城市小型景观水体CO2与CH4排放特征及影响因素

黄 婷,王晓锋,刘婷婷,庞吉丽,陈彦蓉,吴文洁,赵舒宁,吴胜男1,2,,王继龙1,2,

1 长江上游湿地科学研究重庆市重点实验室,重庆 401331 2 三峡库区地表生态过程重庆市野外科学观测研究站,重庆 405400 3 重庆师范大学地理与旅游学院,重庆 401331 4 华东师范大学河口海岸研究所,上海 200241

二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)是大气中最重要的温室气体。河流、湖泊、水库等淡水生态系统作为陆地碳的“汇”,是全球C的生物地化循环最活跃的场所[1-2],并通过水-气界面向大气排放CO2和CH4,成为大气温室气体的重要来源[2-4]。据估算,全球淡水系统每年向大气中排放大约1.4—2.1 Pg CO2[1,4]和0.12 Pg CH4[3],分别相当于全球陆地生态系统年净初级生产的固碳总量(2.6 Pg)的54%—81%[5]和全球CH4排放总量的20%[6],甚至超过了全球海洋年CO2净吸收量(约2.0 Pg)[7]。同时,湖泊、水库等静水水体年CO2、CH4的排放总量分别约为0.62 Pg[8]和0.09 Pg[3],是淡水生态系统排放总量的重要组成[9]。淡水系统含碳气体的排放在全球和区域尺度碳平衡中具有重要贡献,成为全球关注的热点。

当前大多数研究以大型河流、湖泊和水库为主[10-13],对面积不易统计的小型水体的排放关注较少[14],导致淡水系统CO2、CH4清单仍存在较大的不确定性。由于水体较浅,交换能力差以及“汇水面积/水域面积”大,小型水体单位面积受纳的陆源碳更多、沉积层代谢产生的含碳气体更容易传输至表层水体形成排放,因此具有更高的CO2/CH4排放潜势[15-16]。Kankaala等[16]对芬兰的湖泊群研究表明,面积越小,湖泊的CO2和CH4排放速率越快,特别是面积小于0.1 km2时,湖泊CO2和CH4排放通量随湖泊面积的减小呈指数式增加。Holgerson等[17]认为,小型池塘水体CO2和CH4排放通量远高于其他大型静水水体。Holgerson等[18]研究指出,尽管小型水体(<0.01 km2)总面积仅占全球湖泊、水塘总面积的8.6%,但却贡献了约15.1%的CO2排放和40.6%的CH4排放[18]。Raymond等[4]研究表明,由于对小型湖泊和水塘碳气体排放的忽视可能导致全球湖泊、水库CO2排放总量低估40%—50%。因此,开展小型水体温室气体排放通量的研究对精确评估淡水系统在全球温室气体排放格局中的贡献具有重要意义。然而,由于小型水体环境容量差,对环境变化的敏感性强,因此碳排放具有不确定性[16-18],特别是一些人类活动主导的小型水体碳排放研究较少。

近20年来,全球城市化极大的改变了区域地表过程,一系列小型水体转变为城市景观水体,与人工营造的景观水体共同组成了城市区特有的水体类型[19]。由于城市水体具有独特的流域环境,且受到强烈的人类活动(水污染、水环境修复、景观植物种植等)干扰,其碳氮循环及温室气体排放特征具有特殊性和不确定性[11]。温志丹等[20]对我国吉林省长春市的7个城市湖泊的研究发现,城市水体CO2和CH4排放通量呈2—3个量级的变异,由于大量人为碳源的输入,导致其平均排放通量高于大多数自然水体。Ortega等[21]的研究中,城市小型水体CH4排放通量是湖泊和河流的4倍多。龙丽等[22]的研究也指出,城市小型水体CH4排放量比自然湖泊高1—2个数量级。可见,城市水体具有较强的温室气体排放潜势,特别是小型水体,可能是城市淡水系统CO2和CH4排放的新热点。然而,目前仅少数学者对城市小型水体碳排放开展了研究[21-22],对其排放的强度以及关键影响因素等仍不十分清楚,尤其是与人类生活密切相关的城市景观水体的监测极为薄弱,成为区域淡水生态系统温室气体排放中最不确定的环节。

随着全球城市化进程的不断加快,城市生活环境对景观水体的依赖性增强,景观水体数量越来越多,在区域碳循环及温室气体排放清单中的贡献也不容忽视。为明确城市小型景观水体温室气体排放特征及关键影响因素,本研究选取重庆市大学城区域8个景观水体和外围的2个自然水体为研究对象,通过漂浮箱法和顶空模型法监测水气界面CO2与CH4的排放通量,结合城市环境、水生植物分布以及水环境参数的分析,探讨城市小型景观水体温室气体排放时空特征及其关键驱动因素,进一步评价了不同方法在景观水体C气体通量监测中的适用性,为城市淡水系统碳循环研究提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于重庆西部新城的中心区,属亚热带季风性湿润气候,气候温和、四季分明、雨量充沛。月平均气温在7.8—28.5 ℃,年降雨量为1082.9 mm。研究区属川东平行岭谷低山丘陵区,地貌复杂,加之丰富的降雨,形成了数量庞大的小型水塘或湖泊。自2008年以来,该区域成为重庆市城市化速度最快的区域之一,城市建设导致大量小型水体被改造为城市景观水体,广泛分布于居民小区和校园区内,构成了典型的景观类型。

1.2 采样点设置

选择研究区内5所高校(重庆大学、重庆师范大学、重庆医科大学、重庆科技学院、四川美术学院)和3个居民区(师大苑、富力城小区、东桥郡)内的景观水体为研究对象,同时选择城市区外围的2个小型水体(石马山水库、矿厂沟水库)作为对照,共计10个水体。所选水体水域面积在0.003—0.090 km2,平均水深范围为1—6 m,属于典型的小型景观水体。各水体基本特征如表1所示。每个水体根据面积、水深特征设置3—5个重复采样点进行采样监测,共计30个采样点。

同时,根据不同水体人工种植的景观植物的分布特征,在重庆大学、重庆师范大学、四川美术学院、师大苑、富力城小区5个水生植物分布较多的水体,区分有、无水生植物分布进行采样点布设,在有植物分布的水域增设3个重复采样点,共计15个采样点。

1.3 样品采集

分别于2019年1月(冬季)、4月(春季)、7月(夏季)和10月(秋季)对选取的采样点进行采样。使用有机玻璃采水器采集表层0.5 m深处的水样500 mL装入样品瓶中。所有水样保存于冷藏箱带回实验室,于4 ℃低温避光保存并在3 d内完成水体理化参数的测定。

采用漂浮箱法进行水-气界面 CO2/CH4排放通量监测。漂浮箱由PVC材质的采集箱和漂浮装置两部分组成：采集箱规格为30 cm × 30 cm × 40 cm(长×宽×高),箱体外表由铝箔包裹以减少太阳辐射引起的箱内温度的快速变化；采集箱底部镂空,顶部设置两个小孔,一个连接铜管保持箱体内外气压稳定,另一个连接气体导管,用于气体采样。漂浮装置由泡沫板制成,用于固定采集箱。每个采样点设置3个重复漂浮箱同步采样,箱体底部浸入水面9 cm左右。一旦静态箱安置成功,立即进行气体抽取作为0 min气样,随后于5、10、15、20 min时分别采集气样,所采气样均保存于10 mL真空管中,用于CO2/CH4浓度测定。

同时采用顶空振荡法进行水体溶存气体浓度的测定[23]。首先用注射器抽取原位0.5 m深处水样,缓慢注入体积为54 mL的气密性有机玻璃管中,完全注满。打开玻璃管一端的排水阀,从另一端用注射器缓慢注入24 mL已知浓度的标准空气,多余水样从水阀排除,形成顶空。剧烈振荡5 min,静置待顶空与水体达到平衡后,抽取顶空气体,用于CO2/CH4浓度分析。

现场利用传统水深仪测定原位水体深度,使用矫正的多参数水质分析仪(MantaTM2 Multiparameter System,Eureka Company,USA)测定原位表层水体温度、pH和溶解氧(DO)等理化参数,利用手持式气象仪(Kestrel 2500,USA)测定水面以上1 m处风速、气温和气压。与此同时,记录点周围环境特征、水生植被生长情况等。

1.4 样品分析

表2 不同水体表层水碳、氮、磷含量

利用气相色谱仪(磐诺A90,江苏)测定CO2和CH4浓度。CO2和CH4检测器为氢火焰离子化检测器(FID),工作温度为250℃,载气为高纯度氮气(N2),以氢气(H2)为燃气,空气为助燃气,流速分别为60和450 mL/min,采用标气浓度分别为CO21000 μL/L,CH410 μL/L。

1.5 数据计算

1.5.1静态箱法监测水-气界面CO2、CH4交换通量

利用气相色谱仪测定气样浓度,通过浓度的变化率,计算水-气界面气体排放通量[11],公式如下：

(1)

式中,Fp表示漂浮箱法测定的CO2和CH4排放通量(mmol m-2d-1),dc/dt为采样时气体浓度随时间变化的直线斜率,M为被测气体摩尔质量,P为采样点气压(现场实测值),T为采样时绝对温度,V0、P0、T0分别为标准状态下的气体摩尔体积、空气气压和绝对温度,H为水面以上采样箱高(30 cm)。

1.5.2水体CO2、CH4溶存浓度计算及气体排放通量的估算

根据Henry定律,利用顶空平衡气体浓度分别计算水体CO2和CH4溶存浓度[24],公式如下：

(2)

cw=ca×kc

(3)

式中,Cw为CO2和CH4溶存浓度(μmol/L),ca为顶空中气体浓度(μmol/L),cw为顶空平衡条件下水体气体浓度(μmol/L),c0为初始标准空气中的气体浓度,kc表示实测温度下气体溶解度系数。Va和Vw分别表示顶空体积与水体体积(L)。

根据边界层模型法估算水-气界面气体排放通量[25],公式如下：

Fb=k0×(Cw-Ca)

(4)

Fb表示边界层模型法估算的气体排放通量(mmol m-2d-1),Cw和Ca分别表示表层水体溶存气体浓度(μmol/L)和水气平衡时的大气浓度(μmol/L)。k0表示水-气界面的气体交换系数(cm/h)。考虑到景观水体水面扰动主要来自风,本研究选择目前广泛使用的温度-风速模型计算k0[23]：

k0=1.58 × e0.30×U10×(Sc/600)-0.5

(5)

Sc(CO2)=1911.1-118.11t+3.4527t2-0.04132t3

(6)

Sc(CH4)=1897.8-114.28t+3.2902t2-0.039061t3

(7)

U10表示采样区域上空10 m处常年平均风速(0.95 m/s),t为实测水温(℃),Sc(CO2)为温度矫正下CO2的Schmidt常数。

1.6 统计分析

本研究用SPSS进行统计分析,利用单因素方差分析(One-Way ANOVA)检验不同水体、不同季节之间CO2/CH4排放的差异显著性,成对t检验分析有-无植物覆盖水域气体排放通量的差异显著性,利用相关分析检验气体排放通量与水体理化参数的相关性,主成分分析(PCA)对水环境参数进行冗余分析,提取关键指示因子,利用逐步多元回归分析构建指示因子与其他排放通量的预测关系。利用GraphPad 8.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同水体CO2、CH4排放通量

基于静态箱法实测的水体CO2和CH4排放通量如图1所示。8个景观水体CO2排放通量的变化范围为-16.3—259.0 mmol m-2d-1,平均为(72.7±65.9)mmol m-2d-1。不同水体间CO2排放通量差异明显,东桥郡年平均值最高((152.4±113.0))mmol m-2d-1),富力城和重庆医科大学次之,其他水体略低；除重庆医科大学春季出现负值外,其他均为为正值,表现为大气CO2的净排放源；两个城市外围水体石马山和矿厂沟的年均CO2排放通量仅为(11.8±9.6)和(17.9±14.8)mmol m-2d-1,显著低于城市内景观水体。8个景观水体CH4排放通量的变化范围为0.59—20.1 mmol m-2d-1,平均为(2.31±3.48)mmol m-2d-1,呈CH4排放源；景观水体之间CH4排放通量差异不显著,仅师大苑、重庆师范大学水体略高于其他水体(图1)；外围对照的两个水体(石马山,(0.49±0.09)mmol m-2d-1；矿厂沟,(0.71±0.16)mmol m-2d-1)均显著低于城市内的景观水体(P<0.01)。城市景观水体CO2和CH4排放通量是对照水体的3.5—6.1和2.0—4.5倍。

图1 基于漂浮箱法的不同水体水气界面CO2和CH4排放通量

将10个水体分为居民区、校园区和城市外围区3组(图2),居民区水体CO2与CH4平均排放通量分别为(91.10±59.00)mmol m-2d-1和(2.78±2.55)mmol m-2d-1,高于校园区水体(CO2(54.60±26.00)mmol m-2d-1,CH4(1.20±0.39)mmol m-2d-1),均显著高于城市外围区的两个对照水体(CO2(14.80±4.30)mmol m-2d-1,CH4(0.60±0.15)mmol m-2d-1)。

图2 居民区、校园区、城市外围区水体CO2和CH4排放通量的比较

2.2 景观水体CO2、CH4排放通量的季节差异

重庆城市小型景观水体CO2、CH4排放通量均呈一定的季节变化模式(图3)。CO2排放通量在夏季最高(中值为80.9 mmol m-2d-1),秋季次之(中值为69.3 mmol m-2d-1),冬、春季最低(中值分别为19.0、23.8 mmol m-2d-1)。CH4排放通量春、夏季较高(中值分别为1.31、1.36 mmol m-2d-1),秋季略低(1.07 mmol m-2d-1),但均显著高于冬季(0.70 mmol m-2d-1)。

图3 基于漂浮箱法的不同水体水气界面CO2和CH4排放通量的季节变化

2.3 水生植物对景观水体CO2和CH4排放通量的影响

比较了景观无植物区(No-P)和植物覆盖区(P)水-气界面CO2和CH4排放通量,如图4所示。结果表明,四个季节有植物分布和无植物分布的水域之间CO2和CH4排放通量均存在显著差异,有植物覆盖的水域气体排放通量均高于开敞水域(P<0.05)。进一步分析有植物区CO2排放通量是无植物水体的0.41—4.24倍,平均为1.97倍,其中夏季和秋季差异最大(达2.7倍)；有植物区CH4排放通量是无植物区的1.67—3.94倍(平均达2.94倍)。作为城市景观水体的重要组成,水生植物种植对水体CO2和CH4排放通量具有重要影响。

图4 不同季节无植物水域(No-P)与有植物水域(P)水-气界面CO2和CH4排放通量的差异分析

2.4 边界层模型估算与漂浮箱法测定小型景观水体CO2、CH4排放通量的比较分析

为评估不同监测方法对小型景观水体温室气体排放强度的影响,进一步对比了边界层模型法和漂浮箱法在监测上的差异。顶空法测得10个水体CO2溶存浓度为23.8—142.4 μmol/L,平均为(47.6±29.3)μmol/L(饱和度为(264%±162%)),CH4溶存浓度为0.32—1.93 μmol/L,均值为(1.13±0.56)μmol/L(2055%±1011%),所有水体均属于气体过饱和状态,与漂浮箱监测结果一致。模型法估算景观水体CO2排放通量均值为(69.7±82.0)mmol m-2d-1(-12.7—370.9 mmol m-2d-1),CH4为(3.69±2.92)mmol m-2d-1(0.18—11.0 mmol m-2d-1),对照水体CO2和CH4排放通量分别为(20.8±16.9)和(1.11±0.47)mmol m-2d-1,总体上景观水体CO2和CH4排放较自然水体高3倍多。

如图5所示,两种方法测定结果的一元回归分析结果表明,边界层模型法与漂浮箱法测得CO2和CH4通量线性关系均较好(R2均>0.3)。边界层模型法估算的CO2排放通量在春季显著低于漂浮箱法,但夏季则略高于漂浮箱法；CH4排放通量两种方法相比,二者线性回归方程斜率均高于1,表明边界层模型法明显高估了景观水体水-气界面的CH4排放。

图5 漂浮箱与边界层模型法估算CO2和CH4排放通量的回归分析

2.5 城市景观水体CO2和CH4排放通量与水环境因子的关系

表3 CO2、CH4通量与监测点理化因子之间的Pearson相关性

表4 水环境因子主成分分析的因子得分系数矩阵

表5 重庆大学城景观水体CO2和CH4通量预测模型

3 讨论

3.1 城市小型景观水体CO2与CH4排放强度

陆源有机碳进入淡水系统后经微生物的分解作用,生成CO2和CH4,并通过扩散、冒泡、植物传输的途径排入大气[2-4,26]。随着人为碳、氮、磷等输入的不断增多,水体CO2和CH4被进一步增强,形成了一系列温室气体排放热源[20-23]。本研究中,8个典型的城市景观水体与2个城郊水体的CO2和CH4年均排放通量均为正值,是大气的净排放源。这与以往对自然湖泊[10,13]、河流[27]、水库[28]等淡水系统研究结果一致。Wang等[23]对重庆主城区16个小型水库研究结果也表明该区域小型水体具有较强的温室气体排放通量。然而,罗佳宸等[29]等研究中,重庆西部的9个湖泊由于受到水体富营养化和较高的初级生产的影响,夏季均呈CO2“汇”。本研究除春季师大苑和重庆医科大学两个水体有轻微富营养化且呈CO2吸收外,大部分呈异养系统。

本研究中,城市景观水体CO2和CH4排放通量分别为(78.6±66.9)mmol m-2d-1和(2.31±3.48)mmol m-2d-1,与Panneer等[30]对印度水塘系统(Ponds)的研究结果相似(CO2：(67.1±64.0)mmol m-2d-1,CH4：3.1 mmol m-2d-1),显著高于全球湖库水体排放水平的均值(24.4—41.4 mmol m-2d-1和0.44 mmol m-2d-1)[3-4]。Li等[12]根据我国已有湖库研究结果,估算全国湖库CO2和CH4平均排放通量约为(37.3±68.5)和(2.0±5.8)mmol m-2d-1,也均低于本研究结果。Wang等[23]、Yoon 等[31]、Martinez-Cruz等[32]研究均表明,城市小型水体由于受到污水排放和高溶解性有机质(DOM)输入,呈增强型的CO2和CH4排放源。图6所示,重庆城市景观水体CO2排放通量与南京城市浅水水塘基本一致,但显著高于鄱阳湖[10]、洞庭湖[13]、太湖[13]、巢湖[8]等国内大部分自然湖泊,甚至高于一些热带地区的水体[30]；同时,景观水体CH4排放通量也处于较高的水平,甚至远高于水污染严重的滇池[13]、太湖[13]等,是长江下游中下游地区淡水湖泊群CH4排放的3倍[33]。然而,由于没有明显外源污染(表1),本研究景观水体CH4排放明显低于大部分城市湖泊和城市水塘(图6)。此外,本研究城市景观水体CO2和CH4排放均显著高于城市区外围的自然水体(图1,图2),这与大部分城市水体研究结果一致[23,34]。Wang等[23]研究表明,城市内的小型水库CO2和CH4排放通量是林地区水库的3倍和7倍。Ortega等[21]发现柏林城市区人工水塘CH4排放量是湖泊、河流的4倍多,呈极强的CH4排放源。总体可见,城市小型景观水体具有较强的CO2和CH4排放强度,是区域淡水系统温室气体排放的潜在热源。

图6 重庆城市小型景观水体CO2、CH4排放通量与其他研究的比较[3-5,8,10-13,19,21,23,28-29,30,32-33]

一方面,城市景观水体面积较小,沉积率高,碳积累速率快,特别是城市表面颗粒物、粉尘等随径流输入形成淤滞沉积层[19],有利于微生物分解代谢和CO2、CH4产生。同时,硬化陆域面风化碎屑物进入城市水体,能够经过化学分解影响水体碳酸盐平衡,导致水体CO2分压增加[31]。另一方面,人为碳氮输入刺激水体原位生物代谢,或通过污水输入直接增加了外源CH4和CO2的输入[11,35],进而形成温室气体排放热点。本研究8个景观水体碳、氮、磷含量均明显高于两个对照水体(表2),为原位的C代谢提供了条件。相关分析结果表明,水体CO2和CH4排放与碳、氮、磷含量均呈一定的正相关关系,进一步说明水体生源要素积累是景观水体C气体排放增强的重要因素。

进一步分析表明,居民区水体可能具有更高的排放通量(图2)。考虑到居民区和校园区水体营养物质含量差异较小(表2),而居民区景观水体多属于人工营造,水深较浅(表1),可能是排放通量较高的主要因素[19]。值得注意的是,水体污染明显的东桥郡年均CO2和CH4排放高达152.4、5.7 mmol m-2d-1,是城市外围水体石马山的8.5和11.7倍。可见,城市景观水体作为城市生态系统的组成部分,CO2和CH4来源、排放过程具有明显的复杂性。

3.2 城市景观水体CO2、CH4排放的季节变化与影响因素

大部分水体CO2、CH4排放具有显著的季节变异[41-42]。本研究城市景观水体CO2排放呈夏、秋季(雨季)高于冬、春季(旱季)的模式,CH4排放在春、夏季略高于秋季,冬季最低,这与大部分研究结果一致[13,20-21,23,35,41]。Natchimuthu等[5]对瑞典Linkoping水体的研究认为,夏季高温导致水体微生物代谢增强,是城市浅水水塘CO2和CH4排放季节变异的主要因素；Ortega等[21]也得出相似的结论。小型景观水体较浅,热容量较小,对温度的变化极为敏感[2],本研究中,景观水体CO2、CH4排放通量与水温均呈显著正相关(P<0.05),是CO2和CH4排放季节变异的重要因素。然而,春季降雨较少、温度升高、日照时数延长等促使水体浮游植物的快速繁殖,影响水体光合作用,导致CO2排放在春季最低,甚至出现CO2吸收[20]。同时,表层浮游生物代谢产生的小分子有机碳以及其死亡残体能够为沉积层甲烷菌代谢提供新鲜有机碳,加速CH4的产生[43],导致春季出现CH4排放峰值。因此,春季CO2排放低、CH4较高。水体初级生产对景观水体温室气体排放也具有一定的调控作用。

3.3 城市景观水体CO2、CH4排放与水环境因子的关系

与大部分研究结果一致[11,29,34,36],景观水体中CO2排放与pH、DO呈显著的负相关关系,而与温度呈正相关关系。pH主要通过影响水体碳酸盐平衡进而影响CO2的排放或吸收[5],对水体CO2排放具有较强的指示性。此外,水体光合作用产生DO而消耗CO2,而呼吸作用产生CO2消耗O2[46],因此CO2与O2显著的负相关关系表明景观水体内源代谢是调控CO2的关键,进一步表明景观水体是一个增强型的异养系统。

与CO2影响因素分析相似,水体碳含量对CH4排放具有显著的正驱动(表3)。Tranvik等[9]研究认为,水体DOC浓度增加能够直接刺激原位CH4产生和排放；Martinez-Cruz等[32]、Delsontro等[47]、Gonzalez等[48]的研究中,城市湖泊、河流、水塘等水体OC含量对CH4排放通量的变异性具有较高的解释度,与本研究结果相似。Martinez等[32]与Ortega等[21]均认为小分子有机质输入和浮游植物的生长对城市水体原位CH4产生有重要影响。城市景观水体的碳含量一部分源于城市径流携带城市表面的降尘的输入,另一方面源于水体内部浮游生物和水生植物的生长。因此人工地表、景观植物的种植以及水体富营养化等均对此类水体的CH4排放具有潜在影响。同时,景观水体CH4排放与TP、DTP呈极显著的正相关关系,后者解释了27%和26%的CH4变异性,这在Wang等[23]关于城市水库的研究结果相似。相对于N含量,水体N:P平均为(27±14),P元素在城市景观水体中的限制性更显著。在同样受P限制的黑水滩河的研究中,TP含量对水体溶存CH4浓度解释量高达52%[27],因此景观水体中CH4排放对P添加的敏感性极强。PCA和逐步多元回归结果表明,水体碳、磷含量是影响CH4排放的关键因素(表3、表4)。值得注意的是,CH4排放与DO含量相关性不显著,这与其他研究结果不一致[11,21,32],主要因为采样水体水深较浅,水气交换对溶解氧补给以及CH4由沉积层扩散至表层水体滞留时间较短,因此受DO影响有限。总之,丰富的碳浓度是CH4排放通量较高的主要条件,而P浓度的差异是导致不同水体间CH4排放变异的关键因素。

3.4 水生植物分布对景观水体CO2/CH4排放通量的影响

本研究中,漂浮箱法测定水生植物覆盖区CO2与CH4排放通量均显著高于无植物覆盖的开敞水域(P<0.05),表明水生植物对景观水体温室气体排放具有重要影响。Ström等[49]的研究表明灯心草(Juncuseffusus)、宽叶香蒲(Typhalatifolia)、芦苇(Phragmitesaustralis)等覆盖的水域CO2排放通量是无植物覆盖水域的5倍多,CH4排放达到14—30倍,其认为水生植物凋落物极大的刺激了原位微生物的呼吸代谢和产甲烷菌活性。Bartlett等[50]、Bastviken等[51]以及Devol等[52]的研究表明,无论生活型和植物种类,水生植物覆盖区CH4排放通量较无植物覆盖区高1.6—2.8倍。一般认为,水生植物对水体温室气体排放的影响存在多种机制[53]：(1)水生植物(特别是挺水植物)的通气组织作为温室气体排放的重要途径；(2)植物死亡形成的凋落物分解促进原位碳代谢；(3)植物生长过程中根系分泌物能够刺激根周微生物活性；(4)水生植物(沉水植物)光合作用和呼吸作用直接参与水体碳排放。此外,植物覆盖改变水体光照、温度格局,进而影响水体CO2和CH4产生、消耗、输移过程[44]。本研究水生植物以狐尾藻、荷花、睡莲等为主,冬季植物死亡后残体并未清理,可能是导致夏秋季CO2和CH4排放显著增强的主要原因。同时,具有稠密狐尾藻分布的水域呈明显的CO2和CH4排放热点。本研究结果表明,水生植物分布对景观水体CO2和CH4排放强度具有重要影响,未来需要结合城市景观打造中植物选择、管理以及种植密度等方面,开展更充分的调查。

3.5 不同监测方法在城市小型景观水体CO2、CH4排放通量监测中适用性分析

目前,对水体温室气体排放的监测普遍采用的方法有漂浮箱法和边界层模型法,两种方法测定结果的可靠性一直是关注的热点。一般认为,漂浮箱法的监测结果更接近实际排放强度[54]。本研究边界层模型法与漂浮箱法测定的结果具有良好的线性关系(尤其是在降水较少的冬季和春季),表明两种方法在景观水体气体排放中具有较好的预测性。漂浮箱法测定的CO2排放通量在春季(均值30.2 mmol m-2d-1)远高于边界层模型法(均值6.7 mmol m-2d-1),而夏季则略低于边界层模型。主要因为研究区春季风速较小,加之浮游植物快速繁殖导致水体碳酸盐平衡体系向着碱性方向转变[27],因此基于碳酸盐平衡体系和风速模型的边界层模型估算的结果偏低。CH4排放通量在4个采样时期,边界层模型法均高于漂浮箱法,偏估系数达(2.0±0.8)。这主要因为景观水体水体面积较小(<0.1 km2),受风力扰动有限,基于区域平均风速的估算会导致k0的普遍高估[54]。模型法对于开展众多城市小型水体群的研究中,具有采样方便、效率高的优势,研究认为其在城市景观水体的监测中具有较好的指示性,但需要进一步优化k0模型,针对不同季节和不同面积水体建立适应性模型,以达到精确估算的目的。

4 结论

(1)城市小型景观水体CO2与CH4排放均呈正值,是大气的净排放源；与其他研究相比,城市小型景观水体具有较高的CO2排放和略高的CH4排放通量；城市景观水体与同区域城市外围水体相比,CO2与CH4排放通量高出3.5—6.1、2—4.5倍,是区域淡水系统排放的热点,在未来淡水系统排放清单中应予以关注。

(2)城市小型景观水体CO2排放呈夏、秋季高于冬、春的模式,CH4呈春、夏季较高,秋季次之,冬季最低的季节规律；温度变化以及春季水体初级生产力的提高可能是造成这种季节模式的主要因素。

(3)景观水体较高的碳含量是CO2、CH4排放通量增强的主要因素；同时N含量与CO2排放通量呈显著正相关,而P含量与CH4呈显著的正相关,营养盐的补充可能是不同水体间CO2、CH4排放差异的重要影响因素。景观水体pH和DO对CO2排放具有较好的指示性。水生植物分布导致小型景观水体CO2和CH4排放增强,是城市景观水体气体排放研究的重要环节。

(4)顶空模型法在城市景观水体界面气体通量的监测中具有有效的指示性,但会导致CO2在春季低估,CH4则普遍高估,需要进一步优化模型,提高估算精度。