2020, Vol. 41
2. 江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心, 南京 210095
, HUANG Jian1 , DING Ying1 , SUN Zhi-rong1 , XU Meng-fan1 , LIU Shu-wei1,2 , ZOU Jian-wen1,2 , WU Shuang1,2
2. Jiangsu Collaborative Innovation Center for Solid Organic Waste Resources Utilization, Nanjing 210095, China
甲烷(CH4)作为大气中的重要温室气体, 它对由温室气体造成的全球辐射强迫贡献率达到了18%[1].在一百年时间尺度上, CH4的增温潜势(global warming potential, GWP)是相同分子数量二氧化碳的28倍[2].另外, 甲烷还会参与一系列大气中的化学反应, 会影响甚至改变全球气候系统.水生生态系统(aquatic ecosystems)作为大气中CH4的主要来源, 据报道其CH4的排放约占全球CH4排放源的40%~50%[3].水生生态系统是地球表面各类水域生态系统的总称, 由于含盐量的不同而被分为淡水生态系统和海洋生态系统, 其中, 全球淡水生态系统CH4排放量折算为二氧化碳量(CO2)能够抵消陆地生态系统碳吸收量的25%, 是一个不可忽视的CH4排放源[4, 5].
近年来, 淡水水产养殖作为CH4的一个重要排放源而受到全世界的关注[6].中国是世界最大的淡水水产养殖生产国, 占全球产量的60%左右.此外, 我国水产养殖的面积和数量正在稳步上升, 据报道, 至2013年我国淡水养殖湿地养殖规模已经达到2.62×106 hm2, 其中约70%的淡水养殖产量都是在粗放型和半密集型的池塘中进行的[7].众所周知, 中国是渔业大国, 为了满足我国日益增长的人口对蛋白质食品的需求, 近年来我国大力发展淡水鱼类养殖业, 淡水鱼养殖总产量一直都是高居全球第一[8].然而在水产养殖过程中为了加速自身的生产力, 往往会通过投喂大量的有机饵料而增加养分投入[9~11], 从而影响水体底泥中的微生物和水产养殖生态系统的碳氮循环过程, 最终导致CH4的产生和排放[12~14].
目前关于监测水-气界面CH4排放通量缺少统一的规定和方法, 国内外常用的一些测定水-气界面CH4排放通量的方法主要有漂浮箱法、扩散模型法、倒置漏斗法、涡度相关法和可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)等[15], 每种方法都有它独特的优势和自身的不足, 具体如表 1所示.
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表 1 水-气界面CH4排放通量主要研究方法 Table 1 Methods for measuring CH4 fluxes at water-air interface |
对于内陆淡水水体CH4排放的观测, 大多数研究通常采用漂浮箱法或者扩散模型法[16~19].漂浮箱法是根据待测气体浓度随着时间的变化率而计算出覆盖区域气体排放通量的一种测量方法[20, 21], 因其操作简便的特性, 早在上个世纪中叶, 国外学者就用漂浮箱法来观测CH4的排放通量[22].漂浮箱法的原理是把一个顶部密封, 底部中通的箱子放在测量水体的表面, 以便于收集水-气界面释放出来的CO2和CH4等待测气体, 再通过浓度随时间的变化率计算出气体排放通量.目前通过漂浮箱法现场采集的气体样本主要是通过气相色谱测定.漂浮箱法因其操作简单, 测量精准并可以同时分析出多种温室气体而被广泛应用在水体温室气体排放的研究中[6, 12, 23, 24].扩散模型法的原理是通过对表层和大气温室气体同步测量, 计算出温室气体的溶存浓度差, 再根据水-气界面的气体扩散速率, 从而计算出水体温室气体排放通量[25].扩散模型法是通过在采样点采集水样, 提取水样中溶存的温室气体, 由气相色谱测出温室气体的浓度, 再根据现场测定的风速、水温等参数, 结合由Henry定律[26]计算出的溶存温室气体浓度, 通过水-气界面分子扩散模型, 得到温室气体的最终排放通量.扩散模型法因其收集样品步骤简便, 测定区域广阔, 可以实现观测不同类型水体温室气体排放通量等优点, 因此其在测定水体温室气体中也得到了广泛的应用[27~30].
由于漂浮箱法主要涵盖CH4通过冒泡传输和扩散传输途径所产生的排放通量, 因此大多数学者采用漂浮箱法来测定淡水养殖池塘CH4排放.如杨平等[31]基于漂浮箱法对福建闽江河口混养鱼塘养殖湿地CH4排放进行了为期5个多月的观测研究；Hu等[32]通过漂浮箱法对我国南方内陆地区某一淡水养殖鱼塘CH4排放进行为期两年的观测；宋红丽等[33]通过漂浮箱法在山东省黄河口附近一个虾塘养殖湿地观测了为期一年的CH4排放通量.尽管有相关研究表明, 冒泡传输几乎包含了水体所有的CH4排放[34], 但扩散传输仍是CH4排放中不能忽略的一个重要传输途径, 但鲜有研究通过扩散模型法测定我国内陆地区淡水养殖池塘CH4排放通量, 将扩散传输对排放通量的测定贡献进行具体量化, 明确其在CH4排放中所占的比重.因此开展基于两种方法同步观测我国淡水养殖池塘CH4排放的对比研究具有重要意义.本文同时采用漂浮箱法和扩散模型法观测我国东南部地区江苏省兴化市淡水养殖鱼塘CH4排放通量, 通过比较两种方法观测养殖鱼塘自2017年9月到2018年8月全年的CH4排放强度、排放特征以及驱动因子, 有助于更加全面了解养殖鱼塘生态系统水-气界面CH4交换过程, 准确评估其CH4排放强度, 以及不同传输途径对其CH4排放的贡献量提供更多的科学依据和理论基础, 从而有助于降低当前农业淡水养殖池塘CH4排放估算的不确定性, 以期为编制国家农业温室气体排放清单提供数据支撑.
1 材料与方法 1.1 试验点概况试验地点位于我国的江苏省兴化市新银村(N32°52′, E119°50′).该地区属于亚热带季风气候, 年均气温14.8℃, 年均降水量1 090 mm.本次试验观测的淡水养殖鱼塘拥有连续3 a以上的养殖历史, 水域面积为20亩(1亩=667 m2), 观测时间自2017年9月16日到2018年8月16日包含了整个鱼苗的养殖、生长期, 鱼塘底泥的基本理化性质见表 2.试验鱼塘的养殖模式为当地常规的河鱼养殖模式即主养鲫鱼(约占总量的80%), 辅养白鲢(约占20%)的高效生产养殖模式[35].本试验观测开始时间即为养殖关键期, 每天用自动投料机投放饲料4次, 分别为08:00和11:00, 14:00和17:00, 饲料投喂量根据河鱼的具体生长情况而作出改变, 11月左右河鱼达到可上市规格即停止投料.淡水养殖鱼塘中无水生植物, 不过有时会有一些蓝藻影响水质, 消耗水中的氧气, 因此根据具体情况定时打开叶轮式增氧机.养殖鱼塘一般在夏季保持水深在2.5 m左右, 其他季节一般1.5 m左右.
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表 2 淡水养殖鱼塘底泥的基本理化性质 Table 2 Physcicochemical properties of sediment in fish-aquaculture pond |
1.2 气体及水样的采集
淡水养殖鱼塘采用漂浮箱法和扩散模型法同步观测CH4的排放通量.整个鱼塘布置3个栈桥, 每个栈桥设置3个平行采样点, 栈桥分布按照鱼塘的水生环境、深浅程度以及地理位置设置3个采样点, 采样点1为自然生长区, 该位置远离自动投料机, 处于鱼塘的上风口方向, 不会造成蓝藻或其他有机质的累积, 采样点2为营养富集区, 该位置处于鱼塘的下风口, 易造成有机质的大量累积, 采样点3为饵料投喂区, 该区域CH4排放受鱼类活动影响较大.采样点水温和风速情况如图 1所示.漂浮箱法是通过气相色谱直接测定采集的气体从而计算出CH4的排放通量.漂浮箱由气体采集箱、底座和泡沫漂浮板组成.气体采集箱和底座是由PVC材料制成, 规格为直径40 cm, 高50 cm的圆柱体, 并且箱体都采用了厚约1 cm的海绵和锡箔纸来包裹以避免由于箱体内外温差过大而影响测定结果.本次试验周期为1 a, 采样频率为每周一次, 恶劣天气情况除外, 每个采样点设置的3个平行同时进行采样, 采样时间固定在上午08:00~11:00, 箱体密闭后的0、5、10、15和20 min分别进行气体采集, 每次采集1 L左右, 气样储存在体积为1.5 L的气袋中(大连德林Co., Ltd., 中国).采样过程中的第0 min和第20 min纪录箱体上温度计的度数, 作为采样时的箱温和环境温度.扩散模型法估算CH4排放是在箱法相同采样点采集水体表面下方约10 cm处水样, 采样频率也为每周一次, 将水样注满提前准备好的150 mL的聚乙烯瓶中, 避光保存, 48h之内送回实验室, 通过气相平衡法置换出水样中溶存的CH4气体, 由气相色谱进行分析[33].
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图 1 采样点水温风速情况 Fig. 1 Water temperature and wind speed at sampling sites |
CH4的排放通量(flux)是指在单位时间内单位面积上该气体的排放量.当排放通量的数值为正值时则表示往大气中排放, 负值则为吸收.漂浮箱法是一种直接观测的方法, 原理简单, 操作方便, CH4的排放通量计算公式如下：
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(1) |
式中, F表示CH4的排放通量, mg·(m2·h)-1；k表示量纲换算系数；V表示气体采集箱的容积, m3；A表示箱体与水体表面接触的面积, m2；dc/dt表示漂浮箱内初始CH4浓度的变化率, μL·(L·min)-1；ρ表示CH4的密度, g·L-1；T表示采样时采集箱内的平均温度, ℃；p表示采样时的大气压, hPa；T0表示标准状况下的气温273 K, p0表示一个标准大气压(1 013 hPa).
1.3.2 扩散模型法扩散模型法是一种通过扩散模型计算水体中溶存的气体浓度而得出该气体排放通量的方法.本次试验中水气界面CH4排放通量的计算采用的是Liss等[36]提出的双层模型法.计算公式如下：
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(2) |
式中, Kw表示气体交换速度, cm·h-1；cobs表示平衡前水样的CH4浓度, mmol·L-1, 是用来表示表层水体在采样时的气体浓度；ceq表示采样时大气分压同实际水温条件下的纯水达到平衡时的水体中CH4的浓度, mmol·L-1.
在实际水温条件下, Henry定律可用于计算CH4的ceq值, 即：
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(3) |
式中, pA表示CH4的大气分压, 根据江苏地区的大气成分状况确定采样点CH4的大气分压约为2×10-6 atm(0.2 Pa)；KH表示采样时实际水温下的气体Henry常数, mmol·(L·atm)-1；计算公式为：
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(4) |
由Henry定律和文献[37]计算得出, Tθ=298 K, T表示实际绝对温度(K), KHθ表示在实际绝对温度和一个标准大气压下的Henry常数, CH4的值为1 308 mmol·(L·atm)-1；KT的CH4取值为2 675, 是表征Henry常数随温度变化的参数.
待测出气液平衡后CH4的浓度, 再利用以下公式(Johnson等[38])计算出平衡前水样中CH4的溶存浓度, 公式如下：
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(5) |
式中, c0表示平衡后测定的CH4气体的浓度, mmol·L-1；V0和V1分别代表平衡器内气室和水样的体积, mL；22.4代表的是气体的摩尔体积, L·mol-1；R值一般取0.008 2 L·atm·(mol·K)-1, 是理想气体的状态常数；T代表的是平衡过程中的实际水温(K)；β代表的是CH4气体溶解度, L·(L·atm)-1；也就是在一个标准大气压下, CH4气体作为溶质能够溶解在水体中的最大体积.β值的计算公式如下：
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(6) |
其中, KH表示CH4在平衡温度条件下的Henry常数, mmol·(L·atm)-1；pg则表示CH4的纯气压力, 也就是1 atm.
最终, 根据已经计算出的气体浓度cobs(水样平衡前)和ceq(水样平衡时), 分别通过4种不同的估算公式即LM86、W92a、W92b和RC01计算出Kw值, 并取4个值的平均数作为计算CH4排放通量的双层模型公式中的最终Kw值, 因为仅依赖一个模型估算CH4通量, 可能会大幅度高估或低估CH4的排放[39].
1.4 相关环境因子的测定在整年的野外观测试验中, 每两周会采集一次淡水养殖鱼塘中的表层底泥, 用于动态监测底泥中可溶性有机碳(DOC)的含量.DOC的测定方法：称取约10 g左右(误差不超过±0.1 g)的鲜土于150 mL的聚乙烯塑料瓶内, 再加入100 mL的超纯水, 密封好后在200 r·min-1的摇床上振荡1 h, 接着在6 000 r·min-1的离心机上离心10 min, 最后将上层清液用0.45 μm微孔滤膜过滤, 过滤出的液体采用Multi N/C3000分析仪测定[40, 41].土壤矿物质有机氮(MN)包括铵态氮(NH4+)以及硝态氮(NO3-)用2 mol·L-1 KCl按水土比5:1浸提, 200 r·min-1振荡1 h后过滤, 其含量用Skalarplus San流动分析仪测定；土壤有机碳(TOC)的测定采用重铬酸钾氧化法；土壤总氮(TN)的测定采用凯氏定氮法.
试验地采集气体的同时, 会对淡水养殖鱼塘水体的溶解氧(DO)和水温作一个动态监测, 使用便捷式溶解氧仪(TY1055-12, 美国YSI)对水体下方10 cm左右处进行测量.试验观测期内, 每隔一周采集鱼塘的水样, 并同步监测水样中化学需氧量(COD)以及水体的pH.在实验室中利用COD仪(JY-CTL-12, 美国)分析水样中COD含量；利用pH计(pH610, 德国)测定水体pH.利用电导率仪(DDS-307, 上海)测定水体电导率(EC).
1.5 数据分析与统计方法本研究中的统计分析, 包括相关分析、回归分析和方差分析等均采用分析软件SPSS 19.0完成, 采用OriginPro 9.0软件对数据进行作图.
2 结果与分析 2.1 基于漂浮箱法和扩散模型法观测的鱼塘CH4排放规律及排放强度试验观测期内, 采用漂浮箱和扩散模型两种方法同时观测淡水养殖鱼塘CH4排放通量, 发现两种方法观测的CH4排放通量具有相同的季节排放特征, 其排放强度大小接近, 但扩散模型法观测的CH4排放通量均低于漂浮箱法的观测结果.图 2表示的是整个鱼类生长季淡水鱼塘在两种方法观测下其CH4排放通量的月平均变化情况.从中可见, 在两种观测方法下, 淡水养殖鱼塘CH4排放总体上呈现出夏秋季(6~11月)排放高, 冬春季(12月~次年5月)排放低的季节变化规律.
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图 2 基于漂浮箱法和扩散模型法鱼塘CH4月平均排放的季节变化 Fig. 2 Seasonal patterns of monthly average CH4 fluxes from fish pond |
由漂浮箱法观测的结果可以看出, 各个采样点之间的CH4排放通量存在差异, 营养富集区与自然生长区、饵料投喂区的差异尤其明显, 在1~3月之间, 3个采样点CH4排放都达到一年中最低值, 排放强度没有明显差异, 其余时间营养富集区的CH4排放强度要远远高于其他两个采样点, 扩散模型法观测的CH4排放结果也呈现相同的规律.通过两种方法CH4排放通量观测结果的对比, 在1~3月内各个采样点之间两种方法观测的CH4排放通量大小基本没有差异, 均达到了全年的排放最低值, 而在其他时间段内, 扩散模型法观测的CH4排放通量大小仅为漂浮箱法的一半左右；在7、8月, 两种观测方法均观测到CH4的排放峰值, 通过漂浮箱法观测的营养富集区与自然生长区、饵料投喂区3个采样点的排放峰值大小分别为1 090.60、3 129.68和759.27 μg·(m2·h)-1, 其CH4排放通量的年平均值分别为(0.57±0.29)、(1.63±0.44)和(0.38±0.17)mg·(m2·h)-1；扩散模型法观测的3个采样点排放峰值分别为600.46、1 413.89和518.45 μg·(m2·h)-1, 其CH4排放通量的年平均值分别为(0.30±0.08)、(0.81±0.09)和(0.23±0.08)mg·(m2·h)-1.
2.2 基于漂浮箱法和扩散模型法观测的鱼塘CH4季节及年累积排放特征淡水养殖鱼塘基于两种方法观测下CH4不同季节及全年累积排放通量如图 3所示, 从中可以看出, 总体而言, 基于两种方法观测的CH4累积排放量在自然生长区、营养富集区和饵料投喂区这3个采样点在夏季(6~8月)和秋季(9~11月)均高于其他两个季节, 并且均在夏季达到CH4累积排放峰值, 自然生长区、营养富集区和饵料投喂区这3个采样点采用漂浮箱法观测的累计排放峰值分别为20.22、67.47和11.15 kg·hm-2；采用扩散模型法观测的累计排放峰值分别为9.01、27.73和8.44 kg·hm-2.在观测期内, 基于漂浮箱法测定淡水养殖鱼塘CH4全年累积排放量在自然生长区、营养富集区和饵料投喂区分别为48.96、142.03和30.82 kg·hm-2；扩散模型法测定淡水养殖鱼塘CH4累积排放量分别为24.09、69.01和18.35 kg·hm-2.方差分析结果表明, 基于两种方法观测的自然生长区和营养富集区的CH4累积排放量在夏季、秋季以及全年有显著的差异(P＜0.05), 而在其他季节以及饵料投喂区的整个观测期, 两种方法观测的CH4累积排放量并无明显差异.
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相同字母表示该两者间差异性不显著(P>0.05), 不同字母表示差异性达到显著水平(P＜0.05) 图 3 各采样点基于漂浮箱法和模型法CH4季节及年计累积排放量 Fig. 3 CH4 season and annual cumulative emissions at each sampling point |
在整个观测期间, 淡水养殖鱼塘通过漂浮箱法观测的CH4排放通量变化范围分别为:自然生长区0.14~1.09 mg·(m2·h)-1、营养富集区0.32~3.13 mg·(m2·h)-1和饵料投喂区0.18~0.77 mg·(m2·h)-1；而由扩散模型法观测的CH4排放通量区间分别为：自然生长区0.04~0.60 mg·(m2·h)-1、营养富集区0.16~1.41 mg·(m2·h)-1和饵料投喂区0.08~0.52 mg·(m2·h)-1.为了进一步比较基于两种方法观测下淡水养殖鱼塘的CH4排放通量, 笔者在此通过强制过零点线性回归对淡水养殖鱼塘CH4排放通量进行分析, 分析结果如图 4所示.从中可以看出, 在淡水养殖鱼塘中通过漂浮箱法观测出的CH4排放通量与扩散模型法观测出的结果存在着一定的差异, 就平均水平来说, 扩散模型法观测的CH4排放通量约为漂浮箱法测定结果的45%左右(线性回归方程斜率为0.45, r2=0.89).
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图 4 基于漂浮箱法和扩散模型法鱼塘CH4月平均排放通量比较(平均值±标准差) Fig. 4 Comparison of monthly mean CH4 fluxes determined by chamber-based and diffusion model-based methods in fish pond(mean±SD) |
在对淡水养殖鱼塘全年养殖周期CH4排放通量进行观测的同时, 笔者对鱼塘中3个采样点的底泥和水体的理化性质也进行了同步监测, 其全年动态变化如图 5所示.在观测期间, 淡水养殖鱼塘3个采样点之间水温的变化趋势基本一致, 且水温呈现出明显的季节变化, 整体与我国南方气温季节变化相同, 即夏秋季节温度高, 冬春季节温度较低.在整个试验观测期间, 水温变化范围为2.2~33.5℃, 平均水温为20.3℃.养殖鱼塘水体中的pH在观测期间存在显著的季节波动, 而底泥中的pH无明显季节变化, 在整个观测期内, 底泥中pH变化范围为7.5~8.4, 平均值为8.0；水体中pH变化范围为7.1~9.1, 平均值为8.2.由此可见, 在整个观测期, 淡水养殖鱼塘水体pH的平均水平要高于底泥.水体中的溶解氧(DO)在整个观测期间也存在明显的季节变化, 而且季节变化趋势与水温刚好相反, 溶解氧在整个观测期间的变化范围为2.3~15.7 mg·L-1, 平均值为9.74 mg·L-1.在全年的观测期内, 鱼塘底泥的可溶性有机碳(DOC)和底泥中的矿物质氮(MN)呈现出相似的季节变化规律, 与水温的季节变化规律一致.自然生长区、营养富集区和饵料投喂区底泥中DOC含量的年均值分别是54.66、64.54和44.72 mg·kg-1.自然生长区、营养富集区和饵料投喂区底泥中MN全年的平均值分别为40.46、37.78和21.65 mg·kg-1.
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图 5 鱼塘水体及底泥基本理化性质全年动态变化 Fig. 5 Annual pattern of water and sediment parameters in fish pond |
相关性分析表明, 两种方法观测的CH4排放通量均与水温、底泥DOC、水体COD呈显著正相关, 与水体DO呈极显著负相关, 由此可见CH4排放通量对水温、底泥DOC、COD以及DO的响应强度很高(P＜0.01, 表 3), 但CH4排放通量对pH和EC等理化指标并未发现明显的相关关系, 表明其对这些理化指标的响应强度较弱.
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表 3 基于漂浮箱法和扩散模型法CH4排放通量和鱼塘系统中参数之间的Pearson相关性1) Table 3 Pearson's correlations between CH4 flux and parameters in fish pond |
3 讨论 3.1 淡水养殖鱼塘CH4排放量
本研究中淡水养殖鱼塘通过漂浮箱法观测的CH4排放通量年平均值为(0.86±0.30)mg·(m2·h)-1；扩散模型法观测的CH4排放通量的年平均值为(0.45±0.08)mg·(m2·h)-1.
以年为周期对我国东南部内陆淡水养殖生态系统CH4排放进行原位观测的研究相对较少, 且大部分研究均采用漂浮箱法对CH4排放通量进行观测, 例如, 杨平等[31]对福建闽江河口混养鱼塘养殖湿地CH4排放进行为期半年的研究, 观测发现CH4的平均排放通量为3.15 mg·(m2·h)-1；Liu等[6]基于漂浮箱法在江苏兴化河蟹养殖湿地比较有无水草对CH4排放通量的影响, 研究发现有水草时CH4的年平均排放通量为0.37 mg·(m2·h)-1, 没有水草时, CH4的年平均排放通量为0.21 mg·(m2·h)-1；马煜春等[42]基于漂浮箱法在江苏常熟一个混养鱼塘进行长达一年的CH4排放观测, 研究发现该鱼塘养殖湿地CH4年平均排放通量为0.73 mg·(m2·h)-1；Wu等[19]通过漂浮箱法对兴化市新舍村养殖鱼塘进行为期1 a的观测, 发现CH4的平均排放通量为0.51 mg·(m2·h)-1；宋红丽等[33]在山东省黄河口附近一个虾塘养殖湿地CH4排放进行为期一年的观测, 研究发现CH4的年平均排放通量要显著低于其他研究结果, 仅为0.005 9 mg·(m2·h)-1.总体而言, 除去显著偏低的CH4排放结果后, 我国东南部内陆淡水养殖池塘CH4年平均排放通量的变化范围为0.21~3.15 mg·(m2·h)-1, 本研究基于两种方法观测的CH4排放通量均处于此范围之内.
淡水养殖鱼塘基于两种方法观测的CH4排放通量具有相似的季节变化特征(图 2), 即夏秋季排放高, 冬春季排放低, 这与Liu等[6]在江苏兴化蟹/鱼养殖湿地进行的CH4排放观测试验以及马煜春等[42]在太湖混养鱼塘进行的CH4排放观测试验所得出的结论一致, 造成这一结果原因可能是：一方面夏秋季温度一般高于冬春季, 温度高会增强池塘底泥中一些微生物如产甲烷菌的活性, 从而刺激CH4的产生, 尽管水温不是决定底泥中微生物活性的关键因素, 但是在微生物生长所需要的最佳温度范围内, 水温的上升不仅可以提高微生物的活性, 而且还能加快生物化学反应的过程[43]；另一方面夏秋季是鱼塘养殖的关键期, 饵料的投入要高于其他季节, 大量含高C、N饵料的投入会给产甲烷菌等微生物提供充分的底物, 从而提高了CH4的排放, 这也是鱼塘CH4排放在夏秋季高于春冬季的原因.此外, 由图 3可以看出, 在夏季, 营养富集区观测的CH4累积排放量要显著高于在自然生长区和饵料投喂区观测的CH4累积排放量, 但在冬季, 营养富集区与自然生长区和饵料投喂区观测的CH4累积排放量并无明显差异, 其原因可能是营养富集区产甲烷菌等微生物可利用的底物多于另外两个区域, 从而使得该区域CH4排放增加.而在冬季, 尽管营养富集区仍然含有丰富的产甲烷底物, 但该区域水温过低, 导致产甲烷菌等微生物活性不足, 对底物利用率不高；且鱼类在水温较低时生命活动不够旺盛, 对水体溶解氧的消耗小, 水体溶解氧高, 不能为CH4产生提供了有利的厌氧环境[31].
3.2 漂浮箱法和扩散模型法测定CH4排放通量的比较国内外学者已经对淡水水体CH4排放的观测做了大量的研究, 但是大部分都是通过漂浮箱法或者扩散模型法中的单一方法进行的研究, 而同时通过两种方法对某一特定淡水水体进行CH4排放观测的却鲜有报道[43~46].Duchemin等[20]通过两种方法对加拿大两座大型淡水水库CH4排放进行监测, 结果表明, 漂浮箱法观测的CH4排放通量的值高于扩散模型法的观测结果, 甚至某段时期的排放结果会存在数量级上的差异, 类似于本研究中自然生长区在夏季通过漂浮箱法CH4累积排放量达到20.22 kg·hm-2, 而通过模型法CH4累积排放量只有9.01 kg·hm-2.高洁等[39]通过漂浮箱法和扩散模型法对模拟池塘CH4排放通量进行比较研究, 结果表明, 两种方法所观测的CH4排放通量存在显著差异, 且扩散模型法观测的排放通量相当于漂浮箱法的34%~68%, 与本研究中由扩散模型法估测出的CH4排放通量约为漂浮箱法测定结果的45%左右相一致.综上所述, 笔者初步推测, 通过扩散模型法估算出的淡水水体CH4排放通量可能会低估它的实际排放值.产生上述结果, 可能与两种方法所包含的水-气界面CH4排放途径有关.漂浮箱法和扩散模型法作为目前最常用的两种监测水-气界面CH4排放的方法, 漂浮箱法可以同时捕获包括冒泡和扩散两种传输途径的CH4排放[46, 47], 但漂浮箱法在实际采样过程中可能因为人操作或者受恶劣天气干扰的原因而导致水面剧烈波动, 从而造成箱体内气体浓度的变化, 进而影响其测定结果的准确性；而扩散模型法估算的仅仅是水体通过扩散过程所传输的CH4排放通量, 不包括其他传输途径, 因此其测定的CH4排放通量在结果的组成上就有缺失, 再加上扩散模型法估算精准度的关键在于确定气体交换速度Kw值, 但是Kw值受到水温、水体流速、风速等多重因素共同作用, 因此由扩散模型法估算出的CH4排放通量结果存在较大的不确定性[15].由此可见, 本研究结果中扩散模型法估测的CH4排放通量约为漂浮箱法测定结果的45%左右, 一方面说明本研究观测的我国东南部养殖鱼塘通过扩散途径排放的CH4约占其CH4总排放途径的45%左右, 另一方面说明通过冒泡排放途径释放的CH4排放通量要高于扩散途径所释放的CH4排放通量.综合看来, 漂浮箱法虽存在一定误差, 但它比模型法更易控制, 且观测结果更为全面和精确, 而扩散模型法存在较多不确定因素.因此漂浮箱法更适合应用于本研究淡水养殖鱼塘CH4排放通量的观测.
3.3 环境因子对CH4排放的影响淡水养殖鱼塘基于漂浮箱法和扩散模型法测定出的CH4排放通量具有相同的环境驱动因子.CH4排放通量与水温呈显著正相关关系(表 3), 表明CH4的排放受淡水养殖鱼塘水温影响较强, 温度是影响其CH4排放的一个重要环境因子.由于温度上升会刺激产甲烷菌的活性, 从而引发CH4排放的增加[48], 因此淡水养殖鱼塘会呈现出显著的季节性变化, 此结论与先前在天然湖泊或者人造水库中的研究一致.Xing等[49]报道了中国一个浅水和富营养化的湖泊中CH4排放的季节变化, 研究发现CH4在夏季排放最高, 在春、秋、冬季都排放较低.Natchimuthu等[50]发现浅水池塘里CH4不管是通过冒泡还是扩散排放, 均与池塘的水热状况有关, 并进一步指出温度是影响CH4排放的一个重要因素.此外, 温度的波动可能会引起溶解氧的季节性变化, 这种变化可以抑制或者促进沉积物中CH4的产生.Huang等[47]在三峡水库CH4排放的研究中发现, 在夏天水体中溶解氧较低, 会抑制CH4在排放过程中的氧化作用, 从而促使CH4的排放增加.该结论与本试验中得出的CH4排放与溶解氧呈现极显著负相关的结论一致(表 3), 由此可见溶解氧是影响养殖鱼塘CH4排放的另外一个关键因素.
在整个观测期间淡水养殖鱼塘CH4的排放通量与水体中的COD呈现极显著正相关(表 3).COD作为衡量水体中有机物质多少的指标, 通常用以表示水体受有机物污染的程度.而人工养殖鱼塘, 每天都有大量的有机饲料投入, 自然受有机物污染程度较高.与此同时, 有机质的过度累积会为CH4产生提供底物, 并且过量的有机质还会消耗水体中的溶解氧, 从而抑制CH4在传送途中被甲烷氧化菌的氧化作用.蔡博峰等[52]的研究表明, 中国污水处理厂CH4的排放受COD影响显著, 有效去除或者大幅度降低COD浓度可以减少CH4排放.Yang等[51]在对中国台湾省台北市某一河流水体的研究中也表明CH4排放通量与COD浓度呈显著的正相关关系.
底泥中的DOC含量也是影响鱼塘CH4排放的重要指标.夏季为鱼塘养殖关键期, 大量含高碳、氮的有机饵料会投入养殖鱼塘, 其中虽然有大部分被鱼类消耗, 但仍有小部分沉入塘底, 再加上鱼类粪便, 大大增加了池塘底部底泥的有机质, 提高了底泥中DOC的含量, 为CH4的产生提供了充足的底物.
4 结论(1) 全年的观测期内, 淡水养殖鱼塘基于漂浮箱法CH4的年平均排放通量为(0.86±0.30)mg·(m2·h)-1, 基于扩散模型法CH4的年平均排放通量为(0.45±0.08)mg·(m2·h)-1.淡水养殖鱼塘基于漂浮箱法和扩散模型法观测的CH4排放通量具有相似的季节排放特征, 总体呈现夏秋季排放高, 冬春季排放低的趋势.
(2) 由扩散模型法估测出的CH4排放通量可能会低估实际观测结果.尽管两种方法都是目前监测内陆淡水水体最常使用的方法, 但漂浮箱法因其包含的CH4排放途径全面, 准确性高, 且受干扰因素少等优点得到更多采用, 更适用于淡水养殖水体CH4排放观测研究.
(3) 本研究中基于漂浮箱法和扩散模型法观测出的CH4排放通量具有相同的环境驱动因子.CH4排放通量与水温、底泥可溶性有机碳(DOC)以及水体化学需氧量(COD)呈显著正相关, 与水体溶解氧(DO)表现出极显著负相关.
致谢: 感谢江苏省低碳农业与温室气体减排重点实验室(南京农业大学)对本研究的支持.陈杰、纪程、耿亚军、孔德雷和李晨等在采样和实验方面提供帮助, 在此一并致谢！
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