2017, Vol. 38
2. 四川省农科院土壤肥料研究所, 成都 610066
2. Soil and Fertilizer Research Institute, Sichuan Academy of Agricultural Sciences, Chengdu 610066, China
CO2、CH4和N2O作为大气中3种最主要的温室气体, 对全球变暖的总贡献率超过了70%, 并每年分别以0.5%、0.8%和0.3%的速度增长[1].水生系统被认为是重要的温室气体排放源, 据估算, 全球内陆水生系统CO2的排放量已经与海洋生态系统和陆地生态系统的总排放量相当[2], 全球水生系统排放的CH4和N2O对大气贡献率分别达到50%和25%~30%[3, 4].目前, 大量学者对河流[5~7]、水库[8, 9]、滩涂[10]等水-气界面温室气体的时空动态变化[11]、影响因素[12]、生产与运输机制[13]等问题进行了研究.但是, 对于受人类生活和农业耕作双重影响, 且兼具河流和湿地双重特征的沟渠生态系统温室气体排放的相关研究较少.
成都平原作为我国最悠久的农业自流灌溉区和主要的粮食生产基地之一, 农业发达, 沟渠纵横.沟渠作为平原地区重要的生态廊道具有汇水、持水的作用, 同时是养分截留、转化和传输的关键场所[14], 是平原区温室气体排放总量估算不可或缺的一部分.目前, 关于成都平原沟渠温室气体排放的研究还未见报道.因此, 本研究通过实地勘察, 运用静态浮箱法对成都平原农业沟渠、农业生活复合沟渠、生活沟渠水-气界面的CO2、CH4和N2O排放通量进行了分析, 揭示了成都平原不同类型沟渠生态系统温室气体的排放特征及其影响因素, 以期为进一步估算沟渠对温室效应的贡献比例提供依据.
1 材料与方法 1.1 研究区域概括成都平原地形平坦, 南北长约200 km, 东西宽近90 km, 面积约9 000 km2, 是中国西南三省最大的平原.境内人口密度为1 143.39人·km-2, 河网密度达1.22 km·km-2.成都平原年均降雨量1 200~1 600 mm, 年均气温16.1℃, 属暖湿亚热带太平洋东南季风气候.本研究在成都平原西部选择了相同等级的3种类型沟渠, 分别为农业沟渠(30°33′35″N, 103°38′38″E)位于四川农业大学现代化农业研发基地, 主要用于农业排灌水, 农田退水会带入大量化肥; 农业生活复合沟渠(30°33′34″N, 103°38′32″E, 复合沟渠)位于农村居民点, 既有农业废水也有生活污水排入; 生活沟渠(30°33′43″N, 103°40′33″E)位于城市居民区, 主要用于生活排污, 大量厕所污水和厨房污水排入, 有机物含量丰富. 3条沟渠等级相同, 水文状况基本一致, 夏季水深范围为1~1.5 m, 春、秋两季水深范围为0.5~1 m, 冬季水深范围为0.25~0.5 m.沟渠底质均为水泥混凝土结构, 受上游都江堰清明节放水的影响, 4月~9月, 沟渠底部几乎没有沉积物, 10月~3月, 沉积物厚度范围为1~3 cm.
1.2 采样方案及气象数据来源每条沟渠共3个采样点, 安全起见, 样点随机分布在沟渠有阶梯的地点, 每个样点放置3个静态箱同时采样.采样时间为2014年3月~2015年2月, 选每月中旬天气晴好之日采样1次.样品包括水-气界面温室气体和表层上覆水.在采集样品的同时测定水温和pH.风速采用对应区域中国天气网发布的每小时平均10 m高度的风速.月降雨量采用对应区域气象局发布的24 h降雨量计算总和.用500 mL聚乙烯瓶采集表层10 cm水样, 4(C保存, 在48 h内分析完毕.本试验采用隔热静态漂浮箱(0.5 m×0.5 m×0.5 m)采集水-气界面的温室气体样品.采样前, 箱体于通风处倒置, 使箱内气体混合均匀, 然后将箱体在水面放平, 用配有三通阀的注射器分别于箱体下水后0、7、14、21 min采集0.2 L气样, 装于0.5 L镀铝内膜气袋, 气袋在使用前排净空气, 并用高纯N2清洗, 清洗完毕后用真空泵将气袋内的N2抽出.
1.3 样品分析 1.3.1 上覆水样品分析pH和水温采用便携式pH计法, 溶解氧(dissolved oxygen, DO)采用电化学探头法, 铵态氮(ammonium nitrogen, NH4+-N)采用靛酚蓝比色法, 硝态氮(nitrate nitrogen, NO3--N)采用紫外分光光度法, 全氮(total nitrogen, TN)采用碱性过硫酸钾消解法, 全磷(total phosphorus, TP)采用钼酸铵分光光度法.
1.3.2 气体样品分析温室气体的浓度使用Agilent7890气相色谱仪测定.分析CO2、CH4和N2O采用的是相互独立的进样与分离系统, 其中CO2和CH4采用的是单阀单柱进样分离系统, 共用一个FID检测器, 检测器温度200℃, N2O采用的是双阀双柱自动进样, 反吹、分离和切换系统, 单独使用ECD检测器, 检测器温度330℃, 柱箱温度55℃, 镍触媒转化器温度375℃[15].
将标准气体峰面积与浓度建立线性关系, 由所采样品所测峰面积算出其浓度, 再将箱内气体浓度随时间变化率代入下式计算温室气体排放通量[16]：
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(1) |
式中, F为排放通量[mg·(m2·h)-1], ρ为密度(g·L-1), V为箱内体积(L), dc/dt是箱内气体浓度随时间变化率[mol·(L·min)-1], A为采样箱横截面积, M为摩尔质量(g·mol-1), P为标准大气压(1.013×105 Pa), R为普适气体常数[8.314 J·(mol·K)-1], T为箱内平均温度(℃), H为水面至箱顶的高度(m).
1.4 数据分析采用Excel2007绘制图表, SPSS22.0进行单因素方差分析(One-Way ANOVA)分析数据之间的差异性, 相关分析用Pearson相关系数衡量.
2 结果与分析 2.1 水质参数农业沟渠、复合沟渠和生活沟渠TP年均质量浓度均达不到地表水Ⅳ类( < 0.3 mg·L-1)标准.农业沟渠、复合沟渠和生活沟渠TN年均质量浓度分别超过地表水Ⅴ类(2.0 mg·L-1)标准的2.0倍、2.5倍和1.6倍. NH4+-N是地表水氮素的主要构成形态, 生活沟渠NH4+-N年均质量浓度是地表水Ⅴ类(2.0 mg·L-1)标准的3倍.农业沟渠、复合沟渠和生活沟渠DO年均质量浓度均只能达到地表水Ⅳ类(>3 mg·L-1)标准(表 1). N、P超过临界值会导致水体出现由清水-浊水稳态转变、DO含量降低等问题[17].地表水环境质量标准(GB 3838-2002)规定生活饮用水至少达到Ⅲ类标准, 农业用水至少达到Ⅴ类标准, 沟渠水质均达不到农用、饮用标准, 需要进一步治理才能作为农业用水和饮用水.
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表 1 沟渠水质情况(n=108)/mg·L-1 Table 1 Water quality of ditches(n=108)/mg·L-1 |
2.2 沟渠平均水温和降雨量月变化
采样日水温和月均降雨量的变化范围分别为8.33~23.65℃和3.9~382.7 mm(图 1).水温和降雨量在观测期间总体呈现先增高后降低的趋势, 并均在7月达到峰值, 分别为23.65℃和382.7 mm, 在1月均达到最低值, 分别为8.33℃和3.9 mm.春季(3~5月)、夏季(6~8月)、秋季(9~11月)、冬季(12月~次年2月)平均水温分别为12.75、22.45、14.28、8.96℃.降雨量主要集中在夏季, 达689.4 mm, 占年降雨量的71.56%.冬季降雨量为14.3 mm, 仅为年降雨量的1.48%.春、秋季降雨量分别为105.2 mm、154.5 mm, 水温和降雨量都表现为夏>秋>春>冬的特征.
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图 1 采样日水温和月均降雨量变化特征 Fig. 1 Water temperature in samples and daily and monthly variation of rainfall |
农业沟渠、复合沟渠和生活沟渠CO2月均排放通量范围分别为91.11~1 126.21、-1.23~1 287.31、-2.23~936.63 mg·(m2·h)-1(图 2).3条沟渠CO2排放通量均呈现先增加后降低的趋势.农业沟渠CO2排放通量在7月达到峰值, 复合沟渠和生活沟渠均在6月达到峰值, 3条沟渠均在1月达到最低值.只有复合沟渠和生活沟渠在1月的数据为负值, 表现为CO2的汇, 其他时间则表现为CO2的源. 3条沟渠CO2排放通量均表现为夏>秋>春>冬, 且3条沟渠夏季CO2累计排放通量占全年累计排放通量的56.14%(表 2), 说明夏季是沟渠CO2排放的主要季节.
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图 2 2014年3月~2015年2月沟渠CO2通量月变化特征 Fig. 2 Monthly variation of CO2 flux from March 2014 to February 2015 |
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表 2 不同类型沟渠CO2、CH4和N2O季均通量1) Table 2 Seasonal fluxes of CO2, CH4 and N2O in different types of ditches |
农业沟渠、复合沟渠和生活沟渠的CH4月均排放通量范围分别为2.63~19.06、0.69~23.94、3.73~40.00 mg·(m2·h)-1(图 3). 3条沟渠CH4的排放通量均呈现先增加后降低的趋势.农业沟渠CH4排放通量在7月达到峰值, 在3月出现最小值.复合沟渠在6月达到峰值, 在3月出现最小值.生活沟渠在6月达到峰值, 在2月出现最小值.在整个观测期间均没有负值出现, 说明沟渠是CH4的净排放源.农业沟渠CH4排放通量均值表现为夏>秋>春>冬, 复合沟渠表现为夏>秋>冬>春, 生活沟渠表现为夏>春>秋>冬(表 2).
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图 3 2014年3月~2015年2月沟渠CH4通量月变化特征 Fig. 3 Monthly variation of CH4 flux from March 2014 to February 2015 |
农业沟渠、复合沟渠和生活沟渠N2O月均排放通量范围分别为1.01~35.45、0.71~27.61、-2.27~70.35 μg·(m2·h)-1(图 4).农业沟渠N2O排放通量在7月达到峰值, 在3月达到最小值.复合沟渠和生活沟渠均在6月达到峰值, 分别在3月和11月达到最小值.只有生活沟渠在11月为负值, 表现为N2O的汇, 其他月份为N2O的源.农业沟渠和复合沟渠N2O排放通量均值均表现为夏>秋>冬>春, 生活沟渠表现为夏>春>秋>冬, 且3条沟渠夏季N2O累计排放通量占全年累计排放通量的67.21%(表 2), 表明夏季是沟渠N2O排放的主要季节.
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图 4 2014年3月~2015年2月沟渠N2O通量月变化特征 Fig. 4 Monthly variation of N2Oflux from March 2014 to February 2015 |
农业沟渠、复合沟渠和生活沟渠CO2年均排放通量分别为343.74、480.86、424.61 mg·(m2·h)-1, 复合沟渠CO2排放通量显著高于生活沟渠和农业沟渠(P < 0.05, 图 5).农业沟渠、复合沟渠和生活沟渠CH4年均排放通量分别为9.18、8.66、20.27 mg·(m2·h)-1(图 5), 表现为生活沟渠>农业沟渠>复合沟渠.农业沟渠、复合沟渠和生活沟渠N2O年均排放通量分别为10.22、7.47、22.39 μg·(m2·h)-1(图 5), 表现为生活沟渠>农业沟渠>复合沟渠.生活沟渠CH4和N2O累计排放通量分别占3条沟渠累计排放通量的54.97%和55.86%, 说明生活沟渠是重要的CH4和N2O排放源.
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不同大写字母表示不同沟渠间差异显著(P < 0.05); 相同大写字母表示不同沟渠间差异不显著 图 5 不同类型沟渠CO、CH4和N2O的年均通量 Fig. 5 Annual fluxes of CO2, CH4 and N2O in different types of ditches |
复合沟渠中的微生物受到生活污水和农业化肥的双重刺激, 造成CO2成倍产生, CO2在水体中为过饱和状态并在水-气界面大量排放, 导致复合沟渠CO2年均排放通量显著高于农业沟渠和生活沟渠(P < 0.05, 图 5).生活沟渠含大量有机污染物, 表现为典型的城市污水污染特征, 而有机污染的水体更能促进水生系统N2O的排放[18], 所以生活沟渠N2O年均排放通量显著高于农业沟渠和复合沟渠(P < 0.05, 图 5). CH4主要由乙酸厌氧发酵产生, 上覆水中的DO会将大部分的CH4氧化成CO2, 生活沟渠DO质量浓度为最低, 复合沟渠DO质量浓度最高, 所以生活沟渠CH4年均排放通量显著高于农业沟渠和复合沟渠(P < 0.05, 图 5).有研究显示相对于处于自然生态系统的河流, 受人为干扰的河流CH4和N2O排放通量可能会增加1个数量级[19, 20], 本研究中, CO2、CH4和N2O的年均排放通量分别为416.40 mg·(m2·h)-1、12.70mg·(m2·h)-1、13.36 μg·(m2·h)-1, 其中CH4和N2O的排放通量高于自然生态系统的湖泊和水库[18, 21], 因此, 人类活动强度是造成不同水体温室气体排放通量差异的主要原因.
3种类型沟渠CO2、CH4、N2O的排放通量均呈现出夏季最高, 冬季最低, 春秋季相当特征(图 2~4).夏季平均水温22.5℃, 适宜微生物活动, 产生的CO2、CH4和N2O相对更多, 而冬季人类活动量小, 减弱了对沟渠系统的干扰, 同时冬季较低的水温不利于气体向水-气界面运输, 导致温室气体长时间储存在上覆水中[22].这与对小兴安岭森林沼泽带[23]、上海苏州河[6]、黄河口[24]、沿海盐沼湿地[25]等地的研究结果一致.但不同于水库CO2排放通量在春季达到最大值[26], 春季沟渠水位变化并不明显, 而春季农业需水量大, 水库放水导致消落带水位变化剧烈, 增强消落带中微生物活动排放CO2.也不同于芦苇湿地N2O排放通量在冬季最高[27], 是因为沟渠为水泥混凝土结构, 不能生长植物, 而湿地的芦苇在冬季枯萎, 为N2O的产生提供充足的底物与能量.本研究中复合沟渠和生活沟渠在1月的CO2排放通量为负值, 生活沟渠在11月的N2O排放通量为负值, 是由于冬季气压升高, 导致温室气体在大气中的分压升高, 促使温室气体向水体扩散[21].河流、潮滩等地方N2O和CH4在春冬季也出现了弱吸收现象[10, 28].因此, 不同类型的水生系统, 其水-气界面温室气体排放的时空变化特征不尽相同.
3.2 沟渠CO2、CH4和N2O排放的影响因素 3.2.1 环境因子对CO2、CH4和N2O排放通量的影响温暖的水体能促进沉积物中有机物矿化产CO2和CH4[29, 30], CO2和CH4排放通量分别与水温呈显著正相关(P < 0.05, 表 3). N2O排放通量与水温的相关系数高于CO2和CH4, 是因为水温升高, 能够同时增强硝化细菌和反硝化细菌的活性, 从而成倍地产生N2O[22, 31].降雨能够带入大量含碳、氮的悬浮物质作为微生物活动的底物, 还能减少CH4在向水-气界面运输过程中的氧化消耗, 同时水体厌氧的环境有助于反硝化作用产生N2O[32], 除此之外, 降雨对气体在水中的运输速率有促进作用[33], 能够加快温室气体的扩散, 所以CO2、CH4和N2O排放通量与降雨量均极显著正相关(P < 0.01, 表 3). CO2、CH4排放通量与风速呈正相关, N2O通量与风速呈负相关, 但均达不到显著水平(表 3).可能有两个原因, 一是本研究区位于平原地区, 风速较小且变化不大(0.9~1.2m·s-1), 当风速小于某一临界值时, 对水-气界面的气体交换量基本无影响[34], 二是本研究采用静态箱法, 箱体极大削弱了风速对水-气界面气体交换通量的影响.
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表 3 CO2、CH4和N2O通量与环境因子的皮尔逊相关系数1) Table 3 Correlation coefficient of environmental factors with the fluxes of CO2, CH4, and N2O |
3.2.2 水质参数对CO2、CH4和N2O排放通量的影响
本研究期间pH值变化范围不大(7.11~7.86, n=108), CO2、CH4和N2O排放通量与pH的相关性均未达到显著水平(表 4). CO2与DO呈极显著负相关(P < 0.01, 表 4), 这与很多研究结果不同, 可能是因为沟渠较之于其他类型的水体具有独特的水动力条件和物理特征, 具体的原因有待进一步研究.沉积物厌氧层产生的CH4进入上覆水后, 90%会被氧化消耗[35], 因此DO成为沟渠CH4排放通量的主控因子. N2O主要由反硝化作用产生, 沟渠水体DO较低(均值3.32mg·L-1), 反硝化作用占主导地位[36].本研究中N2O排放通量与DO呈极显著负相关(P < 0.01, 表 4), 这与对金川河的研究相反[8], 是因为N2O也能通过硝化作用产生, 金川河水体DO较多, 硝化作用占主导地位.可见, DO的浓度决定了N2O的主要产生途径.有研究指出, 水体NH4+-N存在临界值, 低于临界值时, CH4排放通量与NH4+-N质量浓度呈显著正相关(P < 0.05, 表 4), 超过临界值后会抑制甲烷菌的活性[37, 38], 所以CH4排放通量与NH4+-N质量浓度也可能显著负相关[26].外源有机氮输入可以减小微生物呼吸过程对电子供体的竞争, 从而促进CO2产生[39], 沟渠水体高氮负荷的特征可增加N2O的产生量[40], 所以本研究中CO2、N2O排放通量与TN质量浓度均极显著正相关(P < 0.01, 表 4).本研究中, CO2、CH4和N2O排放通量与TP和NO3-N质量浓度均未达到显著相关水平(表 4).
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表 4 CO2、CH4和N2O通量与水质参数的皮尔逊相关系数1) Table 4 Correlation coefficient of Water quality parameters with the fluxes of CO2, CH4, and N2O |
4 结论
(1) 研究区沟渠的水质大部分为劣五类水, 本文选取的3条沟渠的水质均达不到农用、饮用标准, 沟渠高氮负荷, 低溶氧量的水体环境能促进温室气体的大量排放.
(2) 沟渠温室气体排放时空变化明显, 3条沟渠CO2、CH4和N2O月均排放通量的变化范围分别为-2.26~1 504.40 mg·(m2·h)-1、0.69~40.00 mg·(m2·h)-1、-2.27~70.35 μg·(m2·h)-1, 其与降雨量、水温均表现出夏高冬低的特征; 不同类型沟渠, 温室气体排放规律不同, 复合沟渠CO2排放通量显著高于农业沟渠和生活沟渠(P < 0.05), 生活沟渠CH4和N2O排放通量显著高于农业生活复合沟渠和农业沟渠(P < 0.05).
(3) 影响CO2、CH4和N2O排放通量的主要环境因子相同, 为水温和降雨量; 而水质参数不同, 具体表现为DO和TN是影响CO2和N2O排放通量的主要水质参数, DO和NH4+-N是影响CH4排放通量的主要水质参数.
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