蓄水初期三峽水庫(kù)草堂河水-氣界面CO2和CH4通量日變化特征及其影響因素*

汪國(guó)駿，胡明明，王雨春，袁 浩，蔣 蓉，王啟文，葉振亞，梁順田

(1：三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，宜昌 443002 ) (2：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038) (3：流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038) (4：水利部水文局，北京 100053)

蓄水初期三峽水庫(kù)草堂河水-氣界面CO2和CH4通量日變化特征及其影響因素*

汪國(guó)駿1，胡明明2,3**，王雨春2,3**，袁 浩4，蔣 蓉4，王啟文2,3，葉振亞1，梁順田2

(1：三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，宜昌 443002 ) (2：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038) (3：流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038) (4：水利部水文局，北京 100053)

為查明三峽水庫(kù)蓄水初期典型支流水-氣界面CO2和CH4通量的日變化特征，采用LGR在線分析儀-通量箱法，于2015年9月初在庫(kù)腹一級(jí)支流草堂河回水區(qū)開(kāi)展連續(xù)24 h的定位觀測(cè). 結(jié)果表明，24 h監(jiān)測(cè)期內(nèi)，支流庫(kù)灣水-氣界面CO2通量變幅為-81.642～180.991 mg/(m2·h)，呈“晝吸夜放”特征，均值為17.346 mg/(m2·h)，總體為釋放特征；CH4全天均表現(xiàn)為釋放狀態(tài)，釋放通量均值為0.064 mg/(m2·h)，呈“晝?nèi)跻箯?qiáng)”變化. 相關(guān)分析結(jié)果表明， CH4和CO2釋放通量與風(fēng)速呈正相關(guān)，與表層水溫、溶解氧濃度、葉綠素a濃度呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明風(fēng)速物理擾動(dòng)、浮游植物光合作用是控制草堂河水-氣界面氣體通量最重要的環(huán)境因素. 同時(shí)，干-支流相互作用形成的特殊水環(huán)境(如異重流、水溫分層)也與水-氣界面溫室氣體通量過(guò)程密切相關(guān)，但是其作用機(jī)制更為復(fù)雜，應(yīng)開(kāi)展進(jìn)一步系統(tǒng)觀測(cè)和深入研究.

三峽水庫(kù)；草堂河；水-氣界面；溫室氣體通量；連續(xù)原位觀測(cè)；環(huán)境因素

自1990s初Rudd等[1]報(bào)道了南美熱帶雨林地區(qū)水庫(kù)CH4、CO2釋放通量的觀測(cè)數(shù)據(jù)以來(lái)，水庫(kù)溫室氣體釋放通量已成為當(dāng)前國(guó)際學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論的核心問(wèn)題[2]. Fearnside等甚至認(rèn)為某些熱帶雨林地區(qū)水庫(kù)的碳排放當(dāng)量可與同等發(fā)電量的使用化石燃料電廠的碳排放當(dāng)量相當(dāng)[3]，產(chǎn)生學(xué)術(shù)分歧的一個(gè)重要原因就是缺乏高精度的觀測(cè)數(shù)據(jù). 事實(shí)上，水庫(kù)溫室氣體通量過(guò)程極其復(fù)雜，具有極高的時(shí)空不確定性，其變化涉及到流域碳生物地球化學(xué)循環(huán)的宏觀因素[4]，也與水庫(kù)選址、淹沒(méi)前清庫(kù)、建設(shè)運(yùn)行、氣溫、日照、風(fēng)速、水動(dòng)力、浮游植物光合作用等因素密切相關(guān)[5-7]. 特別是CO2通量的日變化特征會(huì)表現(xiàn)出日內(nèi)“匯”和“源”反轉(zhuǎn)的顯著變化[8].

近年來(lái)圍繞三峽水庫(kù)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者在三峽水庫(kù)干流以及主要支流水域開(kāi)展了溫室氣體通量觀測(cè)，獲取了重要的基礎(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)[8-11]. 由于三峽工程規(guī)模宏大、庫(kù)區(qū)水面開(kāi)闊、支流形態(tài)及環(huán)境條件多樣[12]，不同支流水-氣界面溫室氣體釋放特征也存在巨大差異. 在庫(kù)首香溪河[8-10]、庫(kù)尾澎溪河[11]開(kāi)展的日連續(xù)觀測(cè)表明，為準(zhǔn)確估算和評(píng)估溫室氣體釋放通量的總體效應(yīng)，有必要在典型觀測(cè)(如代表季節(jié)、代表水期以及工程運(yùn)行方式)基礎(chǔ)上開(kāi)展以“晝-夜”為尺度的連續(xù)監(jiān)測(cè).

三峽庫(kù)腹心區(qū)的一級(jí)支流草堂河地理位置特殊，由于受夔門水面束窄“狹管效應(yīng)”及河口夾角的影響，尤其在三峽水庫(kù)汛末開(kāi)始蓄水期間，干流頂托、倒灌作用加強(qiáng)，干支流相互作用的水流特征明顯不同于其他支流. 總體上看，目前在三峽水庫(kù)干流與支流特殊的水動(dòng)力條件下，碳循環(huán)及伴生的水-氣界面CO2和CH4通量過(guò)程的觀測(cè)和原位資料還十分有限. 因此，本課題組于2015年9月上旬三峽工程開(kāi)始蓄水調(diào)度初期，在草堂河回水區(qū)開(kāi)展蓄水水位抬升過(guò)程溫室氣體通量日變化的連續(xù)定位觀測(cè)，以豐富三峽庫(kù)區(qū)溫室氣體通量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，促進(jìn)深入了解三峽水庫(kù)溫室氣體產(chǎn)生和釋放機(jī)理.

1 研究區(qū)域概況

草堂河是三峽庫(kù)區(qū)重要的一級(jí)支流，干流全長(zhǎng)33.3 km，流域面積394.8 km2，平均流量7.51 m3/s，年徑流總量2.37×108m3. 草堂河地理位置為三峽庫(kù)區(qū)腹心的奉節(jié)縣(圖1)，地處長(zhǎng)江三峽中瞿塘峽的入口，瞿塘峽口(夔門)水面束窄“狹管效應(yīng)”使三峽工程蓄水水文抬升過(guò)程中干流對(duì)草堂河回水倒灌作用加強(qiáng). 與庫(kù)區(qū)支流普遍與長(zhǎng)江干流呈低于90°夾角交叉的關(guān)系不同，草堂河與長(zhǎng)江呈少見(jiàn)的165°順江交叉關(guān)系，河口白帝城將水流分為兩支，形成了草堂河回水區(qū)特殊的水流環(huán)流特征，導(dǎo)致水溫分層、物質(zhì)循環(huán)過(guò)程具有不同于其他支流的特殊性. 根據(jù)本課題組在草堂河的前期研究[13]表明，草堂河河口斷面8月與9月的流速分布類似，由于受蓄水影響，9月流速明顯大于8月流速，長(zhǎng)江干流倒灌在草堂口形成的“左進(jìn)右出”水團(tuán)環(huán)流顯著加強(qiáng)，干流頂托對(duì)支流回水區(qū)的影響同步加強(qiáng)，水溫、濁度差形成從河口到回水區(qū)不同梯度的水體分層狀態(tài).

圖1 三峽水庫(kù)草堂河監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of the sampling site of Caotang River, Three Gorges Reservoir

按照三峽工程優(yōu)化調(diào)度規(guī)程，三峽工程汛期實(shí)行145 m低水位防汛運(yùn)行，8月底開(kāi)始抬升水位逐漸達(dá)到175 m高水位運(yùn)行. 如圖2所示，本次連續(xù)觀測(cè)時(shí)段選擇在三峽工程2015年蓄水初期，監(jiān)測(cè)時(shí)間的選擇不僅考慮了三峽水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行方案，體現(xiàn)出蓄水初期這一特殊時(shí)期階段性特點(diǎn)；也考慮到草堂河季節(jié)因素下水環(huán)境特征，體現(xiàn)出在水庫(kù)調(diào)度和季節(jié)因素下對(duì)干支流的影響特征. 在干流倒灌水流與支流滯水區(qū)交界設(shè)置連續(xù)定點(diǎn)觀測(cè)斷面，以查明水位變動(dòng)對(duì)支流庫(kù)灣水-氣界面CO2和CH4通量動(dòng)態(tài)變化的影響，為全面準(zhǔn)確估算三峽水庫(kù)溫室氣體總釋放量提供重要數(shù)據(jù)支撐.

圖2 三峽水庫(kù)蓄水期間水位日變化Fig.2 Diurnal variation of water level in the impoundment period of Three Gorges Reservoir

2 材料與方法

2.1 監(jiān)測(cè)方法

本次連續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)間為2015年9月7日12：00至9月8日11：00，采樣間隔為1 h. CO2和CH4水-氣界面交換通量采用LGR-UPGA(Ultra-Portable Gas Analyzer)型快速分析儀(精度: 測(cè)量頻率為1 Hz，精度為0.001 ppm，小于讀數(shù)的1%)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這款儀器在LGR-100[8]型基礎(chǔ)上，具有體積小、方便攜帶的特點(diǎn)，且配有充電電池，避免了現(xiàn)場(chǎng)供電不足的困難. 采用氣體采集設(shè)備為通量箱，箱體(直徑30 cm，高50 cm)采用不銹鋼材質(zhì). 箱體內(nèi)頂部裝有小型風(fēng)扇，便于箱體內(nèi)氣體混合均勻，頂部?jī)蓚€(gè)硅導(dǎo)管連接溫室氣體分析儀的進(jìn)出口，避免采樣過(guò)程中通量箱內(nèi)氣體受外界影響，同時(shí)對(duì)箱體做了不透光和散熱處理，通過(guò)箱體收集水-氣界面以擴(kuò)散方式交換的CO2和CH4氣體. 采樣前，將箱體與空氣充分混合3～5 min；采樣時(shí)，將箱體置于水面上，保證與外界隔絕，在水面靜置5～10 min，通過(guò)氣體變化率計(jì)算出CO2和CH4氣體交換通量.

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)期間，使用Kestrel 4500風(fēng)速氣象儀(NK公司，美國(guó))測(cè)定瞬時(shí)氣壓、溫度、風(fēng)速和相對(duì)濕度，使用YSI-EXO2多參數(shù)水質(zhì)分析儀(YSI公司，美國(guó))測(cè)定垂向自表層至底層每米處水溫(WT)、電導(dǎo)率、pH、溶解氧(DO)、葉綠素a(Chl.a)等理化參數(shù)，監(jiān)測(cè)間隔為1 h. 同時(shí)采集1.5 L水樣用于測(cè)定藻細(xì)胞密度和常規(guī)水化學(xué)分析. 用于測(cè)定藻細(xì)胞密度的樣品需加魯哥試劑固定，帶回實(shí)驗(yàn)室后，進(jìn)一步沉降濃縮，在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行計(jì)數(shù).按《中國(guó)常見(jiàn)淡水浮游藻類圖譜》[14]對(duì)浮游植物開(kāi)展鑒定工作.

2.2 水-氣界面通量計(jì)算方法

水-氣界面CO2和CH4通量是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積的擴(kuò)散物質(zhì)流量，與該截面的濃度梯度呈正比，正值表示水體向大氣釋放該氣體，負(fù)值表示水體從大氣吸收該氣體. 氣體通量通過(guò)箱內(nèi)氣體濃度變化的斜率曲線計(jì)算，監(jiān)測(cè)期間水-氣界面CO2和CH4平均回歸系數(shù)R2分別達(dá)到0.90和0.93，計(jì)算公式為[15]：

(1)

式中，F(xiàn)為氣體交換通量(mg/(m2·h))；V為通量箱水面以上體積(m3)；dc/dt為通量箱內(nèi)氣體濃度隨時(shí)間的變化率(ppm/s)，c為氣體體積濃度(ppm)(1 ppm=1 cm3/1 m3=10-6)；A為采樣箱橫截面積(m2)；F1為標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下空氣中氣體濃度單位ppm與mg/m3的轉(zhuǎn)換系數(shù)，由理想氣體狀態(tài)方程得出：P·V=n·R·T，n=m/M，m=ρ·V，得出ρ=M·P/(R·T)，故[15]：

(2)

式中，M表示摩爾質(zhì)量(g/mol)；R為理想氣體常數(shù)(J/(K·mol))；P為各個(gè)時(shí)間點(diǎn)采樣時(shí)箱內(nèi)平均溫度氣壓(Pa)；T為各個(gè)時(shí)間點(diǎn)采樣時(shí)箱內(nèi)平均溫度(℃)；F2為時(shí)間秒與小時(shí)的單位轉(zhuǎn)換系數(shù)(3600).

3 結(jié)果與分析

3.1 草堂河水-氣界面CO2和CH4通量特征

三峽水庫(kù)草堂河水-氣界面CO2和CH4交換通量均具有明顯的日變化特征(圖3).

圖3 監(jiān)測(cè)期間CH4和CO2通量的日變化Fig.3 Diurnal variation of CO2 and CH4 fluxes during the research period

CO2釋放通量變化范圍為-81.642～180.991 mg/(m2·h)，CO2從12：00到21：00表現(xiàn)為吸收狀態(tài)，為“碳匯”；夜間從22：00到次日9：00表現(xiàn)為釋放狀態(tài)，為“碳源”，從10：00開(kāi)始又出現(xiàn)吸收狀態(tài)，形成一個(gè)完整的循環(huán). 期間16：00達(dá)到最高峰，夜間釋放明顯，在凌晨4：00通量達(dá)到最大值.

CH4則在24 h內(nèi)均表現(xiàn)為釋放狀態(tài)，通量變幅在0.007～0.249 mg/(m2·h)之間. 晝夜釋放通量差異較大，夜間的釋放通量明顯高于白天，白天平均釋放通量為0.023 mg/(m2·h)，夜間平均釋放通量達(dá)到0.104 mg/(m2·h)，且在凌晨3：00釋放通量達(dá)到最高峰.

通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，CO2和CH4交換通量晝夜差異較大，夜間的釋放通量要顯著高于白天，這可能和觀測(cè)時(shí)段內(nèi)夜間較大的風(fēng)速及草堂河復(fù)雜的水文水動(dòng)力條件等因素有關(guān).

3.2 環(huán)境因子變化特征

本次24 h溫室氣體通量連續(xù)觀測(cè)期間，同步觀測(cè)環(huán)境因子的變化(圖4).

由于受太陽(yáng)輻射影響，大氣溫度白天氣溫較高，在27.9～38.3℃內(nèi)波動(dòng)，平均氣溫達(dá)到33.1℃；夜間氣溫相對(duì)于白天氣溫較為平穩(wěn)，在26.3～27.6℃之間波動(dòng)，平均溫度為26.8℃(圖4). 表層水溫與大氣溫度同步變化，二者相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.848(表1)，整個(gè)期間表層水溫變化范圍為25.7～28.4℃，觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)水溫存在較明顯的日變化特征，白天水溫分層現(xiàn)象要強(qiáng)于夜間(圖5).

在觀測(cè)期間，白天大氣風(fēng)速處于一個(gè)較低的穩(wěn)定水平，基本在1 m/s以下，而集中在1：00-4：00這一階段，風(fēng)速均大于3 m/s(圖4)，風(fēng)速的日變化規(guī)律和CO2、CH4交換通量晝夜變化規(guī)律十分相近.

表層水體pH受水體浮游植物光合作用的影響，白天大于夜間，15：00達(dá)到最大值，6：00到達(dá)最小值，日變化范圍為8.68～9.13(圖4).

表層水體DO也與光合作用存在顯著的關(guān)系，白天平均值為11.66 mg/L，夜間平均值為9.69 mg/L，正午12：00達(dá)到最大值，凌晨4：00到達(dá)最小值，日變化范圍為8.78～14.12 mg/L(圖4).

水體Chl.a濃度代表水生浮游植物的生物量，影響著表層水體pH和DO. 正午過(guò)后，表層水體Chl.a發(fā)生了垂向遷移，故最大值出現(xiàn)在16：00，而最小值出現(xiàn)在凌晨4：00，日變化范圍為5.59～19.34 μg/L(圖4).

圖4 監(jiān)測(cè)期間各環(huán)境因子的日變化Fig.4 Diurnal variation of influencing factors during the research period

CH4通量CO2通量WTpHDOChl．a(chǎn)大氣壓力大氣溫度風(fēng)速CH4通量1 CO2通量0．804??1 WT-0．823??-0．946??1 pH-0．245-0．3620．402?1 DO-0．816??-0．944??0．953??0．3101 Chl．a(chǎn)-0．844??-0．935??0．909??0．3800．953??1 大氣壓力0．3480．661??-0．629??0．680??-0．629??-0．603??1 大氣溫度-0．822??-0．801??0．848??0．481?0．827??0．888??-0．471?1 風(fēng)速0．757??0．843??-0．792??-0．1410．844??0．856??-0．571?0．734??1

** 在置信度(雙測(cè))為 0.01 時(shí)，相關(guān)性極顯著；* 在置信度(雙測(cè))為 0.05 時(shí)，相關(guān)性顯著；水體參數(shù)均使用表層水體數(shù)據(jù).

4 討論

4.1 水溫與CO2和CH4通量的關(guān)系

水溫作為水體最重要的理化參數(shù)，一方面，可以通過(guò)影響氣體的交換速率和氣體在水中的溶解度來(lái)直接影響水體中溶解氣體的濃度，在相同氣壓下，氣體的溶解度和水溫呈反比，水溫越高，氣體的溶解度越小[16]；另一方面，水溫還可以通過(guò)影響微生物酶的活性來(lái)控制產(chǎn)生CO2和CH4速率[17]以及通過(guò)影響水生植物初級(jí)生產(chǎn)[18-19]來(lái)間接影響溫室氣體的產(chǎn)生過(guò)程.

水溫變化的另一個(gè)重要影響，是可能產(chǎn)生溫度差導(dǎo)致的水團(tuán)混合或分層，從而影響水體的物理穩(wěn)定性，進(jìn)而破壞水體中溶解氣體的熱力學(xué)平衡，加強(qiáng)或減弱溫室氣體的釋放通量. 觀測(cè)期間，表層水溫變化范圍為25.7～28.4℃，底層水溫變化范圍為24.5～24.6℃，各個(gè)時(shí)間點(diǎn)表、底層水溫差值如圖6所示，15:00點(diǎn)達(dá)到最大值，凌晨3:00到達(dá)最小值，整個(gè)日變化范圍為1.0～3.8℃，且凌晨1:00-7:00水溫差基本處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài). 在本次研究中發(fā)現(xiàn)草堂河連續(xù)監(jiān)測(cè)斷面水溫分層具有日變化特征(圖5)，在已有的三峽支流水溫分層研究中出現(xiàn)過(guò)季節(jié)性變化[20]，還未見(jiàn)水溫分層日變化的資料，這可能與草堂河受到三峽工程蓄水水位抬升形成的特殊倒灌環(huán)流的影響有關(guān).

圖5 不同時(shí)刻水溫分層Fig.5 Water temperature stratification with the representative sample

圖6 監(jiān)測(cè)期間采樣點(diǎn)表層和底層的水溫差Fig.6 Difference value of water temperature between surface layer and bottom layer during the research period

采用Reynolds等[21]提出的N2的標(biāo)準(zhǔn)方法，可以根據(jù)水溫分層情況大致估算水體的穩(wěn)定程度，進(jìn)而分析水體機(jī)械穩(wěn)定對(duì)水-氣界面溫室氣體通量的影響. 基本計(jì)算公式為：

(3)

式中，N2為垂向穩(wěn)定系數(shù)(s-2)；dρ/dz指的是表層水體與底層水體的密度梯度，用(ρh-ρ0)/z表示,ρh和ρ0分別表示底層和表層水體密度(kg/m3)，z表示水深(m)；g為重力加速度(m/s2)；ρa(bǔ)vg為垂向水體平均密度(kg/m3)，一般認(rèn)為ρa(bǔ)vg=(ρh+ρ0)/2.

在三峽水庫(kù)中，水溫和水體中含沙量是影響水體密度的主要因素，在實(shí)測(cè)過(guò)程中，水體含沙量較小，此次計(jì)算過(guò)程中忽略含沙量對(duì)水體密度的影響. 各個(gè)點(diǎn)水溫所對(duì)應(yīng)的水體密度根據(jù)《1990年國(guó)際溫標(biāo)純水密度表》提供的數(shù)據(jù)擬合成以下公式計(jì)算而得[12]：

ρ=10-11T6+5×10-9T5-10-6T4+10-4T3-9.1×10-3T2+6.79×10-2T+999.84(R2=1.001)

(4)

通過(guò)水溫計(jì)算出水體密度進(jìn)而得出不同時(shí)刻水體的垂向穩(wěn)定系數(shù)N2.當(dāng)N2≤5×10-5s-2時(shí)，一般認(rèn)為水體為混合水體；當(dāng)5×10-4s-2>N2>5×10-5s-2時(shí)，一般認(rèn)為水體為弱分層水體；當(dāng)N2≥5×10-4s-2時(shí)，一般認(rèn)為水體為分層水體[20].

連續(xù)監(jiān)測(cè)期間，草堂河晝夜的垂向穩(wěn)定系數(shù)具有顯著的波動(dòng)，最大值出現(xiàn)在15：00，垂向穩(wěn)定系數(shù)為2.84×10-4s-2；最小值出現(xiàn)在凌晨3：00，為0.68×10-4s-2. 且在凌晨1：00-6：00垂向穩(wěn)定系數(shù)十分接近于混合水體到弱分層水體的判定閾值0.5×10-4s-2，此階段水體近似于混合水體；而對(duì)于12:00-16：00而言，垂向穩(wěn)定系數(shù)均大于2.5×10-4s-2，在弱分層水體中處于較強(qiáng)的水平. 總而言之，整個(gè)晝夜過(guò)程存在較明顯水溫分層的日變化(圖7).

圖7 監(jiān)測(cè)期間水體垂向穩(wěn)定系數(shù)的日變化Fig.7 Diurnal variation of stable coefficient of water during the research period

本次連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析結(jié)果(表1)表明，CO2、CH4通量與表層水溫呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.946 和-0.823，因此，對(duì)CO2釋放通量而言，白天太陽(yáng)輻射強(qiáng)度劇烈上升，導(dǎo)致表層水體迅速升溫，在白天光合作用強(qiáng)烈的表層水體CO2分壓降低時(shí)，開(kāi)始大量吸收大氣間的CO2，形成CO2吸收狀態(tài).

除光合作用外，CO2、CH4通量與由水溫分層和風(fēng)速擾動(dòng)導(dǎo)致的水體穩(wěn)定性也有很大關(guān)系，對(duì)比水體垂向穩(wěn)定系數(shù)N2變化(圖7)與通量過(guò)程(圖3)可發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)水溫分層現(xiàn)象時(shí)，中底部水團(tuán)與表層水團(tuán)交換能力減弱，水位上升期間淹沒(méi)的有機(jī)質(zhì)分解的CO2無(wú)法完全通過(guò)水柱擴(kuò)散至表層水體，但是通過(guò)物理擾動(dòng)(如風(fēng))破壞水體穩(wěn)定形成的氣體釋放通量，在本次觀測(cè)中可能占有更重要的地位，特別是對(duì)CH4的釋放通量變化，風(fēng)速的影響更直接. 夜晚水體充分交換，在較大風(fēng)速的協(xié)同影響下，加速水體CH4氣體的排放，因此本次研究在此時(shí)段觀測(cè)到了高通量的CH4釋放(圖3)，這在以往的研究中還未見(jiàn)報(bào)道，應(yīng)充分重視風(fēng)速和水體穩(wěn)定度對(duì)水-氣界面溫室氣體通量估算的影響.

與王亮等[8]于8月和黃文敏等[10]于10月對(duì)香溪河的觀測(cè)比較發(fā)現(xiàn)，本次觀測(cè)結(jié)果中CO2通量日變化規(guī)律和王亮等的結(jié)果相近，CH4通量日變化規(guī)律與其結(jié)果相反；而CH4通量日變化規(guī)律和黃文敏等的觀測(cè)有一致的部分，可能說(shuō)明了CO2、CH4通量的日變化具有高度時(shí)空異質(zhì)性，有必要開(kāi)展進(jìn)一步觀測(cè).

4.2 Chl.a濃度與CO2和CH4通量的關(guān)系

浮游植物的生物過(guò)程是影響水體CO2和CH4產(chǎn)生與釋放的重要因素，經(jīng)分析鑒定，觀測(cè)期間藻類共包含6門24屬(藍(lán)藻門、綠藻門、硅藻門、裸藻門、隱藻門、黃藻門)，密度達(dá)到1.19×107cells/L，其中綠藻門素衣藻屬為優(yōu)勢(shì)藻種，密度達(dá)到5.73×106cells/L，草堂河水域處于較高生產(chǎn)力水平. Chl.a作為富營(yíng)養(yǎng)化和水華指示指標(biāo)，代表浮游植物生物量和生產(chǎn)力水平，是水質(zhì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中的重要指標(biāo)之一.

觀測(cè)期間，表層Chl.a濃度晝夜間變化明顯(圖4)，白天Chl.a平均濃度為13.45 μg/L，夜間平均濃度為7.56 μg/L. Chl.a濃度與CO2交換通量呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.935(表1). 浮游植物進(jìn)行光合作用，將無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳，使得表層水體CO2分壓降低，同時(shí)浮游生物進(jìn)行呼吸作用，消耗DO，釋放CO2. 白天從11：00到19：00，此時(shí)觀測(cè)區(qū)域光合作用大于呼吸作用，大氣成為水體CO2的重要來(lái)源，水體吸收現(xiàn)象明顯. 而夜晚Chl.a濃度較低，呼吸作用占優(yōu)勢(shì)[22].

表層Chl.a濃度與CH4交換通量呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.844(表1). 浮游植物由于光合作用產(chǎn)生大量O2使得水體中溶解氧充足，可能將沉積物中厭氧條件下產(chǎn)生的CH4部分氧化，造成白天CH4排放量較??；夜間呼吸作用較強(qiáng)，CH4釋放通量出現(xiàn)了高于白天的現(xiàn)象. 但是，如前述夜間CH4釋放通量增加，更可能與風(fēng)速及相關(guān)水體穩(wěn)定度有關(guān).

4.3 DO濃度與CO2和CH4通量的關(guān)系

此次監(jiān)測(cè)中，表層水體DO濃度與CO2、CH4通量均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，與CO2通量的相關(guān)系數(shù)為-0.944，與CH4通量的相關(guān)系數(shù)為-0.816(表1). 監(jiān)測(cè)期間DO濃度晝夜間變化明顯. 12：00-19：00的平均DO濃度明顯高于其余時(shí)間段的平均值(圖4). 受光合作用影響顯著，白天由于浮游植物光合作用大于呼吸作用，表層水體DO充足. 對(duì)CO2而言，表層水體CO2被大量消耗，出現(xiàn)了吸收狀態(tài)，而對(duì)于CH4，大部分在擴(kuò)散上升期間被水體充足的DO氧化成CO2，使得白天CH4排放微弱. 夜晚呼吸作用明顯大于光合作用，表層水體DO濃度明顯降低，CH4與CO2的排放明顯.

4.4 風(fēng)速與CO2和CH4通量的關(guān)系

水體溶解性氣體在自由擴(kuò)散過(guò)程中受水深、流速及風(fēng)速的影響，風(fēng)速可能是影響水-氣界面氣體通量的關(guān)鍵因素之一，尤其是通量的日變化過(guò)程中風(fēng)速對(duì)氣體通量過(guò)程的影響甚大. 風(fēng)速的升高使得水體表面張力變大，加速了整個(gè)水-氣界面氣體的傳輸速率，風(fēng)速不僅可以通過(guò)影響水-氣界面交換系數(shù)影響溶解性氣體的擴(kuò)散，還可以通過(guò)擾動(dòng)水體加速氣泡的釋放.

本次連續(xù)監(jiān)測(cè)期結(jié)果表明，風(fēng)速與CO2、CH4通量均呈顯著正相關(guān)，與CO2的相關(guān)性達(dá)到的0.843，與CH4的相關(guān)性達(dá)到0.757(表1). 在風(fēng)速大于3 m/s的情況下，CO2氣體通量明顯大于平靜水面的情況[25]. 而集中在凌晨1:00-4:00，通量箱置于監(jiān)測(cè)水面期間，平均風(fēng)速均大于3 m/s，較大的風(fēng)速加速了水體溶解性氣體的擴(kuò)散，使得夜間水-氣界面CO2、CH4排放通量驟增.

5 結(jié)論

在三峽工程汛末蓄水過(guò)程中開(kāi)展草堂河水-氣界面CO2和CH4通量的連續(xù)觀測(cè). 結(jié)果表明，CO2和CH4的通量晝夜交替變化顯著，CO2通量變幅為-81.642～180.991 mg/(m2·h)，CH4通量變幅為0.007～0.249 mg/(m2·h). 水溫、風(fēng)速、Chl.a濃度是影響水-氣界面CO2和CH4通量的主要因素，對(duì)CO2釋放通量變化而言，白天浮游植物光合作用可能形成強(qiáng)烈的CO2吸收，而與其他支流回水區(qū)不一樣的是在夜間由于受到較強(qiáng)的干流倒灌環(huán)流影響以及風(fēng)的協(xié)同作用，草堂河上、下層水體CO2擴(kuò)散作用加強(qiáng)，因此本次觀測(cè)CO2通量夜間顯著增加；CH4通量與水體及沉積物中CH4產(chǎn)生與氧化過(guò)程有關(guān)，水體混合程度是決定其釋放通量晝夜變化的關(guān)鍵因素，本次連續(xù)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在水體垂向穩(wěn)定系數(shù)N2最低的夜間，草堂河回水區(qū)水-氣界面CH4通量最大，與香溪河、澎溪河所觀測(cè)的現(xiàn)象不一致. 草堂河24 h連續(xù)CO2和CH4通量觀測(cè)結(jié)果表明，受到水動(dòng)力、風(fēng)速等特殊環(huán)境條件影響，CO2和CH4通量的晝夜變化可能表現(xiàn)出“異?！碧卣鳎紤]到三峽水庫(kù)廣大庫(kù)區(qū)環(huán)境條件的時(shí)空差異，有必要針對(duì)CO2和CH4通量的晝夜變化開(kāi)展進(jìn)一步系統(tǒng)觀測(cè)和深入研究.

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Diurnal variation and influencing factors of carbon dioxide and methane emissions at water-air interface of Caotang River, Three Gorges Reservoir in the initial impoundment period

WANG Guojun1, HU Mingming2,3**, WANG Yuchun2,3**, YUAN Hao4, JIANG Rong4, WANG Qiwen2,3, YE Zhenya1& LIANG Shuntian2

(1:CollegeofHydraulicandEnvironmentEngineering,ThreeGorgesUniversity，Yichang443002,P.R.China) (2:ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038,P.R.China) (3:StateKeyLaboratoryofWaterCycleModelingandControlling,Beijing100038,P.R.China) (4:BureauofHydrology,MinistryofWaterResources,Beijing100053,P.R.China)

With the LGR- floating chamber method, a 24-hour continuous monitoring was carried out in the initial impoundment period of Three Gorges Reservoir, in order to understand the greenhouse gases fluxes (carbon dioxide and methane) across the water-air interface of Caotang River which is the primary tributary of the reservoir. The results indicated that the fluxes of carbon dioxide and methane across the water-air interface appeared an obvious characteristic of diurnal variation. The fluxes of carbon dioxide ranged from -81.642 to 180.991 mg/(m2·h), and the average fluxes of carbon dioxide were 17.346 mg/(m2·h). As a result, the overall carbon dioxide showed “absorb by day and emit at night”. Methane was emitted all day with the average fluxes of methane 0.064 mg/(m2·h) showed “strong at day and weak at night”. The fluxes of carbon dioxide and methane had a positive correlation with wind speed while a negative correlation was observed with water temperature of surface layer, dissolve oxygen and chlorophyll-a. It could be explain the most important factors that influence emissions at water-air interface were phytoplankton photosynthesis and bacterial metabolism process in the surface water. The changes in greenhouse gases emissions at water-air interface were also relevant to special environment (density current and thermal stratification) due to the interaction between main current and tributaries. The hydrodynamic factors were the key factors that affect carbon cycle and the greenhouse gases fluxes across the water-air interface in backwaters of tributaries, which would be worth researching.

Three Gorges Reservoir; Caotang River; water-air interface; greenhouse gases flux; continuous monitoring; environmental factors

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51309252, 51679258)、國(guó)家水體污染控制與治理重大專項(xiàng)(2012ZX07104-001)、三峽水庫(kù)溫室氣體源匯監(jiān)測(cè)與分析研究和三峽工程生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重點(diǎn)站項(xiàng)目聯(lián)合資助. 2016-01-10收稿; 2016-06-13收修改稿. 汪國(guó)駿(1990～)，男，碩士研究生；E-mail: hmmkeke@163.com.

；E-mail: humingming@iwhr.com；wangyc@iwhr.com.