2017, Vol. 38
2. 江西省农业科学院农业工程研究所, 南昌 330200
2. Agricultural Engineering Research Institute of Jiangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanchang 330200, China
二氧化碳(CO2)是大气中最重要的温室气体, 全球气候变暖与大气中CO2浓度的升高关系密切[1].湿地是CO2重要的排放源(2.1 Pg·a-1), 即每年从河流、溪流中排放1.8 Pg C的CO2, 从水库、湖泊排放0.32 Pg C的CO2[2], 湿地中碳排放与陆地上或海洋中的CO2碳汇量相接近[3].水库是一种重要的湿地类型, 而水库中有大量CO2和CH4排放, 这一事实否定了水电是清洁能源的观点, 据最新估算, 全球水库表面每年约排放134.9 Tg CO2[4], 而中国水库表面每年约排放17.0 Tg CO2[5], 约占世界水库CO2排放总量的八分之一.因为中国水库数量众多, 约有98 000座大坝, 总库容9 323.12亿m3, 居世界第一[6].目前国内对水库中CO2排放的报道也较多, 主要集中在长江、黄河其及支流上的各大水库中.
新安江水库是钱塘江上游重要源头之一, 其库容达到178.4亿m3, 是我国华东地区战略水资源储存地[7].但新安江水库的水质因受旅游活动、网箱养殖、水土流失、上游垃圾入湖、过度开发等因素的影响, 水体中总氮(TN)、叶绿素浓度超标, 由2003至2012年对新安江水库水质的监测结果表明, 水体由寡营养逐渐上升到中营养水平[8], 这影响水库表面CO2排放.因为水体中营养盐浓度上升, 会导致浮游藻类浓度升高, 而藻类的光合作用将吸收大气中的CO2, 由CO2排放源转变为CO2吸收汇[9].所以水库中水质状况是影响“水-气”界面上CO2排放的重要因素之一[10].
新安江水库水体中pCO2(CO2分压)和CO2排放通量具有明显的季节变化特征, Wang等[11]使用红外平衡装置系统在5个不连续的月份(1、4、6、8、11月)从上游(街口)到大坝下游河流走航观测pCO2, 坝前库区主体8月pCO2和CO2排放通量最低[分别为0.51 Pa, -7.2 mg·(m2·h)-1], 1月pCO2和CO2排放通量最高[分别为172 Pa, 16.8 mg·(m2·h)-1]; 而大坝下游河流中4月pCO2和CO2排放通量最低[分别为142 Pa, 86.0 mg·(m2·h)-1], 8月pCO2和CO2排放通量最高[分别为385 Pa, 254.5 mg·(m2·h)-1].新安江水库面积大, 形状呈“十字”交叉型, 有西北、中心、东北、东南、西南这5个湖区构成, Wang等[11]只走航观测了西北、中心和东南这3个湖区, 未涉及东北和西南两个湖区.此外, 在不连续的月份监测pCO2, 可能会忽视出现pCO2最大值或最小值的月份.
本项研究采用静态浮箱-气相色谱法对西北、东北、东南、西南这4个主要湖区和坝下河流中对CO2排放通量进行为期1年的连续观测, 分析新安江水库CO2排放的时空变化特征, 以期为评估新安江水电的能源清洁性提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 水库概况新安江水库位于浙江省西部与安徽省南部交界处淳安县境内(29°22′~29°50′N, 118°34′~119°15′E), 地处亚热带季风湿润气候带, 平均气温17.12℃, 无霜期达260 d, 平均降雨量1 487 mm.新安江大坝于1957年4月开始建造, 1959年9月新安江水库开始蓄水, 蓄水后形成的特大山谷型深水水库, 流域面积为10 480 km2, 新安江水库面积为580 km2, 库容量为178.4亿m3, 平均水深达30 m, 湖中面积2.5 km2以上的岛屿1078个, 又名“千岛湖”[7].新安江水库是一个集旅游、发电、航运、防洪、水资源供应与渔业生产于一体的特大型水库, 其巨大的蓄水量对长三角地区经济、社会的发展具有极其重要的意义.
1.2 样品采集与分析西北湖区是新安江水库上游主要入库河流, 为新安江河道的一段, 每年约有60%的入库地表径流量从西北湖区注入新安江水库[12]; 中心湖区、东北湖区、东南湖区、西南湖区这4个湖区组成了新安江水库的库区主体.根据新安江水库的水文特征和形状, 选取上游入库河流——西北湖区安徽歙县(街口断面)、库区主体的东北湖区(进贤溪断面)、西南湖区(茅头尖断面)、东南湖区(桂花岛断面, 图 1)作为新安江大坝上游的采样地点.街口断面因江面狭窄从岸边到江中心依次设置3个采样点(P1~P3), 库区主体的3个断面由岸边至湖中心区域依次设置5个采样点(P4~P18, 图 1).此外, 在新安江大坝下游河流中0.35、1、4、7 km设置4个采样点(P19~P22), 总计22个采样点(图 1).本实验从2014年12月开始至2015年12月结束, 观测这22个样点处“水-气”界面上以分子扩散方式排放的CO2通量.采样活动尽量选择晴朗天气采集样品, 所有样点处气样采集的时间都为上午09:00~11:00, 以避免日变化带来的影响[13].除2015年1月采集2次外, 其余月份都在各月月底采集1次气样, 用于反映CO2排放通量的季节变化.
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图 1 新安江水库采样断面示意 Fig. 1 Distribution of sampling transects in theXin'anjiang Reservoir |
使用静态浮箱法收集“水-气”界面上CO2分子扩散通量, 浮箱由硬质塑料制成, 底部开口, 其长、宽、高分别为65 cm×45 cm×40 cm, 为了避免箱体在太阳直射下升温, 箱体外覆盖了双层气泡铝箔隔热材.在箱体较宽的相对两侧分别固定一条泡沫, 使箱体能够平衡地漂在水面上.在箱体的顶部中心和一角各钻1个小孔, 使用一根3 m长的硅胶管(外径6 mm, 内径4 mm)从中心的小孔插入箱体, 用于收集气样; 而另一根约0.5 m长的硅胶管从箱体顶部一角处的小孔插入箱体, 使箱体内外连通, 以达到平衡箱内与箱外气压的效果.每次采样时, 将3个相同的浮箱(作为重复)同时放置在水面上, 等待浮箱稳定地漂浮在水面后, 使用自制的大气采样器(其中气泵是德国的KNF气泵)分别在时间0、7、14、21 min时, 收集气样, 注入到大气采样袋(0.5 L, 大连海德科技公司)中, 以保存气样[14].
气袋中CO2的浓度使用气相色谱(Agilent 7890A, 美国Agilent公司)分析, CO2浓度分析采用镍触媒的转化器, 转化成CH4, 然后采用带氢焰离子检测器(FID)进行测定. CO2标准气体的浓度分别为462×10-6, 由中国标准物质研究所提供.
气体通量回归的标准：①如果通量值能够满足曲线回归(抛物线, 开口向下), 按照一元二次方程进行回归, 如果抛物线开口向上, 采用线性回归; ②回归曲线(或直线)的R2>0.90; ③抽取的第1个气样浓度值与取样附近的空气样品的差距在10%以内, 否则使用空气样品浓度值替代.分子扩散通量的计算公式[13]：
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(1) |
式中, F为气体通量[mg·(m2·h)-1], ρ为标准状况下CO2的密度(1.977 kg·m-3), dc/dt是单位时间内箱体内气体浓度的增量, T为温度(℃), 因箱体内温度难以直接测量, 使用酒精温度计测量箱体外的气温替代, H为箱体顶空高度(0.35 m).
1.3 数据统计分析首先使用Kolmogorov-Smirnov检验判断这些CO2通量值是否服从正态分布, 如果不服从正态分布, 将CO2通量值使用三角函数或者对数函数等初等函数进行转化使之服从正态分布.然后采用方差分析方法(ANOVA), 使用Student-Newman-Keuls检验方法分析各个断面不同样点处CO2平均通量值之间差异是否显著.所有统计工作是使用SPSS18.0统计软件完成的.
2 结果与分析 2.1 上游入库河流CO2排放上游入库河流(街口断面)CO2平均排放通量为(120.39±135.41)mg·(m2·h)-1, 从岸边(P1)到中心区域(P3)呈增加趋势, 但差异不显著(表 1).
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表 1 街口断面3个取样点CO2扩散通量统计1)/mg·(m2·h)-1 Table 1 Statistics for the diffusive CO2 flux at the three sampling points of the Jiekou transect/mg·(m2·h)-1 |
2014年12月CO2排放通量最大[(336.31±72.30)mg·(m2·h)-1], 2015年4月和8月CO2排放通量最小, 值分别为(-68.63±57.58)mg·(m2·h)-1和(-66.83±9.00)mg·(m2·h)-1(图 2), 此时上游入库河流表层水体成为CO2的吸收汇.但上游入库河流在其余月份为CO2排放源, CO2排放通量季节变化呈波动式下降趋势(图 2)：CO2排放通量在2014年12月~2015年3月保持高排放水平, 均值为(255.58±78.43)mg·(m2·h)-1, 在2015年5月~7月保持中等排放水平, 均值为(127.94±33.75)mg·(m2·h)-1, 而在2015年9~12月保持较低排放水平, 均值为(73.60±28.89)mg·(m2·h)-1.
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横坐标中以2015年1月1日记为1, 30为2015年1月30日, 以此类推, 而-30为2014年12月1日, 下同 图 2 上游主要入库河流CO2扩散排放平均通量动态 Fig. 2 Dynamics of the average diffusive CO2emission flux in the main upstream river |
东北湖区进贤溪断面CO2平均排放通量为(36.65±115.61)mg·(m2·h)-1, 其中岸边样点(P4)CO2平均排放通量最大[(71.90±171.78)mg·(m2·h)-1], 约是其余4个样点处(P5~P8)的2~3倍(表 2).
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表 2 新安江水库主体部分CO2排放通量统计/mg·(m2·h)-1 Table 2 Statistics for diffusive CO2 flux for the sampling points in Xin'anjiang Reservoir's main body/mg·(m2·h)-1 |
2015年冬季(1~2月、12月)和秋季后段(10~11月)为CO2排放源, 最大值出现在12月[(164.83±82.07)mg·(m2·h)-1]; 而春季(4~5月)、夏季(6~8月)和秋季前段(9月)为CO2吸收汇, 最小值出现在7月[(-71.05±8.19)mg·(m2·h)-1, (图 3)].
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图 3 东北湖区CO2扩散排放平均通量动态 Fig. 3 Dynamics of the average diffusive CO2 emission flux in the northeast lake |
西南湖区茅头尖断面CO2平均排放通量为(57.14±141.18)mg·(m2·h)-1, 茅头尖断面CO2排放通量变化趋势不明显：在5个样点中(P9~P13), P11的CO2平均排放通量最大[(108.71±191.40)mg·(m2·h)-1], 湖中心(P13)的CO2平均排放通量最小[(15.10±88.61)mg·(m2·h)-1, 表 2].
冬季(12月~次年2月)、春季前段(3月)和秋季(9~11月)为CO2排放源, 最大值出现在1月[(363.45±231.98)mg·(m2·h)-1]; 而春季后段(4~5月)和夏季(6~8月)为CO2吸收汇, 其中4月CO2排放通量值最小[(-128.51±176.75)mg·(m2·h)-1, 图 4].
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图 4 西南湖区CO2扩散排放平均通量动态 Fig. 4 Dynamics of the average diffusive CO2 emission flux in the southwest lake |
东南湖区桂花岛断面CO2平均排放通量为(61.94±139.49)mg·(m2·h)-1, 桂花岛断面的5个样点从岸边到中心呈增加趋势, 岸边处(P14)CO2平均排放通量最小[(40.21±125.55)mg·(m2·h)-1], 湖中心(P18)CO2平均排放通量最大[(82.63±160.68)mg·(m2·h)-1, 表 2].
冬季(12月~次年2月)、秋季(9~11月)为CO2排放源, 最大值出现在1月[(318.81±141.47)mg·(m2·h)-1]; 而春季(3~5月)、夏季(6~8月)为CO2吸收汇, 最小值出现在5月[(-150.75±54.95)mg·(m2·h)-1, 图 5].
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图 5 东南湖区CO2扩散排放平均通量动态 Fig. 5 Dynamics of the average diffusive CO2 emission flux in the southeast lake |
新安江大坝下游河流中CO2平均排放通量为(1 535.00±1 447.46)mg·(m2·h)-1, 见表 3.离大坝不同距离的4个样点比较可以发现, 距离大坝越远, CO2排放通量呈下降趋势：距离大坝0.35 km的样点处(P19)CO2平均排放通量最大[(3 031.21±1 530.23)mg·(m2·h)-1], 距离大坝7 km处的样点处(P22)CO2平均排放通量最小[(599.85±608.46)mg·(m2·h)-1], 仅为P19样点处的20%, 而距离大坝1 km(P20)和4 km(P21)的CO2平均排放通量相接近, 约为P19样点处的40%(表 3).
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表 3 下游河流距大坝不同距离的样点CO2排放通量统计/mg·(m2·h)-1 Table 3 Statistics for CO2 flux at the sampling points at different distances to the dam in the downstream river/mg·(m2·h)-1 |
比较离大坝不同远近的4个样点处CO2排放通量动态, 可以发现：距离大坝最近的样点(P19)处CO2排放通量高于其它3个样点, 其中6~10月CO2排放通量持续上升, 10月达到最大值(6 680.83±1 885.99)mg·(m2·h)-1, 此后下降(图 6); 距离大坝1 km(P20)与4 km(P21)的2个样点的CO2排放通量动态相似, 上半年波动向下, 下半年变化平缓(图 6); 距离大坝7 km的样点(P22)CO2排放通量在2014年12月和2015年1月通量较大, 此后变化平稳, 且通量值较小(图 6).
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图 6 新安江大坝下游4个样点CO2扩散排放平均通量动态 Fig. 6 Dynamics of the average diffusive CO2 emission flux for the four sampling points in the river downstream of Xin'anjiang Reservoir |
新安江水库上游河流中CO2平均排放通量120.39 mg·(m2·h)-1, 约是库区主体(36.65~61.94)mg·(m2·h)-1的2~3倍, 从上游河流至库区主体CO2排放通量呈下降趋势, 但是大坝下游河流中CO2平均排放通量[1 533 mg·(m2·h)-1]显著增加, 分别约是上游河流和库区主体的13倍和25~42倍.这种变化趋势与使用喷淋-鼓泡式平衡器-非分散红外检测系统在新安江上游至大坝下游走航观测的CO2排放的空间动态较一致[11].但本项研究的CO2排放通量的结果高于Wang等[21]的结果(表 4), 可能是由于采用的方法不同带来的差异.
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表 4 新安江水库CO2排放通量与其他水库CO2排放通量比较/mg·(m2·h)-1 Table 4 Comparison of CO2 emission flux in the Xin'anjiang Reservoir and other reservoirs/mg·(m2·h)-1 |
新安江水库上游河流CO2平均排放通量略高于三峡水库上游河流, 但低于丹江口水库上游入库河流(表 4).新安江水库库区主体CO2平均排放通量低于三峡水库库区主体及龙溪河、香溪河、彭溪河等支流, 低于重庆城区小水库和周边农、林业区小水库表面排放出的CO2排放通量, 也低于黄河花园口水库和小浪底水库中CO2排放通量, 但高于乌江流域红枫等4个水库、丹江口水库、万安水库和新丰江水库中CO2排放通量(表 4).新安江水库坝下河流中CO2平均排放通量显著高于三峡水库坝下河流和乌江流域红枫等4个水库(表 4).
新安江水库库区主体的3个断面呈现出相近的CO2源与汇更替的格局：春、夏季是CO2的吸收汇, 而秋、冬季是CO2的排放源(图 3~5).这一源汇转化可能由于春、夏季时水体中的藻类等浮游植物繁殖导致光合作用增加, 从而吸收表层水体中溶解的CO2, 造成表层水体中pCO2低于大气中CO2的压强, 形成CO2的吸收汇.这一推测可以从水体中叶绿素a浓度的变化规律得到验证, 新安江水库水体中叶绿素a浓度在2003~2012年这10 a中呈现出春、夏季高, 冬季低的变化格局, 变化范围在1.21~18.1 μg·L-1[8]. Wang等[11]认为, 新安江水库夏季(6月、8月)CO2的吸收汇是因为藻类繁殖光合能力增强, 造成水库表层水体中溶解CO2浓度和pCO2都降低.因藻类繁殖促使水体表面从CO2排放源转化成CO2吸收汇的案例在三峡水库的很多支流也常有报道, 如三峡水库的香溪河支流[9, 14]、梅溪河[22]等, “水华”发生时间多出现在春季和夏季, 此时支流内的pCO2低, CO2排放通量为负值, 为吸收汇.
3.2 大坝下游的CO2排放通量大坝下游河流中全年都是CO2的排放源, CO2排放随着与大坝距离的增加也逐渐降低(表 3).新安江大坝的出水口位于坝体下部, 坝下河流水体从坝前深水处释放出来, 在强烈的扰动下, 富含CO2的水体迅速将CO2排放出来, 所以在坝下0.35 km(P19样点)处观测出~3 000 mg·(m2·h)-1这样极高通量值, 但随着离大坝距离的增加, 在坝下1 km(P20样点)处CO2排放通量值降低至P19样点的40%, 坝下7 km(P22样点)处CO2排放通量值仅为P19样点的20%, 因为坝前深层水体中溶解的CO2在坝下数公里的河道中逐渐释放出来, 并且随着距离的增加, 水体流速、扰动强度不断地降低.
P19样点冬季CO2排放通量虽然较高, 但7~10月CO2排放通量不断上升(图 6).新安江水库坝前水体在4月~次年1月存在热分层现象[7, 25], 热分层现象限制了上层与下层水体的溶解态物质的交换[9].虽然坝前水体表面存在CO2吸收汇和排放源之间季节转换, 但下层水体中在下半年时pCO2分压较高, pCO2约从7月405 Pa不断上升到10月的567 Pa, 至11月减低到527 Pa和12月的486 Pa, 仍处于过饱和状态[11].当深层水体通过大坝后, 造成P19样点处7~10月CO2排放通量不断升高, 11~12月下降的变化格局(图 6).
4 结论(1) 新安江水库是CO2的排放源, 排放强度从安徽上游入库水体到淳安的主库区呈下降趋势, 但坝下河流中CO2排放量高于坝前的库区主体.
(2) 新安江水库的库区主体中CO2排放通量具有明显的源、汇转换情况, 春、夏季是CO2的吸收汇, 而秋、冬季是CO2的排放源.
(3) 新安江水库坝下河流中CO2排放高, 但随着与大坝距离的增加, CO2排放通量逐渐下降.
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