三峡水库香溪河库湾水－气界面N2O通量特征

王 亮 王雨春 段玉杰 肖尚斌 刘德富 陈文重

（1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038；3.三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002；4.四川嘉陵江凤仪航电开发有限公司，四川 南充 637000）

几十年来，大气中温室气体浓度不断增加，全球气候正在加速变暖，温室效应成为了一个重要的环境问题［1].氧化亚氮（N2O）是大气中的主要温室气体之一，虽然在大气中的浓度非常低，但其温室效应的增暖作用约为CO2的190～300倍，CH4的4～21倍，且在大气中的滞留时间可达150年［2－3]，对全球气候变暖的作用不容忽视.此外，N2O分子还会对大气臭氧层造成破坏［4]和形成酸雨［5].

自然界中，N2O一方面来源于人为化石燃料燃烧、植物燃烧、化工生产等，另一方面作为海洋、湖泊、水库、森林和草原等生态系统氮循环的中间产物释放出来［6－9].目前，国内学者对 N2O排放及影响因子和区域估算方面开展了较多研究，但大都集中在农田、草地、森林、稻田、河口等生态系统［10－13]，而对水库的研究还较少.随着水电开发和水利工程建设进程的加快，水库温室气体的排放受到越来越多的关注［14－15]，N2O作为一种主要的温室气体之一，其在水库生态系统中的排放水平对评价水电清洁能源的等级具有重要意义.本文以三峡水库香溪河库湾为研究对象，运用气相色谱－静态暗箱法开展了水－气界面N2O释放通量的观测和研究，分析了N2O释放通量的年内变化，并探讨了N2O排放与主要环境因子的关系，以期为正确认识三峡水库的清洁能源属性提供基础数据，为我国能源结构的调整和编制N2O排放清单及提出N2O减排措施提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

香溪河位于鄂西，发源于湖北省西北部神农架林区，干流长94km，总流域面积3 099km2［16－17]，距三峡大坝约32km，是三峡水库湖北库区的最大支流，也是三峡坝首的第一大支流.受三峡水库蓄水的影响，香溪河河口至上游白沙河之间的河段被回水淹没，形成典型的峡谷型水库水域.考虑到香溪河的水环境特征，中游水体受上游来水和长江干流倒灌水体的影响较小，能够较好的代表香溪河库湾滞留水体的特征，下游受长江干流水体影响明显，而上游来水较小，影响区不大，因此，本研究选择了中游和下游两个观测点（图1），香溪河下游点 A（N31°0′36.36″，E110°45′37.25″）、中游点B（N31°7′55.956″，E110°46′42.81″）.

图1 采样点布设图

1.2 样品的采集

N2O气体样品于2010年6月～2011年5月每月中旬早上9：00采用密闭式静态暗箱法采集，通量箱箱体（直径30cm，高50cm）采用不锈钢材质，箱顶设有微型风扇以便于使箱内的空气混合均匀，为了不使箱内温度在采样过程中升高过快，箱外设有保温层，在保温层外贴有反光膜，箱体顶部设有两根硅导管.采样前，将箱口朝上大约5min，以便箱内充满空气，采样时将采样箱置于水面，使箱口浸入水中，保证箱内空气与外界隔绝.通量箱刚置于水面时，采集100mL水面空气，然后每隔8min抽取100mL箱内气体，共抽取5次，样品采集后尽快带回实验室，用气相色谱仪（Agilent 7890A）按文献［18]方法分析测定N2O浓度.在气体样品采集的同时，采用气压计（DYM3－01）测定监测点的气温、气压，采用照度计（TES－1330A）测定瞬时辐照强度，采用数字温度计（TP3001）测定表层水体的水温，采用Orion便携式多参数仪测定表层水体pH值.

1.3 N2O释放通量的计算

N2O的释放通量是指单位时间内单位面积上N2O浓度的变化量，正值表示N2O气体从水体向大气排放，负值表示水体吸收大气中N2O.本文采用以下公式［19]计算扩散通量：

式中，Flux为水－气界面的气体通量（mg·m－2·h－1）；slope为箱内温室气体浓度随时间的变化率；F1为ppm到μg·m－3的转化系数（N2O 为1 798.56）；F2为s到d的转化系数（86 400）；volume为静态箱漂浮在水面时箱内气体的体积（m3）；surface为通量箱箱底的面积（m2）；F3为μg到 mg的转化系数（1 000）.

2 结果与分析

三峡水库香溪河库湾水－气界面N2O通量呈明显的季节性变化特征，如图2所示（a、b分别为采样点A和B的释放通量图）.

图2 N2O释放通量年内变化图

秋末、冬季N2O释放通量高于其他月份，且具有明显的波动性；夏季和秋季N2O排放水平较低，通量变化范围较小，A点在0.082～0.173mg·m－2·d－1小幅波动，B点在0.023～0.103mg·m－2·d－1小幅波动.2010年7月，A、B两个观测点均出现通量最小值，分别为0.082mg·m－2·d－1和0.023mg·m－2·d－1，但A点最大值出现在2011年2月，为0.622mg·m－2·d－1，B点最大值出现在2010年12月，为0.466mg·m－2·d－1.总体上，香溪河库湾水－气界面N2O全年均呈释放状态，A、B两个观测点年平均释放通量分别为0.226mg·m－2·d－1和0.164mg·m－2·d－1，其释放通量较小，远小于法属圭亚那和亚马逊地区水库，和加拿大魁北克地区水库相当（见表1）.

表1 各地区水库／湖泊N2O年平均释放通量

从图2可以看出，下游A点的释放通量明显高于中游B点.这可能是因为香溪河库湾N营养盐受到长江干流水体的补给作用［23－24]，导致下游A点N浓度高于中游B点.此外，藻类的光合作用可以抑制N2O的产生［25]，下游A点受长江干流水体的影响明显，藻类生物量较少，光合作用强度较小，有利于N2O的产生.秋末，三峡水库蓄水至175m，支流水体N营养盐得到充分补充，而且藻类光合作用强度急剧减小，因此，进入秋末、冬季，N2O通量急剧增加，特别是B点在2010年11月和12月，这两种作用表现得尤为强烈.

3 讨 论

在生态系统中，N2O主要是在微生物氮素转化的过程中产生［8].一般来讲，微生物的3个过程可以产生 N2O：反硝化作用［26－27]，硝化作用［26，28－29]和 硝酸盐异化还原成氨的反应［30].任何影响这3个过程的因子都会间接影响N2O的产生［31].

3.1 温度对N2O通量的影响

温度不仅可以影响气体分子的扩散速度和N2O在水体中的溶解度［32]来直接影响N2O通量，还可以通过影响微生物的活性来影响N2O产生的地球化学过程［4，33].而且，温度还可以通过影响光合作用强度［34]和 O2含量来间接影响 N2O［35]的产生.在本研究中，经相关性分析（表2），气温和表层水温均与N2O通量有显著相关关系，其与A点N2O通量相关系数分别为－0.744和－0.682，与B点N2O通量相关系数分别为－0.657和－0.335，这说明温度可能是影响N2O通量的主要环境因子之一.

3.2 pH值对N2O通量的影响

pH值与水体有机质的分解、微生物的活动和水生生物的代谢等密切相关，是影响反硝化速率的重要因子［36－39].有研究发现，当pH 值为7.0～8.0时，反硝化作用最佳；pH＞9.5时，硝化菌受到抑制；pH＜6.0时，亚硝化菌受到抑制［9].2010年6月～2011年5月，香溪河表层水体pH值变化范围较小（如图3所示），A点除2010年11月为7.92，其余时间在8.0～8.69之间，B点除2010年11月为9.43，2011年1月为7.86，其余时间在8.03～8.76之间.可见，香溪河水体pH值大部分时间不在反硝化作用的最佳范围内.但其对香溪河水－气界面N2O通量的影响却比较明显（见表2），特别是香溪河下游A点，N2O通量与pH值相关系数达到－0.622，而B点二者相关性不显著.

图3 香溪河库湾pH值年内变化图

3.3 辐照强度对N2O通量的影响

辐照强度是藻类光合作用的主要影响因子，有研究证明，藻类的光合作用可以抑制N2O的产生［25]，因此，辐照强度可以通过影响藻类的光合作用强度来影响N2O通量，同时，辐照强度可以调节气温和表层水温，进而影响N2O通量.对辐照强度和N2O通量进行相关性分析（表2）发现，A点辐照强度与N2O通量呈负相关，其相关系数为－0.494，而与B点相关性不明显.这可能是因为，A点受长江干流水体的影响，水生生物量较少，光合作用强度较小，对N2O的抑制作用不明显，辐照强度主要通过温度影响了N2O通量，而B点在藻类光合作用的抑制和温度因子等综合影响下，反而表现出辐照强度与N2O通量基本无相关性.

表2 香溪河水－气界面N2O通量与环境因子的相关关系

4 结 论

监测结果表明，香溪河库湾水－气界面N2O通量呈明显的季节性变化特征，秋末、冬季N2O释放通量高于其他季节，且呈明显的波动状态，而夏季和秋季N2O排放水平较低，通量变化范围较小.总体上，香溪河库湾水－气界面N2O全年呈释放状态，且下游A点的释放通量明显高于中游B点，但释放通量较小，其年平均释放通量分别为0.226mg·m－2·d－1和0.164mg·m－2·d－1，与加拿大魁北克地区水库 N2O释放通量相当.通过对N2O通量与环境因子的相关性分析发现，香溪河下游A点受气温、水温、pH值等影响显著，而B点除与气温相关性较显著外，与其他环境因子的关系不明显.

综合分析香溪河库湾N2O释放通量与环境因子之间的关系，本文推测藻类光合作用强度和N营养盐水平可能是香溪河库湾N2O释放的两个重要决定因素.由于生态系统的氮循环受多种因素共同影响，而且各因素彼此联系，相互影响.因此，目前的研究还无法得出是哪一种因素在N2O通量变化中起主导作用，需要利用其它技术手段开展更进一步的研究.

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