2019, Vol. 40
2. 福建师范大学亚热带湿地研究中心, 福州 350007;
3. 湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室, 福州 350007
2. Research Centre of Wetlands in Subtropical Region, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China;
3. Key Laboratory of Humid Sub-tropical Eco-geographical Process of Ministry of Education, Fuzhou 350007, China
滨海、河口区围垦养殖是人类开发利用渔业的有效方式, 各类水产养殖塘的建设形成了大面积的人工水生生态系统.滨海、河口围垦水产养殖塘受自身特殊环境(水塘面积较小、生物量密集和人工管理)影响, 其水-大气界面CO2通量具有自身的特征[1, 2].相比其它水生生系统[3~6], 有关滨海、河口区围垦养殖塘水-大气界面CO2通量的报道相对较少.在全球气候变暖的背景下[1, 6, 7], 相对匮乏的水产养殖生态系统CO2通量观测数据, 不仅给科学估算沿海地区水产养殖系统大尺度上的排放通量清单造成困难, 更有可能低估陆域水生生态系统在全球碳循环过程中的重要作用[1, 2, 8].
水生生态系统水-气界面CO2的释放, 常采用两-薄层模型、表层更新模型、表层散度模型、经验模型以及薄边界层扩散模型等估算[9~11].其中, 基于风速的气体扩散速率模型(thin boundary layer equation, TBL), 因其操作便捷、计算简单的优势受到国际水电协会(international hydropower association, IHA)的推荐[9].该扩散模型属于一种较成熟的半经验模型, 现已广泛应用于水-气界面温室气体通量的研究. TBL扩散模型的原理是根据Fick定律, 通过估算CO2气体交换速率kx以及测定表层水与对应大气浓度差, 进而计算气体扩散通量, CO2气体在水、气介质中的浓度可在原位观测中获得[12, 13].目前, 相关研究主要聚焦于大型水体环境(如水库[3, 4]、湖泊[5, 6]、海洋[14, 15]等), 相比以上水生生态系统, 浅水水产养殖塘水-气界面CO2气体交换速率kx及其扩散通量的变化特征如何？是否受到风速的显著影响？具体哪种模型较为理想？尚鲜有报道[1, 16, 17].
为揭示我国东南沿海河口区围垦水产养殖塘水-气界面CO2气体交换速率kx及其扩散通量特征, 本研究以福建省闽江口鳝鱼滩湿地围垦后建设的养虾塘为研究对象, 运用多种kx参数化TBL模型估算养殖期养虾塘水-气界面CO2扩散通量, 并结合同步测定的环境因子(风速、温度和pH等)、生物参数和水域特征(水深、水域面积和功能分区等), 对不同模拟结果及其干扰因素进行比较分析, 通过选择相对适合养殖塘水-大气界面CO2扩散通量的估算方法, 以期为今后更大范围地估算我国东南沿海水产养殖塘水-气界面CO2扩散通量提供理论和技术支持.
1 材料与方法 1.1 采样站位和采样时间鳝鱼滩(119°34′12″~119°40′40″ E, 26°00′36″~26°03′42″ N)位于福建省闽江口(图 1), 属中亚热带与南亚热带海洋性季风气候的过渡地带, 气候温暖湿润, 年均降水量900~2 100 mm[18, 19].鳝鱼滩面积约3 120 hm2, 湿地外围主要由沙滩和泥滩组成, 优势湿地植物主要有芦苇(Phragmites australis)、短叶茳芏(Cyperus malaccensis)及入侵种互花米草(Spartina alterniflora)等[20].本研究选取鳝鱼滩五门闸附近3个典型且本底情况(围垦时间、面积、底质、水深和管理方式)一致的南美白对虾(Litopenaeus vannamei)养殖塘作为研究样地(图 1).塘内养殖水体主要来源于河口潮水和大气降水, 养殖期间(6~11月)除补充少量蒸发损失外, 养殖水体基本不与外界交换[21].样地基本背景值见表 1.
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图 1 研究区域及采样点概况 Fig. 1 Study area and sampling sites in the Minjiang River Estuary |
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表 1 本研究样地背景数据1) Table 1 Background value of the study sample plots |
1.2 采样与分析
养殖期间(7~11月)每月中旬对选取的养殖塘进行样品采集, 共完成5次样品采集和环境因子观测.在每个养虾塘从塘岸到塘中心设置3条样带, 每条样带3个采样点(9个重复), 每个采样点插入PVC杆进行标记, 以便每次采样均在相同采样点进行.水样采集使用医用注射器收集样点表层20 cm深处35 mL水样, 现场迅速注入55 mL密封的真空钳口瓶中, 并加入0.4 mL饱和HgCl2溶液抑制微生物活动.样品采集完毕, 均放置于4℃冷藏保温箱(内有冰袋)中避光保存, 并在4 h内送回实验室.
与水样采集同步, 采用便携式气象仪(Kestrel-3500, USA)原位测定距水面以上1.5 m高度的气温、气压、风速等指标, 采用IQ150便携式pH/水温计(IQ Scientific Instruments, USA)测定表层水pH值. 200 mL水样收集在棕色样品瓶中, 低温遮光保存, 运回实验室进行前处理并完成以下指标测定：溶解有机碳(DOC)浓度测定采用TOC-VCPH总有机碳分析仪(Shimadzu, Japan); Chl-a浓度的测定, 在使用90%乙醇溶液浸滤膜后, 采用紫外-可见分光光度计(岛津UV-2450, Japan)分析所提取的上清液.
1.3 气相色谱法测定水体溶解CO2浓度水体溶解CO2浓度采用顶空平衡-气相色谱法[4, 22, 23].具体操作步骤如下：①用气密性注射器向55 mL透明玻璃样品瓶中注入20 mL的高纯氮气(N2>99.999%); ②在室温下将样品瓶剧烈振荡20~30 min, 并将振荡后的顶空瓶放置于黑暗处静置10~15 min; ③待瓶内气-液两相达到平衡, 从顶空瓶中抽取5 mL顶空气体注入GC-2010气相色谱仪(G-2010 Shimadzu, Japan)分析水样中CO2浓度. CO2气体浓度检测器均为FID(火焰离子检测器), 载气为氮气, 流速30 mL·min-1; 氢气为燃气, 流速47 mL·min-1; 空气为助燃气, 流速400 mL·min-1; 检测器温度200℃, 柱箱温度45℃.虾塘水体溶解CO2浓度最终根据野外采样时的水温、盐度和顶空瓶顶空气体中CO2浓度计算获得, 其计算公式[24~27]如下：
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(1) |
式中, cW为水体溶存CO2浓度(μmol·L-1), cH为钳口瓶顶空气体中的CO2浓度(μmol·L-1), cA为采样点现场大气中的CO2浓度(μmol·L-1), VH为采样瓶中顶空空气体积(L), Vw为采样瓶中水体体积(L), α为Bunsen系数.其中, 可按下列公式计算获得：
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(2) |
式中, A1、A2、A3、B1、B2和B3为常数, 其数值参见文献[27]; T为热力学温度(K), S为水样盐度(‰).同时, 计算水体溶存CO2饱和度：
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(3) |
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(4) |
式中, S为水体CO2溶解饱和度(%); cW为水体溶存CO2浓度(μmol·L-1); cWS是水体CO2饱和浓度(μmol·L-1); cA为样点现场大气中的CO2浓度(μmol·L-1); α为布氏系数.
1.4 CO2气体交换速率与扩散通量计算薄边层模型估算水-气界面CO2气体通量, 是根据Fick定律, 通过介质间CO2气体浓度差及交换速率获得[24], 其具体计算公式[4, 25]为：
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(5) |
式中, FD为水-气界面CO2扩散通量[μmol·(m2·h)-1]; kx为交换速率(cm·h-1); cwater为10 cm处表层水溶解CO2浓度(μmol·L-1); cair为野外原位温度及压力下CO2气体在水中的饱和浓度(μmol·L-1); 获取自悬浮箱法测定CO2的初始浓度值.
作为模型建立的关键环节, 对气体交换速率kx的估算, 本文考虑了以下6种常用的数学模型经验公式：①Liss等[26]于1986年报道的模型LM86, 见公式(6); ②Wanninkhof等[27]于1992年报道的模型Wan92, 见公式(7); ③Macintyre等[28]于1995年报道的模型Mac95, 见公式(8); ④Cole等[29]于1998年报道的模型CC98, 见公式(9); ⑤Raymond等[30]于2001年报道的模型RC01, 见公式(10); ⑥Crusius等[31]于2003年报道的模型CW03, 见公式(11)：
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(6) |
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(7) |
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(8) |
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(9) |
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(10) |
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(11) |
式中, U10为水平面上方10 m高处风速(m·s-1); SC为t℃下CO2气体的施密特(Schmidt)常数; x为风速相关系数, 取0.5[公式(6)中, 0 < U10≤3.6时, x取0.67];其中, U10和SC分别通过野外原位观测所得的水体上方风速UZ和水温t, 结合以下公式[32, 33]换算得到：
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(12) |
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(13) |
式中, Z为风速测量高度(m); UZ为Z高度风速(m·s-1); Ud10为水面10 m高处阻力系数, 取0.001 3; k为Von Karman常数, 取0.41.
1.5 数据统计与分析原始数据录入Excel 2003进行初步处理, 采用SPSS 18.0中的双因素方差分析(Two-way ANOVA)检验闽江口不同虾塘在不同月份水-气界面CO2气体传输速率kx及其扩散通量的差异性, Pearson相关性分析用于说明TBL模型通量与环境参数间的相关关系.运用Origin 8.0进行数据制图, 文中数据为3个养虾塘, 每个养虾塘9个采样点的测量值的平均值±标准误(n=27).
2 结果与分析 2.1 基本环境参数变化图 2为养虾塘2017年7~11月基本环境参数(气温、风速、气压及pH值)变化情况.虾塘气温最高和最低值分别出现在8月(32.0℃)和11月(17.6℃), 平均气温为(27.5±0.4)℃[图 2(a)]; 风速最高和最低值分别出现在10月(6.50 m·s-1)和8月(0.40 m·s-1), 平均风速为(2.47±0.13) m·s-1[图 2(b)]; 气压最高和最低值分别出现在11月(1 018.90 hPa)和9月(1 006.00 hPa), 平均气压为(1 011.75±0.40)hPa[图 2(c)]; 养殖塘表层水体基本呈弱碱性, pH平均值为9.50±0.04, 最高和最低值分别出现在10月(10.82)和11月(8.51)[图 2(d)].水体DOC浓度和Chl-a浓度的变化范围分别介于4.85~26.57 μg·L-1和22.32~382.2 μg·L-1, 均值分别为(14.62±0.43)mg·L-1和(169.79±15.32)μg·L-1.
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图 2 闽江口养虾塘基本环境参数变化特征 Fig. 2 Variation of basic environmental parameters in aquaculture shrimp ponds in the Minjiang River Estuary |
图 3为养殖期虾塘表层20 cm处水体溶解CO2浓度及饱和度变化情况.养虾塘表层水体CO2浓度处于过饱和状态, 随养殖时期推移CO2浓度及饱和度均表现出缓慢上升后下降, 最后急剧上升到峰值的变化趋势.虾塘表层水体溶解CO2浓度最大、最小值分别出现在11月(301.83 μmol·L-1)和9月(0.74 μmol·L-1), 养殖期表层水体溶解CO2浓度均值为(82.11±5.68)μmol·L-1; 虾塘表层水体CO2饱和度最小、最大值也分别出现在11月(6.53%)和9月(1 745.77%), 养殖期水体CO2饱和度均值为(629.50±37.40)%.方差分析显示, 闽江口养虾塘表层水体溶解CO2浓度、饱和度存在明显的时间动态(P < 0.01), 呈现出11月>8月>7月>9月>10月的变化特征.
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图 3 闽江河口养殖塘水体溶解CO2浓度及饱和度变化特征 Fig. 3 Variation of dissolved CO2 concentrations and saturation in aquaculture ponds in the Minjiang River Estuary |
图 4(a)为闽江口围垦养虾塘养殖期水-气界面CO2气体交换速率kx变化情况.不同参数方法, 虾塘CO2气体交换速率kx动态特征较为一致, 随养殖时期变化kx值均呈现上升后下降的变化趋势.模型LM86、模型Wan92、模型Mac95、模型CC98、模型RC01和模型CW03估算CO2气体交换速率kx变化范围分别介于0.14~13.51、0.10~20.13、0.18~15.91、2.99~9.94、3.37~27.13和2.58~24.10 cm·h-1, kx均值分别为(1.89±0.23)、(4.04±0.34)、(3.85±0.28)、(4.55±0.12)、(7.55±0.36)和(6.17±0.35)cm·h-1.观测期间虾塘CO2气体交换速率kx随时间变化显著, 呈现10月>9月>11月>7月>8月的变化特征.
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图 4 基于TBL模型的闽江口养虾塘水-气界面CO2气体传输速率kx和通量变化特征 Fig. 4 Variation of the CO2 gas exchange rate and diffusive flux across the water-air interface from aquaculture shrimp ponds in the Minjiang River Estuary based on the TBL model |
图 4(b)为闽江口围垦养虾塘养殖期水-气界面CO2扩散通量变化情况.不同kx参数TBL模型估算出的水-气界面CO2扩散通量存在明显差异(F=117.60, P < 0.001).模型LM86估算扩散通量范围介于-55.30~861.82 μmol·(m2·h)-1, 均值为(77.37±13.17)μmol·(m2·h)-1, 月变异系数为198%;模型Wan92和Mac95的通量估算结果较为相近, 扩散通量范围分别介于-130.30~1 666.76μmol·(m2·h)-1和-122.97~1 535.68 μmol·(m2·h)-1, 均值分别为(195.88±28.51)μmol·(m2·h)-1和(193.38±26.68)μmol·(m2·h)-1, 月变异系数分别为169%和160%;模型CC98估算扩散通量范围介于-108.06~1271.16 μmol·(m2·h)-1, 均值为(254.13±23.00)μmol·(m2·h)-1, 月变异系数为105%;模型RC01和模型CW03的扩散通量估算结果比较相近, 且通量值均显著高于其他模型(P < 0.01), 范围分别介于-197.92~2 438.43μmol·(m2·h)-1和-167.71~2 096.01 μmol·(m2·h)-1, 均值分别为(399.08±41.73)μmol·(m2·h)-1和(318.82±35.29)μmol·(m2·h)-1, 月变异系数分别为121%和129%.以上TBL模型估算结果表明, 养虾塘养殖期CO2扩散通量存在明显的时间动态(P < 0.001), 基本表现出11月>7月>8月>9月>10月的变化特征.虽然虾塘水体存在CO2净吸收的状态, 但总体上虾塘仍表现为大气CO2的释放源.
2.4 CO2气体交换速率及扩散通量与环境因子的相关关系图 5为不同kx参数TBL模型估算闽江口养虾塘CO2气体交换速率kx与风速的回归曲线, 分析显示, CO2交换速率kx均与风速表现出明显的正相关关系(P < 0.01), 与其它环境参数(如温度、气压、pH等)的相关关系均较弱.这表明在河口区养殖塘, 风速是影响水-气界面CO2气体交换速率的重要气象因子.相关性分析表明, 养殖期间养殖塘水-气界面估算CO2扩散通量与其交换速率基本呈显著的正相关关系(P < 0.01), 而9月这种相关关系并不明显(表 2)(P>0.05).此外, TBL模型估算CO2扩散通量还与水体CO2溶解浓度和pH值分别呈显著的正相关和负相关关系(表 3).
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图 5 闽江口养虾塘水-气界面CO2气体交换速率kx与风速间的相关关系 Fig. 5 Relationship between the gas exchange rate of CO2 across the water-air interface and wind speed for aquaculture shrimp ponds in the Minjiang River Estuary |
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表 2 闽江口虾塘水-气界面CO2扩散通量与气体交换速率kx的相关关系1) Table 2 Relationship between the diffusion flux of CO2 across the water-air interface and gas exchange rate of CO2 for aquaculture shrimp ponds in the Minjiang River Estuary |
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表 3 闽江口虾塘水-气界面CO2扩散通量与水体溶解CO2浓度和水体pH的相关关系1) Table 3 Relationship between the diffusive CO2 flux across the water-air interface and water dissolved CO2 concentration and water pH for aquaculture shrimp ponds in the Minjiang River Estuary |
3 讨论 3.1 影响闽江口养虾塘水-气界面CO2交换速率和扩散通量变化的因素
风力的扰动以及外力(辐射、风力等)诱发下的水体对流混合, 是驱动陆域水生生态水-气界面气体交换速率kx的关键物理过程.然而, 受水域地形形态和生态类型的影响, 水域面积的增加, 会显著降低水体对流混合作用对气体交换速率kx的影响力度.肖启涛等[34]对太湖(2400 km2)的研究显示, 水体对流混合对kx值的贡献率仅达18%. Read等[35]解析全球范围湖泊数据发现, 水域面积小于1 km2小型湖泊中, 水体对流混合才能显著影响水-气界面气体交换速率.其它研究还发现, 在湖面低风速甚至基本无风条件下, 用表层水温和风速可以很好地表达水-气界面气体交换速率kx, 低风速条件的对流混合对水体表层的kx值有极大地贡献[35~37].本研究发现, 不同TBL模型估算出的kx值均与风速呈现显著正相关关系(P < 0.01, 图 5), 但与水温、气温和气压的相关性不显著(P>0.05).以上结果表明, 风力对水体的扰动作用仍然是影响闽江口虾塘水-气界面CO2气体交换速率kx时间变化特征的重要因素.
闽江口围垦养虾塘水-气界面CO2扩散通量随养殖期的推移, 也表现出明显时间动态特征.通过Pearson相关分析, 发现养殖期间虾塘交换速率kx与CO2扩散通量整体上正相关关系显著(P < 0.01), 表明kx是影响养虾塘CO2扩散通量时间变化的重要因子.较快的CO2气体交换速率可以有效促进水体CO2释放.然而, 气体交换速率kx与CO2扩散通量之间的相关关系在9月并不显著(P>0.05, 表 2).由于养殖期间, 养虾塘水体除蒸发和降水外基本不与外部自然水体发生交换, 在饲料供给和虾类代谢物质的供给下, 水体营养盐不断积累, 当9月水温达到适宜藻类生长的温度(28℃左右), 良好的水质和温度条件促使养殖塘水体藻类规模性暴发.藻类通过强烈的光合作用固定CO2, 从而起到降低CO2排放的作用, 养虾塘多数采样点出现CO2气体净吸收现象, 正是发生于水体Chl-a浓度处于较高水平的9月.同时, CO2扩散通量与Chl-a浓度显著的负相关关系(P < 0.01), 表明初级生产力的增强可能暂时性屏蔽气体交换速率kx对CO2扩散通量的影响.
水体pH值是碳酸化合物(H2CO3、HCO3-和CO32-)之间及其与CO2的平衡关系的直接反映.当水体pH值较高且呈弱碱性时, 有利于水体游离的CO2解离形成碳酸盐, 引起水中二氧化碳分压p(CO2)下降, 从而导致水体溶解CO2浓度降低, 促使大气CO2进入水体[38].相关分析显示, 闽江口围垦养虾塘水-气界面CO2扩散通量与水体pH值的负相关关系显著, 这与Schrier-Uijl等[39]的研究结论基本一致.以上分析表明, 养虾塘CO2扩散通量时间变化亦受到水体酸碱度的调控.此外, 本研究发现养虾塘水-气界面CO2扩散通量还与养殖水体溶解CO2浓度和DOC浓度正相关关系显著, 表明不同时间段虾塘的底物供给能力是影响CO2通量时间变化的另一个重要因子.特别是CO2气体排放在11月达到峰值, 主要与含碳饵料、生命代谢物质及生物残体(部分虾和藻类)的长期积累与分解有关.
3.2 模型估算CO2扩散通量的不确定性分析与选择基于风速相关的气体通量模型是现今研究较多、应用较广泛的方法, 通常适用于海洋、湖泊及河流水-气界面CO2气体扩散通量的估算. Bartosiewicz等[40]运用模型CC98和模型CW03估算了魁北克地区小型浅水湖泊CO2气体通量, 结果显示模型CC98的通量估算值显著高于模型CW03值, 并发现在模型CC98的估算值在低风、甚至无风条件下也存在CO2气体的扩散, 且随着风速的加大, 其估算值逐渐小于其它模型估算结果; 而在同等的低风条件下, 模型CW03对水-气界面CO2扩散通量估算的适用性则相对较差. Zappa等[41]选用模型Wan92和模型RC01估算对沿海海域、河口及淡水河流等水域环境的研究中, 发现模型RC01的通量估算值明显高于模型Wan92值. MacIntyre等[28, 42]也通过多种模型对不同水生态系统水-气界面CO2扩散通量进行估算, 得出模型RC01的通量估算值显著高于模型Mac95、Wan92及LM86等估算值.与海洋、湖泊和河流等其他水生态系统的研究相比, 本研究中各种TBL扩散模型对闽江口养殖塘CO2通量的估算结果也存在显著差异.模型RC01和CW03通量估算值较为相近, 且显著高于其他模型估算值; 模型Wan92、Mac95与CC98的通量估算结果基本处于中等水平, 其中模型Wan92和Mac95的估算值较为接近, 模型LM86扩散通量最低, 其估算值约为模型RC01和CW03通量的1/5.不同参数化TBL模型通量估算结果的显著差异性显示, 养殖塘系统CO2气体排放是较为复杂的生物化学过程, 形成CO2通量特征的因素是多方面的：①基于风速的气体通量的半经验模型(本研究所涉及的模型)受到水体流速、水域形态、水质以及降雨等多种因素的影响[40, 41], 可能会造成模型估算出的结果存在较大误差; ②在水-气界面CO2扩散通量的估算中, 关键参数kx基于风速函数获得, 未将因辐射等外力诱发的水体对流混合作用对CO2交换速率的影响考虑在内, 通常给CO2扩散通量的估算带来一定误差[42~44]; ③诸多研究表明CO2气体交换速率在低风速和极高风速条件下与风速呈不同的相关性[37, 40], CO2扩散通量的估算对风速较为敏感, 各参数化方法存在风速的适应范围, 对河口区养殖塘风速、增氧等特有环境因素把握不充分, 同样会限制所得有关结论对其实际条件的适用性.
本研究采用的6种参数化TBL模型方法中, 模型LM86和Wan92通常分别适用于受长期风速和瞬间风速影响下的海洋水体环境温室气体扩散通量的估算[9, 12], 模型Mac95在面积较大水深较深的大型湖泊应用较广, 在本研究中上述3种模型的月变异系数均偏高; 模型CC98估算值的月变异系数虽然最低, 但CC98更多适用于低风速条件下大型水库、湖泊水-气界面CO2扩散通量的估算[38].相比其他几种扩散模型, 模型RC01和CW03在以往各类浅水水生态系统的研究中均有应用, 也能较好适应风力较大的水域环境, 其估算值的月变异系数也处于较低水平.基于河口区养殖塘水深较浅、面积较小、大风天气频繁的环境背景, 本研究认为河口区养殖塘水-气界面CO2气体扩散通量的估算采用模型RC01或CW03较为合适.为提高模型估算通量的准确度, 未来的研究应当致力于细化模型参数, 构建匹配风速范围、水环境的参数化经验模型, 以应用于更复杂水环境条件.
4 结论(1) TBL扩散模型的估算结果均表明, 闽江口养虾塘水-气界面CO2扩散通量存在显著的时间变化特征, 养殖期间养虾塘水-气界面CO2扩散通量既存在排放, 亦存在吸收, 但是, 从扩散途径看, 养虾塘养殖期总体上仍是大气CO2气体的排放源.
(2) 风速、水体溶解CO2浓度、Chl-a浓度、pH和DOC浓度均为影响闽江口养虾塘水-气界面CO2气体扩散通量时间动态的重要因素.
(3) TBL扩散模型的不同估算结果表现出明显的差异性, 考虑到不同参数条件下模型估算的不确定性及河口区养殖塘的特点, 模型RC01或CW03较为适合我国东南沿海河口区围垦养虾塘水-气界面CO2气体扩散通量的估算.
致谢: 感谢福建师范大学地理科学学院李冬冬、孙东耀、陈坤龙等师兄在野外样品采集和室内分析中给予的帮助.| [1] | Yang P, He Q H, Huang J F, et al. Fluxes of greenhouse gases at two different aquaculture ponds in the coastal zone of southeastern China[J]. Atmospheric Environment, 2015, 115: 269-277. DOI:10.1016/j.atmosenv.2015.05.067 |
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