河流温室气体排放通量及其影响因素的研究

河流温室气体排放通量及其影响因素的研究1研究背景随着人类社会经济的发展，环境问题日益突出，大气中温室气体浓度的不断升高及由其造成的全球变暖已经成为国际社会关注的焦点。大气中主要的温室气体有CO2、CH4和N2O，其对温室效应的贡献率近80%(kiehlJTetal,1997)。其中CO2对温室效应的贡献率最大，约占60%，并正以1.9ppmv的速度增长，是最重要的温室气体(IPCC,2000)。其次是CH4，其增温潜势是CO2的21~23倍左右，占温室气体对全球变暖贡献总份额的15%(HansenJEetal,1990)。N2O是一种痕量的长寿命温室气体，其在对流层中可以存在114年之久，在100年尺度上，N2O的辐射效应常数是CO2的296~310倍(IPCC,2007），对温室效应的贡献率约占5%。此外，N2O还会破坏和减少平流层臭氧。大气中不断增加的温室气体的浓度促使了大量的针对其从陆地和水生环境中释放的研究(ConradRetal,1996)。水生环境中，海洋、河流、河口、湖泊、湿地等天然水体是大气CO2、CH4、N2O重要的源。自Craig等(CraigHetal,1963)首次对海洋中溶存N2O进行分析后，国际大量学者相继对全球各大洋、近岸、河口及河流等地进行了研究，研究内容包括水体中温室气体的生消机制，源、汇转换，时间、空间特征及其影响因素，并估算水体环境向大气释放温室气体的量。全球范围内，由于占地面积大，湿地被认为是CH4和CO2的主要排放源(LeMerJetal,2001;宋长春等,2006)然而，工业革命以来，大量的人类活动(如石油燃料、农业生产、土地利用和管理等)对全球碳、氮循环产生显著的影响，使得碳、氮负荷成倍地从陆地生态系统进入水生生态系统(虞中杰,2011)，同时营养盐和有机物质的大量输入剌激了底泥和水体环境中微生物的新陈代谢，导致CH4和CO2、NaO在河流、湖泊等淡水水体中的分压经常超出大气平衡分压的数倍使得其在表层水体均为过饱和状态(RicheyJEetal,2002)，从而导致水生生态系统CH4、CO2、N2O的排放明显增加。有研究表明，河流的环境条件有助于N2O的形成(ColeJJetal，2001)。据估算，在全球范围内，河流和河口可能占目前全球人为N2O释放量的20%，其数量级与已确定的人为原因造成的土壤N2O排放源数量级相当(SeitzingerSPetal,1998)。BeauHeu等(2011)认为，溪流和河流释放的N2O已超过人类向大气排放N2O的10%，是IPCC估计数量的3倍。王佳宁等(2012)通过对国内3个流域不同类型河流研究，发现其估算的所有河流N2O释放系数(EF5-r=0.881%)显著高于2006年IPCC提出的参考值(0.25%)。河口湿地沉积物和海底沉积物等高度厌氧环境中产生的CH4占大气CH4自然排放源的40%以上(SolomonSetal,2007)。随着城-1-市化进程，农田土壤的流失、工业和生活污水的注入，使得城市地区河流产生黑臭现象，其浓度比开阔大洋高1~2个量级(AbrilGetal,2009)。河流每年大约以溶解态和颗粒态向海洋输送1Gt的碳，而通过水-气界面向大气中释放的1013g/a的CO2(RicheyJEetal,2002)。粗略估计，上世纪90年代，每年约有15.3Mt的碳从整个长江流域输送到大气中(谭燕等,2004)。David等(2011)结合全球474个淡水生态系统研究发现，考虑到如今估算的淡水水域0.65Pg(CO2eq)·yr-1的CH4的排放量以及1.4Pg(CO2eq)·yr-1的CO2的排放量的总和相当于全球陆地温室气体汇的79%，很明显淡水生态系统是全球温室气体平衡中的一个重要组成部分。目前在内陆淡水生态系统中，水-气界面的温室气体排放大多集中在湿地、湖泊和水库等生态系统，而对河流生态系统在温室气体排放贡献方面的实验研究仍较少。尤其是我国快速的城市化、工业化进程扰乱了城市区域正常的水循环，导致生活污水排放量增多、地下水超采、水质恶化等一系列水环境问题。此外，为了缓解城市经济发展与能源制约之间的矛盾，尽管很多城市都全面制定温室气体排放清单以掌握城市温室气体的排放现状和主要排放源，以期提出有地方特色的减排方案和政策措施，但在城市温室气体排放清单的核算过程中，河流对温室气体排放的贡献被并入废弃物(生活污水和工业废水)和湿地(天然河流)中考虑并且IPCC的估算方法对影响因子和产生机制的空间差异的考虑不够精确。因此，作为人们赖以生活、生产的重要资源，同时担负着各种社会活动废物排放的城市河流，其水-气界面的温室气体交换不可忽视。2国内外研究现状2.1河流水体中CO2、CH4、N2O的浓度及其水-气界面排放通量河流CO2、CH4和N2O的释放是减少河流碳氮负荷量的重要途径，同时为了更深入地确定这3种温室气体的源汇清单，近年来部分学者分别对全球各种类型的河流温室气体释放通量进行了观测和研究。Hlavacova等(2006)对捷克Sitka溪流释放的温室气体通量用3种不同的方法进行观测发现，3种方法观测下，Sitka河流均为CO2、CH4和N2O的排放源。赵炎等(2011)通过对香溪河支流采用漂浮静态箱在2009~2010年间观测发现，香溪河支流的CO2平均排放量约76.52mg·m-2·h-1，其中在春季和水华期间，表现为对大气中CO2的吸收；CH4的平均排放量约为0.2449mg·m-2·h-1；N2O的平均排放量约为0.0117mg·m-2·h-1。通过研究发现，河流和河口CO2的释放量或过饱和度均随上、中、下游一次递减(SarmaVVSSetal,2011)。CrosswellJR等(2012)通过对北卡罗来纳州Neuse河口CO2分压进行27个连续流动观测发现CO2通量呈现高度的空间、时间的变异性，其最大值出现在高流速的秋季，最小值出现在高风速高初级生产的春季。Frankignoulle等(1998)通过对整个欧洲内河口和外河口CO2分压研究也发现，在春季-2-浮游植物开始生长的时候，水中CO2的分压会出现欠饱和的情况，而其他时间均为过饱和状态，并且整个河口的CO2的通量在0.1~0.5mol(CO2)之间，每年欧洲河口平均排放30~60Mt的碳，相当于西欧5~10%的人为CO2的释放量。Diane等(2001)人通过对BrockyBum流域C循环研究发现，该流域中以CO2为主要成分释放到大气中的C占到总C量的34%，剩余C中57%以DOC的形式随下流流失。河流、河口中甲烷浓度无论在时间上还是空间上都存在很大的变化，已报道的河流、河口最低浓度出现在英格兰的Tyne河，低达2.6nmol·L-1(Upstill-GoddardRCetal,2000)，最高浓度是在印度的Adyar河，高达153000nmol·L-1(NirmalRajkumarAetal,2008)。Angelis等(1987)通过对俄勒闻州的河流和河口111个釆样点进行为期4年的观测发现，所有的釆样点CH4对于大气均是过饱和的。赵静等(2011)通过对长江中、下游及长江口研究发现，长江中溶存的甲烷均处于过饱和状态，是大气中甲烷的净源。对威尼斯Orinoco流域的河流调查发现，河流水体CH4的年排放量是该流域内森林排放CH4的5倍，河流溶存CH4主要以气泡方式排放进入大气中(SmithLetal,2000)。河流本身溶存的N2O的浓度很高(DongLF,2004)。McMahon等(1998)采用密闭通量箱法对科罗拉多州SouthPlatte河的N2O释放量研究发现，该河N2O过饱和度高达2500%。Stow等(2005)研究发现Neuse河平均的N2O排放通量为309.6±32.6μgN·m-2·d-1。基于N2O在水中的过饱和程度，Kaplan等(1978)研究表明，河流可能代表N2O的一个显著的排放源。在沉积物富含营养物质的低地河流，N2O占整个通过硝酸盐还原过程中总的气体的42%(Garcia-RuizRetal,1998)。Gamier等(2006)通过对塞纳河河口的研究估计出该区域硝化作用和反硝化作用产生的N2O占总N2O产生量的比例分别为73%和57%。2.2河流水体中CO2、CH4、N2O的产生机制2.2.1河流水体中CO2的产生机制河流的碳交换作用性质及CO2通量大小直接受控于河道水体中有机碳(OC)和无机碳(IC)的组成特征及其近界面一系列的物理化学平衡过程(焦树林等,2008)。一般情况下,河流水-气界面的CO2存在如下的平衡过程：233322COHHCOHCOHCO在河流表层，河流水体的浮游生物利用光合作用将水体中溶解的无机碳“固定”为有机碳，从而导致水体CO2分压降低，减少水-气界面排放的CO2，甚至成为大气CO2的汇。在河流的初级生产过程中，还需从水中获取磷酸盐和硝酸盐，降低水中碱度，进一步降低CO2-3-分压，减少其水-气界面排放量(BarkanE,LuzBetal,2001)。而水生生物的呼吸作用则正好相反，在夜间释放CO2，使水中CO2分压增加，促使CO2从水体进入大气。此外，水体中有机物质的矿化作用，尤其是溶解的有机物质(DOC)被水生生物分解也会释放CO2气体(HuttunenJTetal,2003)。有机物在沉积物中有明显表层富积现象(张丽媛等,2010)。新鲜沉积物——水体表面一系列氧化还原反应也会导致二氧化碳在沉积物表层的生产、消耗和积累。即使被认为是贫营养型的巴西Lo-bo-Broa水库，其沉积物中二氧化碳的浓度也达1~9mmol/L(AbeDSetal,2005)。研究表明，通过水一气交界面进入大气的二氧化碳有20%来自于沉积物(程炳红等,2012)。Diane等(2001)研究认为有机物的呼吸时CO2的主要来源。2.2.2河流水体中CH4的产生机制河流中CH4主要通过以乙酸为底物的产甲烷菌或氢营养型产甲烷菌在厌氧的底泥或缺氧的均温层中产生。具体的机理为：由特定的产甲烷菌通过利用CO2作为电子受体或利用类似烷烃的小分子化合物在缺氧的环境中发生如下反应：OHCHHCOOHCH2423224有机营养的产甲烷过程代表了这个复杂食物链中的最后一步并且有2/3的甲烷产自这一过程。该反应需要在氧化还原电位在-200mVd的高度还原环境中进行,因此O2、硝酸盐(NO3-)和硫酸盐(SO42-)这类的电子受体也需要经历还原反应，并且由于硫酸还原菌、硝酸还原菌对H2、乙酸等反应物有更强的竞争力因此沉积物中大量存在的硫酸盐及硝酸盐会对CH4的产生过程起到抑制作用。CH4的汇主要为在表层水中通过水-气界面释放到大气中和在表层沉积物或水柱中被嗜甲烷菌氧化消耗(ValentineDetal,2002)，并且在扩散传输过程中超过90%的CH4会在氧跃层被消耗。此外，CH4还可以在无氧条件与SO42-、NO3-、Mn()、Fe()发生厌氧化(AOM)反应(32244HCOOHHSSOCH)。在硫酸盐缺乏的淡水环境中，硝酸盐或者亚硝酸盐可以参与到CH4的厌氧氧化过程中。2.2.3河流水体中N2O的产生机制河流N2O是河流环境中氮循环的氧化还原反应中的一个中间产物，其主要是通过硝化、反销化作用生成。它也可以在NCV异化还原为氨根离子(NH4+)的过程中作为一个副产物释放(Garcia-RuizRetal,1999)，此外NH4+的厌氧氧化过程也能产生N2O(ITrimmerMetal,2006）。硝化作用是NH4+经硝化细菌的氧化，转变为NO3-的过程。在NH4+氧化为NO2-和NO2-氧-4-化为NO3-的两个过程中均有N2O产生。反硝化作用是反硝化细菌在水环境氧气浓度极低的情况下，以NO3-为电子受体转换最终转化为N2的由相应的酶执行的多步反应。N2O是反硝化作用的中间产物，在某些酶缺失的情况下，也可以作为反硝化过程的主要产物(BowdenWetal,1986)。目前对于河流N2O的来源及