CH4濃度的變化,而水體p H 值會(huì)顯著降低溶存CH4濃度的變化.

式中:CCH4、CTN、CChl.a分別表示水體CH4、TN、Chl.a的濃度;T為水溫;P為水體p H 大小.

2.3 CH4 濃度及擴(kuò)散通量差異性分析

3個(gè)不同營養(yǎng)沉積下濕地溶存CH4濃度均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化,輕營養(yǎng)濕地溶存CH4濃度在秋季為最大值,冬季為最小值;中營養(yǎng)和重營養(yǎng)濕地均在夏季CH4濃度為最大值,中營養(yǎng)濕地CH4濃度最小值出現(xiàn)在春季,重營養(yǎng)濕地最小值出現(xiàn)在冬季.由于CH4生成隨溫度呈指數(shù)增加,直到達(dá)到最佳值,然后由于失活和細(xì)胞衰變而迅速下降,因此季節(jié)變化引起的溫度變化會(huì)影響濕地水體溶存CH4濃度.Samad等[32]在研究瑞典5個(gè)不同富營養(yǎng)狀態(tài)濕地的有氧至亞缺氧或缺氧區(qū)域的甲烷營養(yǎng)菌的豐度時(shí)發(fā)現(xiàn),季節(jié)變化引起的溫度差異是重營養(yǎng)濕地甲烷營養(yǎng)群落之間存在顯著差異主要影響因素.Sepulveda等[33]認(rèn)為,CH4產(chǎn)生過程比CH4氧化時(shí)對(duì)溫度的變化更加敏感,富營養(yǎng)化還會(huì)放大這種溫度敏感性,導(dǎo)致富營養(yǎng)越嚴(yán)重的濕地溶存CH4越高.濕地溶存CH4濃度與水環(huán)境因子Person相關(guān)性分析熱圖如圖3所示,3個(gè)不同營養(yǎng)狀態(tài)的淺水濕地(輕、中、重富營養(yǎng))溶存CH4濃度均與水體DO 濃度呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01),與水體p H 值呈負(fù)相關(guān)(P＜0.05).此外輕營養(yǎng)淺水濕地與水體TP濃度呈正相關(guān)(P＜0.05),隨著濕地營養(yǎng)狀態(tài)的增加,TN 濃度與水體溶存CH4濃度相關(guān)性顯著(P＜0.01),在重營養(yǎng)淺水濕地中DOC濃度對(duì)溶存CH4濃度也存在一定影響(P＜0.05).濕地營養(yǎng)狀態(tài)較低時(shí),水體磷濃度是溶存CH4濃度主要約束因素,淡水生態(tài)系統(tǒng)中CH4產(chǎn)生不僅依靠賦存于沉積物和水體厭氧層的產(chǎn)甲烷古菌,還可能來自有氧環(huán)境中其他產(chǎn)甲烷微生物的代謝作用[24],近年來研究發(fā)現(xiàn)[34-35],CH4的產(chǎn)生與磷的可用性有關(guān),異養(yǎng)細(xì)菌分解甲基膦酸鹽作為磷源,在缺乏磷酸鹽時(shí)細(xì)菌會(huì)利用有機(jī)膦酸完成代謝活動(dòng),在整個(gè)代謝過程中,CH4作為磷酸去甲基化的副產(chǎn)物被還原而生.當(dāng)水體氮磷濃度充足富營養(yǎng)狀態(tài)較嚴(yán)重時(shí),沉積物底物礦化時(shí)所需底物充足,CH4濃度的變化主要受到水體總氮濃度和其他環(huán)境因素變化的影響,較高的總氮濃度可能會(huì)影響水體CH4的氧化過程,通常認(rèn)為CH4氧化完全是由好氧過程催化的,而忽略了厭氧CH4的氧化,如亞硝酸鹽依賴性厭氧CH4的氧化過程,亞硝酸鹽濃度的變化使得總氮濃度發(fā)生改變,進(jìn)而影響的氧化速率[36].

圖3 溶解CH 4 與環(huán)境因子Person相關(guān)性分析熱圖

圖4為基于12個(gè)濕地ITL∑和溶存CH4濃度的聚類分析樹形圖,橫坐標(biāo)為樣點(diǎn)間的距離,距離越近,表明兩者越相似,選擇5～10為組間距離標(biāo)準(zhǔn),4個(gè)季節(jié)均得到差異明顯分組.春、夏、秋、冬季12個(gè)淺水濕地均被分為差異明顯的3個(gè)組.總體來看,a濕地水質(zhì)狀況較其他濕地較好,富營養(yǎng)狀態(tài)春季和冬季都出現(xiàn)中營養(yǎng)情況,CH4濃度始終處于較低水平,因此出現(xiàn)被單獨(dú)劃分為一類;c、d兩濕地始終被劃分為一類,說明二者CH4整體變化趨勢(shì)相同;j、k、l在春、夏以及秋季時(shí)CH4濃度均遠(yuǎn)高于其他濕地且富營養(yǎng)狀態(tài)較為嚴(yán)重所以均被分為一類.聚類分析表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異,可能是由于研究區(qū)降雨和溫度的季節(jié)性變化,使得濕地水體營養(yǎng)狀態(tài)和地下水位發(fā)生季節(jié)性改變,濕地季節(jié)性水位變化與CH4通量之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性[37].地下水位的變化不僅直接控制CH4的產(chǎn)生和消耗,而且通過改變濕地土壤的物理化學(xué)性質(zhì)深刻地影響CH4通量[38],形成濕地植物群落,并改變甲烷排放的溫度敏感性[39].

圖4 聚類樹形圖

不同富營養(yǎng)狀態(tài)的小型淺水濕地均表現(xiàn)為CH4的源(見表5),富營養(yǎng)程度越嚴(yán)重,CH4擴(kuò)散通量越大.處于輕營養(yǎng)狀態(tài)的濕地CH4擴(kuò)散通量變化范圍為0.01～0.55 mg·m-2·h-1(均值0.2±0.55);中營養(yǎng)濕地CH4擴(kuò)散通量變化范圍為0.04～1.21 mg·m-2·h-1(均值0.25±0.35);重營養(yǎng)的濕地?cái)U(kuò)散通量變化范圍為0.06～2.86 mg·m-2·h-1(均值0.54±0.74).本文研究區(qū)域中輕營養(yǎng)濕地和同為亞熱帶長江沿岸其他濕地(洞庭湖、鄱陽湖、太湖)甲烷擴(kuò)散通量均值處于同一數(shù)量級(jí),其中重營養(yǎng)濕地甲烷擴(kuò)散通量較高.可能是由于洞庭湖、鄱陽湖、太湖均為深水濕地,本研究區(qū)域的12個(gè)濕地均為小面積淺水濕地,研究表明淺水濕地釋放的CH4量明顯高于深水濕地,一方面,由于進(jìn)入濕地沿岸帶的高碳輸入促進(jìn)了甲烷生成;另一方面,由于淺水濕地對(duì)大氣壓力差異對(duì)氣泡逸出的影響的敏感性以及從沉積物到水面的短遷移距離,CH4排放受到刺激[40].由于所處氣候帶不同,濕地CH4擴(kuò)散通量隨氣候帶的變化表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性(表5),熱帶地區(qū)富營養(yǎng)化淺水濕地CH4擴(kuò)散通量最高,溫帶地區(qū)富營養(yǎng)化淺水濕地CH4通量最低,其主要原因還是因?yàn)闇囟鹊淖兓绊懥思淄榈漠a(chǎn)生和氧化.

3 結(jié) 論

1)輕營養(yǎng)淺水濕地溶存CH4濃度季節(jié)變化為0.13～2.17μmol/L,中營養(yǎng)淺水濕地為0.38～2.52 μmol/L,重營養(yǎng)濕地淺水為0.52～5.96μmol/L.

2)淺水濕地富營養(yǎng)狀態(tài)和溶存CH4濃度表現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系(R2=0.58),水體DO 濃度、p H 值以及地下水水位變化同樣制約著CH4濃度,輕營養(yǎng)濕地水體CH4濃度主要受濕地總磷濃度影響(P＜0.05),中營養(yǎng)和重營養(yǎng)受總氮影響顯著(P＜0.01).

3)輕、中、重不同營養(yǎng)狀態(tài)的淺水濕地均表現(xiàn)為大氣CH4源,濕地水深和季節(jié)性溫度的變化制約著濕地CH4的釋放.