陳文重 王雨春 肖尚斌 李海英 許 濤 吳 婭

（1.三峽大學水利與環(huán)境學院，湖北宜昌 443002；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

大氣中二氧化碳（CO2）是一種重要的溫室氣體［1］，其溫室效應約占總溫室效應權重的50%［2］.自工業(yè)革命以來，大氣中CO2的濃度正以年均1.9×10－6的速率增加［3］.溫室氣體濃度的變化趨勢對預測未來氣候變化及其對社會經(jīng)濟的影響至關重要［4］.目前，有關水－氣界面溫室氣體釋放通量的研究主要集中在稻田、沼澤、湖泊以及人工水庫［5－7］，而對城市河流溫室氣體的研究鮮有報道.

由于城市的大規(guī)模建設，典型城市河流天然匯水區(qū)域大幅減少，各種生活污水和工業(yè)廢水進入城市河流，城市面源污染也隨著降水徑流進入河流［8］.對于溫室氣體的排放，城市河流由于范圍小，受到的關注也較小.但是城市河流是受人類活動影響最大的水生態(tài)系統(tǒng)之一［9］.大多數(shù)自然河流大部分時間處于向大氣排放CO2的狀態(tài)［10］，通過研究城市河流水－氣界面溫室通量，可以了解人類活動對水域溫室氣體排放的影響.昆玉河位于我國最大的城市—北京市城區(qū)，這里經(jīng)濟發(fā)達、人口眾多，且一般CO2的釋放通量在夏季最大［11］.因此，針對該河開展研究有助于了解城市河流溫室氣體的排放水平及過程.

1 研究區(qū)域概況

昆玉河是貫穿北京西部城區(qū)的重要水系，也是京密引水渠下游從頤和園昆明湖通到玉淵潭八一湖的水道，長約10km［12－13］.京密引水渠是一條把密云水庫的水引進北京城區(qū)做飲用水的人工渠，它起自密云水庫白河主壩以南的調節(jié)池，于懷柔縣城北入懷柔水庫，下游經(jīng)頤和園的昆明湖，在海淀區(qū)羅道莊與永定河引水渠相匯合，構成了北京的輸水系統(tǒng).觀測點選在位于北京市海淀區(qū)昆玉河之玉淵潭河段玉淵潭試驗水電站下游，監(jiān)測點水深2m 左右.可以代表一般城市河流的水深特點.

2 材料與方法

2.1 監(jiān)測方法

監(jiān)測測時間為2012年8月3日12：00至8月4日12：00，在此期間天氣晴好.

氣體通量采用LGR－100型快速溫室氣體分析儀，該儀器已在水布埡水庫［14－15］、香溪河庫灣［16］等水域得到良好應用.氣樣采集設備為自制動態(tài)通量箱，箱體（規(guī)格：長50cm，寬50cm，高40cm）采用塑鋼材質，通過箱體兩側的支架在箱體頂部裝有一個定時自動伸縮桿，提升高度為25cm，可將整個通量箱頂蓋提起使箱體內(nèi)外通風.箱體上部四周設有密封槽，注水后可以隔斷箱體內(nèi)外的空氣交換，使整個箱體達到密封的效果.箱體內(nèi)側面設有兩個微型風扇以便于使箱內(nèi)的空氣混合均勻.為保證監(jiān)測期間箱內(nèi)溫度不會劇烈變化，箱外布設泡沫保溫層，并貼有反光膜，箱體中部有兩根塑料導管與LGR－100型快速溫室氣體分析儀相連.通量箱底部四圍包有一層厚5cm 泡沫，以使通量箱漂浮在水面上.監(jiān)測前，設定好自動伸縮桿的定時程序，平衡期，先將頂蓋提升，維持20min，以便箱內(nèi)與箱外空氣充分混合，然后進入檢測期，將頂蓋合上維持40min，如此進行循環(huán)監(jiān)測.監(jiān)測期間，LGR－100型快速溫室氣體分析儀始終處于運行狀態(tài)，在數(shù)據(jù)處理時將平衡期的數(shù)據(jù)作為檢測期的初始數(shù)據(jù)進行平均處理，而只計算檢測期的通量.測定時將通量箱置于水面，箱口浸入水中10cm.在現(xiàn)場監(jiān)測期間，同時采用酸滴定法測定水樣總堿度（TA），并使用便攜式pH 計測定pH，用氣溫氣壓計測定現(xiàn)場氣溫和氣壓，風速儀測定現(xiàn)場風速.用PVC 瓶取200 mL水樣，帶回實驗室分析總氮（TN）、總磷（TP），具體方法見《水與廢水分析方法（第4版）》.

2.2 通量計算方法

溫室氣體的釋放通量是指單位時間內(nèi)單位面積上溫室氣體濃度的變化量，正值表示氣體從水體向大氣排放，負值表示水體吸收大氣中該氣體.氣體通量采用如下公式［17］進行計算：

式中，F(xiàn) 為氣體通量（mg·m－2·d－1）；K 為時間濃度關系圖中的濃度斜率（mg·kg－1·min－1）；F1為mg／kg與μg／m3的轉換系數(shù)（CO2：1 798.45）；F2為分鐘與天的轉換系數(shù)（1 440）；V 為進入浮箱的空氣體積（m3）；S 為水上部分浮箱的表面積（m2）；F3為μg與mg的轉換系數(shù)（1 000）.

3 結果與分析

3.1 環(huán)境因子

氣溫、風速、氣壓、pH、TN、TP 及TA 在24h變化過程（如圖1所示）.氣壓從8月3日12：00整體保持降低，到下午18：00以后開始上升，在夜間24：00左右達到一天之中的最大值100.30kPa.8 月4 日0：00左右氣壓開始下降，到4：00達到低谷，然后又開始上升，至11：00達到第二個高峰后又開始下降.在一天之中氣壓變化范圍為99.91～100.30kPa，平均值100.12kPa，變化幅度較小.風速在8 月3 日12：00～22：00有較大起伏，22：00至次日9：00風速基本為零，隨后到11：00有0.1～0.2m·s－1的風出現(xiàn).全天風速在0～2.0m·s－1，平均值0.25m·s－1，波動幅度較大.氣溫是一天之中變化最為明顯的環(huán)境因子，晝夜溫差較大，全天氣溫在23.8～34.7℃，平均值28.8℃.

pH 整體呈現(xiàn)出減小趨勢，只在21：00出現(xiàn)一個最大值，之后迅速減小，范圍在8.08～8.92，平均值8.32.TP表現(xiàn)為遞減趨勢，在8月3日15：00左右和8月4日1：00左右分別出現(xiàn)監(jiān)測期間的最大值8.9 μg·L－1和最小值4.6μg·L－1，全天平均值6.44μg·L－1.TN 含量呈緩慢的增長趨勢，在8月3 日20：20和次日2：20分別出現(xiàn)最高值16.41mg·L－1和最低值12.10mg·L－1.TA 在晝間變化過程則有較為明顯的波動，8月3日23：00至8月4日8：00，TA 變化相對較為穩(wěn)定，全天TA 范圍在74.2～84.1mg·L－1（CaCO3），平均值77.8mg·L－1（CaCO3）.

圖1 環(huán)境因子日變化

3.2 水－氣界面CO2 通量

觀測點處水－氣界面的CO2釋放通量可分為2：20～4：20較短的持續(xù)下降期和其他時段較長波動變化期（如圖2所示）.

圖2 CO2 通量日變化

24h內(nèi)CO2以吸收為主，僅在部分時段表現(xiàn)為釋放.全天CO2通量在－27.18～12.51mg·m－2·h－1，平均值－7.28mg·m－2·h－1，水體表現(xiàn)為對CO2的“匯”.CO2通量晝（4：20～19：20）、夜差異較大，晝間平均釋放通量為－8.81mg·m－2·h－1，低于全天平均值，夜間為－4.22mg·m－2·h－1，高于全天平均值.夜間的排放量高于晝間，這與呂東珂［18］、Cole［19］等人的研究結果一致.

與其他水域相比，昆玉河與有一定富營養(yǎng)化的太湖、東湖Ⅰ區(qū)、東湖Ⅱ區(qū)一樣是大氣CO2的“匯”，且釋放通量處于3 者之間.而水質較為良好的泥河水庫、香溪河庫灣和鄱陽湖則為大氣CO2的“源”.昆玉河夏季水－氣界面CO2的釋放通量處在較低的水平（見表1）.

表1 我國其他水域夏季水－氣界面CO2 日平均釋放通量

4 討 論

水體溫室氣體的產(chǎn)生和傳輸過程共同決定了水－氣界面溫室氣體通量，這些過程主要受氣候條件、水體水質、植被狀況及其他因素影響［5］.CO2主要由水體底部沉積物中有機質的分解和水柱中有機碳的氧化降解產(chǎn)生［24］，水底產(chǎn)生的CO2可以通過擴散或氣泡形式向水面?zhèn)鬏敚?5］.另外，水生生物的呼吸作用也釋放溫室氣體［26］，水生植物、浮游植物光合作用則可以固碳［27］.已知影響CO2水－氣界面釋放通量的因素有光照、風速、水體透明度等都與浮游植物初級生產(chǎn)力有關系［28－29］.

水－氣界面CO2釋放通量大小及方向由表層水體和大氣CO2分壓差大小決定，通常大氣中的分壓差變化較小，所以CO2通量主要由表層水體CO2的分壓決定［30］.表層水體CO2分壓主要受風速、TA、水溫、碳酸鹽分解和生物泵的影響［31］.

相關性分析結果（見表2）顯示，昆玉河水－氣界面CO2通量與pH、TP、TN、風速呈正相關性，與TA、溫度、氣壓呈負相關，其中與TA 和風速的相關系數(shù)值較小.水體pH 既影響水中物質的遷移和轉化過程［32］，也直接影響水中碳酸鹽的的分布，對水體CO2的濃度有著直接的控制作用［33］.

表2 環(huán)境因子與CO2 通量的相關系數(shù)

TA 是指水中能夠接受氫離子即與強酸發(fā)生中和反應的物質總量.比如氫氧根、碳酸根、重碳酸根等.本文TA 與通量呈負相關且相關系數(shù)較小.一般TA 越大相應的水體碳酸鹽、重碳酸鹽就愈多，因此TA 也是影響CO2通量的一個因素之一［34］.浮游植物在光合作用時還會吸收N、P 等營養(yǎng)物質，水體堿度也會相應的降低［35］.所以，堿度集中反應了水中CO2的溶解水平.

氣壓是影響氣體在水中溶解度的重要參數(shù)［36］.氣壓升高會使氣體在大氣中的分壓相應的升高，CO2向水體溶解，使向大氣釋放的通量減小.但由于本文中氣壓晝夜變化并不是很大，所以這種效果不太明顯.

氣溫既可以直接影響溫室氣體的排放，也可以通過調節(jié)水溫間接的影響溫室氣體的排放［37］.由于在本研究中缺乏水溫的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，只能通過氣溫來進行分析，根據(jù)王亮［16］等在香溪河庫灣進行的研究表明，24h內(nèi)水溫受氣溫影響比較明顯，水溫升高會促進CO2的吸收.氣溫升高，氣壓增加，促使CO2從大氣進入水體.氣溫降低，CO2從水中進入大氣.晝間氣溫高，氣壓高，夜間氣溫低，氣壓低，所以一天之中晝間從大氣進入水體的CO2多，而夜間較少.對于河流而言，由于水體比熱較大，水溫對太陽輻射不敏感，而且較小的水溫變化對CO2通量的影響也不會很大［38］.

風速是影響水－氣界面碳通量的重要因素［5］.在觀測中發(fā)現(xiàn)在風浪較大的時段，水體向大氣的排放量也較大.研究認為，風應力增加了水－氣接觸面積，加速了碳交換；對底泥產(chǎn)生擾動，促使底泥中的CO2排放，與CO2釋放通量正相關［18］.在本研究中風速與CO2通量雖呈正相關，但相關性較弱，可能是因為在晝夜風力差異大，且24h內(nèi)風速都比較小，對CO2通量的影響不明顯.由于城市河流水淺，河道較為狹窄的特點，在風速較大的情況下可能更易受到風應力的影響.

在生長季浮游植物是控制表層水體分壓的關鍵因素，CO2的吸收與釋放大部分是由浮游植物完成.當浮游植物進行光合作用時，消耗水中的溶解CO2，提高水體pH，水體CO2分壓降低，大氣中的CO2進入水體；呼吸作用時生物釋放CO2，使表層水體CO2分壓增加，CO2從水體進入空氣［21］.晝間水體從大氣中吸收的CO2多，而夜間少.主要原因在于夏季晝長夜短，日照加強了水體中的光合作用，水體中的CO2通過光合作用轉化為有機碳，并且產(chǎn)生氧氣，導致水體氧化還原電位升高、CO2分壓降低，使得河道碳排放強度在日落后達到最弱、日出前最強［34］.

本文TN 和TP 與CO2通量有較強的相關性.N、P 是影響浮游植物生長的重要營養(yǎng)物質，它們通過影響浮游植物的生長來調節(jié)水體理化特性，從而影響CO2的釋放通量.

5 結 論

昆玉河CO2的平均釋放通量晝夜差異較大，晝間吸收多，晚間吸收少，晝夜平均釋放通量為－7.28 mg·m－2·h－1，與其他水域夏季日平均結果比較處于較低水平.pH、TP、TN 和溫度對水－氣界面CO2的釋放通量有較大影響.風速和TA 晝夜間的變化并不明顯，晝夜間的變化對溫室氣體的產(chǎn)生和水－氣界面的釋放通量影響較小，晝夜變化過程與CO2的相關性較弱.

［1］ Tett S，Stot P，Allen MR，et al.Causes of 20th Century Temperature Change Near Earth＇s Surface［J］.Nature，1999，399：569－572.

［2］ Rodhe H.A Comparison of the Contribution of Various Gases to the Greenhouse Effect［J］.Science（New York，NY），1990，248（4960）：1217－1219.

［3］ Pachauri R，Reisinger A.Climate Change 2007：Synthesis Report.Contribution of Working Groups I，II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change［J］.Intergovernmental Panel on Climate Change，2007.

［4］ 李香華.太湖水－氣界面溫室氣體通量及時空變化特征研究［D］.南京：河海大學，2005.

［5］ 趙小杰，趙同謙，鄭 華，等.水庫溫室氣體排放及其影響因素［J］.環(huán)境科學，2008，29（8）：2377－2384.

［6］ 趙 炎，曾 源，吳炳方，等.水庫水氣界面溫室氣體通量監(jiān)測方法綜述［J］.水科學進展，2011（1）：019.

［7］ 李海濤，沈文清，劉 琪，等.濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)研究進展［J］.江西科學，2003，21（3）：160－167.

［8］ 胡嘉東，張錫輝，萬正茂，等.典型城市河流中嗅味物質和微生物菌落特征［J］.環(huán)境科學研究，2009，（1）：47－51.

［9］ 張丙印，倪廣恒.城市水環(huán)境工程［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［10］Yao G，Gao Q，Wang Z，et al.Dynamics of CO2Partial Pressure and CO2Outgassing in the Lower Reaches of the Xijiang River，a Subtropical Monsoon River in China［J］.Science of the Total Environment，2007，376（1）：255－266.

［11］Liikanen A，Huttunen J T，Karjalainen S M，et al.Temporal and Seasonal Changes in Greenhouse Gas Emissions from a Constructed Wetland Purifying Peat Mining Runoff Waters［J］.Ecological Engineering，2006，26（3）：241－251.

［12］Orient E.昆玉河生態(tài)水景走廊景觀規(guī)劃設計［J］.中國園林，2005，21（10）：33－40.

［13］傅 樺，趙麗娟，徐曉進.北京市昆玉河旅游與沿岸景觀規(guī)劃建設［J］.首都師范大學學報：自然科學版，2009，29（5）：57－61.

［14］趙登忠，譚德寶，汪朝輝，等.水布埡水庫水氣界面二氧化碳交換規(guī)律研究［J］.人民長江，2012，43（8）：65－70.

［15］汪朝輝，杜清運，趙登忠.水布埡水庫CO2排放通量時空特征及其與環(huán)境因子的響應研究［J］.水力發(fā)電學報，2012，31（2）：146－151.

［16］王 亮，肖尚斌，劉德富，等.香溪河庫灣夏季溫室氣體通量及影響因素分析［J］.環(huán)境科學，2012（5）：010.

［17］Lambert M，F(xiàn)réchette J L.Analytical Techniques for Measuring Fluxes of CO2and CH4from Hydroelectric Reservoirs and Natural Water Bodies［J］.Greenhouse Gas Emissions－Fluxes and Processes，2005：37－60.

［18］呂東珂，于洪賢，馬成學，等.泥河水庫春季水－氣界面二氧化碳通量與其影響因子的相關性分析［J］.濕地科學與管理，2010（2）：44－48.

［19］Cole J J.Aquatic Microbiology for Ecosystem Scientists：New and Recycled Paradigms in Ecological Microbiology［J］.Ecosystems，1999，2（3）：215－225.

［20］呂東珂.泥河水庫水－氣界面CO2通量研究［D］.哈爾濱：東北林業(yè)大學，2009.

［21］嵇曉燕，崔廣柏，楊龍元，等.太湖水－氣界面CO2交換通量觀測研究［J］.環(huán)境科學，2006，27（8）：1479－1486.

［22］邢陽平，楊洪，倪樂意.武漢東湖夏季水－氣界面CO2、CH4通量研究［A］.中國地理學會2003 年學術年會［C］.武漢，2003：1.

［23］林 茂.鄱陽湖水－氣界面溫室氣體通量研究［D］.北京：北京林業(yè)大學，2012.

［24］Liikanen A，F(xiàn)l?jt L，Martikainen P.Gas Dynamics in Eutrophic Lake Sediments Affected by Oxygen，Nitrate，and Sulfate［J］.Journal of environmental quality，2002，31（1）：338－349.

［25］劉叢強，汪福順，王雨春，等.河流筑壩攔截的水環(huán)境響應—來自地球化學的視角［J］.長江流域資源與環(huán)境，2009，18（4）：384－396.

［26］Rosa L P，dos Santos M A.Certainty ＆ Uncertainty in the Science of Greenhouse Gas Emissions from Hydroelectric Reservoirs［J］.WCD Thematic Review Environmental Issues II，2000，2.

［27］Carpenter S R，Cole J J，Hodgson J R，et al.Trophic Cascades，Nutrients，and Lake Productivity：Whole－lake Experiments［J］.Ecological Monographs，2001，71（2）：163－186.

［28］Smith V H，Tilman G D，Nekola J C.Eutrophication：Impacts of Excess Nutrient Inputs on Freshwater，Marine，and Terrestrial Ecosystems［J］.Environmental pollution，1999，100（1）：179－196.

［29］Duchemin E，Lucotte M，Canuel R.Comparison of Static Chamber and Thin Boundary Layer Equation Methods for Measuring Greenhouse Gas Emissions from Large Water Bodies［J］.Environmental science ＆technology，1999，33（2）：350－357.

［30］嚴國安，劉永定.水生生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)及對大氣CO2的匯［J］.生態(tài)學報，2001，21（5）：827－833.

［31］Biswas H，Mukhopadhyay S，De T，et al.Biogenic Controls on the Air－water Carbon Dioxide Exchange in the Sundarban Mangrove Environment，Northeast coast of Bay of Bengal，India［J］.Limnology and oceanography，2004，49（1）：95－101.

［32］楊 妍，劉叢強，吳 攀，等.貓?zhí)恿饔蛱菁夐_發(fā)水庫夏季甲烷排放研究［J］.貴州水力發(fā)電，2009，23（3）：12－16.

［33］郭勁松，李 哲，方 芳，等.三峽水庫不同運行狀態(tài)下支流澎溪河水－氣界面溫室氣體通量特征初探［J］.環(huán)境科學，2012，33（5）：1463－1470.

［34］李香華，胡維平，楊龍元，等.太湖梅梁灣冬季水－氣界面二氧化碳通量日變化觀測研究［J］.生態(tài)學雜志，2005，24（12）：1425－1429.

［35］Davies J M，Hesslein R H，Kelly CA，et al.pCO2Method for Measuring Photosynthesis and Respiration in Freshwater Lakes［J］.Journal of plankton research，2003，25（4）：385－395.

［36］Dunnivant F M，Elzerman A W.Aqueous Solubility and Henry＇s Law Constant Data for PCB Congeners for Evaluation of Quantitative Structure－property Relationships（QSPRs）［J］.Chemosphere，1988，17（3）：525－541.

［37］王東啟，陳振樓，王 軍，等.夏季長江口潮間帶CH4，CO2和N2O 通量特征［J］.地球化學，2007，36（1）：78－88.

［38］張發(fā)兵，胡維平，楊龍元.太湖春季水－氣界面碳通量日變化觀測研究［J］.生態(tài)環(huán)境，2004，13（2）：186－190.