城市浅水河流冬夏季温室气体日变化及影响因素

谢 恒 龙 丽 肖尚斌 张 成 张文丽

(1. 三峡大学 生物与制药学院， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌 443002； 3. 三峡大学 电气与新能源学院， 湖北 宜昌 443002)

城市浅水河流冬夏季温室气体日变化及影响因素

谢 恒1龙 丽2肖尚斌2张 成3张文丽1

(1. 三峡大学 生物与制药学院， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌 443002； 3. 三峡大学 电气与新能源学院， 湖北 宜昌 443002)

为理解城市浅水河流温室气体的日变化特征及其与环境因素之间的相互关系，以求索溪为研究对象，分别在冬季和夏季采用静态通量箱法连续24 h测定水-气界面CH4和CO2通量，并结合环境因素进行分析．结果表明，无论冬季还是夏季，求索溪都是吸收CO2的汇、释放CH4的源．两季水-气界面CO2日平均扩散通量无显著差异，但因温度、水体pH值等影响，夏季有显著的日变化．夏季水-气界面CH4日平均扩散通量显著高于冬季，这跟温度、湿度等因素有关．此外，夏季求索溪多以冒泡形式随机释放CH4气体．夏季温度、湿度等因子日变化显著，因而估算夏季水体水-气界面日平均扩散通量，24 h的连续测定是很必要的．

城市浅水河流； 日变化； 冒泡； 温室气体

在现代城市中，城市河流在景观娱乐、调蓄洪涝、调节气候和改善城市生态环境等方面发挥了重要的作用．城市河流基本上属于静止或缓流水体，由于地理位置的特殊性，相对封闭，交换能力差，底泥较厚且有机质、N、P等营养物质丰富，常处于富营养状态[1]．岸边有机物的大量输入及其在底泥中的储存会刺激水生生物和微生物的新陈代谢，可能会导致CO2和CH4等温室气体的大量排放[2]．CO2和CH4是最重要的温室气体，对增强温室效应的贡献率分别达到60%和15%[3]．目前国内外对内陆水体中温室气体的研究多集中于自然河流、湖泊、湿地和水库[4-5]，而针对受人类活动影响较大的城市河流的相关研究极少．但城市河流因具有独特的地理与水质条件，以及其在城市生态环境中的作用，研究其温室气体的产生和排放很有必要．

目前关于城市河流水-气界面温室气体通量的研究不多[2，4，6]．其中大部分研究采用静态箱采气-实验室检测，且取样时间间隔较大，一般2～3 h间隔采样，而且仅测定白天的几个时段来估算城市水体的平均排放通量[2，4]．但城市水体一般多为浅水，其温室气体的昼夜通量大小差异明显，温度、含氧量(DO)、pH值等因素都对温室气体通量有重要影响[7]．因此测定水体水-气界面CO2和CH4排放通量的24 h日变化来估算城市水体水-气界面CO2和CH4排放通量很重要．本研究选取宜昌市三峡大学校园内的浅水景观河流——求索溪作为研究对象，分别于冬、夏两季，采用静态通量箱法连续24 h监测水-气界面温室气体排放，并对相关因素进行分析．本研究对深入理解城市浅水河流温室气体的日变化特征及其与环境因素之间的相互关系具有重要意义．

1 研究地点与方法

1.1 样地概况

求索溪是宜昌市三峡大学校园重要景观水体，是校区排泄暴雨洪水的主要通道．全长2.1 km，宽约8 m，是典型的大学校园河道．该校园河道水深约0.8 m，总水量约2.4万m3，底泥厚度平均50～80 cm．求索溪水体主要来源为周边的自然降水和部分校园及周边居民生活污水，水体流量小，且底泥富集了大量的污染物，夏季出现水中的蓝绿藻大量繁殖[8]．本研究样点选择在求索溪中下游，三峡大学行政楼旁，该点水深约0.6 m，水面较为开阔，富营养化严重．

1.2 测量与计算方法

采用静态通量箱法测量水-气界面CH4和CO2通量．气样采集设备为通量箱，箱体(直径30 cm，高50 cm)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与一台DLT-100温室气体分析仪(LGR,美国)连接．

冬季测量时间选在在1月18号，夏季测量时间在6月28号．天气情况良好，适合进行昼夜24 h的观测．每半小时测量一次CH4和CO2的通量．采样前，将箱口朝上大约5 min，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．在通量监测同时，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Orion便携式多参数仪测定pH、水温、DO等，并采集表层水样带回实验室，根据水和废水监测分析方法(第4版)测定叶绿素a浓度．

静态通量箱法CH4和CO2通量的计算采用公式(1)进行计算[9]．

式中，F为CH4和CO2通量[mg·(m2·h)-1]；α指通量箱内气体通量的变化率；F1指μL/L到μg/m3的转化系数(CH4的为655.47 μg/m3，CO2的为1 798.45 μg/m3)；F2为分钟到小时的转化系数(60)；V是通量箱的体积(m3)；S是通量箱的底面积(m2)；F3是μg到mg的转化系数(1 000)．

在测量时，冒泡释放的CH4进入通量箱内，造成箱体内CH4浓度急剧上升，利用DLT-100高频采样的优势(1s测量一个数据)，可以计算出CH4的冒泡量．本研究中CH4冒泡通量的计算，采用了龙丽等人的研究方法计算得到[10]．

采用EXCEL和SPSS10.0对数据进行分析，用EXCEL对数据进行作图．

2 结 果

2.1 环境因子

求索溪冬季和夏季的风速都很小，冬季风速日均值为0.61 m/s，夏季风速的日均值0.15 m/s，均属于极低风速(小于1 m/s)．冬、夏两季气温的日变化趋势较为一致；冬季气温日变幅为3.53～8.10℃，夏季为21.56～31.66℃．受气温的直接影响，冬、夏季水温差别较大；冬季水温日变幅为8.03～9.25℃，夏季水温日变幅为25.35～29.11℃．夏季气温和水温的日变化均显著大于冬季的．两个季节的湿度日变化变化趋势一致，冬季平均湿度(58.66%)比夏季低(82.98%)．冬季水体的溶解氧含量(DO)日变幅为17.02～20.87 mg/L，夏季为18.48～27.04 mg/L；夏季水体DO日变化明显．冬季水体平均DO显著比夏季低．夏季水体的叶绿素a(Chl-a)含量日变化较冬季明显；夏季水体的叶绿素a(Chl-a)平均含量(472.09 mg/m3)显著高于冬季水体中的(181.59 mg/m3)．两个季节水体的pH值均大于8．求索溪冬季气压比夏季高，日变幅分别为101.60～102.11 kPa和99.66～99.97 kPa．

图1 冬、夏季环境因子的日变化

2.2 冬、夏季水-气界面CH4和CO2扩散通量日变化

冬季，水-气界面CO2扩散通量的日变幅为-17.01～4.53 mg·m-2·h-1，其中最大释放量出现在中午．夏季，水-气界面CO2扩散通量的日变幅明显比冬季的日变幅要大(-61.24～22.13 mg·m-2·h-1)，其中最大释放通量出现在上午7时左右；下午呈现出显著的吸收状态，最大吸收通量在15：30时左右．冬季水-气界面CO2扩散通量的日平均通量为-10.14 mg·m-2·h-1，与夏季的日平均通量(-16.61 mg·m-2·h-1)在统计上无显著差异(P=0.088)．

无论在冬季还是在夏季，水-气界面CH4扩散通量均表现为释放．冬季，水-气界面CH4扩散通量的日变幅为0.039～0.123 mg·m-2·h-1；夏季，水-气界面CH4扩散通量的日变幅为0.036～0.206 mg·m-2·h-1．夏季水-气界面CH4扩散通量的日变幅显著大于冬季的，且水-气界面CH4扩散通量的日平均通量(0.114 mg·m-2·h-1)显著高于冬季的日平均通量(0.076 mg·m-2·h-1)(P<0.05)．

图2 冬、夏季水-气界面CO2和CH4扩散通量日变化

2.3 排放通量与环境参数的相关性

相关性分析表明，CH4扩散通量与水温、DO、气温呈显著正相关(α=0.01)，与湿度呈正相关(α=0.05)，与气压呈显著负相关(α=0.01)；CO2扩散通量与pH、DO、气温呈显著负相关(α=0.01)，与水温呈负相关(α=0.05)，与湿度和气压呈正相关(α=0.01)．

表1 扩散通量与环境参数的相关性

*在0.05水平(双侧)上显著相关；**在0.01水平(双侧)上显著相关．

2.4 夏季水-气界面CH4的冒泡通量

在本次观测过程中，CH4的冒泡过程在冬季没有发生，但在夏季十分明显．在24 h观测期间，除了晚上零点没有出现冒泡外，其余时段都有冒泡发生．并且整个测定期间，冒泡呈现无规律变化；日平均冒泡通量为90.75 mg·m-2·h-1．

图3 夏季CH4冒泡通量

3 讨论与分析

目前国内一些城市水体温室气体排放的研究，大多仅用白天几个时段的测量值代表日平均通量，比如常思琦等[11]对上海市城市河流——苏州河，采用浮箱法于白天每间隔4 h测量3个时段，进行温室气体日平均排放通量的研究，发现苏州河冬季的CH4日平均排放通量均值为0.006 mg·m-2·h-1，夏季的日平均排放通量均值0.594 mg·m-2·h-1．与本研究相比，冬季求索溪水-气界面CH4扩散通量日平均通量为0.076 mg·m-2·h-1，与苏州河冬季的CH4排放通量均值相差不大；但夏季求索溪水-气界面CH4扩散通量日平均通量为0.114 mg·m-2·h-1，显著低于夏季苏州河的(夏季苏州河是夏季求索溪CH4的扩散通量的5.2倍)．

究其原因可能有以下几个：首先，跟测定的间隔以及测定的频率有关．对苏州河的研究仅选择在白天的3个时段测定得出日平均值，而本研究是每半小时测定一次，连续测定了24 h计算得出日平均值．由于温度影响水体气体分子的扩散速度及其在水体中的溶解度，进而影响水-气界面CO2和CH4气体排放[12-13]．而且水温还会通过对底泥温度的影响，进而影响促产甲烷以及甲烷氧化过程中细菌的数量和活性[13]．在本研究中，水-气界面CH4释放通量与气温、水温均呈显著的正相关．可见，气温和水体温度显著的日变化会影响到水-气界面CH4释放通量．由于冬季气温及水体温度日变化不大，CH4释放通量的日变幅不显著，因而对日平均释放量影响不大．但夏季则不然，受温度的影响，CH4的扩散通量有显著的日变幅，白天CH4的扩散通量显著高于晚上的．因此苏州河的CH4扩散通量可能显著被高估了．可见，对于气温较高的夏季，估算水体水-气界面CH4扩散通量的日平均量，24 h的连续测定是很必要的．

其次，可能跟水体的深度和DO含量有关．一般，CH4在水中的溶解度很小，厌氧条件下微生物分解沉积物中的有机质产生CH4，在上升到水面的过程中很容易被氧化成CO2[14]．本研究对象求索溪，水体较浅(不到1 m)，且DO含量较高(几乎饱和)，沉积物厌氧产生的CH4可能大部分被氧化生成CO2．

最后，可能与测定方法有关．对苏州河CH4扩散通量的观测是采用静态箱收集气体，再带回室内分析的方法．这种离线检测的方法并未将扩散通量和冒泡通量区分开，其计算结果代表观测时段内的总通量．而在浅水河流中，大部分的CH4以冒泡形式释放，且冒泡在时间上具有很大的变异性[15]．本研究的测定方法，采用的是连续的24 h在线观测，计算结果将扩散通量与冒泡通量区分开，更加精确地计算了CH4的释放通量．

求索溪夏季水-气界面CH4扩散通量的日平均通量(0.114 mg·m-2·h-1)显著高于冬季的日平均通量(0.076 mg·m-2·h-1)(P<0.05)．这除了跟夏季温度较高有关外，跟大气湿度也有关．一般当湿度增大，空气中水蒸气分子增多，由于水蒸气分子比空气分子密度小，故混合气体的密度减小，对水-气界面的压强就变小，CH4在水-气界面会向大气中扩散，造成CH4扩散通量升高[16]．相关分析表明，CH4扩散通量与与大气湿度呈正相关(α=0.05)．

求索溪冬季水-气界面CO2扩散通量的日平均通量与夏季的日平均通量在统计上无显著差异(P=0.088)，均表现为吸收固定大气CO2；但夏季水-气界面CO2扩散通量的日变幅(-61.24～22.13 mg·m-2·h-1)明显比冬季的日变幅(-17.01～4.53 mg·m-2·h-1)大．这跟夏季温度日变化显著，水体Chl-a平均含量显著高于冬季水体有关．气温升高，水生植物的光合作用相应增加，有利于CO2从大气进入水体，从而影响CO2在水-气界面间的扩散[17]．本研究中，水-气界面CO2的排放量与气温、水温均呈显著的负相关关系．表明，随气温和水温的升高，CO2吸收通量增加．进一步分析发现，夏季求索溪Chl-a含量较高(472.09±170.56 mg/m3)；表明随着气温和水温的升高，藻类光合作用增强，吸收CO2的量增加，从而影响水-气界面CO2的通量．此外，水体pH值直接影响水中碳酸盐体系的动态平衡及分布，是影响水-气界面气体通量的另一主要因素．一般当水体pH值>6.4时，水中不同形态无机碳之间的动态平衡逐渐向HCO3-和CO32-一侧移动，水体呈弱碱性，水中游离的CO2很少[18]．本研究中，尤其在夏季，水体pH值日变化在7.38～8.91，pH值从上午9点开始逐渐增加．随着水体pH值的增加，水体中CO2分压会逐渐减小，会进一步促进大气中CO2进入水体(如图2所示)．相关分析表明，水-气界面CO2通量与水体pH值呈显著负相关，这与许多研究结果一致[2，14，19]．

浅水河塘中水-气界面CH4气体多以冒泡形式释放．有研究表明，夏季池塘水-气界面超过90%以上的CH4是以冒泡的方式释放[10，20]．影响冒泡的因素很多，如温度，沉积物颗粒大小以及机械性能，水生生物的影响等[21]．本研究中，在冬季没有观测到求索溪水-气界面CH4的冒泡现象；但在夏季，求索溪水-气界面CH4通过冒泡产生的CH4通量占释放总量的99.9%，且表现出很大的随机性．在一个观测时段(20 min)内，有时没有CH4的冒泡，有时则会观测到4～5次的冒泡现象．一般由于夏季温度较高，直接刺激产甲烷菌的活性使其趋于活跃[22]，大幅度增加了CH4的产量，从源头上促进CH4释放[23]．其次夏季水体中的水生生物较冬季活跃，水生生物通过导致沉积物在短距离上的持续的或者随机的混合作用[24]，通常会造成沉积颗粒的运移，从而影响CH4气泡的产生．

4 结 论

1)求索溪冬季和夏季均排放CH4，夏季水-气界面CH4扩散通量日平均通量显著高于冬季，这跟夏季气温、水温较高以及空气湿度等因素有关．此外，夏季求索溪多以冒泡形式随机释放CH4气体．2)求索溪冬季和夏季水-气界面CO2扩散通量无显著差异；但夏季因温度、水体pH值及藻类的影响，有显著的日变化．3)温度、湿度等环境因子在夏季日变化显著，因而估算夏季水体水-气界面CH4扩散通量的日平均量，24 h的连续测定是很必要的．

[1] 杨文静.武汉市内湖富营养化周年变化规律的监测及初步讨论[D]．武汉：华中农业大学,2010．

[2] 温志丹，宋开山，赵 莹，等.长春城市水体夏秋季温室气体排放特征[J]．环境科学,2016,37(1)：102-111．

[3] 张玉铭, 胡春胜, 张佳宝, 等. 农田土壤主要温室气体(CO2、CH4、N2O)的源/汇强度及其温室效应研究进展[J]． 中国生态农业学报, 2011, 19(4)： 966-975．

[4] 韩 洋, 郑有飞, 吴荣军, 等. 南京典型水体春季温室气体排放特征研究[J]． 中国环境科学, 2013, 33(8)： 1360-1371．

[5] Balmer M B, Downing J A. Carbon Dioxide Concentrations in Eutrophic Lakes： Undersaturation Implies Atmospheric Uptake[J]． Inland Waters, 2011, 1(2)： 125-132．

[6] 吴瑶洁, 李海英, 陈文重, 等. 夏季温榆河温室气体释放特征与影响因素研究[J]． 环境科学与技术, 2016, (5)： 8-16．

[7] Nimick D A, Gammons C H, Parker S R. Diel Biogeochemical Processes and Their Effect on the Aqueous Chemistry of Streams： A Review[J]． Chemical Geology, 2011, 283(1-2)： 3-17．

[8] 陈小兰, 黄 绪, 陈建军, 等. 校园河道生态修复规划设计探讨——以三峡大学求索溪为例[J]． 三峡大学学报： 自然科学版, 2014, 36(1)： 29-32．

[9] Lambert M, Fréchette J L. Analytical Techniques for Measuring Fluxes of CO2and CH4from Hydroelectric Reservoirs and Natural Water Bodies[M]． 2011．

[10] 龙 丽, 肖尚斌, 张 成, 等. 亚热带浅水池塘水-气界面甲烷通量特征[J]． 环境科学, 2016, 37(12)： 4552-4559．

[11] 常思琦, 王东启, 俞 琳, 等. 上海城市河流温室气体排放特征及其影响因素[J]． 环境科学研究, 2015, 28(9)： 1375-1381．

[12] 丁建平, 程 静, 杨建明. 溶解性气体对开式循环凝汽器运行特性的影响[J]． 热力透平, 2004, 33(1)： 41-45．

[13] Singh S N, Kulshreshtha K, Agnihotri S. Seasonal Dynamics of Methane Emission from Wetlands[J]． Chemosphere - Global Change Science, 2000, 2(99)： 39-46．

[14] 王 亮, 肖尚斌, 刘德富, 等. 香溪河库湾夏季温室气体通量及影响因素分析[J]． 环境科学, 2012, 33(5)： 1471-1475．

[15] 张 成, 龙 丽, 吕新彪, 等. 某富营养化池塘夏季温室气体通量的昼夜变化[J]． 长江科学院院报, 2016, 33(8)： 28-33．

[16] 许 芹. 人工湿地甲烷排放规律及其影响因素研究[D]． 济南：山东大学, 2015．

[17] Patra P K, Lal S, Venkataramani S, et al. Seasonal and Spatial Variability in N2O Distribution in the Arabian Sea[J]． Deep Sea Research Part I Oceanographic Research Papers, 1999, 46(3)： 529-543．

[18] Tremblay A, Varfalvy L, Roehm C, et al. Greenhouse Gas Emissions - Fluxes and Processes[M]． Springer Berlin Heidelberg, 2005．

[19] 黄文敏, 朱孔贤, 赵 玮, 等. 香溪河秋季水-气界面温室气体通量日变化观测及影响因素分析[J]． 环境科学, 2013, 34(4)： 1270-1276．

[20] Xiao S. Gas Transfer Velocities of Methane and Carbon Dioxide in a Subtropical Shallow Pond[J]． Tellus Series B-chemical & Physical Meteorology, 2014, 66(1)．

[21] Liu L, Wilkinson J, Koca K, et al. The Role of Sediment Structure in Gas Bubble Storage and Release[J]． Journal of Geophysical Research Biogeosciences, 2016, 121．

[22] 赵小杰, 赵同谦, 郑 华, 等. 水库温室气体排放及其影响因素[J]． 环境科学, 2008, 29(8)： 2377-2384．

[23] Jerman V, Metje M, Mandic' Mulec I, et al. Wetland Restoration and Methanogenesis： the Activity of Microbial Populations and Competition for Substrates at Different Temperatures[J]． Biogeosciences Discussions, 2009, 6(6)： 1127-1138．

[24] Kristensen E, Penha-Lopes G, Delefosse M, et al. What is Bioturbation? Need for a Precise Definition for Fauna in Aquatic Science[J]． Marine Ecology Progress, 2012, 446(1)： 285-302．

[责任编辑 周文凯]

Diurnal Variation of Greenhouse Gases from Urban Shallow River in Winter and Summer

Xie Heng1Long Li2Xiao Shangbin2Zhang Cheng3Zhang Wenli1

(1. College of Biological & Pharmaceutical Science, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2. College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 3. College of Electrical Engineering & Renewable, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

Employing floating static chamber method, the greenhouse gases fluxes at the water-air interface of the Qiusuo River, including CO2and CH4, were continuously monitored for 24 hours in winter and summer, respectively. Based on these observed data, the variation and its effecting factors are analyzed. The results show that the Qiusuo River is the sink of absorbing CO2and the source of releasing CH4whether in winter or summer. No differences in diurnal mean CO2fluxes were found between the two seasons. However in summer, there was significant diurnal changes in CO2fluxes because of some effecting factors, such as temperature and pH value. Diurnal mean CH4fluxes in summer was higher than that in winter, which is mainly related to temperature and humidity. Besides, most CH4fluxes in summer were released by bubbling. There were significant diurnal changes in environmental factors in summer; therefore it is necessary to monitor continuously for 24 hours to estimate its diurnal mean gas fluxes at the water-air interface.

urban shallow river； diurnal variation； bubbling emission； greenhouse gases

2016-12-23

三峡库区生态环境教育部工程研究中心开放基金(KF2016-03)；湖北省自然科学基金项目(2014CFB672)

谢 恒(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为环境生态学．E-mail： 1182696787@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.04.007

X831

A

1672-948X(2017)04-0031-05