不同营养水平城市水体温室气体溶存特征及影响因素研究

2022-10-29邓焕广刘浩志张怀珍吴金甲

聊城大学学报（自然科学版） 2022年5期

邓焕广，张菊，刘浩志，张怀珍，吴金甲

(1.聊城大学地理与环境学院，山东聊城 252059；2.聊城市农产品区域品牌基地土壤环境与污染防控重点实验室，山东聊城 252059；3.聊城大学运河学研究院，山东聊城 252059)

0 引言

CO2、CH4和N2O是导致全球变暖的主要温室气体，对温室效应的贡献率分别为60%、15%和5%[1]。水体作为温室气体的重要排放源，可通过硝化、反硝化作用以及呼吸和产甲烷作用产生大量的N2O、CO2和CH4，已引起了广泛关注[2-5]。当前水体N2O、CO2和CH4的研究多集中于浓度和通量的时空变化特征以及环境和生物等影响因素和调控机制方面[6-9]，但对不同营养水平下水体温室气体溶存浓度变化特征和影响因子差异性的关注较少。

由于所处位置的特殊性和人类活动的影响，城市水体常处于富营养化状态，且多属于静止或缓流水体，自净能力较弱[10]，水体底泥较厚且有机质丰富，易刺激微生物的新陈代谢，从而导致温室气体的大量产生和排放[2-4，11]。城市水体营养水平的上升会刺激微生物活性，富营养化越严重，水体中温室气体释放通量就越高[12]，但不同营养水平下水体温室气体产生和排放的影响因素和机制尚需进一步探讨。因此，为了探讨城市水体富营养化程度对温室气体产生和排放的影响，在聊城市城区选择了富营养化水平存在显著差异的两处水体——铃铛湖和徒骇河，按每月2次的频率测定表层水中N2O、CO2和CH4的浓度、饱和度和排放通量，同时结合水质指标探讨了不同富营养水平的城市水体温室气体浓度的影响因素，研究结果以期为深入理解城市水体温室气体浓度与营养水平间的相互关系，揭示影响富营养化水体温室气体产生和排放的主要因子提供科学数据支撑和理论参考。

1 材料与方法

1.1 采样区域概况

聊城市被誉为“江北水城”，市区内有东昌湖、铃铛湖、徒骇河、小运河等多个河湖水体，仅市区水域面积就多达13 km2。铃铛湖西接东昌湖，东通京杭古运河，东西向长约1 km，水面约10 hm2，平均水深2 m，原为东昌湖东侧的天然生态湿地，于2010年清淤后改造而成，因与东昌湖相连水质相对较好，营养水平较低。徒骇河属海河流域，直入渤海，在聊城市区穿城而过，城区段长17 km，2011年清淤后并于2014年在下游的北城区域建设橡胶坝，使城区段水位上升形成宽逾百米的人工湖段，但受上游来水的影响，水体富营养化较为严重。

1.2 样品采集与分析

于2015年4月～11月(冰封会影响气体在水-气界面扩散，因此2015年12月～2016年3月(冰封期)没有进行样品采集；另外，8月份处于雨季，两水体受降雨径流影响水体波动较大，也未进行采样)，在铃铛湖湖心和徒骇河陈口路桥上游50 m河流中每月2次定点采集表层水和空气样品，每次采样时间均为当日下午15～16时。采样前先将气体采样袋(大连海得)经高纯氮气洗涤并抽真空；采集现场空气于气体采样袋中，并采用卡盖式采水器采集水面下20 cm处表层水置于可密封的采样管中，每次采集3个平行样，每次采样时均重新迅速采集湖/河水，以降低误差；另取水样置于聚乙烯塑料瓶中用于理化指标的分析；同时使用HI 9145型溶解氧仪(意大利Hanna)和IQ150型pH计(美国Spectrum)测定水温(WT)、溶解氧(DO)和pH。

1.3 数据处理与统计

数据的统计分析采用SPSS 25.0完成，图形采用Origin 2015绘制。水体水质、营养水平及温室气体浓度、饱和度和通量在两水体间的差异采用非参数检验Mann-Whitney法在0.05的显著性水平上进行检验，相关分析采用Pearson相关模型进行分析。

2 结果

2.1 铃铛湖和徒骇河水质参数和富营养化水平

表1 铃铛湖和徒骇河水质参数和营养化水平

图1 铃铛湖和徒骇河水体营养评价综合指数

如表1和图1所示，徒骇河EI显著高于铃铛湖(P<0.05)，其变化范围分别为50.7～63.2和28.8～40.7，分别表现为富～重富营养级和中～富营养级，其中徒骇河除在4月和6月为重富营养级外均为富营养级，而铃铛湖除在5月和6月为富营养级外均为中营养级。

2.2 铃铛湖和徒骇河温室气体浓度、饱和度和排放通量

如表2所示，铃铛湖和徒骇河表层水中温室气体浓度和排放通量均表现为CO2> CH4> N2O，而三种温室气体均处于高度过饱和状态，CH4的饱和度远高于N2O和CO2(P<0.01)，铃铛湖CH4平均饱和度分别是N2O和CO2的29.7倍和21.5倍，而徒骇河则为41.0倍和192.7倍。徒骇河N2O和CH4的平均浓度、饱和度和排放通量均显著高于铃铛湖(P<0.05)，而CO2则无显著差异；两水体温室气体排放通量均为正值，说明其均表现为大气温室气体的“源”，与其他河流水体温室气体的研究结果一致[3，4]。

表2 铃铛湖和徒骇河水体温室气体溶存浓度、饱和度和排放通量的参数统计

温室气体在水体中饱和度和水-气界面通量是基于实测水中温室气体浓度和大气浓度差值计算出的，且两采样点距离较近(<2.2 km)，环境条件较为接近，使饱和度和排放通量主要受控于水中温室气体浓度，从而导致各温室气体浓度、饱和度和排放通量具有较为一致的时间变化规律(图2)，因此后面的分析和讨论将主要基于各温室气体浓度展开。

如图2，徒骇河N2O和CH4的含量、饱和度和排放通量多显著高于铃铛湖(P<0.05)，CO2前期两水体相当，后期徒骇河要高于铃铛湖，但整体不具有显著差异(P>0.05)。徒骇河表层水N2O浓度自4月至6月总体呈缓慢上升趋势，增幅约26.3%，然后显著降低，降幅为49.9%，随后又逐渐上升，至11月底其浓度增加至5月至6月水平；而铃铛湖水体N2O浓度随时间呈波动变化趋势，至6月底达到极大值后逐渐降低，9月至11月平均浓度仅为6月前水体平均浓度的48.6%。徒骇河CH4浓度随时间出现三次明显的上升-下降的反复波动变化，其峰值出现在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，其浓度与采样初期(4月～5月)相当；铃铛湖CH4浓度显著低于徒骇河，但亦表现为上升-下降的波动变化，且在11月23日最后一次采样前总体呈上升趋势，峰值出现在6月5日(0.29 μmol·L-1)和7月9日(0.38 μmol·L-1)，与徒骇河不同，铃铛湖11月底浓度显著降低了约68.1%，仅为采样初期4月底浓度的63.1%。铃铛湖和徒骇河表层水中CO2浓度表现为自4月至6月略有所缓慢降低，降低幅度分别为15.3%和37.5%，然后呈波动上升的变化趋势，增幅分别为57.6%和266.1%。

注：浓度：CO2和CH4为μmol·L-1，N2O为nmol·L-1；饱和度：%；排放通量：N2O为mg N·m-2·h-1，CO2和CH4为mg C·m-2·h-1。图2 铃铛湖和徒骇河水体温室气体浓度、饱和度和排放通量

3 讨论

3.1 不同营养水平水体温室气体溶存和排放的差异分析

研究表明[12]，水体富营养化越严重，温室气体浓度和排放通量就越高。在本研究监测的两个不同营养水平的城市水体中，N2O和CH4的浓度和排放通量均存在显著差异(P<0.05)，但CO2的差异则不显著(P>0.05)。而由表3亦发现两水体EI与N2O含量、饱和度和通量呈显著正相关关系(P<0.05)，而与CH4和CO2相关性不显著(P>0.05)，反映了城市水体中N2O的产生和排放强度与水体的富营养化密切相关，而CH4和CO2则可能受到多种环境因素的综合影响[17]，营养水平可能仅为间接影响。本研究中，虽然N2O和CH4的排放通量远低于CO2，但CH4和N2O的全球增温潜势(GWP)在100年的水平上分别约是CO2的28倍和265倍[18]，因此对温室效应的贡献也不容忽视。