太湖竺山灣甲烷擴散通量及其驅(qū)動機制

劉臻婧,肖啟濤,胡正華,張 彌,王 偉,肖 薇

太湖竺山灣甲烷擴散通量及其驅(qū)動機制

劉臻婧1,2,肖啟濤2*,胡正華1**,張 彌3,王 偉3,肖 薇3

(1.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院,江蘇 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)重點實驗室,江蘇 南京 210008；3.南京信息工程大學(xué)大氣環(huán)境中心,江蘇 南京 210044)

選取竺山灣為研究區(qū)域,同時選取受人為活動影響較小的湖心區(qū)作為對比區(qū)域,基于2011年11月至2013年8月逐月連續(xù)觀測,探討外源輸入及富營養(yǎng)化對CH4擴散通量的影響及其驅(qū)動機制.結(jié)果表明,竺山灣水-氣界面CH4擴散通量顯著(<0.01)高于湖心區(qū)CH4擴散通量,其平均通量分別為(0.193±0.049)mmol/(m2·d)和(0.024±0.005)mmol/(m2·d).同時,竺山灣湖區(qū)不同點位間CH4擴散通量也表現(xiàn)出明顯差異,位于河流入湖口附近點位的CH4擴散通量顯著(<0.01)偏高.逐月觀測表明湖心區(qū)CH4擴散通量具有明顯的時間變化特征,且與水溫表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系(R=0.53,<0.01),但竺山灣無此結(jié)果.另外,入湖河流CH4溶存濃度與竺山灣CH4溶存濃度及其擴散通量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(濃度:R=0.75,<0.05;通量:R=0.64,<0.05).考慮到入湖河流具有較高的CH4溶存濃度和污染負(fù)荷,河流外源輸入可能弱化了竺山灣CH4通量對溫度的依賴性,并導(dǎo)致富營養(yǎng)化的竺山灣是大氣CH4的“熱點”排放源.

富營養(yǎng)化湖區(qū)；CH4擴散通量；時間變化；空間變化；外源輸入

甲烷(CH4)是重要的大氣溫室氣體, CH4濃度持續(xù)增加對預(yù)測未來氣候變化情形帶來了不確定性[1].在眾多大氣CH4排放源中,湖泊等自然源的作用不可忽視,湖泊等內(nèi)陸水體CH4的排放量可抵消掉陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的25%,顯著影響全球溫室氣體的收支估算[2].最新一項研究表明全球CH4排放量有接近一半來自于湖泊等內(nèi)陸水體[3].此外,水體CH4排放對氣候變化特別敏感,全球氣溫升高可顯著促進(jìn)湖泊等內(nèi)陸水體CH4的排放[4].目前研究發(fā)現(xiàn)近些年大氣CH4濃度的增長速率具有明顯加強的趨勢,但導(dǎo)致CH4濃度再次增加的原因還不甚清晰[1].考慮到湖泊等水體CH4排放對氣候變化的響應(yīng),CH4排放強度及其變化趨勢對全球大氣CH4濃度的快速升高可能具有重要貢獻(xiàn)[5-6].因此,加強湖泊水體CH4擴散通量研究對全球碳收支估算及氣候變化預(yù)測具有重要的科學(xué)價值.

目前,國內(nèi)外學(xué)者對湖泊等淡水生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)進(jìn)行了相關(guān)研究[7-9,18].但是,由于影響CH4產(chǎn)生和排放的因素較多,準(zhǔn)確評估內(nèi)陸湖泊CH4排放仍存在一定的挑戰(zhàn)[10-11].外源污染物富集導(dǎo)致的水體富營養(yǎng)化是當(dāng)前湖泊生態(tài)系統(tǒng)面臨的主要問題[12-13],相關(guān)研究表明富營養(yǎng)化湖泊較高的初級生產(chǎn)力為CH4的產(chǎn)生提供基質(zhì),可顯著提高CH4排放量[12,14-15].同時,相關(guān)研究也表明外源輸入也可提高湖泊CH4排放量[16-17].例如Natchimuthu等[19]對瑞典湖泊CH4通量的時空變異研究中發(fā)現(xiàn)溪流匯入的湖區(qū)CH4通量比全湖平均水平高1.3倍;Murase等[20]分析了日本Biwa湖泊CH4來源時發(fā)現(xiàn)河流輸入是湖泊CH4的主要來源.

太湖是我國第三大淡水湖泊,同時也是典型的富營養(yǎng)化湖泊,其中位于太湖西北角的竺山灣,因與太湖主要的入湖河流(殷村港、太滆運河)連通,受外源污染物輸入影響顯著,也是太湖較為嚴(yán)重的富營養(yǎng)化湖區(qū).本研究通過對竺山灣進(jìn)行長期連續(xù)(2011年11月至2013年8月)的逐月CH4通量觀測,同時選取受人為活動影響較低的湖心區(qū)域作為對比區(qū)域,探討外源輸入及富營養(yǎng)化對湖泊CH4擴散通量的影響,為深入了解富營養(yǎng)化湖區(qū)CH4排放動態(tài)提供重要的數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

太湖水體面積約為2400km2,位于長江三角洲區(qū)域,地處亞熱帶濕潤季風(fēng)區(qū),平均水深為1.9m,年平均氣溫16.2℃,年均降水量1120mm[21].根據(jù)富營養(yǎng)化程度和污染類型等可將太湖分為不同的湖區(qū)[14],其中竺山灣通過入湖河流接收大量外源污染物,是嚴(yán)重富營養(yǎng)化區(qū)域,而湖心區(qū)位于太湖中部,受人類活動影響較小.本研究選取竺山灣和湖心區(qū)作為研究區(qū)域,在2個湖區(qū)分別設(shè)置2個采樣點(圖1).竺山灣湖區(qū)的采樣點為站點1和站點2,湖心區(qū)的采樣點為站點3和站點4.在2011年11月至2013年8月對2個區(qū)域的4個觀測點進(jìn)行水樣采集,采樣頻次為每月1次,采樣時間固定為每月中旬.另外,在2012年11月至2013年5月每次野外調(diào)查時,在太湖主要入湖河流-殷村港采集水樣,用于水體CH4溶存濃度分析.殷村港是太湖西岸的主要入湖河流之一,平均年徑流量達(dá)11億m3,據(jù)估算,殷村港所攜帶的污染物占太湖入湖負(fù)荷的20.1%[22].

圖1 太湖分區(qū)、研究區(qū)域、河流采樣點示意

1.2 CH4水樣采集

在各樣點位置采樣時保證水面無擾動,用待測湖水將玻璃瓶清洗2～3次后,采取水表以下20cm處的水樣裝入300mL的玻璃瓶中,立即用丁基膠塞密封.為了防止氣體溢出,將瓶塞和玻璃瓶的接口用封口膜密封.采集的水樣放置于保溫箱中保存(保存溫度為4℃),再將樣品送入實驗室進(jìn)行分析和處理.

水樣運回實驗室后每個樣品均用100mL高純氮氣(摩爾分?jǐn)?shù)399.999%)頂空,頂空完成后將水樣劇烈振蕩5min,待CH4氣體在玻璃瓶中的氣相(頂空的部分)和液相(剩余的液體)達(dá)到動態(tài)平衡,使用帶有三通閥的注射器從瓶中抽取CH4氣體,再通過氣相色譜儀測量其濃度.水體CH4的原始溶解濃度(w,nmol/L)通過頂空平衡法計算得到[23].

式中:w為水體CH4溶存濃度,由頂空平衡法計算得到,eq為特定溫度下水體表面CH4氣體與大氣中CH4氣體達(dá)到平衡時的濃度,nmol/L;是水-氣界面CH4氣體的交換系數(shù).考慮到在大型湖泊中,值主要受風(fēng)力驅(qū)動[24],因此本研究基于觀測的風(fēng)速計算水-氣界面CH4氣體交換速率,計算公式為[25]:

式中:為表層水體的溫度,℃.本研究中水-氣界面CH4交換通量(m)為正值時表示水體為大氣CH4的排放源.

1.3 輔助環(huán)境變量

在野外調(diào)查中,通過多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀原位測量水溫(w)、pH值、溶解氧(DO)濃度和電導(dǎo)率(pc)等.另外,采集水樣分析水體營養(yǎng)鹽濃度(銨態(tài)氮、硝酸鹽氮、總氮和總磷)、溶解有機碳濃度(DOC)和葉綠素a(Chl-a)濃度等.其中,水體銨態(tài)氮(NH4+-N)濃度采用納氏試劑光度法;硝酸鹽氮(NO3--N)濃度的測定通過流動分析儀分析得到;總氮(TN)濃度采用過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定;總磷(TP)濃度采用過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法測定;溶解性有機碳(DOC)通過Whatman GF/F濾膜過濾后用總有機碳分析儀測定DOC濃度;Chl-a濃度用90%熱乙醇萃取分光光度法測定.本研究中的水化學(xué)數(shù)據(jù)由國家生態(tài)觀測網(wǎng)絡(luò)太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站提供.每月降水量和出入湖水量數(shù)據(jù)由水利部太湖流域管理局水文局水情月報提供.另外,通過太湖中尺度通量網(wǎng)的觀測站點[23]獲取風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù).

1.4 數(shù)據(jù)分析

本研究對觀測和計算出的實驗數(shù)據(jù)分站點,分湖區(qū)(竺山灣和湖心區(qū)),分季節(jié)(3～5月為春季,6～8月為夏季,9～11月為秋季,12～次年2月為冬季)進(jìn)行分析.在CH4通量的時間變化特征及其控制因子分析中,分別將竺山灣和湖心區(qū)2個站點的觀測數(shù)據(jù)求平均,然后明晰其變化趨勢.數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析使用SPSS 22.0中的相關(guān)分析(Pearson correlations)方法分析數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù).采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)方法分析數(shù)據(jù)之間的差異性,使用最小顯著性差異法(LSD)方法檢驗差異性是否顯著,<0.05為顯著性水平,<0.01為極顯著性水平.采用逐步多元回歸方法分析影響CH4擴散通量時空變化的主要控制因子.數(shù)據(jù)的繪圖采用Origin 2021.

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境變量特征

竺山灣風(fēng)速(圖2a)具有顯著的季節(jié)變化特征,春、夏、秋、冬4個季節(jié)風(fēng)速的平均值為4.8, 4.9, 4.1, 3.6m/s.夏季風(fēng)速顯著(<0.01)高于秋季和冬季.竺山灣降水量(圖2b)同樣顯示出明顯的時間變化,季節(jié)尺度上具有顯著性差異,4個季節(jié)的平均降水量分別為78.3, 148.1, 54.0, 57.7mm,夏季降水量顯著(< 0.05)偏高.由太湖水情月報可知(圖2b),在2011年11月至2013年8月,竺山灣等湖西區(qū)總?cè)牒繛?16.5億m3,總出湖水量為1.1億m3.凈入湖水量最大值出現(xiàn)在2012年8月(9.1億m3),最小值出現(xiàn)在2012年1月(3.0億m3).夏季凈入湖水量顯著(<0.05)高于春季和冬季的凈入湖水量.降雨量驅(qū)動凈入湖水量變化(2=0.61,<0.01).

已有研究發(fā)現(xiàn),太湖各區(qū)域水溫在空間尺度上無顯著性差異,但在時間尺度上具有顯著性差異[14,23].本研究實驗結(jié)果同以往研究結(jié)果一致(圖2c),在湖心區(qū),年均水溫為17.1℃,在竺山灣,年均水溫為17.7℃.竺山灣和湖心區(qū)的最高水溫分別為28.6和28.5℃,均出現(xiàn)在夏季,最低水溫分別為7.0和6.6℃,均出現(xiàn)在冬季,具有顯著的季節(jié)變化特征.

從表1中可知,竺山灣1號點的DO、水深顯著(<0.01)低于其他3個站點,而NH4+-N濃度顯著(<0.01)高于2、3、4號點.竺山灣2號點的Chl-a濃度顯著(<0.05)高于其他3個站點.湖心區(qū)3號點與4號點之間的指標(biāo)差異不顯著(>0.05).將同一湖區(qū)的2個觀測點的指標(biāo)取平均值可發(fā)現(xiàn),竺山灣的DO、水深顯著(<0.01)低于湖心區(qū),而NH4+-N、TN、TP、DOC(<0.01),NO3--N顯著(<0.05)高于湖心區(qū).

表1 觀測期間(2011年11月到2013年8月)不同站點的基本生化特征

注:表格中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差.

2.2 CH4擴散通量的空間變化

從圖3中可看出,4個站點CH4擴散通量的均值分別為(0.281±0.076), (0.105±0.040), (0.022±0.004), (0.022±0.006)mmol/(m2·d),竺山灣1號站點的CH4擴散通量顯著(<0.01)高于其他3個站點.將同一湖區(qū)的2個站點的CH4擴散通量比較發(fā)現(xiàn),竺山灣的2個站點之間CH4擴散通量具有極顯著性(<0.01)差異,而湖心區(qū)的2個站點之間CH4擴散通量無顯著性(>0.05)差異.在區(qū)域水平上,竺山灣的CH4擴散通量的平均值為(0.193±0.049)mmol/(m2·d),湖心區(qū)CH4擴散通量的平均值為(0.024±0.005)mmol/ (m2·d),2個湖區(qū)的CH4擴散通量具有顯著性差異(<0.01).

圖3 不同站點CH4擴散通量的空間變化

誤差線為標(biāo)準(zhǔn)誤差

2.3 CH4擴散通量的時間變化

如圖4所示,在竺山灣,CH4擴散通量的最高值為0.921mmol/(m2·d),出現(xiàn)在2013年1月,最低值為0.022mmol/(m2·d),出現(xiàn)在2013年3月.春、夏、秋、冬4個季節(jié)CH4擴散通量的平均值分別為0.127, 0.251, 0.181, 0.215mmol/(m2·d),表現(xiàn)為夏季>冬季>秋季>春季.在湖心區(qū),CH4擴散通量的最高值為0.088mmol/(m2·d),出現(xiàn)在夏季(2013年8月),最低值為0.001mmol/(m2·d),出現(xiàn)在冬季(2012年1月).春、夏、秋、冬4個季節(jié)CH4擴散通量的平均值分別為0.011, 0.049, 0.035, 0.006mmol/(m2·d),夏季CH4擴散通量顯著(<0.01)高于春季和冬季的CH4擴散通量.

圖4 觀測期間2個湖區(qū)CH4擴散通量的逐月變化特征

圖中數(shù)據(jù)為竺山灣2個觀測點及湖心區(qū)2個觀測點CH4擴散通量的月平均值

2.4 CH4擴散通量的影響因子

將2個區(qū)域不同站點的CH4擴散通量求算術(shù)平均值后,與環(huán)境變量進(jìn)行擬合,分析CH4擴散通量與環(huán)境變量的時間相關(guān)性.結(jié)果表明水溫與湖心區(qū)CH4擴散通量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(2=0.53,<0.01;圖5a),水溫控制53%CH4擴散通量的時間變化,是影響CH4擴散通量的重要環(huán)境因子.但在竺山灣區(qū)域,水溫與CH4擴散通量相關(guān)性不顯著(=0.14;圖5b),水溫可能不是直接影響CH4擴散通量變化的主要驅(qū)動因子.

從表2中可知,竺山灣1號點的CH4擴散通量與水體理化指標(biāo)均無顯著相關(guān)性.但竺山灣2號點的CH4擴散通量變化主要與DOC濃度有關(guān).在湖心區(qū)域,3號點的CH4擴散通量與NO3--N和TN濃度呈顯著負(fù)相關(guān).而4號點的CH4擴散通量與Chl-a濃度呈極顯著正相關(guān),與NO3--N濃度呈極顯著負(fù)相關(guān),其次是TN和DO濃度.將同一湖區(qū)的2個觀測點的CH4擴散通量取平均值,與水體理化指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析可發(fā)現(xiàn),在竺山灣,CH4擴散通量與水體理化參數(shù)的相關(guān)性不顯著.在湖心區(qū),CH4擴散通量主要與NO3--N和TN濃度呈極顯著負(fù)相關(guān),其次是DO濃度,與Chl-a濃度呈顯著正相關(guān).同時,將兩個區(qū)域的CH4擴散通量與水體理化指標(biāo)進(jìn)行逐步多元回歸發(fā)現(xiàn),水溫、溶解氧(DO)共同控制湖心區(qū)63%CH4擴散通量的時間變化(R=0.63,<0.01).但竺山灣無主要控制因子.

殷村港是太湖西部區(qū)重要的入湖河道.基于2012年11月至2013年5月殷村港入湖河流CH4濃度季度數(shù)據(jù)表明,殷村港CH4濃度驅(qū)動竺山灣CH4濃度的時間變化,呈顯著正相關(guān)(2=0.75,<0.05;圖6a).殷村港CH4濃度與竺山灣CH4通量同樣具有顯著正相關(guān)關(guān)系(2=0.64,<0.05;圖6b).觀測結(jié)果表明河流CH4外源輸入是影響竺山灣CH4排放的重要因子.

圖5 2個湖區(qū)CH4擴散通量與水溫的時間相關(guān)性

方框中的數(shù)值為2013年1月的數(shù)據(jù)，為極高值，不進(jìn)行擬合

表2 2個區(qū)域CH4擴散通量與水體理化指標(biāo)的時間相關(guān)性

注:**表示相關(guān)性在0.01水平上顯著;*表示相關(guān)性在0.05水平上顯著.

圖6 殷村港入湖河流CH4濃度與竺山灣CH4濃度及通量的時間相關(guān)性

3 討論

3.1 不同區(qū)域CH4通量的對比分析

湖泊等水體CH4產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移、排放是一個復(fù)雜的生物地球化學(xué)過程.受流域特征和人類活動干擾等影響,湖泊CH4排放存在空間異質(zhì)性[27-28].本研究表明湖心區(qū)和竺山灣4個站點的水-氣界面CH4擴散通量均為正值,說明其為大氣CH4的排放源.但是4個站點CH4擴散通量的差異性顯著,具有空間變化(圖3).竺山灣的CH4平均排放量是湖心區(qū)CH4平均排放量的8倍,其中,位于竺山灣1號點的CH4排放量是湖心區(qū)CH4排放量的14倍(圖3).造成這種差異的原因可能是由于竺山灣湖區(qū)處于富營養(yǎng)化狀態(tài),而湖心區(qū)處于中營養(yǎng)化[15].富營養(yǎng)化湖泊的一大特征是水體中碳、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)富集,導(dǎo)致水體初級生產(chǎn)力增加,藍(lán)藻頻繁暴發(fā)[13,24].藍(lán)藻暴發(fā)一方面為CH4產(chǎn)生提供豐富的有機質(zhì),提高CH4產(chǎn)生量;另一方面藍(lán)藻腐爛分解可消耗水中溶解氧(DO),使湖泊達(dá)到缺氧或厭氧的條件,抑制水體CH4氧化,促進(jìn)湖泊CH4的排放[30].相關(guān)研究表明,富營養(yǎng)化湖泊的CH4排放速率和CH4排放通量高于貧營養(yǎng)化湖泊[12,14,17],進(jìn)一步說明了富營養(yǎng)化對湖泊CH4排放的空間異質(zhì)性具有重要影響.

竺山灣同一湖區(qū)的2個站點進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn),1號點的CH4擴散通量顯著高于2號點.由于1號點位于竺山灣河流入湖口附近,受殷村港等入湖河道外源輸入影響(圖1),污染負(fù)荷顯著偏高(表1),進(jìn)而促進(jìn)CH4產(chǎn)生和排放[19].同時,1號點的水深較淺(表1),CH4在水體中氧化傳輸距離大大減少,有利于水-氣界面CH4的排放[31].在湖心區(qū),人為活動干擾影響較小,3號點和4號點的CH4擴散通量差異性不顯著.與以往研究結(jié)果一致,湖泊內(nèi)CH4擴散通量的空間變異與水深及離入湖口的距離相關(guān)[19].

3.2 CH4擴散通量時間變化的影響因子

水溫是重要的水體物理參數(shù),可通過影響微生物活性間接影響水體CH4的產(chǎn)生和排放.水溫升高會刺激微生物活性,增加水體CH4產(chǎn)生速率,從而促進(jìn)水體向大氣釋放CH4[4,27,32].受季風(fēng)氣候影響,太湖水溫具有顯著的季節(jié)變化特征(圖2c).但是在不同湖區(qū),水溫對CH4擴散通量的影響程度不同,在湖心區(qū),水溫控制53%CH4擴散通量的時間變化,但在竺山灣,統(tǒng)計分析表明水溫與CH4擴散通量無顯著相關(guān)性(>0.05,圖5).因而,水溫可能不是CH4擴散通量時間變化的唯一影響因子,應(yīng)更加綜合地考慮多種因子對水體CH4排放的影響.竺山灣位于太湖西北角,入湖河流眾多,大量外源負(fù)荷的輸入可能“復(fù)合”溫度對竺山灣CH4擴散通量的直接影響[14,19].相關(guān)研究也表明大量外源營養(yǎng)物質(zhì)的輸入對淺水湖泊溫室氣體通量的影響要高于溫度對通量的影響[33].另外,總體來看竺山灣CH4通量隨著溫度升高也隨之升高(圖5),CH4擴散通量的季節(jié)均值在夏季處于較高水平(圖4),表明溫度可能間接影響CH4排放.同時,分析數(shù)據(jù)表明竺山灣2號點位的CH4通量與DOC呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系(表2),DOC為CH4產(chǎn)生提供底物,溫度升高可加快DOC降解,提高CH4的產(chǎn)生和排放.因此,溫度對富營養(yǎng)化湖區(qū)CH4通量的具體調(diào)控機制需要進(jìn)一步明晰.

本研究發(fā)現(xiàn),湖心區(qū)CH4擴散通量具有明顯的季節(jié)變化特征,具體表現(xiàn)為暖季排放量高,冷季排放量低,但竺山灣CH4擴散通量的季節(jié)變化不明顯,其中最低值和最高值分別出現(xiàn)在2013年3月和2013年1月(圖4).在2013年3月,竺山灣CH4擴散通量出現(xiàn)最低值的原因可能是由于溫度(11.45℃)較低而不利于CH4產(chǎn)生,且較高的DO濃度(9.05mg/L)有利于CH4的氧化消耗,而2013年1月出現(xiàn)極高值可能是由于外源輸送提高了湖體CH4的溶存濃度.同步觀測數(shù)據(jù)表明,在2013年1月竺山灣CH4溶存濃度出現(xiàn)峰值時,入湖河流CH4溶存濃度也出現(xiàn)了峰值(圖6).另外,相關(guān)研究表明富營養(yǎng)化湖泊的高初級生產(chǎn)力促進(jìn)水體CH4的排放[12,14-15].本研究中湖心區(qū)的4號點及區(qū)域均值的CH4擴散通量與表征初級生產(chǎn)力的Chl-a具有顯著的正相關(guān)性,但對于嚴(yán)重富營養(yǎng)化的竺山灣湖區(qū)CH4通量與Chl-a無顯著相關(guān)性(表2).同時,相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)DO是湖泊CH4排放的重要影響因子[27],本研究發(fā)現(xiàn)水溫和DO共同控制湖心區(qū)63%CH4擴散通量的時間變化(2=0.63,<0.01),但竺山灣無此結(jié)果.考慮到竺山灣受人為活動影響強烈,但湖心區(qū)域受人為干擾相對較小,因此人類活動可能改變了湖體CH4的排放動態(tài),因此需要考慮多因子的綜合調(diào)控效應(yīng).

3.3 外源輸入對竺山灣CH4排放的影響

國內(nèi)外相關(guān)研究[10,18,35-37]表明外源輸入能顯著改變內(nèi)陸水體CH4等溫室氣體的產(chǎn)生和排放,為準(zhǔn)確評估內(nèi)源和外源對湖泊等內(nèi)陸水體溫室氣體排放的相對貢獻(xiàn)率,應(yīng)重點開展外源輸入影響下湖泊等水體溫室氣體排放的特征研究.本研究中殷村港入湖河流CH4濃度與竺山灣CH4濃度及通量具有顯著正相關(guān)關(guān)系(圖6).相關(guān)研究表明世界上大部分河流水體CH4處于過飽和狀態(tài)[34,36],且本研究也表明入湖河流CH4溶存濃度顯著(<0.05)顯著高于湖體CH4溶存濃度(圖6a).因此,入湖河流的匯入可將大量富含CH4的水體帶入湖泊,直接提高CH4的排放量.其次,外源輸入可將營養(yǎng)鹽等負(fù)荷帶入水體,刺激產(chǎn)生CH4的生物化學(xué)過程,提高湖體CH4的內(nèi)源產(chǎn)生和排放[19-20].

外源輸入可能影響CH4排放的時間變化.諸多研究表明CH4排放的時間變化受水溫調(diào)節(jié)[4,14,27,36].本研究中湖心區(qū)水溫與CH4擴散通量呈極顯著正相關(guān)(2=0.53,<0.01),且水溫和DO共同控制湖心區(qū)63%CH4擴散通量的時間變化(2=0.63,<0.01),但這種關(guān)系在竺山灣不顯著(>0.05,圖5).外源輸入可能會影響CH4排放對溫度的依賴性.因此,為深入理解湖泊等水體溫室氣體的排放特征,需更綜合地考慮外源輸入對湖泊等水體溫室氣體排放的影響.

外源輸入可能改變了CH4擴散通量的時間變化,在某一時刻達(dá)到CH4排放“熱點”.本研究發(fā)現(xiàn)盡管竺山灣CH4擴散通量的季節(jié)均值在夏季處于較高水平,但在2013年冬季調(diào)查中(1月),發(fā)現(xiàn)了竺山灣CH4的峰值排放,排放量高達(dá)0.921mmol/(m2·d)(圖4),這與大多數(shù)研究指出的湖泊生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)CH4擴散通量夏高冬低的模式不一致[28,32].同時,同步的河道采樣發(fā)現(xiàn)在竺山灣出現(xiàn)峰值CH4排放時,河道的CH4溶存濃度也相應(yīng)出現(xiàn)峰值(圖6),進(jìn)一步表明了河流外源輸入對湖泊CH4排放有顯著的促進(jìn)作用,河道CH4的外源輸入可能導(dǎo)致本研究中竺山灣CH4排放的峰值出現(xiàn)在冬季.考慮到大部分湖泊都與河流相連通,在全球淡水生態(tài)系統(tǒng)中這種機制可能普遍存在,需更加綜合地考慮外源輸入對湖泊CH4等溫室氣體排放的變異特征.同時,竺山灣極值CH4排放量出現(xiàn)表明連續(xù)采樣對提高湖泊CH4等排放量估算精度的重要性.綜上所述,外源輸入可能是竺山灣高CH4排放主要影響因素,這一機制可能適用于全球淡水湖泊.

4 結(jié)論

4.1 太湖竺山灣是大氣CH4的顯著排放源,其CH4擴散通量為(0.193±0.049)mmol/(m2·d),顯著高于湖心區(qū)CH4擴散通量(均值:(0.024±0.005)mmol/ (m2·d)).此外,竺山灣不同點位間CH4擴散通量也具有顯著差異.

4.2 湖心區(qū)CH4擴散通量表現(xiàn)出明顯的時間變化特征,且CH4通量變化主要受水溫調(diào)控,但竺山灣無此結(jié)果.

4.3 河流外源輸入促進(jìn)了富營養(yǎng)化竺山灣CH4的排放,導(dǎo)致竺山灣是大氣CH4的“熱點”排放區(qū)域.

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Methane diffusion flux and its driving factors in Zhushan Bay of Lake Taihu.

LIU Zhen-jing1,2, XIAO Qi-tao2*, HU Zheng-hua1**, ZHANG Mi3, WANG Wei3, XIAO Wei3

(1.School of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；2.Key Laboratory of Watershed Geographic Science, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；3.Yale-NUIST Center on Atmospheric Environment, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)., 2022,42(1)：393～401

To identify the influence of input of pollutants and eutrophication on the temporal and spatial variations of the CH4diffusion flux, monthly field measurements of CH4flux was conducted in Zhushan Bay from November 2011 to August 2013. For comparison, the CH4flux in the Central Zone of the lake with less impact from human activities was also determined. Results showed that the CH4diffusion flux in Zhushan Bay with a mean value of (0.193±0.049) mmol/(m2·d) was significantly (<0.01) higher than that ((0.024±0.005) mmol/(m2·d)) in the Central Zone. Meanwhile, the highest CH4flux occurred at the sampling site with river discharge in Zhushan Bay. Further, the CH4diffusion flux in the Central Zone showed apparent temporal variation, and the flux was positively correlated with water temperature (2=0.53,<0.01). However, the CH4flux showed a poor correlation with water temperature in Zhushan Bay (>0.05).In addition, both the dissolved CH4concentration and CH4flux in Zhushan Bay were positively correlated with the dissolved CH4concentration in the inflowing river (concentration:2=0.75,<0.05; flux:2=0.64,<0.05). The results indicated that the external input of pollutants might weaken the effect of temperature on CH4flux in Zhushan Bay, leading to the eutrophic Zhushan Bay being a significant source of atmospheric CH4.

eutrophic lake；methane diffusion flux；temporal variation；spatial variation；external input

X52

A

1000-6923(2022)01-0393-09

劉臻婧(1997-),女,湖南婁底人,南京信息工程大學(xué)碩士研究生,主要從事湖泊溫室氣體循環(huán)及其控制機制研究.發(fā)表論文2篇.

2021-05-26

國家自然科學(xué)基金資助項目(41801093);中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所引進(jìn)人才啟動項目(NIGLAS2019QD007)

*責(zé)任作者, 肖啟濤, 助理研究員, qtxiao@niglas.ac.cn; 胡正華, 教授,zhhu@nuist.edu.cn