天氣狀況對富營養(yǎng)化池塘水-氣界面冬季二氧化碳通量的影響

李元正 雷 丹 劉 佳 王 煒 于國熙

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

自工業(yè)革命以來，大氣中二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)等溫室氣體濃度大幅上升，由此所帶來的溫室效應(yīng)是人類現(xiàn)階段面臨的最嚴(yán)峻的全球環(huán)境問題之一[1]．陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)和碳蓄積是全球變化研究的重要組成，其中淡水生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的一部分，其水-氣界面、沉積物-水界面的碳交換不可忽視．小型池塘作為淡水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，同時(shí)也是重要的內(nèi)陸人工水體，其總面積占全球湖泊和池塘總面積的的8.6%[2]，約為7.7×103km2[3]，但CO2和CH4排放占整個(gè)淡水生態(tài)系統(tǒng)的15.1%和40.6%[4]．由于這些池塘面積小數(shù)量眾多、地理位置復(fù)雜，導(dǎo)致人們在估算內(nèi)陸水體溫室氣體排放量時(shí)忽略掉它的“貢獻(xiàn)”，而更多地關(guān)注湖泊、水庫等大中型水體．近年來這些自然地理和富營養(yǎng)化狀況差異較大，有著較高的CO2和CH4排放的池塘[5,6]，逐漸成為溫室氣體排放的研究熱點(diǎn)[7,8]．且隨著化肥在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的過度使用，導(dǎo)致池塘水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象日益嚴(yán)峻，大量的內(nèi)源有機(jī)質(zhì)促進(jìn)了池塘沉積物中的CO2和CH4產(chǎn)生[9-13]．迄今為止，小型池塘的溫室氣體通量監(jiān)測大多以單次晝夜監(jiān)測來代表其近期的通量釋放水平，這樣可能導(dǎo)致得到的通量結(jié)果受天氣等偶然因素的影響較大，同時(shí)相對于季節(jié)尺度而言，冬季的研究也相對較少．

本文利用無人值守的自動(dòng)通量箱觀測系統(tǒng)，不間斷對富營養(yǎng)化池塘進(jìn)行了連續(xù)7 d的通量觀測，以及水環(huán)境因子和大氣環(huán)境因子的同步監(jiān)測，旨在揭示冬季富營養(yǎng)化池塘水-氣界面CO2通量的晝夜性特征與規(guī)律，并探討環(huán)境因子的影響．

2 材料和方法

2.1 研究區(qū)和監(jiān)測點(diǎn)

湖北省宜昌市位于中亞熱帶與北亞熱帶的過渡地帶，四季分明，冬季11月平均氣溫在4℃～11℃之間，當(dāng)月平均降水總量約為21 mm．蓮心湖位于湖北省宜昌市三峽大學(xué)內(nèi)，是典型的富營養(yǎng)化景觀池塘．該池塘面積約為2 100 m2，最大水深和平均水深約為2 m和1.6 m，且全年水位變化在10 cm之間．池塘水體的總氮(TN)和總磷(TP)質(zhì)量濃度分別約為1.68 mg·L-1和0.09 mg·L-1，底部覆蓋約10cm的松軟沉積物．2016年11月24日至2016年11月30日，在湖中距離岸邊8 m處(水深約1.6 m)進(jìn)行了7 d連續(xù)觀測．

2.2 樣品采集和分析方法

本文利用全自動(dòng)封閉漂浮通量箱系統(tǒng)測量水-氣界面的CO2通量(如圖1所示)．該箱體底部中通不透明，兩側(cè)固定兩個(gè)自動(dòng)推桿連接頂部不銹鋼蓋，頂蓋與箱體間以硅膠軟墊密封，并連接控制器控制推桿軌跡．箱體表面覆蓋一層隔熱材料，體積為56.67 L，底面積為0.113 m2直徑和高度分別為0.38 m和0.50 m．箱內(nèi)頂部安裝一個(gè)小型風(fēng)扇，使箱體內(nèi)氣體混合均勻．當(dāng)進(jìn)行測量時(shí)，將通量箱與G2301溫室氣體分析儀(Picarro，美國)相連接．該儀器能以1Hz頻率實(shí)時(shí)、連續(xù)地測量箱體內(nèi)的CO2氣體濃度．單次測量時(shí)間為25 min，由于箱體閉合，水體中的CO2與箱體空間內(nèi)的CO2會(huì)進(jìn)行交換，并通過溫室氣體分析儀記錄下時(shí)間-氣體濃度的數(shù)據(jù)．在測量時(shí)間結(jié)束后，自動(dòng)通量箱的控制裝置會(huì)自動(dòng)控制箱體頂蓋緩慢升起，使得箱體內(nèi)氣體與環(huán)境空氣充分交換、混合均勻，5 min后推桿緩慢自動(dòng)收縮關(guān)閉，并自動(dòng)進(jìn)行下次測量．

圖1 觀測系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)期間，在岸邊高于水面約3 m處架設(shè)便攜式氣象站(YGY-QXY，中國)現(xiàn)場監(jiān)測風(fēng)速、氣溫和氣壓．在離岸邊2 m處采用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(HACH，美國)監(jiān)測水體水溫、葉綠素、pH和溶解氧．

2.3 計(jì)算方法

水-氣界面氣體交換通量是指單位時(shí)間內(nèi)單位面積上的濃度變化量，正值表示水體向大氣排放氣體，負(fù)值表示水體吸收大氣中的氣體．本文采用Lambert等[14]給出的簡單線性回歸方法計(jì)算氣體釋放速率和通量．

通過此公式，將觀測點(diǎn)處單位時(shí)間、單位面積內(nèi)的CO2濃度轉(zhuǎn)換為CO2擴(kuò)散通量，每組數(shù)據(jù)之間以30 min為間隔，全天監(jiān)測數(shù)據(jù)可計(jì)算得到48組擴(kuò)散通量，從而得到CO2擴(kuò)散通量的晝夜變化規(guī)律．

3 結(jié)果與討論

3.1 大氣環(huán)境因子

氣溫、風(fēng)速和氣壓的變化情況見表1．在觀測期間受天氣影響，氣溫的變幅較大，觀測第1 d、第2 d為晴天，最高氣溫達(dá)到25.3℃，最低溫度為14.3℃，平均溫度為17.1℃．觀測后4 d為陰雨天氣，最高氣溫為20.5℃，最低氣溫僅為7.4℃，溫差達(dá)到了16.1℃，平均溫度為10.7℃．整個(gè)觀測周期的平均溫度為13.5℃，略低于平均水溫．

由于池塘周邊建筑物、綠化樹木遮擋，觀測期間的最大風(fēng)速僅為1.43 m·s-1，風(fēng)速在期間內(nèi)平均為0.19 m·s-1，陰、雨天氣的平均風(fēng)速為0.24 m·s-1，晴天的平均風(fēng)速為0.16 m·s-1，最大風(fēng)速為0.71 m·s-1，由于觀測期間內(nèi)大多數(shù)情況下呈無風(fēng)狀態(tài)導(dǎo)致變異系數(shù)較大．晴天時(shí)的最大氣壓為1 012.1 kPa，最小氣壓為1 005.7 kPa，平均值為kPa，陰、雨天氣的最大氣壓達(dá)到了1 028.4 kPa，最小氣壓也低于晴天，為1 001.4 kPa，平均值為1 014 kPa．

表1 監(jiān)測期間環(huán)境因子統(tǒng)計(jì)

3.2 水環(huán)境因子

水溫、溶解氧(DO)、pH和葉綠素含量見表1．觀測期間的最高水溫為23.1℃，最低水溫僅為7.8℃，平均水溫在15.1℃左右．晴天時(shí)，平均水溫為17.6℃，最低水溫為15.9℃，略高于觀測全過程的平均水溫，陰、雨天氣下的最高水溫為20.1℃，平均水溫僅為13.8℃，標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.38，在陰雨天氣下的晝夜溫差要大于晴天．

池塘水體呈弱堿性，pH的范圍在7.06～9.90之間，平均為8.86．晴天時(shí)，水體的pH值略大于陰雨天，其平均值為9.11．在陰、雨天氣下水體中的pH波動(dòng)范圍較大，平均值為8.81．在觀測期間，DO的變化幅度較大，最大值高達(dá)31.20 mg·L-1，最低值僅為4.09 mg·L-1，平均為15.73 mg·L-1．晴天時(shí)的平均DO為15.84 mg·L-1，略高于陰、雨天氣的14.52 mg·L-1．葉綠素的變化受晝夜影響明顯，在觀測期間的葉綠素變化范圍在6.71～96.79 mg·L-1，波動(dòng)范圍極大，是由于多數(shù)藻類具有明顯的趨光性行為[15]，再加上晝夜水溫差導(dǎo)致的水體分層、參混等現(xiàn)象，使葉綠素在白天的含量高于夜間．

3.3 水-氣界面CO2通量的晝夜變化

在監(jiān)測期間內(nèi)(2016年11月24日～2016年11月30日，從8:00開始，到次日8:00為一個(gè)循環(huán))，CO2擴(kuò)散通量隨著晝夜、天氣的改變而變化，7 d的天氣狀況見表2．監(jiān)測結(jié)果表明(如圖2所示)，在整個(gè)觀測期間內(nèi)，CO2的通量最大值為32.02 mg·m-2·h-1，最小為-35.02 mg·m-2·h-1，1 d內(nèi)的最大變化幅度為49.87 mg·m-2·h-1，最小變化幅度為10.13 mg·m-2·h-1．7 d平均CO2通量約為170.39 mg·m-2·d-1，全天最大CO2通量約為270.42 mg·m-2·d-1，最小約為-76.84 mg·m-2·d-1．

在觀測前3 d(a、b、c)天氣晴朗或多云，CO2通量從8：00～16:00左右總體呈下降趨勢，其分別下降了52.28 mg·m-2·h-1、50.39 mg·m-2·h-1、39.31 mg·m-2·h-1．且在12:00～18：00時(shí)間段內(nèi)水體中的CO2呈吸收狀態(tài)，并在14:00左右吸收量最大，隨后通量上升，在4:00～6:00時(shí)間段內(nèi)達(dá)到最大值．其中11月24日(a)的最大吸收量為-29.18 mg·m-2·h-1，高于隨后兩天的-20.90 mg·m-2·h-1和-11.64 mg·m-2·h-1．在11月27日(d)，大氣中的CO2在14:00～18：00時(shí)間段向水體中擴(kuò)散，全天最大擴(kuò)散通量為14.84 mg·m-2·h-1，變幅約為33.19 mg·m-2·h-1，最大值和最小值分別為21.36 mg·m-2·h-1和11.83 mg·m-2·h-1．e、f、g 3天的通量在全天均向外界擴(kuò)散，最大擴(kuò)散通量分別為20.19 mg·m-2·h-1、21.58 mg·m-2·h-1和23.37 mg·m-2·h-1，最小分別為0.30 mg·m-2·h-1、5.86 mg·m-2·h-1和5.08 mg·m-2·h-1．在觀測期間內(nèi)，全天通量變化幅度偏小，分別為19.88 mg·m-2·h-1、15.72 mg·m-2·h-1、18.28 mg·m-2·h-1，僅為晴天時(shí)變化幅度的35%左右．

表2 觀測期間天氣狀況表

a、b、c、d、e、f、g依次代表24日～30日的通量變化

3.4 討論

觀測期間內(nèi)CO2晝夜擴(kuò)散通量與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)見表3．在24、25日(晴)，CO2擴(kuò)散通量與氣壓呈顯著正相關(guān)，而與水溫、pH、DO、氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)．在27～30日，CO2擴(kuò)散通量與葉綠素、氣壓、風(fēng)速呈顯著正相關(guān)，與水溫、氣溫、呈顯著負(fù)相關(guān)．7 d中的天氣變化體現(xiàn)了光照強(qiáng)度的變化，從而間接地影響水體中的藻類進(jìn)行光合作用，消耗水體中溶解性CO2．在白天光合作用的強(qiáng)度超過了呼吸作用時(shí)，CO2被消耗并產(chǎn)生氧氣[16]，導(dǎo)致水體中的CO2呈不飽和狀態(tài)，導(dǎo)致在晴天(如圖2所示)會(huì)有擴(kuò)散通量呈負(fù)值的情況出現(xiàn)．長時(shí)間的光合作用消耗了水體中大量的溶解性CO2，且夜晚溫度降低，而氣體在水中的溶解度與水溫呈反比，促使水體吸收更多的CO2，使大氣中的CO2在18：00～21：00左右仍然向水中擴(kuò)散．在陰、雨天氣，光照強(qiáng)度偏弱導(dǎo)致光合作用強(qiáng)度低，呼吸作用速率大于光合作用速率導(dǎo)致產(chǎn)生的CO2向大氣擴(kuò)散，全天內(nèi)CO2擴(kuò)散通量在6:00達(dá)到最大值并逐漸降低，在14:00左右達(dá)到最低值隨后上升．有研究指出風(fēng)速是影響湖泊和海洋水-氣界面溫室氣體通量的一個(gè)重要因素[17]，在觀測期間僅有雨天呈現(xiàn)出相關(guān)性，這可能是由于城市內(nèi)池塘周邊的房屋建筑物等遮擋，導(dǎo)致晴天風(fēng)速和氣流不明顯，使相關(guān)性不明顯．

夜間的水溫是影響CO2排放通量的主要因素之一[18]，晴天時(shí)夜間的水溫比白天低0.65℃(見表4)，在白天時(shí)CO2擴(kuò)散通量呈負(fù)值，水體藻類的光合作用消耗了水體中的溶解性CO2，導(dǎo)致大氣中的CO2向水體中擴(kuò)散，平均擴(kuò)散通量為-10.80 mg·m-2·h-1，夜間的平均擴(kuò)散通量為16.80 mg·m-2·h-1．雨天晝夜水溫差異較大，約3.59℃，白天CO2通量由于光合作用強(qiáng)度低，僅比夜間平均通量下降約30%，為8.39 mg·m-2·h-1．雨天夜間的CO2擴(kuò)散通量約為11.98 mg·m-2·h-1，相比與晴天時(shí)下降約28.7%，二者的溫度差為4.82℃．不同的天氣、時(shí)刻會(huì)導(dǎo)致晝夜性的pH、氣溫、光照強(qiáng)度、氣壓的變化，從而導(dǎo)致水體中的光合作用、呼吸作用和沉積物中的微生物酶活性的改變，這一系列的影響導(dǎo)致了氣體通量的晝夜性變化特征[19，20]．

表3 CO2晝夜性擴(kuò)散通量與主要環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)

注：**表示0.01置信水平顯著相關(guān)，*表示0.05置信水平顯著相關(guān)；非顯著性相關(guān)數(shù)據(jù)被略去．

表4 不同天氣下晝、夜CO2通量和水溫

3.5 與相關(guān)研究的比較

為了能夠與其他淡水水域進(jìn)行比較，本研究統(tǒng)計(jì)了一些不同淡水水域冬季的每日CO2釋放通量的基本情況(見表5)[23，25]．從表5可以看出，不同淡水生態(tài)系統(tǒng)CO2釋放量差別很大．冬季環(huán)境溫度過低，水體微生物活性微弱，本研究區(qū)的日平均CO2通量為-7.09 mg·m-2·h-1，高于森林池塘的1.10 mg·m-2·h-1，整體上呈微弱的CO2吸收狀態(tài)．洱海、滇池等大型湖泊的CO2每日釋放通量分別為-24.38 mg·m-2·h-1和-17.94 mg·m-2·h-1，低于本研究區(qū)域．濕地池塘由于其泥炭有機(jī)質(zhì)含量豐富，導(dǎo)致呼吸礦化作用顯著[21，22]，其CO2最大釋放量達(dá)到了110 mg·m-2·h-1，平均通量為56.35 mg·m-2·h-1，而富營養(yǎng)化水體同樣也含有豐富的有機(jī)質(zhì)，這些都直接或間接說明淺水池塘有著較高的CO2釋放量．

表5 不同淡水水域冬季CO2釋放通量

4 結(jié) 論

冬季的富營養(yǎng)化池塘的CO2通量具有明顯的晝夜變化特征，不同的天氣、時(shí)刻會(huì)導(dǎo)致pH、氣溫、光照強(qiáng)度、氣壓的晝夜性變化，這些環(huán)境因子的周期性變化導(dǎo)致了CO2通量的晝夜性的變化規(guī)律．

觀測期間7 d平均CO2擴(kuò)散通量為7.09 mg·m-2·h-1，其釋放量變化范圍在-29.18～26.67 mg·m-2·h-1，整體來說冬季的富營化池塘表現(xiàn)并不活躍．CO2擴(kuò)散通量均白天較低夜間較高，并在午間達(dá)到最小值．陰雨天表現(xiàn)為水體CO2向大氣釋放，在此天氣時(shí)，CO2的變化范圍在-8.02～15.82 mg·m-2·h-1之間，日平均通量為8.81 mg·m-2·h-1．晴朗天氣下，強(qiáng)烈的光和作用導(dǎo)致白天大氣中的CO2向水體中擴(kuò)散，夜間時(shí)呼吸作用占據(jù)主導(dǎo)，池塘表現(xiàn)為向大氣中擴(kuò)散CO2，此天氣下CO2的變化范圍在-29.02～26.67 mg·m-2·h-1之間，且日平均通量為1.95 mg·m-2·h-1，其CO2釋放量遠(yuǎn)低于陰雨天氣．而從此次測量結(jié)果來看夜間通量有部分呈負(fù)值，主要是由于白天光合作用消耗水體中大量的溶解性CO2，使得夜間仍會(huì)持續(xù)向水體擴(kuò)散一段時(shí)間．

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