不同富营养状态下浅水湿地甲烷浓度变化特征研究

2023-10-12贺文枨肖尚斌刘心庭朱良辰李毅旭张鑫毅陈明鉴

三峡大学学报(自然科学版) 2023年5期

贺文枨肖尚斌刘心庭刘佳朱良辰李毅旭张鑫毅陈明鉴刘流

(1.三峡大学三峡库区生态环境教育部工程研究中心, 湖北宜昌 443002;2.三峡大学水利与环境学院,湖北宜昌 443002;3.湖北三峡职业技术学院, 湖北宜昌 443002;4.云南师范大学地理学部, 昆明650500)

甲烷(CH4)是一种具有强烈增温潜势的温室气体,在全球气候变暖中的贡献率仅次于二氧化碳[1].内陆淡水生态系统在全球碳循环过程中扮演着重要角色,是CH4的主要排放来源[2-3].湿地是内陆淡水生态系统中碳循环和气候调节的重要组成部分,它存储和转化了大量的碳,总的非人为CH4排放量约6%～16%被认为是由湿地贡献[4-6].随着环境污染形势日趋严重,水体富营养化普遍发生,富营养改变了CH4生成所需底物及氧化时所需氧的可利用性,使得湿地CH4排放量存在极大的不确定性[7-9].

CH4浓度变化一般取决于两个拮抗过程:CH4生成和氧化,水体富营养化使得这两个过程之间的平衡发生了改变[10].阿尔卑斯山的布尔热湖因富营养化导致沉积物机质含量以及水中氧可利用性变化,使得沉积物中产甲烷菌群落结构和丰度发生了改变[11];滇池和洱海厌氧甲烷氧化潜力以及亚硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化细菌的丰度和群落结构受湖泊富营养化显著影响[12];长江中下游不同营养状态湖泊沉积物的矿化速率存在显著差异,沉积物中氮、磷营养盐浓度越高,水中溶解甲烷浓度越高[13].然而,这些研究大多集中于大型深水湖泊,对面积非常小的浅水湿地和湖泊溶存CH4浓度变化规律研究十分鲜见,这些小面积浅水湿地和湖泊占全球湖泊和湿地面积的8.6%,但CH4扩散排放量占内陆淡水生态系统的40.6%[14-15].它们底泥中泥炭丰富,有机质矿化作用强烈,CH4排放量高,在全球和区域尺度范围难以测绘,导致它们尚未完全纳入当地和全球的碳预算[16-17].

鉴于此,以湖北省宜昌市12个不同富营养化状态的小面积浅水湿地为研究对象,采用Xiao等[18]研发的快速水-气平衡装置(Fa-RAGE),对水体溶解CH4浓度进行季节性监测,同时监测各水环境因子.探究不同营养状态沉积下小型浅水湿地溶存CH4浓度季节变化规律及影响因素的差异性,为进一步实现湿地CH4排放的准确估计提供科学参考.

1 材料及方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于中国湖北省宜昌市境内,该地区地处亚热带季风气候区,多年平均降雨量1 206 mm,降雨多集中在6至9月,年均温度16.9℃,监测基本信息见表1.

表1 采样点基本信息

1.2 样品采集与处理

2022年3、7、10、12月按照《水质采样技术指导》(HJ494—2009)采集水样,水样采集前将聚乙烯瓶在1∶1盐酸中浸泡24 h,再用去离子水清洗烘干后密封在干净的密封袋中备用,水样采集前用样点处水润洗2～3次,然后进行采集,密封后放入车载冷冻箱内,转运到冰箱中保存直至分析.

采用多参数水质分析仪(YSI-EXO,美国)测定水温(Temp)、电导率(Sp Cond)、溶解氧(DO)浓度、溶解性总碳(DOC)浓度和叶绿素a(Chl.a)浓度等水环境参数.表层水体溶解CH4浓度测量采用新型快速水-气平衡装置(Fa-RAGE)[18]连接温室气体分析仪(Picarro G2301,美国)测定.总磷(TP)、总氮(TN)、硝氮(NO3-N)、氨氮(NH4-N)、正磷酸盐(PO3-4)指标的检测方法参照文献[19].

1.3 数据处理与分析

1.3.1 富营养化评价模型

采用综合营养状态指数法对水体进行富营养状态评价,以叶绿素为基准参数求得其他水质参数权重,最终通过公式(1)加权得到综合营养状态指数,公式为:

式中:ITL(∑)为综合营养状态指数;Wj为第j种水质参数权重;ITL(j)为第j种水质参数营养状态指数;m为参与评价的参数个数.各水质参数营养状态指数计算公式如下:

式中:X为水体Chl.a的质量浓度(mg·m-3);Y为水体TN 的质量浓度(mg·L-1);Z为水体TP的质量浓度(mg·L-1).以Chl.a为基准参数,参数权重归一化计算公式为:

式中:rij为第j种参数与基准参数Chl.a的相关关系;Wj为第j种水质参数权重.

贫营养为ITL(∑)＜30;中营养为30≤ITL(∑)≤50;轻度富营养为50＜ITL(∑)≤60;中度富营养为60＜ITL(∑)≤70;重度富营养为ITL(∑)＞70.

1.3.2 薄边界层法

式中:F为水-气界面扩散通量(mg·m-2·h-1);k为气体交换系数(cm·h-1);Cw为表层水体溶解甲烷浓度(μmol·L-1),为本研究实测获得;Csat为该气体相对于上方空气而言平衡时表层水体中的浓度(μ·mol-1),通过文献[20]计算;F1为厘米与米的转化系数(0.01);F2为甲烷的相对分子质量(16 g·mol-1).

1.3.3 数据分析

使用Microsoft Excel 2019进行数据处理,结果以均值和标准偏差表示,使用origin 2021软件对实验图表进行绘制;使用IBM SPSS探究相关性、主成分、聚类、线性回归以及多元逐步回归分析.

2 结果与讨论

2.1 水体理化性质季节变化特征

湿地水体理化性质季节变化特征见表2,研究区域12个浅水湿地在监测时期主要表现为3个营养状态:轻营养(a、b、c、d)、中营养(e、f、g、h)、重营养(i、g、k、l).各项水体理化指标呈现出明显的季节变化,均值大小大多表现为重营养湿地＞中营养湿地＞轻营养湿地.

表2 浅水湿地水体理化参数季节变化

2.2 溶存CH4 浓度季节变化特征及影响因素

水体溶解CH4浓度季节变化见表3,结果表明不同营养状态的浅水湿地CH4浓度具有不同的季节性波动特征,轻营养和重营养湿地CH4浓度季节变化趋势相同,均表现为先增加再下降的变化趋势,但轻营养湿地秋季为CH4浓度最大值,重营养湿地最大值出现在夏季,均值分别为1.16μmol·L-1和3.10 μmol·L-1,冬季浓度均为最低,均值分别为0.33 μmol·L-1和2.07μmol·L-1;中营养湿地CH4浓度呈现先增加在下降在增加的波动变化趋势,夏季为CH4浓度最大值春季为最小值,均值分别为1.61 μmol·L-1和0.77μmol·L-1.

表3 不同富营养营养状态湿地溶解CH4 浓度季节变化(单位:μmol·L-1)

ITL(∑)与水体溶存CH4浓度关系如图1所示,湿地ITL(∑)值越大,水体溶存CH4浓度越高.湿地CH4的浓度变化主要受两个拮抗过程影响:CH4生成和氧化,水体富营养会加剧CH4生成和氧化对环境因子的敏感性,CH4生成比CH4氧化对环境因子更敏感,富营养化放大了此敏感性[21].此外富营养程度更严重的湿地中内源营养物质的释放(碳、氮、磷)促进了沉积物垂向坡面的变化,导致CH4浓度增加[22].

图1 不同湿地溶解甲烷浓度季节变化图

采样一元线性回归对湿地溶存CH4浓度与环境因子进行线性拟合结果如图2所示,TN 浓度、TP浓度、DO 浓度以及p H 值拟合效果最佳(R2＞0.5).随着水体TN 和TP 浓度的升高,CH4浓度明显增大(图2(a)中R2=0.67;图2(b)中R2=0.51;),水体氮磷含量升高是湿地富营养化的主要影响因素之一,较高的氮磷浓度会导致更丰富的甲烷生成底物,例如影响甲烷营养体丰度和II型甲烷营养体比例[11-12].通常认为CH4是在严格厌氧条件下有机质分解和氧化降解的最终产物[23],较高的溶解氧条件会抑制产甲烷菌的活性,加速甲烷氧化(图2(c)中R2=0.55),近来有研究发现表层水体中的有氧区域有产甲烷微生物的存在[24],但这类微生物产甲烷的影响机制尚不清楚,Tang等[25]认为这类生物在水中产甲烷过程中可以通过配备某种酶来抵消产甲烷过程中分子氧的影响或使用不涉及氧敏感酶的替代途径.水生生态系统中酸碱环境的差异,p H 值越大,CH4浓度越低(图2(d)中R2=0.57),p H 值对产甲烷和甲烷氧化微生物的丰度、群落结构以及生命代谢会产生重要的影响[26-27].Qiu等[28]通过从甲烷微生物群落以及能量代谢多方面综合探究不同p H 值下产甲烷的影响,结果表明随着p H 值越大,大多数参与甲烷生产酶基因的丰度和活性越低,例如乙酸激酶和甲酰甲烷呋喃脱氢酶.

图2 溶解CH 4 浓度与环境因子的线性拟合

对所有环境因子进行主成分分析,得到两个主成分(见表4),累积解释所有环境变量的61.34%,其主成分1主要与DO、SpCond、TN、TP、PO3-4等关系密切,表征水体生化特征和营养水平;主成分2主要与水温、DOC、Chl.a相关性最强,表征水体的初级生产力和碳储存水平.Charlotte等[29]研究表明湿地由于较高的凋落物产量和厌氧分解,CH4排放与湿地初级生产力呈显著正相关.湿地中的碳通量受初级生产力的强烈驱动,水体富营养化提高初级生产力,并且可能因湿地植被类型而有所差异[30-31].

表4 水环境因子主成分分析的因子得分系数

采用逐步多元回归分析筛选溶存CH4浓度的关键控制因子,结果显示,TN、Temp、Chl.a和p H 值为溶存CH4浓度主要的控制因子(R2=0.87,P＜0.001),其中TN、Chl.a浓度以及Temp显著促进溶存CH4浓度的变化,而水体p H 值会显著降低溶存CH4浓度的变化.

式中:CCH4、CTN、CChl.a分别表示水体CH4、TN、Chl.a的浓度;T为水温;P为水体p H 大小.

2.3 CH4 浓度及扩散通量差异性分析

3个不同营养沉积下湿地溶存CH4浓度均表现出明显的季节变化,轻营养湿地溶存CH4浓度在秋季为最大值,冬季为最小值;中营养和重营养湿地均在夏季CH4浓度为最大值,中营养湿地CH4浓度最小值出现在春季,重营养湿地最小值出现在冬季.由于CH4生成随温度呈指数增加,直到达到最佳值,然后由于失活和细胞衰变而迅速下降,因此季节变化引起的温度变化会影响湿地水体溶存CH4浓度.Samad等[32]在研究瑞典5个不同富营养状态湿地的有氧至亚缺氧或缺氧区域的甲烷营养菌的丰度时发现,季节变化引起的温度差异是重营养湿地甲烷营养群落之间存在显著差异主要影响因素.Sepulveda等[33]认为,CH4产生过程比CH4氧化时对温度的变化更加敏感,富营养化还会放大这种温度敏感性,导致富营养越严重的湿地溶存CH4越高.湿地溶存CH4浓度与水环境因子Person相关性分析热图如图3所示,3个不同营养状态的浅水湿地(轻、中、重富营养)溶存CH4浓度均与水体DO 浓度呈显著负相关(P＜0.01),与水体p H 值呈负相关(P＜0.05).此外轻营养浅水湿地与水体TP浓度呈正相关(P＜0.05),随着湿地营养状态的增加,TN 浓度与水体溶存CH4浓度相关性显著(P＜0.01),在重营养浅水湿地中DOC浓度对溶存CH4浓度也存在一定影响(P＜0.05).湿地营养状态较低时,水体磷浓度是溶存CH4浓度主要约束因素,淡水生态系统中CH4产生不仅依靠赋存于沉积物和水体厌氧层的产甲烷古菌,还可能来自有氧环境中其他产甲烷微生物的代谢作用[24],近年来研究发现[34-35],CH4的产生与磷的可用性有关,异养细菌分解甲基膦酸盐作为磷源,在缺乏磷酸盐时细菌会利用有机膦酸完成代谢活动,在整个代谢过程中,CH4作为磷酸去甲基化的副产物被还原而生.当水体氮磷浓度充足富营养状态较严重时,沉积物底物矿化时所需底物充足,CH4浓度的变化主要受到水体总氮浓度和其他环境因素变化的影响,较高的总氮浓度可能会影响水体CH4的氧化过程,通常认为CH4氧化完全是由好氧过程催化的,而忽略了厌氧CH4的氧化,如亚硝酸盐依赖性厌氧CH4的氧化过程,亚硝酸盐浓度的变化使得总氮浓度发生改变,进而影响的氧化速率[36].

图3 溶解CH 4 与环境因子Person相关性分析热图

图4为基于12个湿地ITL∑和溶存CH4浓度的聚类分析树形图,横坐标为样点间的距离,距离越近,表明两者越相似,选择5～10为组间距离标准,4个季节均得到差异明显分组.春、夏、秋、冬季12个浅水湿地均被分为差异明显的3个组.总体来看,a湿地水质状况较其他湿地较好,富营养状态春季和冬季都出现中营养情况,CH4浓度始终处于较低水平,因此出现被单独划分为一类;c、d两湿地始终被划分为一类,说明二者CH4整体变化趋势相同;j、k、l在春、夏以及秋季时CH4浓度均远高于其他湿地且富营养状态较为严重所以均被分为一类.聚类分析表现出明显的季节性差异,可能是由于研究区降雨和温度的季节性变化,使得湿地水体营养状态和地下水位发生季节性改变,湿地季节性水位变化与CH4通量之间存在很强的相关性[37].地下水位的变化不仅直接控制CH4的产生和消耗,而且通过改变湿地土壤的物理化学性质深刻地影响CH4通量[38],形成湿地植物群落,并改变甲烷排放的温度敏感性[39].

图4 聚类树形图

不同富营养状态的小型浅水湿地均表现为CH4的源(见表5),富营养程度越严重,CH4扩散通量越大.处于轻营养状态的湿地CH4扩散通量变化范围为0.01～0.55 mg·m-2·h-1(均值0.2±0.55);中营养湿地CH4扩散通量变化范围为0.04～1.21 mg·m-2·h-1(均值0.25±0.35);重营养的湿地扩散通量变化范围为0.06～2.86 mg·m-2·h-1(均值0.54±0.74).本文研究区域中轻营养湿地和同为亚热带长江沿岸其他湿地(洞庭湖、鄱阳湖、太湖)甲烷扩散通量均值处于同一数量级,其中重营养湿地甲烷扩散通量较高.可能是由于洞庭湖、鄱阳湖、太湖均为深水湿地,本研究区域的12个湿地均为小面积浅水湿地,研究表明浅水湿地释放的CH4量明显高于深水湿地,一方面,由于进入湿地沿岸带的高碳输入促进了甲烷生成;另一方面,由于浅水湿地对大气压力差异对气泡逸出的影响的敏感性以及从沉积物到水面的短迁移距离,CH4排放受到刺激[40].由于所处气候带不同,湿地CH4扩散通量随气候带的变化表现出明显的空间异质性(表5),热带地区富营养化浅水湿地CH4扩散通量最高,温带地区富营养化浅水湿地CH4通量最低,其主要原因还是因为温度的变化影响了甲烷的产生和氧化.