2018, Vol. 39
2. 中国科学院重庆绿色智能技术研究院, 中国科学院水库水环境重点实验室, 重庆 400714
2. Kay Laboratory of Reservoir Environment, Chongqing Institute of Green and Intelligence Technology, Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714, China
自三峡水库修建完成后, 大坝截留, 三峡库区水体从天然河道改变为人工水库, 库区水体较之前天然河道水位升高、流速减缓、扩散能力减弱、污染物停留时间加长, 这些改变造成了库区水质及生态系统的变化[1~3].由于回水托顶加重了库湾和部分支流的污染, 水域局部水体在部分时段出现富营养化.近年来在小江、香溪河等污染严重的支流受到了许多学者的关注[4~7].
通常淡水生态系统被认为是大气重要的碳源, 浮游植物、浮游动物、鱼类、沉水植物、沉积物、水动力条件和风场等因素都会对水体中碳循环产生影响[8, 9].三峡水库生态系统的碳循环过程在不同的时空区段内呈明显差别[10, 11].三峡水库每年6~9月的低水位运行期间近似于天然河道, 而在10月~次年2月的高水位运行期间具有深水的湖沼学特征[12], 反季节的水位涨落在很大程度上影响到了水库的碳循环过程.三峡水库CO2释放通量小于热带水库但高于寒温带水库, CH4释放通量显著小于热带水库和新修建的寒温带水库[13].三峡水库香溪河库湾秋季水-气界面CO2、CH4、N2O的释放通量具有明显的日变化特征:大部分时间均向外界大气排放CH4; 而CO2和N2O通量的变化全天均表现为向大气释放, 且CO2和N2O通量的昼夜差异较大[14].三峡水库典型支流澎溪河水-气界面CO2和CH4通量在不同时期昼夜变化明显, 且过程不具同步性.CO2昼夜通量变化可能更显著地受到水柱光合/呼吸过程的影响, 但瞬时气象过程(水汽温差、瞬时风速等)在高水位时期亦可对CO2通量产生显著影响; CH4昼夜通量变化与水温条件改变更为密切[15].
水华是氮、磷等营养盐在淡水中富集而导致的藻类大量生长聚集的现象.全球变暖促进了富营养化条件下发生的藻类水华在遍及全世界的湖泊中发生[16].一般认为, 藻类能够通过初级生产固定大量CO2成为水体的碳汇.富营养化通过增加藻类生物量促进碳汇也有报道[17, 18].但这些研究只关注了藻类生活史的生长聚集阶段, 忽视了藻类死亡分解矿化等一系列生物化学过程将释放CO2、CH4和N2O[19].长期以来, 人们更多地从生态系统水平上来探讨CH4的产汇, 而针对水华过程的温室气体的研究却很少涉及.本文拟以三峡水库澎溪河回水区的夏初季节水华为研究对象, 在水华暴发时期开展野外观测和现场原位实验研究.通过野外观测研究自然条件下藻类水华过程中CH4的吸收和释放情况; 通过添加不同浓度梯度的氮、磷, 测定水华过程中藻类对CH4通量的影响, 进而综合揭示该流域在水华过程中的CH4变化规律.
1 材料与方法 1.1 研究区域与实验方案澎溪河(又称“小江”)是三峡库区中段长江北岸一级支流, 流域面积5 172.5 km2, 干流全长182.4 km, 坝前145 m下回水区全长约60 km.其中, 高阳平湖是澎溪河145 m回水区中段较具独特性的水域(图 1及图 2), 其上游(养鹿杨家坝小江电站)、下游(代李子牛栏溪)河段均为峡谷型河道, 河道狭长且断面变化不大, 水力条件相对单一, 而高阳平湖水域则是在上述两个峡谷之间水域面积为4~5 km2(水位145 m)的开阔水域, 湖沼特征上近似于过水型湖泊.另一方面, 高阳平湖水域河道深泓处高程约125~130 m, 淹没区河底高程约为135~140 m; 故在三峡水库“蓄清排浑”的调度运行模式下, 该水域在夏季低水位时期平均水深不足15 m, 冬季高水位时期平均水深将超过40 m, 形成了近似于“浅水湖泊, 深水湖泊”的季节性交替特征.
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图 1 澎溪河高阳平湖示意 Fig. 1 Backwater area of the Pengxi River |
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图 2 高阳平湖采样点位置 Fig. 2 Sampling location in the Gaoyang Lake |
本研究采用原位实验在2016年4~5月春季水华期间, 高阳库湾取水样, 于高阳库湾平台放置大桶进行营养盐添加处理的实验以研究不同富营养状态下的藻类生长、堆积、衰亡和分解过程中的温室气体产汇规律.取发生水华水域的水样, 根据长期研究估计氮、磷浓度, 同时添加1倍、10倍和100倍的氮、磷和氮磷[原水(YS)、1倍氮(1N)、10倍氮(10N)、100倍氮(100N)、1倍磷(1P)、10倍磷(10P)、100倍磷(100P)、1倍氮磷(1NP)、10倍氮磷(10NP)、100氮磷(100NP)].添加的氮为NaNO3, 添加磷为KH2PO4.人工添加磷酸盐、硝酸盐, 设置浓度梯度如表 1.发生水华水域的水样作对照, 每个处理设3个重复.每次共需30个35 L的大桶.每2~4 d进行一次采样, 采样时间均为10:00左右, 连续培养17 d.并现场测量其他理化指标.
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表 1 营养盐添加氮磷浓度梯度 Table 1 Concentration gradient of nitrogen and phosphorus |
1.2 分析方法与数据处理方案
采样时间均为采样日的10:00时左右.用水样瓶采集桶内水体.顶空瓶置于桶中, 以淹没状态进行密封, 采集的水样与顶空瓶均低温保存.现场测试分析指标包括:pH值、溶解氧(DO)、水温等.其中, 采用多参数水质分析仪(HACH® MS5)现场测定pH值(精度分别为0.01个单位); 采用YSI® Pro ODO测定水温、DO(测试精度分别为0.1℃, 0.01 mg·L-1); 现场气温、大气压采用手持式数字大气压计测得.水体中CH4气体浓度的测量用顶空平衡法[20], CH4通量的计算采用Liss等[21]提出的边界层模型.气样分析采用安捷伦7820型气相色谱仪.气体采用十通阀进样, CH4经TDX-01色谱柱分离后直接用FID检测器检测.气体交换通量计算公式见文献[22].氮、磷等营养盐以及叶绿素a(Chla)等生境关键指标的测定参照文献[23]进行.
顶空平衡法用气相色谱仪测出CH4积分峰面积算出CH4在水中的浓度, 水-气界面的CH4交换通量计算公式(1)[24]为:
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(1) |
式中, Flux为CH4气体扩散通量, μmol·(m2·h)-1; KX为气体交换系数; c1为顶空平衡法测出的水中CH4浓度, ng·(L·s)-1; c2水中CH4达到平衡时浓度, ng·(L·s)-1.
本研究的实验分析及计算所得数据全部录入SPSS®或Origin®进行统计分析, 采用Spearman相关性分析对CH4通量及各理化指标进行回归分析, 说明数据间变化的线性相关性.
2 结果与分析 2.1 溶解氧(DO)DO随时间变化规律详见图 3, 1P、10P、1NP、10NP前4 d上升, 并在4 d都达到了峰值, 分别为16.00、15.88、16.76、15.59 mg·L-1, 而其他浓度梯度的水样上升相对较少或直接下降.在9 d时, 基本所有浓度梯度水样的DO都开始回升, 1NP、10NP的溶解氧明显高于其他水样, 1P、10P的溶解氧略高于除1NP、10NP的其他水样.17 d时除10NP、100NP高达13左右, 其他的水样DO都在9~11之间, 推测可能为实验误差造成.
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图 3 DO与采样天数关系 Fig. 3 Relationship between DO and sampling days |
pH值随时间变化规律如图 4所示, 与溶解氧类似, 1P、10P、1NP、10NP的pH在第4~6 d时出现了明显大于添加其他浓度梯度的峰值, 在9 d时1NP、10NP的pH高于1P、10P, 且这4种水样在整个实验过程中pH都明显高于其他水样.在富营养的水体中, 溶解氧主要来源于藻类的光合作用, 光合作用产生的O2远大于呼吸作用需要的O2, 所以光合作用中产生的O2会溶解在水中, 水体pH的变化受光合作用的影响[25].王志红等[26]研究发现在水库藻类水华现象中, pH随藻类数量的变化呈现出有规律的变化.
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图 4 pH与采样天数关系 Fig. 4 Relationship between pH and sampling days |
Chla随时间变化规律如图 5所示, 1P、10P、1NP、10NP的Chla先增加再减少, 有明显的峰值.整个实验过程中1NP、10NP的Chla基本上都大于1P、10P的样品, 而1P、10P、1NP、10NP也基本都大于添加其他浓度营养盐的样品.1P、10P的Chla在2 d达到峰值分别为85.34 mg·m-3、94.19 mg·m-3; 而1NP、10NP在4 d达到峰值分别为105.71 mg·m-3、93.55 mg·m-3.其他营养盐浓度的样品基本直接下降.
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图 5 Chla与采样天数关系 Fig. 5 Relationship between Chla and sampling days |
样品中CH4浓度变化如图 6和图 7所示, 由于实验过程中样品水体与外界环境隔绝, 装样品的桶内也没有底泥, 造成CH4的产生量与所研究的自然界中水体的产量相比受到极大的限制.本实验中的水体前期CH4产量远远小于CH4的释放量, 导致前4 d水样中CH4浓度含量急剧下降.当实验水样释放CH4 4 d后, CH4的释放量与产量相对差值变小.这是因为当采取水样后, 水中溶存的CH4大部分是来自于采样前高阳平湖底泥产生的.这些溶存的CH4并不能立即释放完, 这种释放具有一定的延迟.当进行实验时, 实验桶中没有底泥, 前期CH4浓度就会急剧下降, 当下降到一定程度之后, 藻类对CH4的影响才会显现出来.
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图 6 添加试剂当天至4 d CH4浓度与采样天数关系 Fig. 6 Relationship between CH4 concentrations and sampling days at 0-4 days |
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图 7 4~17 d CH4浓度与采样天数关系 Fig. 7 Relationship between CH4 concentrations and sampling days at 4-17 days |
从图 8和图 9可以看出, 所有样品的CH4释放通量前半期(添加试剂当天至4 d)急剧减少, 添加试剂当天至4 d的CH4释放通量的减少量占总减少量(添加试剂当天至9 d)的88.7%, 变化范围占总变化范围的94%;后半期(4~17 d)变化相对于前半期比较稳定, 变化范围仅为总变化范围的12.1%.4 d至9 d CH4释放通量仍在下降, 但速度比较缓慢, 减少量仅占总减少量的9.7%.9 d所有样品CH4释放通量开始回升, 到13 d原水、1N、10N、100N、1NP、10NP、100NP到达一个相对的峰值然后下降, 但1P、10P、100P的样品在13 d并没有下降, 而是继续上升.
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图 8 添加试剂当天至4 d CH4通量与采样天数关系 Fig. 8 Relationship between CH4 flux and sampling days at 0-4 days |
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图 9 4~17 d CH4通量与采样天数关系 Fig. 9 Relationship between CH4 flux and sampling days at 4-17 days |
采用Spearman相关性分析对CH4通量与各环境影响因子进行回归分析, 分析结果表明, 在全期数据中CH4通量与Chla、溶解氧呈显著正相关(表 2).实测实验前4 d CH4通量与DO呈显著负相关(P=-0.247, Sig. < 0.05), 与Chla无明显相关性; 4~9 d CH4通量与DO(P=0.597, Sig. < 0.01)、Chla(P=0.435, Sig. < 0.01)都呈显著正相关; 而9 d后CH4通量与DO、Chla无明显相关性.这是因为实验刚开始的4 d, 甲烷直接开始从高浓度的水样中释放, 而藻类虽然改变了生存的环境, 但这种反映在现象上有一定的滞后性.前4 d藻类还有一定的增长, 而水样中的溶解氧与藻类的生长情况密切相关, 藻类增多溶解氧增多, 而这时CH4通量是直接开始减少的, 所以前4 d CH4通量与DO呈显著负相关.在4~9 d, 环境改变对藻类的影响体现出来后, Chla含量也开始大幅下降, 导致DO也跟着下降, 这与CH4通量在4~9 d的趋势一样, 所以在这个时期CH4通量与Chla、DO呈显著正相关. Chla与pH呈显著正相关, 是因为藻类的光合作用消耗无机碳, 破坏了碳酸平衡, 带来了pH的改变.温度与其他数据都呈显著负相关, 这是因为实验期间天气情况基本是一个急剧升温的过程, 而其他数据基本是一个减少的过程.
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表 2 全期数据相关性分析1) Table 2 Full term data correlation table |
3 讨论 3.1 藻类与CH4通量 3.1.1 氮磷对藻类的影响
对数据进行分组, 以1P、10P、1NP、10NP为一组, 其他水样为另一组, 进行显著性差异分析, 通过t检验, Sig. < 0.01, 这两组的Chla存在显著性的差异.从Chla、DO以及pH的数据可以看出, 添加1P、10P、1NP、10NP的水样相对于其他的水样对藻类的生长有明显的促进作用.只添加氮时, 水样藻类生长基本与原水一致; 只添加磷或同时添加氮磷且不过多时, 藻类生长得到促进; 添加过多磷时, 藻类生长也没有被促进; 同时添加适量氮磷时, 如1NP, 10NP, 藻类受到的促进最大.所以在适宜的磷的浓度条件下, 藻类的生长是促进的.磷会限制藻类的生长, 氮只有在添加了磷的条件下才会对藻类的生长起到一定的促进作用.
3.1.2 藻类对CH4通量的影响1979年, Weimer等[27]在第一届国际厌氧消化会议上提出了4种群说理论(四阶段理论).该理论认为参与厌氧消化菌, 除水解发酵菌、产氢产乙酸菌、产甲烷菌外, 还有一个同型产乙酸菌种群.这类菌可将中间代谢物的H2和CO2(甲烷菌能直接利用的一组基质)转化成乙酸(甲烷菌能直接利用的另一组基质).厌氧发酵过程分为4个阶段, 各类群菌的有效代谢均相互密切连贯, 达到一定的平衡, 不能单独分开, 是相互制约和促进的过程.4种群说理论如图 10所示.
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图 10 厌氧消化四阶段理论 Fig. 10 Four-stage theory of anaerobic digestion |
水华是大量的藻类聚集形成的结果, 藻类的迅速生长聚集要吸收大量的CO2和营养盐, 死亡后为厌氧消化提供了有机物.这些大量积聚藻类经常发生厌氧的死亡分解, 会释放CH4、CO2和N2O, 小部分藻类会沉降到水底而缓慢释放[19].
水生生态系统温室气体主要通过沉积物-水-大气(或沉积物-植物、浮游植物-大气)体系向大气中排放.水体中的CH4来自水底淤泥中厌氧环境下的产甲烷菌, 通过植物传输、气泡排放、扩散等方式进入大气[28].在本次实验中, 在水华暴发期间仅采取水样用于原位实验分析, 桶中并未添加采样点的沉积物, 更能体现出藻类的生长死亡对CH4通量的影响.
本实验的前半期, CH4释放通量迅速下降是因为取自高阳平湖表层水体的水样本身有较高浓度的CH4, 这些溶存的CH4来自于采样前的底泥.在原位实验装置中, 采样桶内水体中的CH4没有底泥的补充, 前期的水样中CH4仅仅是释放, 所以CH4的释放通量急剧下降.从Chla可以看出2 d大部分水样中藻类开始死亡减少, 在之后的几天逐渐沉积在实验桶的底部或附着在侧面.4 d CH4释放通量下降的速度放缓是水体中CH4浓度相对之前降低了许多, 而实验桶中有了淤积的藻类尸体, 为厌氧消化提供了有机物及厌氧环境, 厌氧消化反应加强, 产甲烷菌向水样中释放的CH4相对较多, 减缓了CH4释放通量下降的速率.从4~13 d, CH4释放通量没有减少了而是有所增加, 是因为沉积在底部的藻类尸体更多地被分解转化被产甲烷菌利用, 同时温度的升高(图 11)对微生物分解死亡的藻类产生有机物和产甲烷菌的产甲烷反应也有促进的作用.从表 2可看出CH4通量与Chla呈显著正相关, 这是因为藻类生长死亡是一个动态平衡的过程.在藻类生长达到稳定期后, 由于环境因素, 生长率开始下降, 死亡率相对大于生长率, 死亡率同时也在下降, 死亡的藻类为产甲烷提供了养分.所以藻类的数量会影响到CH4通量.
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图 11 采样温度变化关系 Fig. 11 Sampling temperature variation |
1P、10P、1NP、10NP的Chla最大值分别为97.94、94.19、105.71、93.55 mg·L-1, 而其他水样的Chla最大值的平均值仅有73.43 mg·L-1.虽然适宜的氮磷促进了藻类的生长, 但是本次实验中不同营养盐浓度梯度下藻类的多少并没有影响到CH4的通量.可能是实验时间不够长, 产甲烷菌对死亡的藻类利用还未达到最大值, 藻类的数量远远大于产甲烷菌的需求量, 体现不出藻类数量不同对产甲烷菌的影响.
3.2 其他可能对CH4通量造成的影响在自然界的甲烷循环中, 产甲烷菌和甲烷氧化菌都是极其重要的.氮磷是产甲烷菌和甲烷氧化菌的影响因素[29~31].从表 3可以看出, 硝态氮与CH4通量的相关性, 在原水中无明显相关性, 在较多的氮(1N)呈显著正相关, 在过量的氮(10N、100N)中呈显著负相关.而在添加了磷且氮不过量的水样中, 硝态氮与CH4通量呈显著正相关.可能是硝态氮对CH4释放通量产生了影响.这种影响可能是硝态氮对产甲烷菌或者甲烷氧化菌的影响所造成[32, 33].
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表 3 不同水样CH4通量与硝态氮相关性1) Table 3 Correlation coefficient between CH4 flux and nitrate at different treatment |
王智平等[34]的研究发现土壤细菌的CH4氧化是消耗大气中CH4的重要途径.氮输入对甲烷产生与氧化等生物化学过程的影响极其复杂, 其方向和大小受生态系统类型、输入氮的化学形态以及环境条件等的影响[35].从甲烷氧化来说, 一些报道称氮肥对CH4氧化具有抑制作用, 如在森林[36~39]、农田[39, 40]、通气的泥炭土[41]以及草地[42]等.然而据报道[43, 44], 氮肥对土壤CH4氧化很少或无抑制作用.Christensen等[45]观测到无机氮肥促进瑞典石南丛生地的CH4消耗.陆地系统中氮对甲烷氧化的影响尚无定论, 水体中甲烷氧化的更是鲜见研究.笔者认为造成这种现象的原因可能是硝态氮对产甲烷过程有抑制作用, 也有可能是硝态氮对甲烷氧化过程有促进作用, 因而导致不同水样中仅1P、10P、100P的通量在13 d之后继续上升.
4 结论(1) 藻类的生长过程会受到不同氮磷浓度梯度的影响, 只有在适宜的氮磷浓度下才会促进藻类的生长, 且藻类的生长受到磷的限制.
(2) 在有限的环境容量下, 相对适宜的环境促进了藻类的生长.生长的藻类越多, 为藻类死亡分解提供产甲烷的养分越多.藻类越多, CH4通量也越大.
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