三峽庫區(qū)澎溪河水華過程中CO2濃度及通量變化研究

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(1.重慶三峽研究院 重慶 404100；2.重慶交通大學 重慶 4000714)

近幾十年來，全球變暖已經(jīng)引起世界各國學者以及政府的共同關(guān)注，人們都普遍認為溫室氣體濃度升高的主要原因是化石燃料的燃燒，而水力發(fā)電則是一種清潔能源。但是，現(xiàn)在已有的大量研究表明，水庫已經(jīng)成為大氣CO2和CH4的一個重要排放源，水庫溫室氣體的研究逐漸成為熱點[1,2]。水華指淡水水體中藻類大量繁殖的一種自然生態(tài)現(xiàn)象，是水體富營養(yǎng)化的一種特征，主要由于生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中含有大量氮、磷的廢污水進入水體后，藍藻、綠藻、硅藻等大量繁殖后使水體呈現(xiàn)藍色或綠色浮沫的一種現(xiàn)象。三峽水庫蓄水以來，水庫次級支流出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化，在其他生態(tài)環(huán)境因子的綜合作用下，局部水域水華頻繁暴發(fā)[3]。

本文擬以三峽水庫澎溪河回水區(qū)的夏初季節(jié)水華為研究對象，開展野外觀測和現(xiàn)場原位實驗研究。通過野外觀測研究自然條件下藻類水華過程中的CO2的吸收和釋放情況；通過添加不同濃度梯度的磷，測定藻類在生長和消亡過程中的CO2的吸收和釋放情況。綜合揭示該流域在水華過程中的CO2變化規(guī)律。

一、材料與方法

(一)研究區(qū)域與采樣方案

澎溪河(又稱“小江”)是三峽庫區(qū)中段長江北岸一級支流，流域面積5172.5km2，干流全長182.4km，壩前145 m下回水區(qū)全長約60km。其中，高陽平湖是澎溪河145 m 回水區(qū)中段較具獨特性的水域(圖1)，其上游(養(yǎng)鹿楊家壩小江電站)、下游(代李子牛欄溪)河段均為峽谷型河道，河道狹長且斷面變化不大，水力條件相對單一，而高陽平湖水域則是在上述兩個峽谷之間水域面積為4～5km2(水位145 m)的開闊水域，湖沼特征上近似于過水型湖泊。

圖1 澎溪河回水區(qū)及高陽平湖水域示意圖

本實驗選擇在2016年4月22日至5月10日，在澎溪河高陽平湖實驗平臺進行原位培養(yǎng)實驗,取平湖湖水攪拌均勻后平均分配至12個桶中(圖2)，每個桶裝30L湖水，桶中分別添加不同濃度梯度的磷(表1)[4]。

圖2 原位培養(yǎng)實驗

備注TP濃度(mg/L)樣品編號原水(0)0.11,2,31倍磷(1P)0.24,5,610倍磷(10P)17,8,9100倍磷(100P)1010,11,12

(二)檢測方法與數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)場測試分析指標包括:pH值、溶解氧(DO)、水溫等。其中，采用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(HACH?MS5)現(xiàn)場測定pH值(精度分別為0.01個單位)；采用YSI?Pro ODO測定水溫、DO(測試精度分別為0.1℃，0.01mg/L)；現(xiàn)場氣溫、大氣壓采用手持式數(shù)字大氣壓計測得。水-氣界面CO2擴散通量采用頂空平衡法測量。氣樣分析采用安捷倫7820型氣相色譜儀。氣體采用十通閥進樣，CO2經(jīng)TDX-01色譜柱分離后直接用FID檢測器檢測。

頂空平衡法用氣象色譜儀測出CO2積分峰面積算出CO2在水中的濃度，水-氣界面的CO2交換通量計算公式為：

Flux=KX(C1-C2)

式中Flux為CO2氣體擴散通量，mg/(m2·h)；KX為氣體交換系數(shù)；C1為頂空平衡法測出的水中CO2濃度，μatm/min或ppm/s；C2為水中CO2飽和濃度，μatm/min或ppm/s。頂空法測得的CO2通量為負通量表示水體從大氣吸收CO2，正通量表示水體向大氣釋放CO2氣體。

二、結(jié)果與討論

(一)藻類的生長狀況

圖3 Chl.a、DO、pH變化示意圖

葉綠素-a(Chla)的初始值(第0天)為70(mg/m3)左右；原水、1P、10P的Chl.a在第2天達到最高值便逐漸降低，其葉綠素最大值分別為94.2、85.3、78.9 mg/m3。100P的Chla一直下降，直到第9天開始回升，實驗結(jié)束時Chla高于其他三組。對于溶解氧(DO)，1P、10P前四天上升，并在第4天都達到最大值，分別為16.00、15.88(mg/L)，而其他濃度梯度的水樣DO在第2天達到峰值便馬上下降。DO最終穩(wěn)定在9mg/L左右。總體而言，1P、10P的溶解氧略高于原水和100P的水樣。pH值的變化情況與溶解氧類似，1P、10P的pH在第4～6天時出現(xiàn)了明顯大于添加其他濃度梯度的峰值，且整個實驗過程中pH都明顯高于原水和100P的實驗組。

實驗初期原水中含有少量磷，但隨著磷被消耗，藻類生長受營養(yǎng)物質(zhì)的限制，光合作用減弱導致DO減少以及pH降低并回歸到正常；而對于100P的桶中，營養(yǎng)物質(zhì)由實驗初期的不適宜濃度變?yōu)檫m宜濃度，導致Chla增大，pH增大。藻類光合作用吸收CO2使水體中HCO3-濃度降低，導致水體pH上升；而呼吸作用則相反。本研究采樣主要為白天，光合作用普遍強于呼吸作用，導致pH上升，水體堿性增強。在一定范圍內(nèi)，堿性增強有利于藻類生長。

(二)不同磷濃度下的CO2通量

實驗期間，CO2通量均為正，表現(xiàn)為“源”(圖4)。實驗桶中水體CO2氣體主要來源于桶中藻類、細菌等的呼吸作用和大氣中CO2的溶解兩個方面。本實驗采樣時間為11:00～14:00，此時光合作用大于呼吸作用，由于光合作用產(chǎn)生大量O2，O2的分壓較大，使水體中CO2氣體分壓減少。最終導致水體向大氣中釋放CO2氣體，表現(xiàn)為“源”。

圖4 CO2通量變化

(三)相關(guān)性分析

本實驗采用Pearson相關(guān)法對CO2通量及各理化指標(pH、DO、Chl-a等)進行相關(guān)性分析(表2)。結(jié)果表明本實驗求得的CO2通量與Chl-a、pH、DO均無相關(guān)性。分析認為實驗桶中浮游植物的光合作用和呼吸作用是影響CO2產(chǎn)匯的關(guān)鍵。白天藻類光合作用吸收CO2釋放O2，并使水體pH增大，導致CO2主要表現(xiàn)為匯。原理上CO2通量與Chl-a、pH和DO應為負相關(guān)性。但由于本實驗是在桶中進行，且實驗過程中藻類水華僅為輕度水華，水體溶解態(tài)CO2并未達到飽和等因素，使得本次實驗中CO2通量與Chl-a、pH、DO均無相關(guān)性。

表2 相關(guān)性分析表

三、結(jié)論

本次對三峽澎溪河水華過程中的CO2通量研究表明，藻類的生在死亡過程會受到不同磷濃度梯度的影響，只有在適宜的濃度梯度下才會促進藻類的生長，且藻類的生長受到磷的限制。但在藻類的生長死亡過程中對CO2通量釋放與吸收基本沒有影響。本實驗中水-氣界面CO2通量與Chl-a、pH、磷酸鹽、DO均無相關(guān)性