連續筑壩湟水一級支流火燒溝對河流水-氣界面溫室氣體通量的影響研究

張艷春，張志法，陶雅琴，陳玉鵬，毛旭鋒，*

1. 青海省自然地理與環境過程重點實驗室，青藏高原地理過程與生態保育教育部重點實驗室，西寧 810000

2. 高原科學與可持續發展研究院，西寧 810000

3. 青海師范大學地理科學學院，西寧 810000

4. 西寧湟水國家濕地公園，西寧市湟水林場，西寧810000

0 前言

中國是世界上擁有水壩數量最多的國家，水壩提供了防洪、發電、供水、灌溉等諸多功能。水壩的建設會造成自然河流阻斷，其物理水文因素發生改變，使得天然河道湖庫化，生物生境破碎，河流有機質含量增加，有機質在微生物的作用下會產生CH4、CO2等溫室氣體，必然影響河流溫室氣體排放過程。由于水壩修建后河流的平均滯留時間延長，強化了氮磷等營養物質在庫區滯留沉積作用，有研究顯示河流含氮量增加會促進N2O的排放量相應地增加[1]，氮磷等也為 CH4的排放提供物質基礎。與單個水壩相比，梯級水壩對溫室氣體排放的影響機制研究還很匱乏。連續筑壩指在同一條河流上修建一系列的水壩。我國在長江、黃河的干流和各大支流連續修建有大量的攔河壩，這些水壩形成上下串聯的水文連續體，在水質、水溫、泥沙和生物等方面具有傳遞效應，進而對河流溫室氣體的排放產生深遠的影響。

水庫溫室氣體排放的研究從1993年Rudd等[2]對南美熱帶雨林地區開始，自此各國學者對相關問題展開研究。目前國際上溫室氣體排放的研究熱點集中在加拿大[3-4]、美國中西部[5-6]、歐洲[7-9]以及熱帶地區[10-11]等地，國內的研究主要集中分布在東部、中部地區的水庫[12-13]以及城市河流[14-15]、湖泊[16-17]等，且重點關注單個水庫的溫室氣體時空排放特征。對于水-氣界面監測溫室氣體通量的方法有靜態箱[12-13]、倒置漏斗法[18]、梯度法[19-20]以及渦度相關法[21-22]等，其中靜態箱原理簡單、操作方便，能夠同時分析多種氣體。總體而言，國內外學者針對水庫溫室氣體的研究區廣、研究方法多樣，研究區受不同程度人類活動影響，水-氣界面溫室氣體排放通量數量級不同，且存在一定的排放規律。然而對于梯級水壩溫室氣體的研究卻極少，如有研究指出[1]水庫高密度的梯級開發會使河流溫室氣體排放量極大地增加。梯級水壩修建后，溫室氣體排放模式如何？空間的聯系和影響如何？這些都需要進一步研究。這里以湟水一級支流為例，開展梯級水壩對河流水-氣界面溫室氣體CH4、CO2、N2O排放的影響，分析時空變化，判斷影響因素，以期能夠為河流生態建設和管理提供參考。

1 研究區概況

火燒溝位于青海省西寧市湟水河南岸，是湟水河的一級支流，黃河的二級支流，其分布范圍為36°28′30"—136°39′01"N，101°33′20"—101°43′55"E(圖1)。河流屬于高原寒溫帶半干旱氣候區，氣壓低，日照長，太陽輻射強，晝夜溫差大。年平均氣溫和年平均降水量分別為5.8 ℃和380 mm。

圖1 火燒溝梯級水壩地理位置示意圖Figure 1 The location of the Huoshaogou River

由于地形和缺水等因素，加上人類活動的影響，火燒溝植被退化、泥沙淤積、水土流失非常嚴重。2013年隨著海綿城市改造建設和湟水國家濕地公園生態工程的實施，火燒溝形成由上到下的連續多級水壩的水體。本研究以前 4級水壩為研究區，上游選取一點(如圖1中的第5采樣點)作為對照區。

2 樣品采集與方法

2.1 采集方法與裝置

2018年 4—8月各月中旬天氣晴朗微風的條件下，對火燒溝 5級階梯進行現場觀測測定，包括溫室氣體采集、水文、水質、氣象、植物、底泥等的收集與監測。

本文溫室氣體通量采用漂浮靜態箱-氣相色譜法測定。靜態箱由采樣箱和泡沫漂浮架組成，采樣箱是鋁箔包裹表層的 PVC材料制成的圓桶(直徑30 cm，高 40 cm)；漂浮架是用鐵絲固定的泡沫板，采樣箱頂部有小孔連接溫度傳感器和氣體導管，氣體導管連接三通閥，便于采集氣體。采樣前將箱體倒置于通風處，使箱內氣體達到平衡。采樣時將采樣箱放置在水面，使箱口浸沒到水中以保證箱內空氣與外界隔絕。采樣時間為 9:00—21:00，每隔 3 h采樣一次，氣體收集時間為箱體下水后0、15、30、45 min，五級階梯靜態箱同步采樣。用50 ml注射器將氣體收集到氣體采樣袋，樣品采集完帶回實驗室24 h內利用氣相色譜儀完成氣體濃度分析。本實驗利用經改裝Agilent7890B的檢測溫度350 ℃帶電子捕獲檢測器的后檢測器ECD檢測N2O濃度，檢測溫度 250 ℃帶離子火焰化前檢測器 FID檢測 CO2和CH4的濃度。

一天的9:00—21:00每隔3 h在靜態箱放置水面后依次對五級階梯的風速、氣溫、水溫、電導率、氧化還原電位(ORP)和溶解氧進行觀測，采用 YSI水質多參數儀、手持式小型氣象站等測量現場環境參數。此外還需收集各樣點500 ml水樣，以便測定水體的總碳(TOC)、總氮(TN)、總磷(TP)、COD，其中TOC采用TOC分析儀法，TN、TP和COD分別采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法、鉬酸銨分光光度法和堿性高錳酸鉀氧化法測定；并收集樣方內的植物、底泥，分別測定其 TOC、TN、TP 含量，其中TOC和TN分別采用容量法和凱氏定氮法，植物和底泥的TP分別采用硫酸-雙氧水消解鉬銻抗比色法和NaOH熔融-鉬銻抗比色法。

2.2 CO2、CH4、N2O通量計算方法

溫室氣體通量指單位時間內單位面積垂直方向的溫室氣體濃度變化量，其計算方式為[23]:

式中F為氣體通量，mg·(m2·h)-1；V為進入浮箱的空氣體積，m3；P1為分與小時的轉換系數，取 60；P2為ppm與μg·m-3的轉換系數(CO2: 1798.45；CH4: 655.47，N2O: 1798.56)；P3為 μg 與 mg 的轉換系數，取1000；S為浮箱在水上部分的表面積，m2。Δc·Δt-1為溫室氣體的時間濃度關系圖中的濃度斜率，ppm·min-1。當F＞0表示氣體從水體向大氣排放，即為“源”，當F＜0表示水體吸收大氣，即為“匯”。

采用 Matlab R2018a，origin9.1、Arcgis10.2、SPSS 24、Excel等軟件進行論文的圖形繪制和數據分析處理。利用Pearson相關分析和多元逐步回歸分析方法，對各指標對溫室氣體通量的影響進行研究。

3 結果與分析

3.1 水-氣界面溫室氣體時空變化

火燒溝水-氣界面CH4、CO2、N2O的空間變化由春夏季采樣時期梯級變化圖(圖 2 a—f)綜合可得:筑壩區(第一階梯-第四階梯)溫室氣體的排放量高于未筑壩區(第五階梯)，以中上游河段排放的溫室氣體最多。

CH4和N2O在觀測期間均表現為河流溫室氣體的“源”(圖 a、d；圖 c、f)，筑壩區排放量顯著高于未筑壩區；由CH4、N2O春夏季排放通量范圍得，未筑壩區比筑壩區吸收的CH4、N2O多，排出的CH4、N2O少；CH4和N2O春夏季筑壩區平均排放通量均高于未筑壩區。CO2在春夏季均表現出明顯的排放與吸收交替進行的特征(圖 b、e)，不過春季整體上表現為 CO2的“源”，夏季表現為 CO2的“匯”，研究區地處青藏高原冬季漫長，春季升溫迅速，在冬季冰封期，河流中大量的有機碳積累得不到有效的釋放[13]，在春季河流解凍過程中，水中大量 CO2向大氣排出；而夏季河流植物長勢良好，在水體中在進行光合作用時初級生產大于呼吸消耗，其吸收作用大幅增強。其春夏季筑壩區平均排放通量均高于未筑壩區。河流在未筑壩區排放少量的溫室氣體，而經中下游水壩攔截后氣體排放量增加，這與前人在貓跳河梯級水庫的研究[1]相一致，說明火燒溝梯級水壩修建之后在為海綿城市建設發揮作用的同時，溫室氣體排放問題也應重點關注。

各類溫室氣體在筑壩區不同梯級之間存在差異，但主要以中上游河段排放氣體為主。春季筑壩區CH4排放通量的極值主要集中在中游(第三級階梯)和中上游(第四級階梯)河段，夏季的極值主要集中在中上游。CO2在春季筑壩區的排放通量極大值和極小值都出現在中游，夏季的極大值和極小值均集中在中上游。筑壩區的N2O春季在中下游和中游河段集中排放，夏季在中上游河段，春夏季都是排放為主；排放量最少的階梯由春季的第四階梯向夏季的第二階梯轉移。火燒溝臺階式的分布，上游水體下泄時會攜帶大量營養物質在中上游河段富集，而該河段流速很緩，水流搬運能力較低，致使下游碳源、氮源儲量較少，使得河段溫室氣體排放通量呈現出由上游階梯和下游階梯向中上游階梯累積的“梭形累積”；此外，中上游河段受光照等因素影響較少，氣溫最高，也會影響該處溫室氣體的集中排放。

水-氣界面溫室氣體的時間變化特征由梯級變化圖(圖2 a—f)綜合可得: CH4、N2O的排放通量夏季明顯高于春季；CO2在春季以排放為主，夏季各階梯以吸收為主；各類溫室氣體在各梯級之間的日變化水平不同。

(1)CH4在春季(圖 a)整個時期河流向大氣排放了 31639.56 μg·(m2·h)-1的氣體；隨著觀測時間推移，未筑壩區逐漸減少并向吸收轉變，筑壩區一整天均在向大氣大量排放，其在中游河段的日變化最大，變異系數Cv為 158.95%，但弱于未筑壩區的變化水平。夏季(圖 d)整個時期河流向大氣排放了321698.75 μg·(m2·h)-1的 CH4，以 15:00 和 18:00 的排放最集中，夏季CH4的排放量是春季的10.17倍；筑壩區比未筑壩區的日變化水平小，以中上游河段的日變化最大(Cv=104.15%)。CH4在春夏季各梯級的日變化水平受排放極值的影響。(2)CO2在春季(圖b)向大氣排放了 1147.51 mg·(m2·h)-1的氣體；未筑壩區在春季以隨時間吸收與排放交替進行的方式吸收CO2，筑壩區整體以排放為主。夏季(圖 e)整個時期河流向大氣吸收了 325.78 mg·(m2·h)-1的 CO2；未筑壩區除9:00排放了極少量的氣體外，其余均在吸收；筑壩區除第四階梯在18:00和第三階梯在21:00排放了大量氣體外，其他河段各時間以吸收為主。春夏季筑壩區 CO2的日變化水平均強于未筑壩區。(3)N2O 在春季(圖 c)和夏季(圖 f)各時期由河流向大氣分別排放了 3753.39 μg·(m2·h)-1和 10315.84 μg·(m2·h)-1的 N2O，夏季 N2O 的排放量是春季的2.75倍。春季未筑壩區表現為“源”“匯”交替，夏季以排放為主；筑壩區從春季的二、三階梯集中排放向夏季第四階梯集中大量排放轉變。本實驗中 CH4和 N2O通量季節變化趨勢為夏季高于春季，與眾多研究結果[13-14]一致，夏季氣溫、水溫升高，微生物活性增強，河流中植物由春季的零星分布到夏季密集生長，水中有機質含量增加，均有助于夏季溫室氣體排放量增多。

3.2 環境因子及其對溫室氣體通量的影響

溫室氣體的產生和擴散都與外部環境有關，本實驗各指標的季節變化見圖3(a—f)，其中圖a—c的橫軸m—n表示m級階梯第n個時間點。氣象指標在9:00—21:00時間段各梯級水壩之間波動如圖3a、b: 夏季氣溫明顯高于春季，風速、氣壓則是春季高于夏季。水環境指標季節變化見圖 c、d: 電導率存在明顯的周期變化規律；夏季溶解氧低于春季，水溫相反；ORP波動范圍大，且大部分以第三級階梯為極值。水生態參數季節變化如圖 e、f: 水體總氮(TN)和總有機碳(TOC)季節波動大體一致；春季的總磷(TP)波動幅度大，基本大于變化很小的夏季；pH 變化不大，春季略高于夏季；高錳酸鹽指數夏季高于春季，未筑壩區低于筑壩區。各梯級水壩內不論在植物還是底泥中TOC和TN的季節波動都較大，TP的變化都較小(圖g、h)。

本實驗利用 Pearson相關分析研究了各指標對溫室氣體通量的影響，其結果見表1。CH4通量與氣溫、水溫、CODmn呈正相關關系，與氣壓、pH、 ORP呈負相關關系；CO2通量與水體TOC和水體TN呈正相關關系；N2O通量與CODmn、pH呈正相關關系，與氣壓、風速呈負相關關系。

3.3 影響溫室氣體排放的因子

將實驗中監測的各類環境因子與CH4、N2O通量利用多元逐步回歸分析建立最優回歸方程如下:

圖2 春夏季采樣時期CH4、CO2、N2O梯級變化圖(a-f)Figure 2 Cascade changes of CH4, CO2 and N2O during spring and summer sampling period

由上式知: CH4通量主要受氣壓影響，與氣壓呈負相關關系；CO2通量主要受水體TN影響，與其呈正相關關系；N2O 通量的主要影響因素是風速、CODmn和底泥 TOC，與 CODmn為正相關關系，與風速和底泥 TOC均為負相關關系。

綜合上述 Pearson相關分析和多元逐步回歸分析可得: 本研究中，氣壓是影響 CH4的關鍵因素，水體TN是影響CO2的關鍵因素，風速和CODmn是N2O通量的主要影響因素。

圖3 各環境因子季節變化Figure 3 Seasonal variations of environmental factors

表1 溫室氣體通量與部分環境因子Pearson相關分析表Table 1 Pearson's correlation coefficient between greenhouse gases fluxes and environment factors

4 討論

氣象指標中氣壓和風速分別以影響溫室氣體在水中溶解度、水氣交換面積，對氣體交換量產生作用，當氣壓升高時，氣體溶解度增加，有利于溫室氣體從大氣進入水體[14]。Duchemin等[24]研究表明隨著風速加大，水-氣界面的氣體交換通量變大。火燒溝觀測期間夏季的氣壓低于春季，與溫室氣體夏季排放量多于春季相一致，本實驗中 CH4、N2O 與氣壓呈負相關關系(rCH4= -0.447，rN2O= -0.332)；春夏季風速相差不大，平均風速為 0.62 m·s-1，對水-氣界面風力擾動較小，只與 N2O通量產生負相關關系(r= -0.393)，與其他研究區的研究結果相一致[25-26]。

水文指標是影響河流生態系統的重要環境參數，直接或間接影響溫室氣體的產生。(1)氣溫和水溫可以影響氣體溶解度、交換速率，也可以作用于微生物酶活性、水生植物初級生產等。夏季平均氣溫、水溫比春季分別高 8.5 ℃、6.5 ℃，可以加快產甲烷過程促進其排放，尤其是 15:00的氣溫正好滿足產甲烷菌的最適溫度 30—40 ℃[15]，其平均水溫也高于其他時間段，這與相關分析和觀測情況得到的結論相一致: CH4分別與氣溫、水溫呈正相關關系(r氣溫= 0.305，r水溫= 0.383)，CH4的夏季排放量顯著高于春季。(2)觀測期間火燒溝的 pH波動范圍在7.5—8.3，產甲烷菌、硝化作用和反硝化作用的最適范圍分別為 6.0—8.0、3.4—8.6和 7.0—8.0[27-29]，在該范圍內有利于CH4和N2O排放。由相關性分析得，pH與CH4通量呈負相關關系(r= -0.333)，與N2O正相關性達到極顯著水平(r= 0.55)。火燒溝流域的pH波動范圍在硝化反應和反硝化反應的最適范圍之內，pH高低與N2O釋放量成正比相一致。(3)ORP強弱會制約水中有機質的分解，影響氣體排放。有研究表明[30]氧化還原電位對碳通量的產生和遷移有影響。Masscheleyn 等[31]研究指出-250 ＜ ORP ＜-150 mV時CH4排放量隨ORP減小而逐漸增大，春季的ORP均高于-150 mV，夏季在-250—-150 mV范圍內的部分占 68%，因此夏季 CH4排放量多于春季，ORP與CH4呈極顯著負相關關系(r= -0.441)。(4)CODmn用于衡量水中有機質含量多少的指標，CODmn越高，溫室氣體產生所需物源越豐富，越有利于氣體產生，與本實驗結果相一致: CODmn和CH4、N2O呈正相關關系(rCH4= 0.409，rN2O= 0.331)，觀測中 CODmn夏季是春季的23倍，未筑壩區低于筑壩區，與CH4、N2O通量夏季排放量高于春季，筑壩區高于未筑壩區一致。

水質、植物、底泥中的TOC、TN、TP含量也對溫室氣體通量有影響。在劉叢強等人[32]的研究中發現水壩更有利于磷素的攔截，同時在微生物活性增強時會溶解底泥中的磷酸鹽，使得磷素積累；碳源、氮源富集，促進微生物生長同時呼吸作用加強且為反硝化作用提供能量來源，促進溫室氣體排放。本研究中CO2通量與水體TOC和水體TN呈正相關關系(rTOC=0.309，rTN=0.315)； N2O 通量與底泥TN 無明顯的相關性(r=0.012)，根據 Silvennoimen等[9]等人的研究表明水生態系統中，底泥中進行的反硝化作用產生的N2O最多，與本實驗結論相反的原因可能與人為干擾致使水中 TN含量偏高或者所處的青藏高原地理位置有關，因此長時間多維度的對各種形式的河流氮源監測是必要的。

浮游動植物是河流生態系統食物鏈的主要組成部分[33]，在眾多研究中均表明，溫室氣體水-氣界面交換通量的一個主要影響因子是水生生物的初級生產力，而葉綠素是表征初級生產力的直接指標。火燒溝夏季生物活躍，植物密布，實驗過程中未收集各樣點的浮游生物以及葉綠素 a，未進行定量分析研究，不知其對溫室氣體排放的影響，該不足需要在之后的研究中進行改進。

5 結論

通過對火燒溝梯級水壩水-氣界面溫室氣體CH4、CO2、N2O時空變化及影響因子分析研究，得到梯級水壩修建對天然河道水-氣界面溫室氣體影響較大。主要結論如下:

(1)梯級水壩修建后，筑壩區溫室氣體的排放量明顯高于未筑壩區；其中筑壩區以中上游河段排放的溫室氣體最多。CH4和N2O在筑壩區大量排放溫室氣體，未筑壩區表現為少量排放或吸收。筑壩區的 CO2在春季以排放為主，夏季以吸收為主；而未筑壩區兩季均在吸收。

(2)整個火燒溝梯級水壩CH4和N2O的排放通量呈現出夏季明顯高于春季的趨勢。夏季CH4和N2O的排放通量分別是春季的10.17倍和2.75倍。春季為CO2排放的“源”，向大氣排放了 1147.51 mg·(m2·h)-1的氣體；夏季為 CO2排放的“匯”，向大氣吸收了 325.78 mg·(m2·h)-1的 CO2。

(3)各類環境因子對溫室氣體通量有不同程度的影響。氣象指標、水文指標、水質、植物、底泥中的TOC、TN、TP含量等與本研究中的溫室氣體通量有一定相關性。其中氣壓是影響CH4的關鍵因素，水體TN是影響CO2的關鍵因素，而風速和CODmn是影響N2O通量的主要因素。