环境科学  2014, Vol. 35 Issue (1): 356-364   PDF    
引用本文
肖启涛, 胡正华, James Deng, 肖薇, 刘寿东, 李旭辉. 杀菌剂对湖泊水体温室气体浓度分析的影响[J]. 环境科学, 2014, 35(1): 356-364.
XIAO Qi-tao, HU Zheng-hua, James Deng, XIAO Wei, LIU Shou-dong, LI Xu-hui. Effects of Antiseptic on the Analysis of Greenhouse Gases Concentrations in Lake Water[J]. Environmental Science, 2014, 35(1): 356-364.
杀菌剂对湖泊水体温室气体浓度分析的影响
肖启涛1,3, 胡正华1,2, James Deng1, 肖薇1,2, 刘寿东1, 李旭辉1    
1. 南京信息工程大学大气环境中心, 南京 210044;
2. 南京信息工程大学应用气象学院, 南京 210044;
3. 南京信息工程大学环境科学与工程学院, 南京 210044
收稿日期: 2013-5-18; 修订日期: 2013-8-5.
基金项目： 教育部长江学者和创新团队发展计划项目（PCSIRT）；国家自然科学基金项目（41175136）；江苏省青蓝工程项目（2010）；江苏省自然科学基金项目（BK2011830）；江苏高校优势学科建设工程项目（PAPD）
作者简介：肖启涛（1988~），男，硕士研究生，主要研究方向为全球变化生态学.
通讯联系人,E-mail:zhhu@nuist.edu.cn
摘要：通过往湖泊水样中添加杀菌剂（CuSO4和 HgCl2），利用平衡法，用气相色谱仪测定CO2、CH4、N2O浓度，研究杀菌剂（CuSO4和 HgCl2）添加对湖泊水体CO2、CH4、N2O浓度分析的影响. 实验设计：对照组 （CK）不加任何试剂；处理组T1加1 mL CuSO4溶液，T2加5 mL CuSO4溶液，T3加 0.5 mL HgCl2溶液；每组的水样分两批分析：（Ⅰ）预处理完成后立即分析和（Ⅱ）预 处理完成后静置两天再分析. 结果表明，CuSO4和 HgCl2的添加均能明显增加水体中 CO2的浓度，CK（Ⅰ）和CK（Ⅱ）的CO2平均浓度分别为 （11.5±1.47） μmol·L-1和 （14.38±1.59） μmol·L-1，T1（Ⅰ）和T1（Ⅱ）的CO2平均浓度分别为 （376±70） μmol·L-1和 （448±246.83） μmol·L-1；T2（Ⅰ）和T2（Ⅱ）的CO2平均浓度分别为 （885±51.53） μmol·L-1和 （988.83±101.96） μmol·L-1；T3（Ⅰ）和T3（Ⅱ）的CO2平均浓度分别为 （287.19±30.01） μmol·L-1和 （331.33±22.06） μmol·L-1. 但 CuSO4和 HgCl2添加对水体中 CH4和 N2O的浓度没有影响. 对比Ⅰ和Ⅱ的实验结果可知，在水样预处理完成后需当天分析其温室气体 （CO2、CH4、N2O）浓度. 本研究表明，杀菌剂的添加能显著增加水体CO2的浓度.
关键词： 湖泊     杀菌剂     CO2浓度     CH4浓度     N2O浓度    
Effects of Antiseptic on the Analysis of Greenhouse Gases Concentrations in Lake Water
XIAO Qi-tao1,3, HU Zheng-hua1,2, James Deng1, XIAO Wei1,2, LIU Shou-dong1, LI Xu-hui1    
1. Center of Atmospheric Environment, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China;
2. College of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China;
3. School of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China
Abstract: To gain insight into antiseptic effects on the concentrations of CO2, CH4, and N2O in lake water, antisepetic (CuSO4 and HgCl2) were added into water sample, and concentrations of greenhouse gases were measured by the gas chromatography based on water equilibrium method. Experiments were conducted as following: the control group without antisepetic (CK), the treatment group with 1 mL CuSO4 solution (T1), the treatment group with 5 mL CuSO4 solution (T2), and the treatment group with 0.5 mL HgCl2 solution (T3). All groups were divided into two batches: immediately analysis (Ⅰ), and after 2 days analysis (Ⅱ). Results showed that CuSO4 and HgCl2 significantly increased CO2 concentration, the mean CO2 concentration (Mco2) of CK(Ⅰ) and CK(Ⅱ) were (11.5±1.47) μmol·L-1 and (14.38±1.59) μmol·L-1, respectively; the Mco2 of T1(I) and T1(Ⅱ) were (376±70) μmol·L-1 and (448±246.83) μmol·L-1, respectively; the Mco2 of T2(Ⅰ) and T2(Ⅱ) were (885±51.53) μmol·L-1 and (988.83±101.96) μmol·L-1, respectively; the Mco2 of T3(Ⅰ) and T3(Ⅱ) were (287.19±30.01) μmol·L-1and (331.33±22.06) μmol·L-1, respectively. The results also showed that there was no difference in CH4 and N2O concentrations among treatments. Water samples should be analyzed as soon as possible after pretreatment. Our findings suggest that adding antiseptic may lead an increase in CO2 concentration.
Key words: lake     antiseptic     CO2 concentration     CH4 concentration     N2O concentration    

大气中主要温室气体(CO2、 CH4和N2 O)浓度增加所引起的全球气候变暖，对人类社会经济的可持续发展带来巨大挑战，已成为全球共同关注的重大环境问题[1]. 近20年来, 大气碳收支不平衡, 即碳失汇(missing carbon sink), 一直是全球碳循环研究核心问题之一[2]. 众多研究结果表明海洋是大气CO2的一个巨大的汇[3]，湖泊生态系统作为水体生态系统的一部分，虽然面积远小于海洋，但因其位于内陆，受人为影响较大，与陆地生态系统的物质、 能量、 信息交换强烈，且湖泊生态系统生产力很高，因此研究湖泊温室气体的吸收和排放有着重要意义. 淡水湖泊本身也是全球碳循环的重要组成部分[4]. 所以湖泊作为全球变化研究的重要对象，客观地评价其对大气中主要温室气体浓度变化的贡献亦是全球气候和环境变化研究中的重要内容.

据Downing等[5]研究估算，贮存在湖泊的生物体有机碳大约为0.036 Gt ·a-1, 另以溶解态有机碳(DOC)沉积率为30%计，DOC将有0.015 Gt ·a-1沉积在湖泊中, 故全球范围内总有机碳(TOC)则有约0.051 Gt ·a-1 滞留在湖泊中, 其中0.035 Gt ·a-1 是来源于大气CO2. Schrier-Uij 等[6]对荷兰12个不同湖泊研究指出淡水湖泊对大气中的温室气体的含量有着重要的贡献，研究区的湖泊CO2和CH4的平均排放通量分别为(61.5±7.1) mg ·(m2 ·h)-1和(3.9±1.6) mg ·(m2 ·h)-1，表明湖泊向大气排放温室气体. Bastviken等[4]指出以往在计算生态系统碳收支平衡时未考虑湖泊等水生生态系统的作用，湖泊可能是大气中CO2和CH4的潜在源，他们研究得出全球淡水湖泊每年向大气中排放的CH4的量约为103 Tg.

湖泊水体中CO2、 CH4、 N2 O等温室气体的产生是一个复杂的生物化学过程，CO2的产生主要通过呼吸等生物过程产生，CH4的产生主要是两个对抗过程的平衡：厌氧条件下通过甲基化产生CH4,有氧条件下CH4被氧化消耗[5， 7]. 湖泊水体CO2和CH4的产生易受气温[8, 9, 10]、 风场[8]、 光照[11]、 气压[12]等气象因素和水位波动[11]以及pH[6, 13]、 水温[13]、 水体含氧量[14]、 初级生产力[13， 15]、 有机碳[16]等水环境因素的影响. 湖泊中的N2 O主要是通过微生物的氨化、 硝化及反硝化作用产生的[17].

水体温室气体的产生和消耗与微生物密切相关，复杂的生产和消耗机制使得分析水体中温室气体的浓度易受外界因素的影响，且多数湖泊处于富营养化状态，这对水体温室气体尤其是CO2的释放影响显著[18]，使水体温室气体浓度的分析存在很大的不稳定性. 为了消除环境对实验结果的影响，需在采集的水样中加入杀菌剂，消除生物活动对实验结果的影响. 王东启等[19]在研究夏季长江河口反硝化作用以及N2 O的排放动态时， C2H2和甲醛溶液被用作杀菌剂抑制水样中微生物的活性，在分析水样中溶解无机碳浓度时也用到杀菌剂[20]. 国内学者在研究长江[21]、 河流[22]以及近海[23]等水体中溶解的N2 O等温室气体浓度时，HgCl2溶液被广泛用作水样的杀菌剂. 在研究湖泊等水体中CH4的浓度[24]、 分布规律[25]以及排放动态时[7， 26]，为防止因微生物的活动而导致CH4的产生或氧化，饱和HgCl2溶液亦被用作水样的杀菌剂. 在控制水体藻类水华和藻类等水生生物生长时CuSO[27]4或含Cu[28]杀菌剂被用作抑制剂，且Cu2+亦能抑制水体中微生物活动[29]. 因此在分析水样中CH4、 N2 O浓度时，常在水样中添加CuSO4和HgCl2等杀菌剂.

气相色谱法实现了CO2、 CH4、 N2 O浓度的同步测定，在陆地和大气温室气体研究中广泛运用[30, 31, 32]，因此在分析水样温室气体浓度时也可以考虑同步分析3种气体. 水样中添加杀菌剂后分析CH4[7，24,25,26]、 N2 O[21, 22, 23]浓度已经比较成熟，需要考虑添加杀菌剂是否也适用于水中CO2浓度的测定. 本研究通过平衡法和气相色谱法分析水样中温室气体浓度，分析添加CuSO4、 HgCl2等杀菌剂是否影响湖水中CO2、 CH4和N2 O浓度， 探索出同步分析湖泊水体3种温室气体浓度的可行方法，以期为湖泊温室气体排放量的估算和全球温室气体收支的定量化研究提供科学支持.

1 材料与方法
1.1 采样点位置

湖泊水样采集点在中国科学院太湖生态系统研究站的栈桥顶端，位于太湖西北部的梅梁湖区. 该区属于湖湾型湖滨带,周围的环境多为山地, 洼地, 发育的滩地, 湖滨浅水环境, 水产养殖区以及居民点[33]. 梅梁湖区亦是太湖富营养化最严重的湖区, 藻类水华暴发频繁. 2010年该湖区冬夏两季总氮平均含量达到2.65 mg ·L-1, 总磷平均含量达到0.206 mg ·L-1, 叶绿素平均含量达到86.1 μg ·L-1[34].

1.2 杀菌剂处理

根据表 1中杀菌剂浓度的设置，结合所采集水样的自身特点，为能达到杀菌效果和不影响气体的溶解度，本文杀菌剂浓度设置为：CuSO4的质量分数为2%(添加1 mL到水样中，铜离子质量浓度约为40 mg ·L-1)，HgCl2的质量分数为6%(接近饱和).

表 1 杀菌剂剂浓度的选择 Table 1 Choice of antiseptics concentration
1.3 湖水的采集和处理

采集水下20 cm处的湖水，装到24个300 mL的玻璃瓶中，每个玻璃瓶装满水样后立即盖上丁基胶塞，并保证瓶中无气泡. 为了防止气体逸出，用ParafilmM封口膜密封.

每瓶水样用100 mL高纯氮气(浓度mol ·mol-1, ≥99.999%)顶空，然后剧烈摇晃5 min后静置. 将24个水样随机分为4组(每组6个水样)，分别编号为CK、 T1、 T2、 T3. 实验设计为：对照组(CK)不加任何试剂； 处理组T1加1 mL CuSO4溶液(质量分数2%)； 处理组T2加5 mL CuSO4溶液(质量分数2%)； 处理组T3加0.5 mL HgCl2溶液(质量分数6%). 每组水样分两批分析(每批3个水样)：一批为立即分析(Ⅰ)，一批为静置两天后再分析(Ⅱ). 水样的处理及具体编号见表 2.

表 2 水样的分组处理 Table 2 Water sample treatments
1.4 气样的采集分析和浓度计算

用带有三通阀的针筒采集玻璃瓶顶空的气样，每次抽样20 mL. 气样用经改装的Agilent-6890N气相色谱仪同步分析CO2、 CH4、 N2 O浓度. 利用物质平衡原理，由目标气体气相浓度推算其液相原始浓度，以CO2气体为例，目标气体液相的原始浓度计算如下:

式中，[CO2]w是CO2在水样中的原始浓度(μmol ·L-1)； [CO2]g是CO2气体在水样的液相和气相中达到动态平衡时CO2在气相中的浓度(μmol ·L-1)，由Agilent-6890N气相色谱仪分析出. β的计算见式(2)，K的计算见式(3). 

式中，Vg是水样中气相部分的体积(mL)； VL是水样中液相部分的体积(mL)； [CO2]L是CO2气体在水样的液相和气相中达到动态平衡时CO2在液相中的浓度(μmol ·L-1)，计算如下:

式中，x是CO2气体在水中的摩尔分率，无量纲，通过亨利系数和CO2在气相中分压计算得出.

1.5 碱度-pH计算湖水CO2浓度和总游离无机碳(TIC)

用酸碱滴定法测水样碱度，用酸度计测水样pH. 用碱度和pH值推算出水样游离的CO2浓度[35]. 由于水样是测气完成之后测定其碱度，所以用碱度-pH推算出的CO2浓度不是水样中原始的CO2浓度，而是公式(4)中[CO2]L，并将由碱度-pH计算出的[CO2]L与气相色谱法计算出的[CO2]L进行对比分析. 碱度-pH计算水中游离CO2浓度如下:

式中，[CO2]为水样中游离CO2浓度(mol ·L-1)； [Alk]为水样碱度(mol ·L-1)； [OH-]为水中OH-浓度(mol ·L-1)； Kb2=([H2CO3]×[OH-])/[HCO-3](在25℃Kb2=2.3×10-8).

根据碱度和pH计算出水样中TIC[36]:

式中，[Alk]为水样的碱度(mol ·L-1)； α1=([H+]/K1 + 1 +K2/[H+])-1，α2=(([H+]2/K1K2 + [H+])/K2+1)-1，K1=([H+][HCO-3])/[CO2(aq)]，K2=([H+][CO- 23])/[HCO-3](在25℃时 K1=10-6.3，K2=10-10.25).

1.6 自来水对比实验

将上述实验方法运用于自来水. 自来水来源于实验室用水，先让自来水流10 min后水体内部均匀后再采集水样. 通过对比自来水和湖水两种不同水体的实验结果寻找CuSO4和HgCl2溶液影响水体温室气体浓度的原因.

2 结果与分析
2.1 不同处理条件下湖水温室气体浓度的变化
2.1.1 CO2浓度

图 1是不同处理水样的CO2浓度. 不同处理的CO2浓度差别很大，大小依次为T2>T1>T3>CK. CK(Ⅰ)和CK(Ⅱ)的CO2浓度分别为(11.5±1.47) μmol ·L-1和(14.38±1.59) μmol ·L-1； T1(Ⅰ)和T1(Ⅱ) 的CO2浓度为(376±70) μmol ·L-1和(448±246.83) μmol ·L-1； T2(Ⅰ)和T2(Ⅱ) 的CO2浓度为(885±51.53) μmol ·L-1和(988.83±101.96) μmol ·L-1； T3(Ⅰ)和T3(Ⅱ)的CO2浓度分别为(287.19±30.01) μmol ·L-1和(331.33±22.06) μmol ·L-1. Ⅰ和Ⅱ中不同杀菌剂处理对水样CO2浓度均有影响，CuSO4(T1、 T2)比HgCl2(T3)更能增加CO2浓度.

同Ⅰ的CO2浓度相比，Ⅱ的CO2浓度略微偏高，CK、 T1、 T2和T3的CO2浓度分别高30.13%、 19.08%、 11.62%和15.36%,且Ⅰ和Ⅱ的差异达到显著水平(P<0.01). 因此Ⅱ处理对CO2浓度有影响，能显著增加水样CO2浓度.

图 1 不同处理CO2浓度的变化

Fig. 1 Variation of CO2 concentration in different treatments
2.1.2 CH4浓度

由图 2可见，不同处理的CH4浓度相差不大. CK的CH4浓度同T1、 T2及T3的CH4浓度相近，且3种不同处理间CH4浓度也相差不大. 因此T1、 T2及T3处理对CH4浓度没有影响.

图 2 不同处理CH4浓度的变化

Fig. 2 Variation of CH4 concentration in different treatments

同Ⅰ的CH4浓度相比，Ⅱ的CH4浓度有轻微变化，具体为Ⅱ(CK、 T1、 T2)的CH4浓度分别降低15.45%、 4.5%、 2.26%，而Ⅱ T3的CH4浓度增加9.2%. 但Ⅰ和Ⅱ的差异性不显著(P=0.996)，因此静置2 d后分析对水样CH4浓度影响不显著. Ⅰ和Ⅱ中不同杀菌剂处理对水样CH4浓度影响不明显，差异性均不显著(P>0.05).

2.1.3 N2 O浓度

由图 3可见不同处理的N2 O浓度相差不大，CK的N2 O浓度同T1、 T2、 T3的N2 O浓度相近，且3种不同处理间N2 O浓度也相差不大，因此T1、 T2和T3处理对N2 O浓度没有影响.

图 3 不同处理N2 O浓度的变化

Fig. 3 Variation of N2 O concentration in different treatments

同Ⅰ的N2 O浓度相比，Ⅱ的N2 O浓度增加，Ⅱ(CK、 T1、 T2、 T3)的N2 O浓度分别增加1.8%、 25%、 21.3%和15.1%，但Ⅰ和Ⅱ差异性不显著(P=0.793)，因此静置2 d后分析对N2 O浓度影响不显著. Ⅰ和Ⅱ中不同杀菌剂处理对水样N2 O浓度影响不明显，差异性均不显著(P>0.05).

2.2 杀菌剂对CO2和碱度、 pH之间关系的影响
2.2.1 湖水CO2浓度和碱度的关系

由表 3可见，随着CO2浓度的变化碱度也随之改变，且两者变化趋势相反. 与CK中碱度相比，T1和T3中碱度略微有降低，T2中碱度大幅降低. 各处理组水样的pH和对照组相比都有明显降低，T3中pH值亦降低最剧烈. Ⅰ系列和Ⅱ系列水样CO2浓度和碱度都呈现明显的负相关性(P=0.01). 因此湖水中CO2浓度与碱度呈负相关关系，CuSO4和HgCl2均能降低湖水碱度和pH，增加CO2浓度.

表 3 不同处理水样碱度、 pH、 TIC及两种方法计算的[CO2]L 1)

Table 3 Variation of alkalinity, pH, TIC and [CO2]L calculated by two methods in water sample under different treatments


2.2.2 总无机碳(TIC)和CO2浓度的关系

不同处理水样的TIC浓度有着很大的变化，与CO2浓度的变化趋势相同(表3)，Ⅰ系列和Ⅱ系列CO2浓度和TIC浓度呈极显著正相关(P=0.001). 因此湖水中CO2浓度与TIC浓度有正相关关系，CuSO4和HgCl2的添加能极大地增加TIC和CO2浓度.

2.3 气相色谱法和碱度-pH法的CO2浓度比较

图 4是气相色谱和碱度-pH两种方法的CO2浓度的比较. 结果表明Ⅰ和Ⅱ中两种方法得到的CO2浓度均有极显著线性关系(P=0.001), R2分别达到0.85和0.86. CK中两种方法的CO2浓度相近，但气相色谱法得到的T1和T3的CO2浓度远大于碱度-pH法计算的CO2浓度，T1中的约是碱度-pH法的1.3倍(Ⅰ)和2倍(Ⅱ)，T3中的均约是碱度-pH法的1.5倍，而T2的相反，约是碱度-pH法的1/3.

图 4 两种方法中CO2浓度的对比分析

Fig. 4 Comparative analysis of CO2 concentration in two methods
2.4 自来水对比实验结果

表 4结果表明CuSO4、 HgCl2杀菌剂能显著降低自来水的pH和碱度，增加自来水中CO2浓度，但不影响CH4和N2 O浓度，这与湖水分析结果一致.

表 4 杀菌剂对自来水中温室气体浓度的影响

Table 4 Effects of antiseptic on greenhouse gases concentrations of tap water



3 讨论
3.1 CuSO4及HgCl2添加对湖水温室气体浓度分析的影响
3.1.1 CO2浓度分析

CO2具有高度可溶性，水体中高浓度CO2可以汇集在水-气界面附近，当汇集到一定程度后排放到大气中，且水生生态系统中C源主要来自陆地生态系统溶解有机碳(DOC)输入[6]，Jonsson等[37]研究证明湖泊溶解C或者颗粒C对湖泊CO2浓度有着很重要影响，且相关研究也证明湖泊水体沉积物的呼吸及有机质在微生物作用下的降解也是CO2重要的源[38]. 本实验表明少量CuSO4及HgCl2添加明显增加水样CO2浓度，且添加的量不同导致CO2浓度增加程度也不同. Yamada等[25]在野外采集的水样中添加HgCl2溶液后再送到实验室分析水样，他们认为水样添加杀菌剂后能立即抑制微生物的活性，在运送水样到实验室的过程中可以排除微生物影响. 本实验中添加杀菌剂抑制微生物活动后水样反而出现很高CO2浓度，这可能是因为水样采集地处于富营养化状态，水体中有大量悬浮物[39]，CuSO4及HgCl2添加使水样有机质增多，促使水样中溶解C增多，导致水样有更多CO2产生，如表3中数据表明CuSO4等杀菌剂添加使水样TIC浓度明显增加，且实验结果表明不同处理条件下水样TIC浓度和CO2浓度有极好的相关性(P=0.001). 另外，水样采集地具有高浓度的溶解无机碳，在溶解无机碳中碳酸氢根占很大比例[39]，CuSO4及HgCl2属于弱酸盐, 能降低水样pH(见表3数据)，促使水样中大量碳酸氢根转化成CO2，造成分析结果偏高. 且其他实验数据也表明杀菌剂能明显增加水体中CO2浓度， 2011年8月采集水样用气相色谱分析其温室气体浓度时，水样没有添加CuSO4等杀菌剂，CO2月平均浓度为(26.06±10.35) μmol ·L-1，但在2011年9月采集的水样添加5 mL CuSO4(质量分数2%)溶液后，CO2月平均浓度为(709.09±49.92) μmol ·L-1，杀菌剂添加能明显改变水样CO2的浓度(见表 5)，且差异性达到极显著(P<0.01).

表 5 杀菌剂添对水样温室气体浓度的影响

Table 5 Effects of antiseptic on the greenhouse gases concentration of water samples

每组Ⅱ中CO2浓度均高于Ⅰ中CO2浓度，且两者差异达到显著水平(P<0.01)，这可能是因为微生物活动对水样CO2浓度有影响，如T1、 T2和T3中水样添加了杀菌剂，抑制了微生物的活动，其Ⅱ中CO2浓度比Ⅰ中CO2浓度虽然分别增加19.08%、 11.62%和15.36%，但明显低于CK的增加程度，CK中由于水样没有添加杀菌剂，Ⅱ中CO2浓度比Ⅰ中CO2浓度增加30.13%. 静置2 d后CO2浓度的增加也可能是由于外界环境的改变导致密闭瓶内气压等发生改变，促使CO2不断在气相中累积，同时在处理组中杀菌剂对微生物抑制作用可能不彻底或不理想，导致静置2d后对照组和处理组中CO2浓度升高. 因此在采集水样分析湖泊水体CO2浓度时，水样顶空摇晃静置一段时间，使水样中目标气体在气相和液相达到动态平衡后，当天就可以用气相色谱分析其浓度，例如Demarty 等[40]在研究加拿大湖泊等水体温室气体排放时，在水样顶空摇晃后当天就用色谱分析其CO2等温室气体浓度.

3.1.2 CH4浓度分析

湖泊水体CH4的产生主要和水体中氧含量有很大关系，Tremblay等[14]研究表明水体含氧量影响水库甲烷排放，且富营养化湖泊CH4排放主要靠气泡[41]，但沉积物中产生的甲烷不全进入到气泡中，其中一部分通过扩散上升到水面,上升过程中，由于水中氧浓度的逐渐上升，产生的大部分甲烷被生活在有氧-缺氧临界面的甲烷氧化菌消耗掉[42]. 本实验表明CuSO4和HgCl2添加对水样中CH4浓度分析没有影响. 且表 5数据亦表明杀菌剂添加对水体CH4浓度分析没有明显的影响，差异性不显著(P>0.05)，因此在研究水体CH4浓度及排放动态时常在水样中添加杀菌剂消除外界环境对实验结果的影响[7，24，26，34].

Ⅰ和Ⅱ的对比结果表明，放置一段时间后水样中CH4的浓度在多数情况会降低，且CK中CH4浓度降低最多，可能是由于CK中没有添加杀菌剂,微生物活动造成水样分析结果出现偏差，例如甲烷氧化菌能在有氧条件下将CH4氧化为CO2[6，42]，使结果偏低，添加杀菌剂后能抑制微生物活动，降低偏差. 因此为了消除实验误差，水样未添加杀菌剂时顶空摇晃静置一段时间后当天就需分析水样中CH4浓度，Juutinen等[43]在研究北方不同湖泊CH4排放动态时，在水样顶空和摇晃后当天就用色谱分析其CH4浓度.

3.1.3 N2 O浓度分析

湖泊水体中N2 O是通过微生物的硝化作用和反硝化作用等一系列生物化学过程产生的，在水体氮循环中，有氧环境中主要为硝化作用，厌氧环境中主要为反硝化作用[19]. 本实验结果表明CuSO4等杀菌剂添加对水样N2 O浓度没有影响，因此在分析水体N2 O浓度时可以添加杀菌剂抑制微生物活动. 且表 5数据亦表明杀菌剂添加对水体N2 O浓度分析没有明显影响，因此在研究水体溶解N2 O浓度和排放动态时常添加杀菌剂消除外界环境对实验结果的影响[21, 22, 23].

Ⅰ和Ⅱ的对比结果表明，放置一段时间后水样N2 O浓度升高，但CK的升高程度明显远低于T1、 T2和T3，这可能是因为处理组中水样pH降低(表3)，低pH有利于N2 O的产生[22]，导致分析的N2 O浓度升高. 实验结果也表明pH降得越低，Ⅱ中N2 O浓度相对Ⅰ中N2 O浓度升高越多(CK、 T1、 T2和T3中分别升高1.79%、 25.06%、 20.96%和15.09%). 在分析湖泊等水体N2 O浓度时，为减少微生物活动或者添加杀菌剂后因pH改变打破气液两相动态平衡对结果造成误差，在水样顶空摇晃处理后，需在静置一段时间后当天分析其N2 O浓度.

3.2 CO2浓度和碱度的关系

本实验结果表明CuSO4及HgCl2添加在增加水样CO2浓度同时也改变水样碱度，使水样碱度降低，且不同处理下水样CO2浓度和碱度呈现明显负相关关系(P=0.01)，这可能是因为水体CO2浓度和碱度有着平衡尺度[44]，CuSO4等杀菌剂添加使水样碳酸盐和重碳酸盐变成CO2，因此碱度降低. 通过碱度-pH法和气相色谱法两种方法得到的CO2浓度比较可知：两种方法分析计算的CO2浓度存在极显著线性关系(P=0.001)，且在CK中两种方法计算的CO2浓度相差不大(表3)，这与前人的研究一致[45]，但在T1、 T2和T3中两种方法计算的CO2浓度有很大的差异(表3)，这可能是因为CuSO4等杀菌剂添加降低水样pH，使水样从碱性变到弱碱性或酸性，破坏CO2和碱度的平衡.

3.3 自来水中温室气体浓度的变化

本研究表明CuSO4及HgCl2添加也能增加自来水中CO2浓度，降低碱度和pH，但对CH4和N2 O浓度没有影响，因此在不同处理条件下自来水水中温室气体浓度变化趋势与湖水相同，这可能是因为CuSO4等杀菌剂为弱酸盐，在水体中添加CuSO4等溶液后增加水体中溶解的C，破坏水体中碳酸盐平衡，导致有更多的CO2产生及碱度和pH降低. 但与对照组相比，自来水处理组中CO2浓度增加程度要远小于湖水处理组CO2浓度增加程度,这可能是因为自来水作为一种相对纯净的水体，其内部生物量和有机质等要远小于湖水.

3.4 两种杀菌剂效应的差异

在水样添加两种杀菌剂：CuSO4(T1、 T2)和HgCl2(T3), 结果表明两种杀菌剂对水体中CH4和N2 O浓度的影响没有区别，但是对水体中CO2浓度的影响有着很大区别，二者差异达到极显著(P<0.01). T3中CO2浓度增加的程度要小于T1和T2，这可能是因为HgCl2在杀菌同时不会影响气体在水体中溶解度[46]，而CuSO4可能会影响气体在水体中的溶解度，且本实验水样采集地——太湖的无机碳中碳酸氢根和溶解的二氧化碳所占的比例分别为95.3%~97.9%和1.3%~4.5%[39]，若添加杀菌剂能改变CO2在水中的溶解度，则会对水体CO2浓度产生很大的影响. 表3中数据表明T1和T3中TIC浓度相差不大，但是水体中游离CO2浓度有很大区别，因此CuSO4在杀菌同时可能会影响气体在水中溶解度.

4 结论

(1)CuSO4、 HgCl2添加对水体CH4和N2 O浓度没有明显影响，但对CO2浓度有显著增加. 因此在富含碳酸氢根等无机碳的富营养化湖泊水体中，用气相色谱法同步分析CO2、 CH4、 N2 O这3种温室气体浓度时，不能在水样中添加CuSO4、 HgCl2等杀菌剂.

(2)水样中添加CuSO4和HgCl2能降低碱度和pH,增加游离无机碳的浓度，促使大量的CO2产生.

(3)杀菌剂CuSO4和HgCl2对水体CO2浓度影响程度不同； 相对于自来水，杀菌剂对湖泊水体CO2浓度影响强度更大.

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