2019, Vol. 40
2. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心, 南京 210044;
3. 南京信息工程大学无锡研究院, 无锡 214105;
4. 南京信息工程大学滨江学院, 无锡 214105;
5. 安徽省天长市气象局, 天长 239300
, XIAO Wei1,2
, ZHANG Xiu-fang1,3 , ZHANG Mi1,2 , ZHANG Wen-qing1,4 , LIU Qiang1,2 , CHEN Zheng1,2 , DONG Bao-hua5 , LI Xu-hui1
2. Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China;
3. NUIST-Wuxi Research Institute, Wuxi 214105, China;
4. Binjiang College of Nanjing University of Information Science & Technology, Wuxi 214105, China;
5. Tianchang Meteorology Bureau of Anhui Province, Tianchang 239300, China
内陆水体是大气甲烷(CH4)重要的自然排放源[1], 在全球碳循环中发挥着重要的作用[2].目前有关内陆水体CH4排放的研究主要集中在自然水体[3], 相比之下, 有关养殖塘排放CH4的研究较少.据估计, 全球养殖塘的总表面积已达到110 832 km2[4], 且由于养殖塘具有较高内缘比及较浅水深的特点, 通常会导致较高的CH4排放量[5].因此, 明确养殖塘CH4排放特征及其影响, 对于准确估算内陆水体对全球CH4排放的贡献有重要意义.
水体中, CH4排放到大气中的方式主要有扩散、冒泡和植物介导[6, 7].目前, 国内外对CH4排放通量的观测方法主要有涡度相关法[8]、通量梯度法[9]、箱式法[5, 10]、倒置漏斗法[1, 3]和体积扩散模型法[11].其中, 涡度相关法和通量梯度法能观测到通过各个途径排放的CH4总量, 但是不能分别量化各个途径的CH4排放量[8, 9]；箱式法可以分别观测CH4冒泡和扩散, 但其观测CH4冒泡是根据箱体内空气CH4浓度差来确定, 可能会忽略一些较小的冒泡[5]；倒置漏斗法可以准确地观测从底泥产生的CH4冒泡[1, 3]；体积扩散模型法可以有效观测CH4扩散量[11].养殖塘中挺水植物较少, 通过植物介导的排放可以忽略, 冒泡和扩散为CH4排放的主要方式.选用倒置漏斗法和体积扩散模型法分别对冒泡和扩散通量进行观测, 有助于量化两种排放途径的排放特征、比例及各自的影响因素, 对于清楚认识养殖塘乃至内陆水体CH4排放的控制机制具有重要的意义.
养殖塘CH4排放同时受到自然因素和人工管理措施的影响.对于自然因素, 目前已有较多研究表明, 水温是控制自然水体CH4排放的主导因子[1, 10], 但有关水温对养殖塘CH4排放影响的研究相对较少.对于人工管理, 影响CH4通量的措施主要包括排水晒塘和施粪.排水晒塘是养殖塘冬季主要的人工管理措施, 水位在短时间内快速下降.自然条件下水位缓慢变动对水体CH4排放的影响已有较多研究[12, 13], 但短期内水位快速下降对养殖塘CH4排放的影响尚不明确.此外, 在我国养殖塘中, 通常会在春季一次性投放大量鸡粪作为饲料, 但由于水生动物对鸡粪的利用率较低, 底泥中会残余很多鸡粪中的有机质[14], 从而影响养殖塘CH4的排放量.有研究发现, 投放有机饲料会显著提高养殖塘CH4排放量[15], 但一次性投放大量鸡粪对养殖塘CH4排放量的影响尚不清楚.因此, 结合自然因素和人工管理措施对养殖塘CH4排放的影响是目前值得关注的问题.
长江中下游地区是我国重要的淡水养殖区域[16], 养殖塘面积广, 富营养化程度严重, 人工管理措施对CH4排放的影响不可忽视[17].本研究在安徽淡水养殖密集区域选取了两个养殖塘, 基于倒置漏斗法和体积扩散模型法, 对冬季和春季的CH4冒泡通量和扩散通量进行观测, 分析冬、春季CH4冒泡通量和扩散通量的时空变化特征；探讨气象要素和水质参数变化等自然因素与春季施粪和冬季排水这两种典型的养殖塘人工管理措施对CH4排放的影响.
1 材料与方法 1.1 研究对象本研究对象位于中国安徽省全椒淡水养殖区中的两个鱼类养殖塘(118.25°E, 31.97°N), 每个塘分别选取了5个采样点(图 1).其中A塘面积7 168 m2, B塘面积7 524 m2, 水深1.8~1.9 m.两个塘岸边有8个采样点, 距离岸边约1.5 m, A5和B5距岸边约10 m.
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★表示鸡粪投放点 图 1 采样点位置示意和无人机拍摄照片 Fig. 1 Location of the sampling sites and a photo taken by a drone |
A、B塘均养殖了鲢鱼、鳙鱼、鲫鱼、草鱼、青鱼和鳊鱼, 年产量分别为500、750、2 500、3 000、3 000和250 kg.冬季两塘均进行了排水, 但由于人工条件的限制, 排水时间存在一定的先后顺序.其中B塘在1月19日进行排水, 1月24日基本排干, 其水深变化如图 2所示(试验期间)；A塘在2月6日进行排水, 2月11日基本排干(非试验期). A、B塘均会在排水结束后3 d左右重新注水.春季3月初在A塘和B塘一次性加入约1 t和2 t的鸡粪作为饲料(图 1), 其余时期不施加鸡粪.在春季试验期间, A、B塘每天中午施加1次饲料.
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图 2 冬季试验期间B塘水深的时间序列 Fig. 2 Time series of water depth of pond B during winter campaign |
本研究对养殖塘冬、春季CH4冒泡通量和扩散通量进行观测.冬季的采样时间为2018年1月10~23日.对于冒泡通量观测, 1月10~12日为密集采样时间, 每隔6 h取一次气样, 取样时间为06:00、12:00、18:00和24:00；1月13~23日为非密集采样时间, 每隔24 h取一次气样, 因冬季夜间和上午水面可能出现结冰现象, 故将取样时间设为下午15:00~16:00之间.对于扩散通量观测, 由于日变化较小不做密集观测, 1月13~23日每天中午12:00收集水样.春季的采样时间为2018年4月11~27日.其中对于冒泡通量观测, 4月11~13日为密集采样时间；4月14~27日为非密集采样时间.春季扩散通量观测, 每天采样时间与冬季相同.
1.3 冒泡通量的观测方法 1.3.1 倒置漏斗装置及其观测方法本文采用倒置漏斗法观测水-气界面上通过冒泡形式排放的CH4通量, 即CH4冒泡通量.装置底端是一个白色的圆形塑料漏斗, 上面连接一段聚四氟乙烯PVC管和一个聚丙烯针管, 最上端是一个三通活塞, 整个装置需保持密封状态(图 3).采样器这种下宽上窄的窄颈设计可以有效限制CH4从采样器反向扩散回水中.冬季试验采用的漏斗最大底面积约为0.053 m2；春季对漏斗进行了些微调整, 通过更大的漏斗面积(0.071 m2), 使漏斗接触水面的面积越大, 但计算方法相同.
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括号外的数值为改装前装置的大小, 括号内的数值为改装后装置的大小 图 3 倒置漏斗示意 Fig. 3 Diagram of the inverted funnel |
本试验需要将组装好的采样器放置在10个采样点.对于岸边的8个采样点, 修建栈桥用于取样；对于采样点A5和B5, 利用事先绑好的绳索将采样装置拉回岸边进行取样, 同时保证漏斗不离开水面, 不会影响漏斗内收集到的气体.首先将装置扣在水面上(漏斗下边缘位于水面以下约20 cm), 每个漏斗通过浮动泡沫稳定.用一个针管连接三通活塞, 手动将装置中的残留空气全部抽干净, 使之充满水.通过冒泡排放的CH4气体会从漏斗下方开口向上方汇集, 装置中的水面随之下降.每天在固定的时间采样, 采样时使用针管连接三通活塞, 收集倒置漏斗装置中的气体, 采用Parafilm® M封口膜对其进行密封处理后带回实验室, 利用气相色谱仪(Agilent GC6890N, Agilent Technologies Inc., CA, USA)分析其中的CH4浓度.对于试验方法的具体原理, 参见Huttunen等[18]的研究.
1.3.2 CH4冒泡通量的计算方法本文采用Wik等[12]的方法计算CH4冒泡通量, 计算方法如下：
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(1) |
式中, Fb为CH4冒泡通量[mg·(m2·d)-1]；C为气相色谱仪测得的CH4摩尔分数(μmol·mol-1)；V为漏斗收集的气体体积(L)；M为CH4的摩尔质量, 取值为16.04 g·mol-1；A为漏斗的最大面积(m2)；t为每次收集气体的时间(d)；Vm为气体摩尔体积22.4 L·mol-1.
1.4 扩散通量的观测方法 1.4.1 体积扩散模型法原理及其观测方法本文采用体积扩散模型法观测养殖塘水-气界面通过扩散形式排放的CH4通量, 即CH4扩散通量.体积扩散模型法的原理是基于水中溶解的CH4浓度与水体和大气之间平衡的CH4浓度的差异, 再结合气体交换系数计算CH4扩散通量[11, 19].
试验期间, 每天用采水器(SC-Ⅰ型手持取样器)在8个岸边采样点取水(A5和B5因距离较远, 不取水样).取水期间应避免水样接触空气, 减少水样中气体被氧化.取水深度为水下20 cm, 水样用300 mL的玻璃瓶存放, 充满玻璃瓶, 使瓶中没有空气.为防止漏气, 用Parafilm® M封口膜将瓶口密封, 放置于4℃的条件下保存.定期带回南京信息工程大学地气交换实验室进行预处理和测量.测量前, 先在瓶塞上插两个注射器针头, 通过一个针头向瓶子中注入体积分数为99.99%的高浓氮气, 水会从另外一个针头被顶出, 顶空30 mL水样后, 将玻璃瓶密封, 手动剧烈摇晃5 min左右, 然后静置30 min, 最后, 利用气相色谱仪测量顶空气体中的CH4浓度.
1.4.2 CH4扩散通量的计算方法本文采用Cole等[20]的方法计算CH4扩散通量, 计算方法如下：
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(2) |
式中, Fd为CH4扩散通量[mg·(m2·d)-1]；k为气体交换传输系数(m·d-1), 取决于风速, 具体公式见Juutinen等[21]的描述；cw为水体中溶解的CH4原始浓度(μmol·L-1), 顶空后的玻璃瓶摇晃静置达到平衡, 根据物料平衡得到：
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(3) |
式中, cg为玻璃瓶中CH4在水样的气相(顶空的部分)和液相(剩余的水样)中达到平衡时在气相中的浓度(μmol·L-1), 通过气相色谱仪测得；Vg为玻璃瓶中气相的体积(mL)；cL为CH4在水样的气相和液相中达到平衡时在液相中的浓度(μmol·L-1), 由亨利系数Hr计算得到, 具体公式见Johnson等[22]的描述；VL为玻璃瓶中液相的体积(mL).则cw的计算公式为：
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(4) |
ceq是在特定的温度下, 大气中的CH4浓度与水体中的CH4浓度达到平衡时水中的CH4浓度(μmol·L-1), 计算公式为：
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(5) |
式中, cbg为CH4大气背景浓度(μmol·L-1), 利用开路式CH4分析仪(Li- 7700, LI-COR Inc., Lincoln, NE, USA)观测得到.
1.5 辅助观测辅助观测包括气象要素、水温、水深、水体pH值和溶解氧等.试验期间利用小气候观测系统(Dynakmet, Dynamax Inc., Houston, TX, USA)原位在线观测气温、气压、风速和风向等气象要素.用水温计(T109, Campbell Scientific Inc., Logan, UT, USA)原位连续观测水下20 cm处的水温.使用多参数水质分析仪(YSI 650MDS, YSI Ins., Yellow Springs, OH, USA)测量采样点水底(底泥上方约5 cm处)的pH值和溶解氧(DO)浓度.利用水深计HOBO(U20- 001- 01, Onset Computer Corporation Ins., Bourne, MA, USA)对养殖塘水深进行连续观测.
2 结果与分析 2.1 冬季CH4通量的变化特征 2.1.1 冬季CH4冒泡通量的日变化特征冬季CH4冒泡通量的昼夜变化如图 4所示. A塘白天和晚上CH4冒泡通量均值分别为0.05 mg·(m2·d)-1和0 mg·(m2·d)-1, 其中06:00~12:00排放的CH4冒泡通量最大. B塘白天和晚上CH4冒泡通量均值分别为0.63 mg·(m2·d)-1和0 mg·(m2·d)-1, 其中12:00~18:00之间CH4冒泡通量最大.说明观测期间养殖塘晚上没有CH4冒泡通量, 而白天CH4冒泡排放明显.
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阴影为夜间；日期为1月10~12日 图 4 冬季CH4冒泡通量的日变化特征 Fig. 4 Diurnal variability of CH4 ebullition flux in winter |
冬季排水前后CH4冒泡通量和扩散通量的时间变化如图 5所示. A塘在冬季观测期间CH4冒泡通量和扩散通量的日均值没有明显时间变化趋势. A塘1月19日(B塘开始排水)前CH4冒泡通量的均值为0.07 mg·(m2·d)-1, 扩散通量的均值4.32 mg·(m2·d)-1；1月19日之后CH4冒泡通量的均值为0.25 mg·(m2·d)-1, 扩散通量的均值为3.55 mg·(m2·d)-1. B塘有排水活动, CH4冒泡通量在排水后有明显的增加趋势, CH4扩散通量在排水后没有明显的变化幅度, 有一个略微的降低趋势. B塘排水前CH4冒泡通量的均值为0.20 mg·(m2·d)-1, 扩散通量的均值为2.54 mg·(m2·d)-1；排水后CH4冒泡通量的均值为16.62 mg·(m2·d)-1, 扩散通量的均值为0.57 mg·(m2·d)-1.由此可见, 整个时段A塘和B塘CH4扩散通量相差较小；A塘和B塘在均未排水的6 d, CH4冒泡通量相差不大；B塘排水后5d的CH4冒泡通量均值比其排水前增加了约83倍, 比A塘同时段CH4冒泡通量增加了约66倍.
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图 5 冬季CH4冒泡通量和扩散通量日均值的时间序列 Fig. 5 Time series of daily mean values of CH4 ebullition flux and diffusion flux in winter |
冬季试验期间CH4通量的空间变化如图 6所示.在B塘排水前后, A塘CH4通量(冒泡+扩散)的总体差异较小, CH4排放均以扩散为主导, 分别占CH4排放的98.6%和94.7%(除A5点).对于B塘, 排水前后两个时段内CH4通量总体差异较大.其中排水前CH4通量的空间差异较小, CH4排放以扩散为主导, 占CH4总排放量的97.4%；排水后CH4通量的空间差异变大, 最大空间差异达到67.00 mg·(m2·d)-1, CH4排放以冒泡为主导, 占CH4排放的83.8%(除B5点).由此可见, 在B塘排水前后, A塘CH4通量相当；B塘在排水后的CH4通量均值[21.73 mg·(m2·d)-1]远高于排水前的CH4通量[2.68 mg·(m2·d)-1], 约是排水前的8.1倍.
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圆的大小与总通量成正比；饼图表示冒泡和扩散对总通量的贡献百分比；数值为冒泡通量/扩散通量, 单位为mg·(m2·d)-1；NAN表示缺测 图 6 冬季CH4通量的空间变化 Fig. 6 Spatial pattern of CH4 flux in winter |
春季CH4冒泡通量的昼夜变化如图 7所示. A塘白天排放的CH4冒泡通量均值略高于夜间, 分别为3.93 mg·(m2·d)-1和2.98 mg·(m2·d)-1, 其中06:00~12:00的CH4冒泡通量最大. B塘白天排放的CH4冒泡通量均值低于夜间, 分别为224.07 mg·(m2·d)-1和293.13 mg·(m2·d)-1, 其中24:00~06:00的CH4冒泡通量最大.整体而言, 春季晚上排放的CH4冒泡通量比白天高, 约是白天的1.3倍.
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阴影为夜间；日期为4月11~13日 图 7 春季CH4冒泡通量的日变化特征 Fig. 7 Diurnal variability of CH4 ebullition flux in spring |
春季CH4冒泡通量和扩散通量的时间变化如图 8所示. A塘CH4冒泡通量随时间有明显的变化趋势, 变化范围为0.02~32.10 mg·(m2·d)-1, 均值为5.58 mg·(m2·d)-1；CH4扩散通量先升高再降低, 变化范围为0.03~5.14 mg·(m2·d)-1, 均值为0.97 mg·(m2·d)-1. B塘CH4冒泡通量有一个极低值为6.02 mg·(m2·d)-1, 均值为208.30 mg·(m2·d)-1；CH4扩散通量随时间的变化趋势与A塘相似, 变化范围为0~5.27 mg·(m2·d)-1, 均值为0.77 mg·(m2·d)-1.由此可见, B塘CH4冒泡通量明显高于A塘, 约为A塘的37倍；B塘CH4扩散通量与A塘相当.
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图 8 春季CH4冒泡通量和扩散通量日均值的时间序列 Fig. 8 Time series of daily mean values of CH4 ebullition flux and diffusion flux in spring |
春季A、B塘CH4通量的空间差异较大(图 9). A塘CH4通量的空间差异性较小, CH4排放整体以扩散为主导, 占CH4排放的93.5%(除A5点). B塘CH4通量的空间差异性较大, 最大差异可达1 001.50 mg·(m2·d)-1. CH4排放整体以冒泡为主导, 占CH4排放的67.2%(除B5点).对比两塘所有采样点, 可以发现CH4通量的空间差异性显著, 最大差异可达1 002.76 mg·(m2·d)-1.其中CH4扩散通量的空间差异并不明显；冒泡通量存在显著的空间差异, B2点的冒泡通量较其它采样点高了2~3个数量级, 可达1 002.30 mg·(m2·d)-1(该采样点是鸡粪的投放点, 底泥有机质含量较高).此外, 去除B2采样点, 可以发现B塘的CH4冒泡通量显著高于A塘, 但扩散通量与A塘相差不大.
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圆的大小与总通量成正比；饼图表示冒泡和扩散对总通量的贡献百分比；数值为冒泡通量/扩散通量, 单位为mg·(m2·d)-1；NAN表示缺测 图 9 春季CH4通量的空间变化 Fig. 9 Spatial patterns of CH4 flux in spring |
春季A、B塘CH4冒泡通量均值显著高于冬季, 扩散通量明显低于冬季, 总通量(冒泡+扩散)显著高于冬季(表 1).冬、春季两塘CH4冒泡通量的均值分别为3.92 mg·(m2·d)-1和106.94 mg·(m2·d)-1；扩散通量的均值分别为2.81 mg·(m2·d)-1和0.87 mg·(m2·d)-1；总通量的均值分别为6.73 mg·(m2·d)-1和107.81 mg·(m2·d)-1.综上所述, 春季CH4冒泡通量均值约是冬季的27倍；扩散通量约是冬季的0.31倍；总通量约为冬季的16倍.
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表 1 冬、春季CH4通量A、B塘的均值 Table 1 Average values of CH4 flux in ponds A and B during winter and spring |
2.3.2 气象要素对CH4冒泡通量和扩散通量的影响
气压、风速和水温(20 cm)随时间的变化趋势如图 10所示.可以看出：冬季试验期间气压变化范围为101.7~103.2 kPa, 平均值为102.2 kPa, 有一个波动下降的趋势.春季试验期间气压变化范围为100.7~101.8 kPa, 均值较冬季试验期间低0.9 kPa.冬季试验期间水温变化范围为3.6~7.2℃, 平均值为5.4℃.春季试验期间水温的变化范围16.0~23.1℃, 平均值为20.2℃, 两个季节水温有显著差异.日平均风速的波动较大, 冬季风速日均值的变化范围为0.9~3.2 m·s-1 (平均值为1.6 m·s-1), 春季为0.9~2.6 m·s-1(平均值为1.7 m·s-1), 春季的风速比冬季略大.总之, 两个季节观测期间气压和水温(20 cm)有显著的变化, 而风速没有明显的差异.
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图 10 冬、春季试验期间气象要素(气压、20 cm水温、风速)日均值的时间变化序列 Fig. 10 Time series of daily mean values of meteorological elements (air pressure, water temperature at 20 cm depth, and wind speed) during winter and spring campaigns |
冬、春季两塘CH4冒泡通量和扩散通量的均值(除冬季排水期和春季鸡粪投放点B2)与气压、水温(20 cm)和风速的关系如图 11所示.可以看出, CH4冒泡通量与气压显著负相关, 与水温(20 cm)显著正相关, 与风速的关系不显著.且随水温的升高, CH4冒泡通量呈指数增加的趋势.分析水温和CH4冒泡通量的指数拟合曲线, 可以发现当温度高于15℃时, CH4冒泡通量迅速增加, 说明CH4冒泡通量的生物学下限温度为15℃.同时, 随气压的降低, CH4冒泡通量呈线性增加的趋势.从图 11还可以看出, CH4扩散通量与气压显著正相关, 与水温(20 cm)显著负相关, 与风速的关系不显著.且CH4扩散通量随水温的升高呈指数递减的趋势, 随气压的上升呈线性递增的趋势.
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图 11 CH4冒泡通量和扩散通量随气压、20 cm水温和风速的变化 Fig. 11 Variations of the CH4 ebullition flux and diffusion flux with air pressure, water temperature at 20 cm depth, and wind speed |
冬季B塘排水期(1月18~23日)CH4冒泡通量和扩散通量随水深的变化特征如图 12所示. CH4冒泡通量与水深显著负相关, 且随着水深的迅速降低呈指数递增趋势, 即水位越浅, 水深的变化对CH4冒泡通量的影响就越大；CH4扩散通量与水深的关系并不显著.综上所述, 水深的变化会显著影响养殖塘CH4冒泡通量, 但对CH4扩散通量的影响较小.
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图 12 冬季B塘排水期CH4冒泡通量和扩散通量随水深的变化 Fig. 12 Variations of CH4 ebullition flux and diffusion flux with water depth during the drainage period of pond B in winter |
冬、春季两塘CH4冒泡通量和扩散通量与水质(pH值和溶解氧浓度)的相关关系如表 2所示.可以看出, 冬季A塘CH4冒泡通量和扩散通量与养殖塘pH值和溶解氧浓度的关系均不显著；B塘CH4冒泡通量与养殖塘pH值和溶解氧浓度显著负相关, 扩散通量与其没有显著的相关关系, 这可能与冬季B塘排水有关.春季A、B塘CH4冒泡通量和扩散通量与pH值均无显著相关性.综上所述, pH值和溶解氧浓度控制着冬季B塘的CH4冒泡通量.
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表 2 冬、春季CH4冒泡通量和扩散通量与水质(pH值和DO浓度)的Pearson相关性分析1) Table 2 Pearson correlation analysis between CH4 ebullition flux and diffusion flux with water quality (pH value and DO concentration) in winter and spring |
3 讨论 3.1 冬、春季CH4冒泡通量和扩散通量的比较
本研究得到冬、春季两塘CH4冒泡通量的均值分别为3.92 mg·(m2·d)-1和106.94 mg·(m2·d)-1.通过T检验, 二者之间存在显著性差异(P < 0.001).造成这种现象的原因可能是：春季养殖塘水温升高, 降低O2在水中的溶解度, 有利于底泥中产甲烷菌的生命活动, 加快了CH4的生产速率[23, 24].同时春季向养殖塘投放鸡粪, 增加底泥中的有机质, 提高产甲烷菌的数量和活性, 从源头大幅度增加了CH4的产生. Delsontro等[25]的研究表明, 水温在10℃以上, 冒泡随温度的升高而剧烈增加.本研究春季试验期间平均温度(20.2℃)在10℃以上, 高于冬季(5.4℃), 因而春季冒泡通量较高.龙丽等[5]在宜昌5个浅水池塘的研究同样表明, 春季CH4冒泡通量高于冬季.因此, 春季CH4冒泡通量显著高于冬季.
冬、春季CH4扩散通量的均值分别为2.81 mg·(m2·d)-1和0.87 mg·(m2·d)-1.通过T检验, 二者之间存在显著性差异(P < 0.01).肖启涛[26]在太湖进行全湖取样, 发现采样期间, 冬季CH4扩散通量[0.71 mg·(m2·d)-1]明显低于春季[1.62 mg·(m2·d)-1].这与本研究结果相反, 造成这种现象的原因可能是：养殖塘与自然水体太湖不同, 冬季进行人工排水后, 春季会重新加入新鲜的水, 导致春季水中溶解的CH4浓度(75.01 μmol·L-1)明显低于冬季排水前(381.30 μmol·L-1), 而大气中的CH4浓度在不同季节相差较小, 因而春季通过扩散形式排放到大气中的CH4就会减少.因此, 养殖塘春季CH4扩散通量略低于冬季.
3.2 自然因素对养殖塘CH4通量的影响 3.2.1 水温和气压对CH4通量的影响本研究发现, CH4冒泡通量与水温显著正相关, 与气压显著负相关.就水温而言, Aben等[27]调研了亚洲、北美和欧洲范围内的浅水生态系统, 同样发现CH4冒泡通量与水温之间存在着强烈的正相关关系.蒲旖旎等[28]的研究发现, 梅梁湾CH4冒泡通量随温度的升高, 呈指数增加的趋势, 这与本研究得到的结论相同.就气压而言, Casper等[29]发现了在气压迅速下降期间, CH4冒泡会明显增加, 并得出气压每下降2%, CH4冒泡量就会增加约10倍.这是因为气压降低时, 水中的溶解氧(DO)浓度减少, 同时静水压降低, 增加了CH4向大气的排放量[27, 28].因此, 水温和气压是控制养殖塘CH4冒泡通量的重要气象因素.
CH4扩散通量与水温显著负相关, 与气压显著正相关.与本研究结果相反, Kifner等[30]对美国缅因州4个池塘4~8月的研究发现, CH4扩散通量与水温显著正相关. Rutegwa等[31]在温带3个鲤鱼养殖塘4~10月的观测发现了相同的规律.造成这种现象的原因可能是Kifner等[30, 31]的研究主要集中春夏季, 而本研究的试验时间为冬春季, 冬季人工管理活动(冬季排水)会对其结果造成很大的影响.由此可见, 为更好地预测养殖塘CH4排放量, 需明确CH4冒泡通量和扩散通量与环境因素的关系.
3.2.2 水体溶解氧浓度和pH值对CH4通量的影响根据以往的研究表明, 水体溶解氧浓度和pH值会对CH4排放量有较大影响[26], 但是讨论它们对CH4排放量的两个组分(冒泡通量和扩散通量)单独影响的研究却很少见.就冒泡通量而言, Crawford等[32]对湿地的研究表明, 冒泡与溶解氧浓度密切相关.这是因为CH4是在无氧的环境中产生的, 水中的溶解氧浓度越低, 可以减少CH4在上升过程中的氧化, 越有利于气泡的排放[5].本研究冬季A塘CH4冒泡通量与溶解氧的关系并不显著, 但B塘CH4冒泡通量与溶解氧浓度显著负相关.造成这种现象的原因是冬季试验期间B塘进行排水活动, 排水后溶解氧浓度均值(86.44%)明显低于排水前(97.96%), 从而显著影响CH4冒泡量；但A塘试验期间未排水, 溶解氧浓度变化较小, 对CH4冒泡量不会产生显著影响.此外, 有研究表明, 水体pH值过高, 会抑制产甲烷菌的活性或对其产生危害, 导致CH4冒泡量降低[33].本研究冬季A塘CH4冒泡通量与pH值之间没有显著的相关关系, 但B塘CH4冒泡通量与pH值之间显著负相关.这是因为冬季B塘排水后pH值(7.54)较排水前(8.17)有明显地变化, 会对CH4冒泡通量产生显著的影响.就扩散通量而言, 本研究冬季A、B塘CH4扩散通量与水体溶解氧浓度和pH值均无显著的相关关系.这可能是因为冬季CH4扩散通量的变化较小, 且排水对其没有明显的影响.因此, 养殖塘溶解氧浓度和pH值出现较大波动时, 会显著影响CH4冒泡通量.
3.3 人工管理措施对养殖塘CH4通量的影响 3.3.1 春季施粪对CH4通量的影响牲畜粪便作为大气中CH4的重要贡献者, 约占农业CH4排放总量的10%, 储存在底泥中的牲畜粪便可能是CH4排放的重要来源[34].例如, Guo等[35]发现投放猪粪和牛粪会显著提高养殖塘的CH4排放量. Chen等[14]在中国青岛海水养殖塘的研究同样表明, 有饲料供应的养殖塘CH4排放量会显著高于没有饲料供应的养殖塘, 约是无饲料供应养殖塘CH4排放量的8倍.本研究存在相同的现象, B2采样点为鸡粪投放点, CH4通量显著高于其它所有采样点, 最高差异可达1 002.76 mg·(m2·d)-1.这是因为养殖塘投入鸡粪后, 一方面由于产CH4菌广泛地分布在动物粪便中, 会增加产CH4菌的数量, 通过生化途径可以促进CH4的排放量[36]；另一方面会使养殖塘富营养化状态加重, 底泥有机质含量增加, 从而提高CH4的排放量[1].
值得注意的是, 本研究鸡粪投放点(B2点)CH4冒泡通量可达1 002.30 mg·(m2·d)-1, CH4扩散通量为1.10 mg·(m2·d)-1.通过单因素方差分析, 可以发现B2点CH4冒泡通量与其它采样点存在显著性差异, 但扩散通量与其它采样点并无明显差异.去除B2点, 发现B塘的CH4冒泡通量均值同样高于A塘, 造成这种现象的原因可能是B塘施加的鸡粪数量是A塘的两倍.因此, 投放鸡粪会增加养殖塘CH4冒泡通量, 且鸡粪投放点CH4冒泡通量会显著高于其它采样点.
3.3.2 冬季排水对CH4通量的影响冬季人工排水对养殖塘CH4排放量的影响目前是值得关注的问题[37]. Yang等[17]在中国东南部闽江口选择了一个排干养殖塘(水深为0.05 m)和一个未排干养殖塘(水深为1.2 m)进行观测, 对比发现排干养殖塘排放的CH4通量约是未排干养殖塘的9.4倍.本研究则观测了同一个养殖塘排水过程前后CH4通量的变化特征, 发现B塘在排水后的CH4通量均值[21.73 mg·(m2·d)-1]也远高于排水前的CH4通量[2.68 mg·(m2·d)-1], 约是排水前的8.1倍.造成这种现象的原因首先是因为水位的变动会引发静水压的变化, 静水压为沉积物-水界面的压力, 水位下降, 静水压减小, 气泡的浮力超过静水压, 从而导致大部分底泥中储存的CH4释放到大气中[38].其次是因为水深变浅, 减少气泡在上升过程中的氧化, 但气泡在水柱中被氧化的影响有限[39].最后在排水过程中, 泵的抽水活动, 会造成底泥的扰动, 从而释放出更多的气泡.本研究整个排水阶段养殖塘排放的CH4通量均值为21.73 mg·(m2·d)-1, 显著低于团头鲂养殖塘晒塘阶段排放的CH4通量[(44.54±22.96)mg·(m2·d)-1][40], 高于闽江口未排水养殖塘排放的CH4通量[(1.68±0.24)mg·(m2·d)-1][41].因此, 排水晒塘会显著增加养殖塘的CH4排放量.
此外, 本研究发现冬季排水期间, CH4冒泡通量与水深显著负相关, 扩散通量与水深没有显著的相关关系. Delsontro等[7]观测了加拿大10个浅水池塘和3个浅水湖泊的CH4冒泡通量和扩散通量, 得出了相同的变化规律.张秀芳等[42]同样发现养殖塘CH4冒泡通量与水深显著负相关.综上所述, 冬季排水期间, 随水深的降低, 养殖塘CH4冒泡通量会显著增加.
4 结论在日尺度上, 养殖塘冬季CH4冒泡通量白天高于夜间；春季夜间高于白天.在季节尺度上, 冬、春季CH4冒泡通量分别为3.92 mg·(m2·d)-1和106.94 mg·(m2·d)-1；扩散通量分别为2.81 mg·(m2·d)-1和0.87 mg·(m2·d)-1.自然因素(水温以及气压)控制着CH4冒泡通量和扩散通量；人工管理措施(冬季排水和春季施粪)会显著影响CH4冒泡通量, 但对CH4扩散通量的影响并不显著.本文的研究结果能为养殖塘系统对大气的温室气体贡献提供基础数据支撑和科学依据.
致谢: 感谢南京信息工程大学大气环境中心地气小组的赵佳玉、黄文晶、谢燕红、蒲旖旎、王怡、胡勇博和谢成玉等在试验采样和样品处理中提供的帮助.| [1] | Davidson T A, Audet J, Jeppesen E, et al. Synergy between nutrients and warming enhances methane ebullition from experimental lakes[J]. Nature Climate Change, 2018, 8(2): 156-160. |
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