三峡水库澎溪河流域高阳回水区夏季水体CO2分压日变化特性*

郭劲松，蒋 滔，李 哲＊＊，陈永柏，孙志禹

(1:重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆400030)

(2:中国长江三峡集团公司，宜昌443000)

三峡水库澎溪河流域高阳回水区夏季水体CO2分压日变化特性*

郭劲松1，蒋 滔1，李 哲1＊＊，陈永柏2，孙志禹2

(1:重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆400030)

(2:中国长江三峡集团公司，宜昌443000)

水柱中CO2分压(pCO2)的时空分布在一定程度上可反映水中碳的环境地化特征.本研究在夏季分层期间对三峡水库澎溪河(小江)流域高阳回水区段进行了昼夜连续观测发现，恒定的温跃层中pCO2随水深增加而显著增大，表层0.5 m处pCO2均值为152±71 μatm，而在水深10.0 m处pCO2均值为4568±1089 μatm，同水温、pH及 DO 存在明显的负相关关系，进一步分析认为水温等将影响微生物、浮游植物的代谢过程及水-气界面对流传输，进而对pCO2分布产生影响.对水-气界面CO2扩散通量的估算结果表明，夏季分层期间高阳水域总体上表现为CO2的汇，其对大气CO2的吸收量最大值于15:00左右，达到-0.33 mmol/(m2·h);最弱在次日凌晨3:00左右，吸收量仅为-0.17 mmol/(m2·h).

二氧化碳分压;时空分布;水温分层;水-气扩散通量;澎溪河流域;三峡水库;高阳回水区

水体中溶解态CO2是全球碳循环过程的重要组成部分，是多因素协同作用下大气和陆地系统碳过程的重要贮存库和交换库.认识水中CO2分压(pCO2)的分布特点及其影响要素，不仅有利于进一步了解水生生态系统碳循环特征，也将为深入认识大气系统碳循环特征提供更丰富的信息.

水体溶解态CO2主要来自底层沉积物的呼吸、水体中有机物的矿化［1］以及通过地表-地下径流所带入的陆生植物呼吸及岩石风化所产生的CO2［2-3］，而水体中CO2的消耗则主要通过浮游植物及高等水生植物的光合作用.生产和消耗两者共同决定了水体pCO2的分布状况.当表层水体pCO2高于大气时，在水-气界面处通过分子扩散、对流传输等途径向大气释放CO2，则此时水体便成为所谓的“碳源”，反之则称为“碳汇”.在全球气候变化背景下，近十几年国内外众多学者对湖泊、河流和水库pCO2进行了大量研究［4-6］，但绝大部分的工作是建立在年或季这样大的时间尺度上，小时间尺度上的定量观测还非常有限.三峡库区作为一个新形成的人工生态系统，在这方面至今仍为空白.本文尝试以日为时间尺度，研究三峡库区澎溪河(小江)流域高阳回水区域夏季24 h水体pCO2的时空变化特征，着重从水温、pH及DO三个理化指标分析其对水体pCO2的影响，以期为认识三峡水库小时间尺度pCO2变化提供第一手资料和方法.

1 材料与方法

1.1 采样点概述

澎溪河(小江)，地处四川盆地东部边缘，流域面积5173 km2，干流全长182.4 km，是三峡库区北岸中段流域面积最大的支流，流域下伏基岩以侏罗系中统沙溪庙祖泥质粉砂岩和粉砂质泥岩为主.三峡水库蓄水后，澎溪河流域包含了峡谷、消落区以及湖库等各种特征的水域，其在三峡水库具有代表性.本文选择澎溪河流域高阳平湖回水区(31°3'49″～31°6'7″N，108°39'12″～108°41'22″E)作为研究对象，该区域地处澎溪河流域中部，地势平坦.上游水体经峡谷流入此处，河面陡增，流速减缓，具有类似湖泊的地貌环境及水文水动力特征.低水位运行期(每年6月至9月，夏季)水体平均水深10 m，最大深度12 m;蓄水期(每年10月至次年5月)平均水深20 m，最大深度30 m.

1.2 样品采集与分析方法

本研究于2009 年8 月20 日至21 日分别对高阳平湖中心水体 0.5、1.0、2.0、3.0、5.0、8.0 和 10.0 m 共7个水层进行水质监测，具体的采样时间为8:00、15:00、20:00及次日凌晨3:00四个时段.利用HACH公司生产的MS5多参水质仪现场原位测定水温(T)、pH、溶解氧(DO)，现场用标准盐酸滴定水体碱度，操作过程与滴定终点判定标准见文献［7］，水体中pCO2根据pH、碱度及亨利常数计算而得［8-10］.

2 结果与分析

2.1 pCO2的时空变化特征

从空间上看，本次研究中四个监测时段昼夜水体pCO2空间变化趋势相似(图1)，基本呈现随深度增加而陡增的趋势，表层0.5 m及1 m处pCO2均值分别为152±71 μatm、157 ±81 μatm(表1).而在底层10.0 m 处 pCO2均值增加到4568±1089 μatm.从表层1 m到底层10 m，短短的9 m水柱，pCO2增加了几十倍.从时间上看，由于浮游植物光合作用的影响，昼间表层水体pCO2显著低于夜间，四个时段中最小值出现在15:00左右，为72 μatm;随后光合作用减弱，CO2浓度开始上升，在凌晨3:00左右出现最大值，为215 μatm;四个时段监测得到的表层pCO2大小顺序依次为3:00＞8:00＞20:00＞15:00(图1)，但无论昼夜，表层pCO2始终低于大气平均pCO2.

图1 高阳平湖水体pCO2垂直分布的日变化Fig.1 Daily variations of vertical distribution of pCO2in the water column of Gaoyang backwater area

2.2 水温、pH及溶解氧的时空变化特征

夏季高阳平湖水体水温在垂向上递减的现象十分明显，除15:00外，其余三个时刻水体在水深1～8 m之间出现温跃层(水温在垂直方向出现急剧变化的水层(ΔT＞1℃/m)［11］)，正午由于气温较高，温跃层的起始水层升至0.5 m左右(图2).白天表层0.5 m最高水温出现在15:00，为34.1℃，最低水温出现在8:00，为31.5℃，昼夜温差2.6℃，日平均水温为32.8±1.2℃;随水深增加，水温昼夜变化减小，底层10 m水温日平均值为25.5 ±0.1℃(表1).

水体pH值与水温在空间上变化趋势基本一致，表层水体pH较高(1 m以上日均值为8.86±0.21)，在温跃层中迅速下降，并在底层达到最小值(底层10 m处日均值为7.49±0.08)(表1).一天中pH最大值出现在15:00的1 m水层，为9.14;最小值出现在凌晨3:00的10 m水层，为7.39.另外，3 m以上水体pH日变化较大，昼夜平均相差0.4，而3 m以下水体pH昼夜变化较小，平均相差约0.05.

表1 水层各参数日垂直变化Tab.1 Daily variation of vertical distributions of parameters in the water column

图2 pCO2、水温、pH及DO四时段垂直变化分布(a、b、c、d分别代表8:00、15:00、20:00及次日3:00)Fig.2 Vertical profiles of pCO2，water temperature，pH and DO in four periods

同样，高阳平湖水体DO的日变化也具有与水温、pH相似的特性.日最大值出现在15:00时的10 m水层，为18.47 mg/L，最小值出现在次日3:00，为2.23 mg/L，这与pH的最值出现时刻一致.水体DO在温跃层中也急剧下降，并且3m以上水层DO昼夜变化较大，之后则较小.

3 讨论

3.1 pCO2与水温、pH及DO的相关性分析

研究结果表明，无论哪一时段，pCO2与水温、pH及DO均呈明显负相关(图2、表2)，这与许多学者的研究结果相似［12-14］.温跃层是各参数变化最快的区域，pCO2在温跃层中急剧增大，而pH、DO在该层中则迅速降低(图2).这是因为随水深的增加，光照辐射衰减，细菌分解溶解态有机碳(DOC)及沉积物的呼吸作用逐渐代替光合作用而成为主导，所以2 m水层以下pCO2迅速增加，而水温、pH及DO急剧下降，并在底部达到各自的极值.表层水体pCO2无论昼夜均低于大气平均水平(379 μatm)(图1)［15］，这主要是由水温调控微生物新陈代谢、水环境中的光化学反应以及水-气界面对流传输所致.一方面昼间太阳辐射较强，表层水体浮游植物光合作用吸收水中溶解态CO2，另一方面水中生物的呼吸、光及细菌降解DOC都有利于pCO2的上升［16］;再者，夏季昼间水体温度低于空气(当日气温为32～39℃)，水-气界面存在从空气到表层水体的热传输，从而促进了水体对大气CO2的吸收［17］.三者共同作用的结果是:研究期间昼间表层水体以浮游植物光合作用占主导，表层水体pCO2降低，而pH和DO上升，并在15:00达到最小，而同时表层水温、pH和DO则达到各自一天中的最大值.夜间浮游植物光合作用及光降解DOC停止，而呼吸和矿化作用仍在进行，另外，夜间气温的下降使得表层水体温度高于空气，水-气界面流传输过程与昼间相反，表层水体CO2将会随热传递释放到大气中［17］.研究期间呼吸矿化作用以及对流传输两者的共同作用使得夜间pCO2有所增加，并在次日日出前达到一天中最大值(图2)，但仍低于大气平均水平.另外，pH与DO的昼夜变化在3 m以上较大，这与当日平均真光层深度(2.94 m)一致.

表2 高阳平湖pCO2与水温、pH及DO之间相关性分析(n=28)Tab.2 Relative analysis between pCO2and water temperature，pH，DO in Gaoyang backwater area

3.2 与其它水体pCO2的比较

早在1935年，Juday等就率先报道了Wisconsin湖绝大多数水体样本的溶解态CO2过饱和现象［18］.近年来，众多研究表明世界范围内的水生生态系统，表层水体溶解态CO2大多呈过饱和状态.Cole等对62°N到60°S之间的 1835个大小湖泊的研究发现，其中 87%的湖泊 CO2过饱和，全球湖泊平均 pCO2为1036 μatm［19］.Sobek等对全球4902个湖泊的研究也得到相似的结论［20］.处于亚热带地区的美国Florida湖泊群，其948个大大小小的湖泊 pCO2从0到81000 μatm不等，其中87%的湖泊 CO2超饱和，中值为1030 μatm［21］.而更高纬度地区无论湖泊还是水库其全年(除冰封期外)水体 CO2则都呈现超饱和现象［22-24］.与湖泊类似，世界绝大多数河流中的CO2都呈过饱和状态，pCO2基本在2000～8000 μatm之间，一些地区支流水体pCO2甚至高达10000 μatm以上［25-26］.对欧洲、美洲及亚洲河流入海口这些水域的观测也得到同样的结论［27-29］.近年来，国内也有一些关于水体pCO2的报道.王祖桂［30］、张龙军等［31］对黄河、长江主干流的观测结果表明:秋季黄河干流水体pCO2为790～1600 μatm，而长江干流水体全年 pCO2为860～1600 μatm;有学者对云贵高原地区的湖泊和水库等水环境中pCO2进行数年研究发现，该地区除夏季外其它季节水体CO2均过饱和［5，12-13］(表3).然而本研究结果表明，夏季高阳平湖表层水体(＜1 m)昼夜溶解态CO2是欠饱和的，主要是由于浮游植物生长较旺盛(表层水体叶绿素a浓度约为20 μg/L)，白天光合作用吸收CO2，使表层水体pCO2小于大气平均值;而夜晚微生物和藻类呼吸作用所释放的CO2在水中未达饱和.这与Maberly等1996年对英国Cumbria的一个生产型湖泊(Esthwaite Water)8月份表层水体pCO2的监测结果相似［6］.但其具体原因还有待进一步研究分析.

表3 世界各地区表层水体pCO2及CO2交换通量*Tab.3 The pCO2and exchange flux of CO2in the surface water in the world

3.3 水气界面CO2扩散通量

水气界面CO2交换通量受以下几个因素的影响:1)表层水体与水面上大气中CO2的分压差;2)气体交换系数，而气体交换系数又受流速、风速、温度等因素影响.对于淡水水体，假设化学离子强度为1，则水-气界面CO2交换通量(正为释放、负为吸收)为［32］:

式中，U10为水面上方10 m风速(m/s);k600为SF6气体的交换系数(cm/h).当风速小于3 m/s时，kCO2为 :

式中，Sc是t℃下CO2的Schmidt常数，对淡水而言，按下式进行计算:

图3 高阳平湖水-气界面CO2通量日变化Fig.3 Diurnal variations of the CO2flux at the water-air interface of Gaoyang backwater area

观测当日从中国气象站获得的风速数据(日平均风速均0.85 m/s)，并以379 μatm作为当日平均大气CO2分压，计算得出的CO2通量在四个时段均为负值(图3)，说明当日高阳平湖24 h均为大气CO2的汇，这与 Maberly对 Esthwaite Water湖8月计算得出的通量结果相似［6］.受浮游植物光合作用的影响，四个时段中15:00对大气CO2的吸收最为强烈，为 -0.33 mmol/(m2·h);夜晚吸收量降低，到次日3:00仅有 -0.17 mmol/(m2·h)(图3).与世界其它水体相比，高阳平湖日吸收量较大，这与观测的时间尺度有关(表3).而要得到其水气界面CO2年通量，需要今后进一步的观测.

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Diurnal variation characteristics of pCO2in the summer water column of Gaoyang backwater area in Pengxi River，Three Gorges Reservoir

GUO Jinsong1，JIANG Tao1，LI Zhe1，CHEN Yongbo2＆ SUN Zhiyu2
(1:Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region's Eco-Environment，Chongqing University，Chongqing 400030，P.R.China)
(2:China Three Gorges Corporation，Yichang 443000，P.R.China)

Partial pressure of CO2(pCO2)in water column was an importamt indicator for the geochemical characteristics of carbon.Diel samples for pCO2and other environmental factors，i.e.pH，DO and water temperature，was taken from Gaoyang backwater area in the Pengxi(Xiaojiang)River，Three Gorges Reservoir in every 6 h.Results showed that in stable metaliminon，vertical pCO2increased along with the water depth.Mean value of the pCO2at 0.5 m depth was 152 ±71 μatm，while that of pCO2at 10.0 m depth was 4568 ±1089 μatm.Significant negative correlations between pCO2and pH，DO，water temperature were detected，indicating metabolism of microbial and planktonic community and penetrative convection were impacted by water temperature that regulated the distribution of pCO2.Estimation of the water-air flux of CO2indicated that the general characteristic of carbon sink in the Gaoyang backwater area was obvious.A maximum sink flux of-0.33 mmol/(m2·h)was detected in 15:00 while a minimum sink flux of-0.17 mmol/(m2·h)was also detected in 3:00 of the next day.

Partial pressure of CO2;spatio-temperal distribution;water column stratification;water-air flux;Pengxi River;Three Gorges Reservoir;Gaoyang backwater area

＊ 国家重点基础研究发展计划“973”项目(2010CB955904-04)、中国长江三峡集团公司科研项目(CT-09-08-03)、国家自然科学基金青年基金项目(51009155)和国家水体污染控制与治理科技重大专项项目(2009ZX07104)联合资助.2011-04-15 收稿;2011-07-15 收修改稿.郭劲松，男，1963 年生，教授;E-mail:guo0768@126.com.

＊＊ 通信作者;E-mail:ZheLi81@sina.com.