陳嘉寧,肖啟濤,劉臻婧,肖 薇,謝 暉,羅菊花,邱銀國,胡正華**,段洪濤

(1:南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044) (2:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210008) (3:湖南省氣候中心,長沙 410118)

水域生態(tài)系統(tǒng)(湖泊、水庫、河流和小型池塘等)是大氣CO2收支估算的重要組成部分,在調(diào)節(jié)區(qū)域甚至全球氣候變化方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1-3]。據(jù)估算,全球內(nèi)陸水體的CO2排放量為2.42 Pg C/a,與陸地生態(tài)系統(tǒng)或海洋水體碳匯量處于相同數(shù)量級[3-4]。其中,池塘等水體由于水淺面積小,單位面積受納更多的生源要素,致使其生物地球化學(xué)循環(huán)過程異?；钴S,是大氣CO2的重要自然排放源[5-7]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,小型池塘的面積約占全球湖泊總面積的8.6%,卻不成比例地貢獻(xiàn)了湖泊CO2總排放量的15%[1]。因此,開展小型池塘CO2排放研究對準(zhǔn)確評估內(nèi)陸水體在全球CO2收支格局中的貢獻(xiàn)具有重要意義。

小型池塘具有雨洪滯蓄與旱澇調(diào)節(jié)的功能,且能服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活,因此農(nóng)業(yè)流域中分布著大量池塘景觀水體[8-9]。同時(shí),隨著全球農(nóng)業(yè)用地?cái)U(kuò)張,大量小型池塘也隨之產(chǎn)生[9-10]。然而,目前池塘等小型水體CO2排放研究主要集中在城市景觀中[5,11-12],對于農(nóng)業(yè)流域中的小型池塘鮮有涉及。同時(shí),池塘水體可提供多種生態(tài)服務(wù)功能,農(nóng)業(yè)流域池塘不僅能灌溉農(nóng)業(yè),也具備蓄洪抗旱、消納污染、水產(chǎn)養(yǎng)殖等多種功能[9]。但是,農(nóng)業(yè)流域不同功能池塘CO2排放及其動態(tài)變化是否存在差異還存在未知。因此,為減少水域生態(tài)系統(tǒng)CO2收支估算的不確定性,亟需開展農(nóng)業(yè)流域池塘CO2排放及其關(guān)鍵影響因素研究。

我國小型池塘數(shù)量居多,廣泛分布于耕地密集的東部和南部區(qū)域,且多池塘景觀也是我國農(nóng)業(yè)流域的一大鮮明特色[9,13]。巢湖流域位于我國東部地區(qū),流域內(nèi)水系發(fā)達(dá),分布著大量村落和農(nóng)田,農(nóng)作物種植比例高,且大量、廣泛分布的池塘也是其最具特色的人文景觀[14]。烔煬河流域是位于巢湖北岸一支入湖農(nóng)業(yè)小流域,其地理景觀和社會經(jīng)濟(jì)特征在巢湖農(nóng)業(yè)流域中極具代表性。因此,研究選取烔煬河流域中4個(gè)用途不同的景觀池塘(養(yǎng)殖塘、村塘、農(nóng)塘和水塘),基于為期一年的野外觀測,以明確典型農(nóng)業(yè)流域內(nèi)小型池塘CO2排放特征及其主要影響因素,為準(zhǔn)確估算池塘水體CO2排放提供理論依據(jù)和科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

烔煬河是巢湖流域入湖的一條典型中小河流,全長約17 km,流域面積約為87 km2(圖1),沿河兩岸分布著大量村落、農(nóng)田和小型池塘[15]。流域地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,水汽和熱量條件較好,年平均氣溫約為22℃,年平均降雨量約為1120 mm[16]。隨著烔煬河流域的發(fā)展,村落人口數(shù)量增加,生活污水排入池塘,農(nóng)田開墾、水塘養(yǎng)殖等農(nóng)業(yè)活動的持續(xù)進(jìn)行,池塘水環(huán)境受到了嚴(yán)重的影響,且流域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染源主要來自農(nóng)村生活污水排放和種植業(yè)化肥流失等。本研究選取了4個(gè)用途不同的景觀池塘(養(yǎng)殖塘、村塘、農(nóng)塘和水塘,圖1),其中,養(yǎng)殖塘(面積:3230 m2,水深:0.20 m)主要用于水產(chǎn)養(yǎng)殖,面積最小,水深最淺;村塘(面積:6590 m2,水深:0.35 m)位于村莊旁邊,附近人口密度高,接收大量生活污水,主要功能是納污;農(nóng)塘(面積:3818 m2,水深:1.00 m)位于農(nóng)田周邊,附近種植大量農(nóng)作物,受到農(nóng)業(yè)灌溉、肥料施用等活動的影響,其主要功能是灌溉;水塘(面積:3578 m2,水深:0.60 m)周邊以天然林地為主,主要功能是蓄水,受人為活動影響低。

圖1 烔煬河流域地理位置及采樣池塘Fig.1 Geographical location of the Tongyang River watershed and the sampling ponds

1.2 水樣采集和水-氣界面CO2通量計(jì)算

本實(shí)驗(yàn)以長期野外觀測為主,在烔煬河流域4個(gè)不同功能景觀池塘(養(yǎng)殖塘、村塘、農(nóng)塘和水塘)設(shè)置采樣點(diǎn),采樣時(shí)間為2020年9月-2021年9月的每月下旬,對上述池塘進(jìn)行水樣采集,在每個(gè)池塘設(shè)置采樣點(diǎn)位,每次采樣位置均保持不變,采樣頻率為每月一次,每次采樣在一天內(nèi)完成,在每個(gè)點(diǎn)位采集水樣,用于水體溶存CO2濃度分析。在野外采樣時(shí),為保證氣密性,將每個(gè)頂空瓶用丁基膠塞密封瓶口,并用鋁蓋壓接,每個(gè)樣品均預(yù)置2 g氯化鉀,預(yù)先抽至真空并注入5 mL高純氮?dú)?摩爾分?jǐn)?shù)≥99.999%)頂空。水樣采集時(shí),保持水面無擾動,用20 mL 針筒抽取表層15～20 cm 處的水樣,并注意避免氣泡產(chǎn)生。針筒在采集水樣前需用待采水樣清洗2～3 次,然后將16 mL 水樣注入預(yù)先處理的32 mL 棕色頂空瓶內(nèi)[17-18],采集完成后立即用密封膠密封針孔。采樣結(jié)束后,將裝有水樣、密閉良好的棕色瓶立即倒置放入冷藏箱中,運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理分析。

在實(shí)驗(yàn)室分析時(shí),先將每個(gè)水樣劇烈搖晃5 min后靜置,待瓶中氣、液相達(dá)到動態(tài)平衡后,用帶有三通閥的針筒采集瓶內(nèi)氣樣,用Agilent-7890B氣相色譜儀分析氣樣CO2濃度,最后基于物料平衡原理和亨利定律等,根據(jù)氣相色譜分析的氣樣CO2濃度([CO2]g)等計(jì)算水體溶存CO2濃度([CO2]w),計(jì)算公式為[19]:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,[CO2]w是CO2在水中的原始濃度(μmol/L);[CO2]g是氣相色譜儀分析得到的密閉采樣瓶氣相中的CO2濃度(μmol/L);[CO2]L是密閉采樣瓶中液相中的CO2濃度(μmol/L);Vg是水樣中氣相部分的體積(mL);VL是水樣中液相部分的體積(mL);x是有亨利系數(shù)和CO2在氣相中分壓計(jì)算得出的CO2氣體在水中的摩爾分率,無量綱。

本研究基于水-氣界面擴(kuò)散模型,計(jì)算池塘水-氣界面CO2交換通量(Fc),計(jì)算方程為:

Fc=k(Cw-Ceq)

(5)

式中,Fc為水-氣界面CO2擴(kuò)散通量(mmol/(m2·d)),Fc>0表示水體向大氣釋放CO2,Fc<0表示水體吸收大氣中的CO2;Cw是根據(jù)氣相色譜儀分析出的氣樣CO2濃度等計(jì)算出的水體溶存CO2濃度(μmol/L),即公式(1)計(jì)算出的值;Ceq是特定溫度下水體表面的溫室氣體與大氣中溫室氣體達(dá)到平衡時(shí)的CO2濃度(μmol/L);k是水-氣界面CO2氣體交換系數(shù)(m/d),計(jì)算方程為:

(6)

(7)

式中,Sc是CO2的施密特?cái)?shù),無量綱;Sc600是20℃時(shí)的施密特?cái)?shù)600;k600是施密特?cái)?shù)為600時(shí)對應(yīng)的k值;n是與風(fēng)速U10相關(guān)的函數(shù),U10≤3.7 m/s時(shí),n=1/2;U10>3.7 m/s時(shí),n=2/3;U10是10 m高度處的風(fēng)速,通過觀測高度的風(fēng)速計(jì)算得到[19]。

1.3 環(huán)境變量獲取

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS 22.0中的相關(guān)分析方法(Pearson correlations)分析數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性;使用單因素方差分析方法(one-way ANOVA)分析數(shù)據(jù)之間的差異性;使用最小顯著性差異法(LSD)檢驗(yàn)差異是否顯著。數(shù)據(jù)的繪圖使用Origin 2021。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境變量特征

從2020年9月-2021年9月烔煬河流域小型景觀池塘水溫、Chl.a、DTN的逐月變化(圖2)可見,4個(gè)景觀池塘水溫均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征,且變化趨勢一致,夏季水溫顯著(P<0.05)高于其他3個(gè)季節(jié)。養(yǎng)殖塘、村塘、農(nóng)塘和水塘Chl.a濃度的全年均值依次為(5.78±3.59)、(50.16±43.15)、(10.09±3.88)和 (2.37±1.03) μg/L。養(yǎng)殖塘、農(nóng)塘和水塘的Chl.a濃度無明顯季節(jié)變化趨勢。村塘全年平均Chl.a濃度顯著高于其他池塘(P<0.05),并且2021年3月(81.80 mg/L)和2021年9月(144.85 mg/L)顯著高于其余月份(P<0.05)。此外,4個(gè)景觀池塘營養(yǎng)鹽濃度也呈現(xiàn)出巨大差異。以DTN為例,村塘的DTN濃度顯著高于其他3個(gè)池塘(P<0.05),并在2020年11月(2.73 mg/L)和2021年6月(2.85 mg/L)出現(xiàn)極大值。

圖2 觀測期間4個(gè)池塘水溫、Chl.a和DTN濃度的逐月變化Fig.2 Monthly variation of water temperature,Chl.a and DTN concentrations in the four ponds

表1 觀測期間4個(gè)池塘水體的理化參數(shù)*Tab.1 Basic physicochemical parameters of four ponds during the observation period

2.2 不同池塘CO2通量對比分析

CO2通量在4個(gè)池塘之間差異明顯,從高到低依次為:養(yǎng)殖塘>村塘>農(nóng)塘>水塘,且養(yǎng)殖塘CO2排放通量全年均值顯著(P<0.05)高于農(nóng)塘和水塘(圖3)。總體上看,4個(gè)不同景觀池塘CO2通量均值均為正值,表明該農(nóng)業(yè)流域池塘是大氣CO2的排放來源。此外,養(yǎng)殖塘和村塘是大氣CO2的熱點(diǎn)排放源,其CO2年均排放量(養(yǎng)殖塘:(80.37±100.39) mmol/(m2·d),村塘:(48.69±65.89) mmol/(m2·d))分別是水塘排放量((4.52±23.26) mmol/(m2·d))的18和11倍;農(nóng)塘CO2全年均排放量((13.50±15.81) mmol/(m2·d))是水塘的3倍。

圖3 不同功能池塘CO2通量的對比分析(不同字母表示差異性顯著,P<0.05)Fig.3 Spatial variation of CO2 fluxes in the four ponds with different landscapes

2.3 CO2通量的時(shí)間變化

連續(xù)觀測發(fā)現(xiàn)不同類型的景觀池塘CO2通量均表現(xiàn)出顯著的時(shí)間變化(圖4),養(yǎng)殖塘和村塘季節(jié)變化顯著,農(nóng)塘和水塘無明顯變化趨勢。研究結(jié)果表明,養(yǎng)殖塘的CO2通量存在顯著的季節(jié)變化特征,其中,夏季顯著(P<0.05)高于其他季節(jié),CO2排放最大值出現(xiàn)在2021年7月,為296.81 mmol/(m2·d),是CO2強(qiáng)源,最小值出現(xiàn)在2021年4月,表現(xiàn)為CO2吸收匯(-7.65 mmol/(m2·d))。村塘存在兩個(gè)峰值,分別在2020年11月(158.86 mmol/(m2·d))和2021年5月(162.26 mmol/(m2·d)),但在2021年1月表現(xiàn)為CO2弱匯(-4.71 mmol/(m2·d));農(nóng)塘CO2通量隨時(shí)間呈“降低-升高-降低”的趨勢,變化幅度相對較小;水塘在冬季和春季表現(xiàn)為CO2匯,最大CO2吸收出現(xiàn)在2021年5月(-29.97 mmol/(m2·d)),夏季和秋季表現(xiàn)為CO2排放源,最大排放通量為54.90 mmol/(m2·d),但僅為養(yǎng)殖塘最大值的1/5。

圖4 不同功能池塘CO2通量的時(shí)間變化(a.養(yǎng)殖塘;b.村塘;c.農(nóng)塘;d.水塘)Fig.4 Time variation of CO2 fluxes in the four ponds with different landscapes (a. aquaculture pond; b. village pond; c. agricultural pond; d. storage pond)

2.4 CO2通量變化的影響因素

基于CO2與水環(huán)境指標(biāo)的同步觀測研究結(jié)果表明,DO濃度對水體CO2通量變化有較好的指示性。4個(gè)景觀池塘逐月CO2通量與DO濃度的相關(guān)性分析結(jié)果(圖5)表明,養(yǎng)殖塘、村塘和水塘的CO2通量與DO濃度呈顯著負(fù)相關(guān),DO濃度分別影響其73%(R2=0.73,P<0.01)、76%(R2=0.76,P<0.01)和45%(R2=0.45,P<0.05)的CO2通量變化,水體有機(jī)碳分解消耗氧氣,降低了水體DO濃度,由此可見,DO濃度是CO2通量的重要影響因子。但農(nóng)塘CO2通量與DO濃度無顯著相關(guān)性(R2=0.33,P>0.05)。

圖5 不同功能池塘CO2通量與DO的時(shí)間相關(guān)性(a.養(yǎng)殖塘;b.村塘;c.農(nóng)塘;d.水塘)Fig.5 Temporal correlation between CO2 flux and DO in the four ponds with different landscapes (a. aquaculture pond; b. village pond; c. agricultural pond; d. storage pond)

表2 CO2通量與水體理化指標(biāo)的時(shí)間相關(guān)性Tab.2 Temporal correlation between CO2 flux and water environmental factors

圖6 不同功能池塘CO2通量與DTN的時(shí)間相關(guān)性(a.養(yǎng)殖塘;b.村塘;c.農(nóng)塘;d.水塘)Fig.6 Temporal correlation between CO2 flux and DTN in the four ponds with different landscapes (a. aquaculture pond; b. village pond; c. agricultural pond; d. storage pond)

3 討論

3.1 不同景觀池塘CO2排放強(qiáng)度差異

本文中不同景觀池塘平均CO2通量均為正值,是大氣CO2排放源,這與之前對小型池塘以及湖泊水體的研究結(jié)果一致[1-2,12,20]。但是,本研究發(fā)現(xiàn)CO2排放通量在4個(gè)不同景觀池塘呈現(xiàn)出顯著的差異,其中養(yǎng)殖塘的CO2排放量最高(圖3),達(dá)到 (80.37±100.39) mmol/(m2·d),是水塘CO2排放量的18倍。與本研究結(jié)果類似,之前相關(guān)研究也表明養(yǎng)殖水體是大氣CO2等溫室氣體的重要排放源[21-22]。在水產(chǎn)養(yǎng)殖的過程中,由于餌料的投放導(dǎo)致外源碳氮營養(yǎng)物質(zhì)輸入增加,過量的外源負(fù)荷為水體CO2的產(chǎn)生和釋放等提供了便利條件[23-24]。同時(shí),養(yǎng)殖塘面積小,水深淺,飼料以及浮游生物糞便中的有機(jī)物易沉降到池塘底部,并逐漸與沉積物混合可顯著刺激沉積物中CO2的生成和排放等[25]。值得注意的是,以往研究發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖塘CO2通量呈“排放-吸收”交替變化的特征[26-27],本研究中發(fā)現(xiàn)采樣期間農(nóng)業(yè)流域養(yǎng)殖塘幾乎一直是大氣CO2排放源(圖4),因此在水域生態(tài)系統(tǒng)CO2收支估算中需要重點(diǎn)關(guān)注農(nóng)業(yè)流域養(yǎng)殖水體。

本研究表明村塘和農(nóng)塘也是大氣CO2的重要排放源。村塘和農(nóng)塘CO2排放量僅次于養(yǎng)殖塘(圖3),其均值排放量分別為 (48.69±65.89)和 (13.50±15.81) mmol/(m2·d),是水塘CO2排放量的11和3倍。村塘因承載居民生活污水,有著最高的營養(yǎng)鹽負(fù)荷(表1)。一方面,大量來自污水的營養(yǎng)物質(zhì)匯入池塘,較高的氮、磷負(fù)荷刺激了水體微生物原位呼吸進(jìn)而促進(jìn)水體CO2的產(chǎn)生[28-29];另一方面,污水的輸入直接增加了外源CO2的輸入,提高水體CO2的溶存濃度和排放潛力[12,30-31]。農(nóng)塘受農(nóng)業(yè)活動的影響,農(nóng)田灌溉排水、淋溶徑流和土壤侵蝕導(dǎo)致大量外源負(fù)荷進(jìn)入農(nóng)塘中,同時(shí)農(nóng)業(yè)化肥的施用也會使農(nóng)塘營養(yǎng)鹽負(fù)荷增加,直接引起水體理化狀況(如水體DO、氮磷濃度等)的變化,進(jìn)而影響水體CO2排放[24,28,32-33]。同時(shí),DO濃度及其分布對水體生源要素的循環(huán)有重要影響,決定水體中有機(jī)物降解途徑及產(chǎn)物。外源負(fù)荷輸入促進(jìn)水體代謝,增加了氧氣消耗和CO2的產(chǎn)生;NH3-N等營養(yǎng)鹽增加可加強(qiáng)水體呼吸作用,促進(jìn)水體CO2的產(chǎn)生和排放。值得注意的是,盡管農(nóng)塘和村塘均受人為活動影響,但農(nóng)塘CO2排放低于村塘,其可能原因可能是農(nóng)塘的污染負(fù)荷低于村塘,同時(shí),農(nóng)田大量灌溉排水可能對其CO2產(chǎn)生了稀釋作用,減少了水體CO2排放[34-35]。

水塘具有最低的CO2排放通量,全年均值為 (4.52±23.26) mmol/(m2·d)。水塘遠(yuǎn)離村莊,受人類活動影響最小,其周邊以天然林地為主,林地具有固定吸收養(yǎng)分、攔截地表徑流的作用,減少了流入水塘的養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)[36]。由于水塘營養(yǎng)鹽負(fù)荷等明顯偏低(表1),本研究水塘CO2排放明顯低于其他景觀池塘。值得注意的是,水塘pH顯著高于其他水體(養(yǎng)殖塘、村塘和農(nóng)塘,表1),且水塘CO2通量與pH表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(表2),這與之前在低營養(yǎng)鹽負(fù)荷水體的研究結(jié)果相一致[24,37-38]。同時(shí),盡管目前多數(shù)研究表明小型池塘是大氣CO2的排放源[10,12,39],但本研究發(fā)現(xiàn)不同功能用途的池塘CO2排放差異巨大。因此,在評估小型池塘CO2排放時(shí),要尤其關(guān)注其周邊土地利用類型和景觀格局等[40-41]。

3.2 CO2排放變化的控制因素

不同池塘CO2排放的差異可能與其水環(huán)境特征緊密相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)DO濃度對CO2通量具有較好指示性,養(yǎng)殖塘、村塘和水塘CO2通量與DO濃度呈顯著負(fù)相關(guān),分別控制73%、76%和45%的CO2通量的變化(圖5)。水體中的營養(yǎng)物質(zhì)的分解、浮游生物的呼吸作用、底棲生物的有氧呼吸等均會消耗氧氣,從而降低DO濃度,釋放出CO2[42]。已有研究表明,隨著水體富營養(yǎng)化程度增加,DO濃度與CO2通量之間的負(fù)相關(guān)將越來越顯著[43]。黃婷等的研究表明,DO濃度與CO2通量的顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系證明調(diào)控CO2通量的關(guān)鍵過程是景觀水體代謝[12]。本研究中養(yǎng)殖塘和村塘接收大量外源負(fù)荷,CO2排放很高,但其DO濃度卻相對較低(表1),表明外源污染物增加促進(jìn)了水體代謝,增加了氧氣的消耗和CO2的產(chǎn)生。值得注意的是,水塘營養(yǎng)鹽負(fù)荷較低,但其DO濃度與CO2通量呈顯著負(fù)相關(guān),考慮到水塘有較高的DO濃度(表1),其可能源于水體光合作用產(chǎn)生DO而消耗CO2[12,24]。綜上,DO濃度是農(nóng)業(yè)流域池塘水體重要的環(huán)境指標(biāo),可表征和指示水體CO2的變化。

本研究發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)鹽是CO2通量的重要影響因素,但在不同功能景觀池塘的表現(xiàn)不同。研究結(jié)果表明,養(yǎng)殖塘和村塘DTN濃度與CO2通量呈顯著正相關(guān)(圖6),養(yǎng)殖塘TP濃度與CO2通量呈顯著正相關(guān)(表2),但在農(nóng)塘和水塘中營養(yǎng)鹽對CO2變化的影響不顯著。在水產(chǎn)養(yǎng)殖的過程中,養(yǎng)殖塘接納高強(qiáng)度的外源(飼料投放)碳氮供給,營養(yǎng)鹽和有機(jī)質(zhì)負(fù)荷高,強(qiáng)烈影響水體的碳氮循環(huán)[15,44]。村塘接收大量生活排污,營養(yǎng)鹽負(fù)荷較高,DTN濃度顯著高于其他池塘(表1),水體中氮的增加刺激了原位微生物的異養(yǎng)代謝,驅(qū)動了CO2的產(chǎn)生和排放[12],因此養(yǎng)殖塘和村塘DTN濃度與CO2通量呈顯著正相關(guān)。值得注意的是,養(yǎng)殖塘TP濃度相對偏低(表1),但卻是CO2通量變化的重要驅(qū)動因子,可能是因?yàn)槭艿金B(yǎng)殖活動影響,水體有機(jī)質(zhì)豐富,磷素可能是控制水體有機(jī)質(zhì)降解及其CO2產(chǎn)生的限制性因子[20,45]。農(nóng)塘受到灌溉和施肥等農(nóng)業(yè)活動影響,因此其CO2排放模式受到多因子的綜合調(diào)控,進(jìn)而可能“掩蓋”了營養(yǎng)鹽對其CO2排放的影響[15,32,46-47]。

許多研究結(jié)果表明水溫是水體CO2通量的重要驅(qū)動因子[12,28,48]。但本研究結(jié)果顯示,水溫對不同景觀池塘CO2通量的影響程度不同。水溫是養(yǎng)殖塘CO2排放的關(guān)鍵驅(qū)動因子,控制養(yǎng)殖塘45%的CO2通量變化(R2=0.45,P<0.05)。Xiao等研究表明,在高養(yǎng)分負(fù)荷的水體中,CO2通量和水溫的相關(guān)性更加顯著[28]。養(yǎng)殖塘營養(yǎng)豐富,水溫升高促進(jìn)了塘內(nèi)微生物和藻類植物呼吸和有機(jī)物分解,并提高了原位CO2的生成速率[28,36]。但在村塘、農(nóng)塘和水塘中,水溫與CO2通量無顯著相關(guān)關(guān)系。村塘和農(nóng)塘由于接收大量生活污水和農(nóng)田用水,大量外源負(fù)荷改變了水體理化狀況,營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)可能超過了水溫對微生物代謝的控制,最終導(dǎo)致水溫與CO2通量無顯著相關(guān)性[49]。因此,溫度可能不是人類活動強(qiáng)干擾水體CO2排放的直接驅(qū)動因子,在評估全球升溫對水體CO2排放影響時(shí)需要考慮人為活動的調(diào)控效應(yīng)。

3.3 農(nóng)業(yè)流域池塘CO2排放綜合分析

烔煬河流域不同池塘CO2通量全年均值均為正值,是大氣CO2的源,向大氣中排放CO2。流域池塘水-氣界面CO2排放通量的均值為 (37.31±67.47) mmol/(m2·d),是該流域內(nèi)湖泊水體CO2排放通量(5.61 mmol/(m2·d))的近7倍[31]。全球統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明小型池塘是大氣CO2的重要排放源,本研究中池塘水體CO2排放通量是同等大小全球池塘水體CO2平均排放通量(21.21 mmol/(m2·d))的近2倍[1]。前期研究發(fā)現(xiàn)高營養(yǎng)鹽負(fù)荷水體是CO2的顯著排放源,然而不及本研究中農(nóng)業(yè)流域池塘水體CO2排放通量的1/2[19,50]?？紤]農(nóng)業(yè)流域池塘數(shù)量多,分布多,且隨著全球農(nóng)業(yè)用地?cái)U(kuò)張,產(chǎn)生大量小型池塘[9-10]。因此,在評估內(nèi)陸水體在全球CO2收支的貢獻(xiàn)時(shí),農(nóng)業(yè)流域池塘水體的作用不容忽視。

本研究中養(yǎng)殖塘、村塘的CO2排放通量分別是水塘CO2排放通量的18、11倍,是大氣CO2的熱點(diǎn)排放區(qū)域。養(yǎng)殖塘的CO2排放通量高達(dá) (80.37±100.39) mmol/(m2·d),是同樣大小全球池塘CO2排放通量(21.21 mmol/(m2·d))的近4倍[1],與城市高污染負(fù)荷小型景觀水體CO2排放通量(78.6 mmol/(m2·d))相當(dāng)[12]。養(yǎng)殖塘和村塘受到飼料投放、生活污水排入影響,其CO2通量要明顯高于全球同樣大小面積池塘CO2通量(21.21 mmol/(m2·d))[1]和全球湖庫水體排放均值(24.4～41.4 mmol/(m2·d))[3],是不容忽視的CO2排放源,需重點(diǎn)關(guān)注。此外,隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增加,越來越多的池塘?xí)艿饺藶榛顒拥母蓴_[51],同時(shí),為滿足日益增加的人口對魚類蛋白質(zhì)的需要,池塘養(yǎng)殖的規(guī)模和面積會逐漸增加[52]。因此,為準(zhǔn)確估算內(nèi)陸水體對大氣CO2收支的影響,需要重點(diǎn)關(guān)注受人為活動擾動強(qiáng)烈的養(yǎng)殖塘和村塘CO2動態(tài)變化。

4 結(jié)論

1)經(jīng)為期一年的現(xiàn)場實(shí)測,發(fā)現(xiàn)烔煬河流域池塘水體全年平均CO2排放量為 (37.31±67.47) mmol/(m2·d),與其他研究相比,烔煬河流域池塘水體具有較高的CO2排放通量,是大氣CO2不容忽視的排放源,在未來水體CO2收支估算中需要予以關(guān)注。

2)流域不同功能和用途的池塘水體CO2排放差異顯著,CO2排放峰值出現(xiàn)在受農(nóng)業(yè)活動(水產(chǎn)養(yǎng)殖等)和生活污水排放影響較大的池塘水體中,高營養(yǎng)負(fù)荷顯著促進(jìn)了流域池塘水體CO2排放,致使養(yǎng)殖塘、村塘和農(nóng)塘的CO2排放通量分別為自然蓄水塘((4.52±23.26) mmol/(m2·d))的18、11和3倍,是不容忽視的CO2排放源。

3)總體上溶解氧和營養(yǎng)鹽可解釋流域池塘水體CO2排放的動態(tài)變化,但不同景觀池塘CO2變化的控制因素有所不同。因此,為減小農(nóng)業(yè)流域水體CO2排放估算的不確定性,應(yīng)綜合考慮多因素的綜合調(diào)控作用。