不同營(yíng)養(yǎng)水平城市水體溫室氣體溶存特征及影響因素研究

鄧煥廣，張 菊，劉浩志，張懷珍，吳金甲

(1.聊城大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，山東 聊城 252059；2.聊城市農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域品牌基地土壤環(huán)境與污染防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 聊城 252059；3.聊城大學(xué) 運(yùn)河學(xué)研究院，山東 聊城 252059)

0 引言

CO2、CH4和N2O是導(dǎo)致全球變暖的主要溫室氣體，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率分別為60%、15%和5%[1]。水體作為溫室氣體的重要排放源，可通過(guò)硝化、反硝化作用以及呼吸和產(chǎn)甲烷作用產(chǎn)生大量的N2O、CO2和CH4，已引起了廣泛關(guān)注[2-5]。當(dāng)前水體N2O、CO2和CH4的研究多集中于濃度和通量的時(shí)空變化特征以及環(huán)境和生物等影響因素和調(diào)控機(jī)制方面[6-9]，但對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)水平下水體溫室氣體溶存濃度變化特征和影響因子差異性的關(guān)注較少。

由于所處位置的特殊性和人類(lèi)活動(dòng)的影響，城市水體常處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，且多屬于靜止或緩流水體，自?xún)裟芰^弱[10]，水體底泥較厚且有機(jī)質(zhì)豐富，易刺激微生物的新陳代謝，從而導(dǎo)致溫室氣體的大量產(chǎn)生和排放[2-4，11]。城市水體營(yíng)養(yǎng)水平的上升會(huì)刺激微生物活性，富營(yíng)養(yǎng)化越嚴(yán)重，水體中溫室氣體釋放通量就越高[12]，但不同營(yíng)養(yǎng)水平下水體溫室氣體產(chǎn)生和排放的影響因素和機(jī)制尚需進(jìn)一步探討。因此，為了探討城市水體富營(yíng)養(yǎng)化程度對(duì)溫室氣體產(chǎn)生和排放的影響，在聊城市城區(qū)選擇了富營(yíng)養(yǎng)化水平存在顯著差異的兩處水體——鈴鐺湖和徒駭河，按每月2次的頻率測(cè)定表層水中N2O、CO2和CH4的濃度、飽和度和排放通量，同時(shí)結(jié)合水質(zhì)指標(biāo)探討了不同富營(yíng)養(yǎng)水平的城市水體溫室氣體濃度的影響因素，研究結(jié)果以期為深入理解城市水體溫室氣體濃度與營(yíng)養(yǎng)水平間的相互關(guān)系，揭示影響富營(yíng)養(yǎng)化水體溫室氣體產(chǎn)生和排放的主要因子提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐和理論參考。

1 材料與方法

1.1 采樣區(qū)域概況

聊城市被譽(yù)為“江北水城”，市區(qū)內(nèi)有東昌湖、鈴鐺湖、徒駭河、小運(yùn)河等多個(gè)河湖水體，僅市區(qū)水域面積就多達(dá)13 km2。鈴鐺湖西接?xùn)|昌湖，東通京杭古運(yùn)河，東西向長(zhǎng)約1 km，水面約10 hm2，平均水深2 m，原為東昌湖東側(cè)的天然生態(tài)濕地，于2010年清淤后改造而成，因與東昌湖相連水質(zhì)相對(duì)較好，營(yíng)養(yǎng)水平較低。徒駭河屬海河流域，直入渤海，在聊城市區(qū)穿城而過(guò)，城區(qū)段長(zhǎng)17 km，2011年清淤后并于2014年在下游的北城區(qū)域建設(shè)橡膠壩，使城區(qū)段水位上升形成寬逾百米的人工湖段，但受上游來(lái)水的影響，水體富營(yíng)養(yǎng)化較為嚴(yán)重。

1.2 樣品采集與分析

于2015年4月～11月(冰封會(huì)影響氣體在水-氣界面擴(kuò)散，因此2015年12月～2016年3月(冰封期)沒(méi)有進(jìn)行樣品采集；另外，8月份處于雨季，兩水體受降雨徑流影響水體波動(dòng)較大，也未進(jìn)行采樣)，在鈴鐺湖湖心和徒駭河陳口路橋上游50 m河流中每月2次定點(diǎn)采集表層水和空氣樣品，每次采樣時(shí)間均為當(dāng)日下午15～16時(shí)。采樣前先將氣體采樣袋(大連海得)經(jīng)高純氮?dú)庀礈觳⒊檎婵眨徊杉F(xiàn)場(chǎng)空氣于氣體采樣袋中，并采用卡蓋式采水器采集水面下20 cm處表層水置于可密封的采樣管中，每次采集3個(gè)平行樣，每次采樣時(shí)均重新迅速采集湖/河水，以降低誤差；另取水樣置于聚乙烯塑料瓶中用于理化指標(biāo)的分析；同時(shí)使用HI 9145型溶解氧儀(意大利Hanna)和IQ150型pH計(jì)(美國(guó)Spectrum)測(cè)定水溫(WT)、溶解氧(DO)和pH。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 25.0完成，圖形采用Origin 2015繪制。水體水質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)水平及溫室氣體濃度、飽和度和通量在兩水體間的差異采用非參數(shù)檢驗(yàn)Mann-Whitney法在0.05的顯著性水平上進(jìn)行檢驗(yàn)，相關(guān)分析采用Pearson相關(guān)模型進(jìn)行分析。

2 結(jié)果

2.1 鈴鐺湖和徒駭河水質(zhì)參數(shù)和富營(yíng)養(yǎng)化水平

表1 鈴鐺湖和徒駭河水質(zhì)參數(shù)和營(yíng)養(yǎng)化水平

圖1 鈴鐺湖和徒駭河水體營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)綜合指數(shù)

如表1和圖1所示，徒駭河EI顯著高于鈴鐺湖(P<0.05)，其變化范圍分別為50.7～63.2和28.8～40.7，分別表現(xiàn)為富～重富營(yíng)養(yǎng)級(jí)和中～富營(yíng)養(yǎng)級(jí)，其中徒駭河除在4月和6月為重富營(yíng)養(yǎng)級(jí)外均為富營(yíng)養(yǎng)級(jí)，而鈴鐺湖除在5月和6月為富營(yíng)養(yǎng)級(jí)外均為中營(yíng)養(yǎng)級(jí)。

2.2 鈴鐺湖和徒駭河溫室氣體濃度、飽和度和排放通量

如表2所示，鈴鐺湖和徒駭河表層水中溫室氣體濃度和排放通量均表現(xiàn)為CO2> CH4> N2O，而三種溫室氣體均處于高度過(guò)飽和狀態(tài)，CH4的飽和度遠(yuǎn)高于N2O和CO2(P<0.01)，鈴鐺湖CH4平均飽和度分別是N2O和CO2的29.7倍和21.5倍，而徒駭河則為41.0倍和192.7倍。徒駭河N2O和CH4的平均濃度、飽和度和排放通量均顯著高于鈴鐺湖(P<0.05)，而CO2則無(wú)顯著差異；兩水體溫室氣體排放通量均為正值，說(shuō)明其均表現(xiàn)為大氣溫室氣體的“源”，與其他河流水體溫室氣體的研究結(jié)果一致[3，4]。

表2 鈴鐺湖和徒駭河水體溫室氣體溶存濃度、飽和度和排放通量的參數(shù)統(tǒng)計(jì)

溫室氣體在水體中飽和度和水-氣界面通量是基于實(shí)測(cè)水中溫室氣體濃度和大氣濃度差值計(jì)算出的，且兩采樣點(diǎn)距離較近(<2.2 km)，環(huán)境條件較為接近，使飽和度和排放通量主要受控于水中溫室氣體濃度，從而導(dǎo)致各溫室氣體濃度、飽和度和排放通量具有較為一致的時(shí)間變化規(guī)律(圖2)，因此后面的分析和討論將主要基于各溫室氣體濃度展開(kāi)。

如圖2，徒駭河N2O和CH4的含量、飽和度和排放通量多顯著高于鈴鐺湖(P<0.05)，CO2前期兩水體相當(dāng)，后期徒駭河要高于鈴鐺湖，但整體不具有顯著差異(P>0.05)。徒駭河表層水N2O濃度自4月至6月總體呈緩慢上升趨勢(shì)，增幅約26.3%，然后顯著降低，降幅為49.9%，隨后又逐漸上升，至11月底其濃度增加至5月至6月水平；而鈴鐺湖水體N2O濃度隨時(shí)間呈波動(dòng)變化趨勢(shì)，至6月底達(dá)到極大值后逐漸降低，9月至11月平均濃度僅為6月前水體平均濃度的48.6%。徒駭河CH4濃度隨時(shí)間出現(xiàn)三次明顯的上升-下降的反復(fù)波動(dòng)變化，其峰值出現(xiàn)在5月11日(1.52 μmol·L-1)、7月9日(2.42 μmol·L-1)和11月7日(12.0 μmol·L-1)，至11月底，其濃度與采樣初期(4月～5月)相當(dāng)；鈴鐺湖CH4濃度顯著低于徒駭河，但亦表現(xiàn)為上升-下降的波動(dòng)變化，且在11月23日最后一次采樣前總體呈上升趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在6月5日(0.29 μmol·L-1)和7月9日(0.38 μmol·L-1)，與徒駭河不同，鈴鐺湖11月底濃度顯著降低了約68.1%，僅為采樣初期4月底濃度的63.1%。鈴鐺湖和徒駭河表層水中CO2濃度表現(xiàn)為自4月至6月略有所緩慢降低，降低幅度分別為15.3%和37.5%，然后呈波動(dòng)上升的變化趨勢(shì)，增幅分別為57.6%和266.1%。

注：濃度：CO2和CH4為μmol·L-1，N2O為nmol·L-1；飽和度：%；排放通量：N2O為mg N·m-2·h-1，CO2和CH4為mg C·m-2·h-1。圖2 鈴鐺湖和徒駭河水體溫室氣體濃度、飽和度和排放通量

3 討論

3.1 不同營(yíng)養(yǎng)水平水體溫室氣體溶存和排放的差異分析

研究表明[12]，水體富營(yíng)養(yǎng)化越嚴(yán)重，溫室氣體濃度和排放通量就越高。在本研究監(jiān)測(cè)的兩個(gè)不同營(yíng)養(yǎng)水平的城市水體中，N2O和CH4的濃度和排放通量均存在顯著差異(P<0.05)，但CO2的差異則不顯著(P>0.05)。而由表3亦發(fā)現(xiàn)兩水體EI與N2O含量、飽和度和通量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，而與CH4和CO2相關(guān)性不顯著(P>0.05)，反映了城市水體中N2O的產(chǎn)生和排放強(qiáng)度與水體的富營(yíng)養(yǎng)化密切相關(guān)，而CH4和CO2則可能受到多種環(huán)境因素的綜合影響[17]，營(yíng)養(yǎng)水平可能僅為間接影響。本研究中，雖然N2O和CH4的排放通量遠(yuǎn)低于CO2，但CH4和N2O的全球增溫潛勢(shì)(GWP)在100年的水平上分別約是CO2的28倍和265倍[18]，因此對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)也不容忽視。

表3 鈴鐺湖和徒駭河溫室氣體濃度、飽和度和通量與EI間的Pearson相關(guān)系數(shù)

3.2 水體富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)對(duì)溫室氣體溶存的影響

表4 鈴鐺湖和徒駭河水體中溫室氣體濃度與水體理化參數(shù)間的Pearson相關(guān)系數(shù)(n=12)

表5 鈴鐺湖和徒駭河水體中溫室氣體濃度與水質(zhì)參數(shù)間線(xiàn)性回歸方程

4 結(jié)論

(2) 鈴鐺湖和徒駭河中溫室氣體均處于過(guò)飽和狀態(tài)，表現(xiàn)為向大氣排放溫室氣體；徒駭河水體中N2O和CH4濃度、飽和度和排放通量均顯著高于鈴鐺湖，而CO2不具有顯著的水體間差異。