李凌宇,于瑞宏,田明揚(yáng),胡海珠,*,張笑欣,冉立山,楊現(xiàn)坤,呂喜璽

1 內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,呼和浩特 010021 2 新加坡國(guó)立大學(xué),新加坡 17570

黃河二氧化碳逸出時(shí)空變化及其影響因素
——以頭道拐水文站為例

李凌宇1,于瑞宏1,田明揚(yáng)1,胡海珠1,*,張笑欣1,冉立山2,楊現(xiàn)坤2,呂喜璽1

1 內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,呼和浩特 010021 2 新加坡國(guó)立大學(xué),新加坡 17570

河流連接著海洋碳庫(kù)和陸地碳庫(kù),河流碳逸出是全球碳收支的重要組成部分。本文以黃河上游和中游分界點(diǎn)—內(nèi)蒙古段頭道拐斷面為研究對(duì)象,采用Li- 7000靜態(tài)箱法監(jiān)測(cè)了斷面4個(gè)采樣點(diǎn)在2013—2015年期間四季的CO2逸出通量(FCO2),并分析了FCO2時(shí)空變化規(guī)律?；谘芯繑嗝嬷饕暮退瘜W(xué)指標(biāo)的野外監(jiān)測(cè)和室內(nèi)分析結(jié)果,探討了FCO2的主要影響因素。結(jié)果表明斷面FCO2介于14—186 mol m-2a-1,平均值為84 mol m-2a-1；水體CO2分壓(pCO2)介于467—2101 μatm,平均值為995 μatm；DOC濃度介于2.7—13 mg/L。FCO2季節(jié)性差異明顯：夏季FCO2為全年最大456 mmol m-2d-1,冬季最小33 mmol m-2d-1。FCO2在4個(gè)采樣點(diǎn)的空間差異顯著：河道右岸S4點(diǎn)處最大為392 mmol m-2d-1；河道中部S2和S3點(diǎn)基本相同；河道左岸S1點(diǎn)最小為86 mmol m-2d-1。FCO2與河道流速呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系,與pCO2中等相關(guān),與pH負(fù)相關(guān),與風(fēng)速的相關(guān)性不明顯,說(shuō)明對(duì)于該研究斷面河道流速較pCO2對(duì)FCO2的貢獻(xiàn)更大。本研究較為精細(xì)地探討了頭道拐斷面的水體CO2逸出規(guī)律,表明即使在同一河道斷面,FCO2也可能存在較大空間差異,流速較大處的FCO2較大,因此在野外監(jiān)測(cè)FCO2時(shí)需要在河道斷面選取具有代表性的采樣點(diǎn),特別是較大的河流。研究結(jié)果為黃河中上游CO2逸出量評(píng)價(jià)和河道斷面FCO2監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。

二氧化碳逸出通量；時(shí)空變化；影響因素；黃河頭道拐

自然界中不同形態(tài)的碳在巖石圈、陸地生態(tài)系統(tǒng)、大氣和海洋4個(gè)碳庫(kù)間的相互轉(zhuǎn)換和運(yùn)移過(guò)程稱(chēng)為全球碳循環(huán)[1]。河流作為全球碳循環(huán)的重要連接通道,持續(xù)地從陸地向海洋輸送碳,在此過(guò)程中河流由水體向大氣釋放CO2,是碳損失的重要途徑之一[2- 3]。已有研究表明黃河CO2逸出量與碳沉降量相當(dāng),約占河流碳循環(huán)的1/3,均大于向海洋的輸送量[4]。全球河流系統(tǒng)的CO2年逸出量高達(dá)0.9—1.8 億t(GtC)[5],與礦石燃料燃燒的碳排放通量和海洋-大氣間的凈碳通量屬于同一量級(jí)[6- 7]。因此,開(kāi)展河流水-氣界面CO2通量研究,對(duì)認(rèn)識(shí)河流碳循環(huán)、區(qū)域碳循環(huán)乃至全球碳循環(huán)過(guò)程具有重要意義。

河流水體中的CO2在處于過(guò)飽和狀態(tài),即水體中的CO2分壓(pCO2)大于大氣壓時(shí),才能從水體逸出。因此,FCO2的研究通常以河流水體表面pCO2為基礎(chǔ)。目前,研究者在世界范圍內(nèi)的大江大河,如南美的亞馬遜河、北美的密西西比河、亞洲的長(zhǎng)江、湄公河和黃河開(kāi)展了pCO2和FCO2的定量研究。例如,Li等[8]分析了湄公河下游42個(gè)水文站的數(shù)據(jù)得出水體表層pCO2均值為1090 μatm,FCO2為71 mol m-2a-1；Li等[9]對(duì)長(zhǎng)江龍川支流的研究發(fā)現(xiàn)該支流pCO2均值為1230 μatm,FCO2為27 mol m-2a-1；密西西比河流域河流和濕地的CO2釋放量可達(dá)1.2±0.3 MgC hm-2a-1[10]。

河流pCO2和FCO2通常呈現(xiàn)出明顯的時(shí)空差異,導(dǎo)致差異的主要原因是河流水體中CO2的來(lái)源不相同,并且相關(guān)的環(huán)境影響因素也有所不同。河流CO2的來(lái)源有外源和內(nèi)源兩種。外源主要有土壤中含碳有機(jī)物的礦化、土壤有機(jī)物的降解、植物根系的呼吸；內(nèi)源主要有水體有機(jī)碳的原位呼吸作用、光化學(xué)降解作用以及碳酸鹽的沉淀[11- 12]。環(huán)境影響因素主要有溫度、降水、流速、微生物以及人類(lèi)活動(dòng)等,這些因素相互作用,共同影響著河流CO2逸出[13]。研究表明流域降水給土壤提供了水分,而微生物在適宜的溫度條件下活躍度較高,利于產(chǎn)生CO2進(jìn)入河流,從而增大了水體的pCO2。近些年人類(lèi)活動(dòng)引發(fā)的營(yíng)養(yǎng)和熱力學(xué)變化也可能增加河流pCO2[14]。

關(guān)于FCO2的估算,有靜態(tài)箱法、模型估算法、渦度相關(guān)法以及氣體示蹤試驗(yàn)法等[15- 17],目前最常用的主要是前兩種方法。靜態(tài)箱法即紅外水-氣界面CO2分析儀法,該法的優(yōu)點(diǎn)是能直接在河流表面測(cè)得FCO2,缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)水面風(fēng)速和降雨可能存在擾動(dòng)[18]。模型估算法又稱(chēng)梯度法,表達(dá)式[17,19]為：

FCO2=k·(pCO2水-pCO2氣)

(1)

式中,k為氣體交換系數(shù),pCO2水為河流表層的CO2分壓,pCO2氣為大氣的CO2分壓,河流表層pCO2一般采用溫度、pH結(jié)合堿度間接估算得到[20],堿度則由滴定法得到。該模型中參數(shù)k的取值的不同,結(jié)果有所差異,因此存在爭(zhēng)議。Peng采用模型估算法得到了烏江不同深度處的pCO2[21]；Noriega和Araujo采用該法估算了巴西北部和東北部河口的pCO2和FCO2[22]；Li等同樣采用該法估算了湄公河下游的pCO2和FCO2[8]。

黃河是高含沙量河流的代表,近些年有關(guān)其碳通量研究的報(bào)道越來(lái)越多。孫超[23]通過(guò)對(duì)黃河花園口和利津測(cè)站的觀測(cè),研究水體pCO2與水沙的關(guān)系,表明高泥沙含量對(duì)應(yīng)較高的pCO2；王亮[24]觀測(cè)了黃河花園口和利津測(cè)站水體中的各種形態(tài)的碳濃度,并估算了河流碳的輸運(yùn)量和水-氣界面通量。Ran等[25]對(duì)黃河干流碳逸出及其影響因素研究發(fā)現(xiàn),雨季FCO2大于旱季,并且受人類(lèi)影響,輸入海的碳通量在減少而FCO2在增加。以上研究表明目前對(duì)于黃河碳逸出的研究主要集中在黃河下游與河口地區(qū),而黃河中游和上游的相關(guān)研究較少。本文以黃河中游內(nèi)蒙古段的頭道拐斷面為研究對(duì)象,基于FCO2及其相關(guān)水文和水化學(xué)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)分析,探索了FCO2在年際、年內(nèi)以及斷面上的分布特征以及影響因素,補(bǔ)充了黃河中上游CO2逸出規(guī)律的研究,為黃河碳循環(huán)研究提供了科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

黃河是中國(guó)第二大河,全長(zhǎng)約5464 km[26],水面落差4480 m,流域面積約752443 km2,平均含沙量達(dá)37 kg/m3[27],是世界上含沙量最高的河流。本研究選取黃河上游與中游分界點(diǎn)—頭道拐水文站(110°04′E,40°16′N(xiāo))為試驗(yàn)點(diǎn)。頭道拐水文站是黃河干流重要的水文站點(diǎn)之一,位于內(nèi)蒙古托克托縣河口鎮(zhèn),位置如圖1所示。該站點(diǎn)所在區(qū)域?qū)贉貛Ц珊蛋敫珊禋夂?年降水量為155—366 mm,75%的降水集中于7—9月份。1956—2010年的水面蒸發(fā)量為1368 mm,夏季蒸發(fā)量為全年最大[28]。站點(diǎn)所在流域內(nèi)自產(chǎn)徑流很少,但過(guò)境流量很大,流經(jīng)該測(cè)站的徑流量占全河的50%以上[29]。1987—2010年的黃河徑流資料顯示,頭道拐多年平均水量為258億m3,主要集中于汛期的7—10月[30]。黃河在巴彥高勒與頭道拐區(qū)間,主要接納“十大孔兌”等支流匯入,這些支流流域植被較差、土質(zhì)疏松,并且河道流程短、比降大,因此汛期極易造成水土流失[31]。另外,頭道拐水文站的上游是河套灌區(qū),年引黃水量約50億m3,占黃河過(guò)境水量的七分之一[32]。

圖1 研究斷面位置示意圖Fig.1 The position of the river cross-section

2 研究方法

本研究在頭道拐水文站附近選取研究斷面,如圖2所示。為探究FCO2沿河道斷面的空間分布規(guī)律,在研究斷面布設(shè)4個(gè)采樣點(diǎn),S1點(diǎn)靠近黃河左岸,S2和S3點(diǎn)分別位于河道中部,S4點(diǎn)靠近右岸,分布如圖2所示。自2013年至2015年,共實(shí)測(cè)得到近3年的FCO2數(shù)據(jù),采樣時(shí)間分別為2013年7月、11月,2014年和2015年的4月、6月、9月和12月。

本研究運(yùn)用靜態(tài)箱法—紅外水氣CO2分析儀Li- 7000(美國(guó)Li-Cor公司)監(jiān)測(cè)水體pCO2[33]。由于Li- 7000無(wú)法直接測(cè)量水體中的CO2濃度,因此需要外接靜態(tài)箱(圖3),通過(guò)兩根塑料管將靜態(tài)箱與Li- 7000氣體分析儀連接,形成空氣閉合回路。本試驗(yàn)所用靜態(tài)箱為體積0.018 m3,與水面接觸面積為0.09 m2的塑料箱,為使塑料箱浮在水面,在塑料外部套有12 cm厚泡沫板。測(cè)量時(shí),首先將靜態(tài)箱舉起,使箱內(nèi)CO2濃度與大氣CO2濃度平衡,之后將靜態(tài)箱放置于河流表面,保持其靜止。Li- 7000氣體分析儀每間隔1 min記錄一次pCO2數(shù)值,每次監(jiān)測(cè)持續(xù)20 min左右。Li- 7000氣體分析儀采用12V電池供電。水-氣界面FCO2可通過(guò)下式計(jì)算[34]。

FCO2=(dpCO2/dt)(V/RTS)

(2)

式中,FCO2為CO2逸出通量(μmol m-2s-1)；dpCO2/dt為pCO2在靜態(tài)箱中積累量的斜率(μatm/s),一般采用開(kāi)始7—15 min之內(nèi)pCO2呈線性升高趨勢(shì)的數(shù)值計(jì)算；V為靜態(tài)箱體積(m3)；R為氣體常數(shù)(m3atm K-1mol-1)；T為靜態(tài)箱內(nèi)溫度(K)；S為靜態(tài)箱覆蓋水面面積(m2)。

圖2 研究斷面采樣點(diǎn)布設(shè)示意圖Fig.2 The sampling points of the river cross-section

圖3 Li- 7000靜態(tài)箱法原理示意圖Fig.3 The schematic of Li- 7000 static chamber method

野外試驗(yàn)過(guò)程中,除了對(duì)每一采樣點(diǎn)監(jiān)測(cè)水-氣界面CO2濃度變化,還監(jiān)測(cè)pH、流速、風(fēng)速和水溫等指標(biāo)。水溫和pH采用便攜式水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀(Multi3420)監(jiān)測(cè),水溫測(cè)量精度±0.2℃,pH測(cè)量精度±0.004。河道流速采用直讀式流速儀(Global Water FP211)進(jìn)行監(jiān)測(cè)(m/s),測(cè)量精度±0.03 m/s,測(cè)量時(shí)將流速儀放置于每個(gè)采樣點(diǎn)水面以下10 cm處,分別測(cè)量3次取平均值。風(fēng)速(m/s)采用標(biāo)智風(fēng)速儀(GM8901)進(jìn)行監(jiān)測(cè),精準(zhǔn)度為±3%,測(cè)量高度基本與靜態(tài)箱采樣時(shí)的水平高度一致,每個(gè)采樣點(diǎn)測(cè)量?jī)纱稳∑骄怠Ｈ∷畼訒r(shí),在每個(gè)采樣點(diǎn)水面以下5 cm處用超純水潤(rùn)洗過(guò)的500 mL采樣瓶進(jìn)行水樣采集。

冬季采樣時(shí),分別在4個(gè)采樣點(diǎn)處用冰鎬在冰面上砸開(kāi)略大于靜態(tài)箱底面積的冰洞。12月的河面結(jié)冰厚度為20—40 cm,河中央S2和S3處的冰層較厚。之后將靜態(tài)箱放置在冰洞中進(jìn)行監(jiān)測(cè),步驟和方法同上。

(3)

K0=[Η2CO3*]/[pCO2]

(4)

(5)

(6)

式中H2CO3*是H2CO3與CO2aq的總和,K為給定溫度的亨利常數(shù)。因此,河流水體無(wú)機(jī)碳用以下公式進(jìn)行計(jì)算[37]：

pK0=-7×10-5T2+0.016T+1.11

(7)

pK1=1.1×10-4T2-0.012T+6.58

(8)

pK2=9×10-5T2-0.0137T+10.62

(9)

河流水體的pCO2計(jì)算可以簡(jiǎn)單的表示為下式：

(10)

3 結(jié)果

3.1 相關(guān)環(huán)境因子

與研究斷面水體FCO2相關(guān)的環(huán)境因子如表1所示。水溫的季節(jié)性變化明顯,在0—25℃范圍內(nèi)。pH的變化范圍為8.01—8.45,水體偏堿性。監(jiān)測(cè)期間風(fēng)速大部分為1—2 m/s,僅在2014年12月風(fēng)速最高達(dá)到6.3 m/s。研究斷面的水體DOC濃度在2.7—13 mg/L,其來(lái)源可能有多種,分為內(nèi)源和外源。內(nèi)源主要是指水生植物通過(guò)光合作用吸收無(wú)機(jī)碳產(chǎn)生有機(jī)碳,但是研究斷面的水生植物較少[39],而且夏季流速較快、泥沙含量較高和透光性較弱的特征限制了水生植物生長(zhǎng)[40]。因此,研究斷面的DOC主要來(lái)自于外源輸入,包括土壤有機(jī)質(zhì)的降解產(chǎn)物、人類(lèi)生產(chǎn)和生活的排放物,特別是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn),均是水體DOC不可忽略的來(lái)源。斷面水體pCO2介于467—2101 μatm,季節(jié)性變化顯著,豐水期的pCO2普遍大于枯水期,最大值2101 μatm出現(xiàn)在2013年7月,同時(shí)FCO2也達(dá)到最大510 mmol m-2d-1。

表1 研究斷面FCO2及其相關(guān)影響因素?cái)?shù)據(jù)表

—表示未測(cè)得數(shù)據(jù)

3.2 FCO2的年際和年內(nèi)季節(jié)變化

將每次采樣時(shí)S1—S4點(diǎn)的FCO2取算術(shù)平均,得到研究斷面平均FCO2隨時(shí)間變化過(guò)程,如圖4所示。頭道拐斷面FCO2的年際變化總體趨同(圖4),在2013—2015年期間,冬季FCO2均為各年最低；春季FCO2在2014和2015年基本一致；2013和2014年的夏季FCO2均處于較高水平。2015年夏季FCO2缺測(cè)是因?yàn)楹拥涝赟1和S2點(diǎn)干涸。

研究斷面的FCO2呈現(xiàn)出明顯的年內(nèi)季節(jié)性變化特征(圖4)。夏季FCO2為全年最高456 mmol m-2d-1,如果遇到枯水年份,河道水量較低,FCO2也可能很低,比如研究斷面在2015年6月的河道流量極低。秋季次之為251 mmol m-2d-1,春季為148 mmol m-2d-1,而冬季為全年最低33 mmol m-2d-1。一般認(rèn)為冬季時(shí),CO2會(huì)被冰層封于水體內(nèi),因此水體可能儲(chǔ)存了大量CO2,但是該結(jié)果表明冬季冰層以下河流FCO2較低。

圖4 研究斷面的二氧化碳逸出通量(FCO2)年際和年內(nèi)季節(jié)變化過(guò)程Fig.4 The annual and seasonal variations of carbon dioxide efflux (FCO2) at the river cross-section

3.3 FCO2在研究斷面的變化

圖5 研究斷面4個(gè)采樣點(diǎn)的二氧化碳逸出通量(FCO2) Fig.5 Carbon dioxide efflux (FCO2) at 4 sampling points at the river cross-section

將各采樣點(diǎn)的FCO2在研究時(shí)段(2013年7月—2015年12月)內(nèi)取算數(shù)平均值,得到FCO2在頭道拐斷面上的空間分布(圖5)。結(jié)果表明研究斷面的FCO2呈現(xiàn)出明顯的空間差異性：靠近右岸的S4點(diǎn)處的FCO2為斷面最大392 mmol m-2d-1；左岸S1點(diǎn)處的最小為86 mmol m-2d-1；位于河道中部S2和S3點(diǎn)處的FCO2基本相同,分別為236 mmol m-2d-1和237 mmol m-2d-1,介于S1和S4之間。

綜合研究斷面的FCO2,通過(guò)時(shí)間換算得到頭道拐年均FCO2為84 mol m-2a-1。該結(jié)果與其他河流的結(jié)果一致,表明河流是CO2的源,不斷向大氣釋放CO2。相比于世界其他較大河流的FCO2：如湄公河下游的107.5 mol m-2a-1、密西西比河的98.5 mol m-2a-1、亞馬遜河的69 mol m-2a-1、哈德遜河的13.5 mol m-2a-1以及長(zhǎng)江河口的15.5—34.2 mol m-2a-1,該斷面FCO2處于較高水平。對(duì)黃河而言,位于上游的頭道拐斷面FCO2小于中游的125.6 mol m-2a-1[5]。

4 討論

研究結(jié)果表明黃河頭道拐斷面是一個(gè)碳源,而CO2逸出強(qiáng)度受諸多因素影響。從公式(1)可知,大氣的pCO2較穩(wěn)定,所以水體pCO2和氣體交換系數(shù)k是控制FCO2的兩個(gè)關(guān)鍵因素。

4.1 pCO2

根據(jù)溫度、堿度和pH計(jì)算得到的頭道拐斷面水體pCO2普遍高于大氣中的400 μatm：夏季pCO2為全年最大平均1524 μatm、秋季次之平均為1029 μatm、冬季和春季基本相同約為770 μatm,同樣表明黃河頭道拐斷面是一個(gè)碳源,該結(jié)論與黃河其他站點(diǎn)的pCO2研究結(jié)果相一致[41- 42]。

圖6 研究斷面水體二氧化碳逸出通量(FCO2)與二氧化碳分壓(pCO2)線性擬合結(jié)果Fig.6 The result of carbon dioxide efflux (FCO2) vs partial pressure of carbon dioxide (pCO2) with a linear fitting

黃河水體表層pCO2與FCO2的季節(jié)變化基本一致。夏季FCO2為全年最高,表層水體pCO2平均值為1524 μatm,ΔpCO2達(dá)到1124 μatm,促使水體中的CO2向大氣釋放,而冬季FCO2為全年最低,測(cè)得水體pCO2在2015年12月最小僅為467 μatm(表1),ΔpCO2較小導(dǎo)致FCO2較小。與FCO2結(jié)果不同的是,pCO2在冬季和春季非常相近。該斷面的FCO2和pCO2總體呈中等相關(guān)水平(R2=0.24,P<0.01),如圖6所示。分析原因,可能是因?yàn)镕CO2除了與pCO2有關(guān),還與氣體交換系數(shù)k有關(guān)。例如,位于S3點(diǎn)的2014年秋季FCO2高達(dá)448 mmol m-2d-1,但是相應(yīng)的pCO2僅為1181 μatm,而其河道流速卻高達(dá)1.84 m/s。

研究表明水體pCO2主要由水溫、pH、堿度和CO2濃度決定[43]。CO2濃度和堿度主要受光合作用、呼吸作用和鈣化作用等生物過(guò)程控制[17]。

4.1.1水溫

采樣期間測(cè)得斷面水溫為0—25℃,將水溫和pCO2進(jìn)行線性擬合,表明河水溫度與pCO2呈較好的正相關(guān)關(guān)系,如圖7所示。夏季水溫較高,提高了水體中微生物的活性,并降低了CO2溶解度,因此FCO2相應(yīng)增加,冬季則反之[25,26,29]。Alin等[44]在研究亞馬遜河時(shí)同樣發(fā)現(xiàn)水溫高會(huì)促進(jìn)水-氣界面的氣體交換速率,并增加CO2逸出強(qiáng)度。桂祖勝[45]在研究長(zhǎng)江水-氣界面CO2逸出季節(jié)變化時(shí)發(fā)現(xiàn)夏季FCO2為全年最高、秋季次之,與本研究結(jié)果不同的是其冬季FCO2高于春季,該差異可能是因?yàn)殚L(zhǎng)江冬季無(wú)結(jié)冰現(xiàn)象。

4.1.2pH

由水體中二氧化碳-碳酸鹽體系的平衡過(guò)程可知(公式3)[46],pH升高會(huì)促使平衡向右移動(dòng),更多的CO2生成碳酸鹽溶解在水中,導(dǎo)致水體pCO2降低,水-氣界面ΔpCO2減小,所以FCO2減少。將采樣點(diǎn)的pH和pCO2進(jìn)行線性擬合,得到pCO2與pH呈負(fù)相關(guān)性,如圖7所示。研究表明當(dāng)水體pH>8.3時(shí),河流相當(dāng)于碳匯,而當(dāng)pH<8.3時(shí),河流相當(dāng)于碳源[9]。本研究斷面超過(guò)一半水樣的pH小于8.3,同樣說(shuō)明該斷面水體是CO2的源。

4.1.3DIC和DOC

圖7 研究斷面水溫、pH、溶解無(wú)機(jī)碳、溶解有機(jī)碳與二氧化碳分壓的擬合結(jié)果Fig.7 The fitting results of water temperature, pH, dissolved inorganic carbon, dissolved organic carbon vs partial pressure of carbon dioxide at the river cross-section

4.2 氣體交換系數(shù)k

研究表明氣體交換系數(shù)k對(duì)FCO2的影響甚至大于水體pCO2,k值的大小主要由流速、風(fēng)速控制,同時(shí)還受到水深、河寬和河床坡度等多種環(huán)境因子的影響[48]。

4.2.1流速

頭道拐斷面的流速變化范圍為0.2—1.5m/s,S4點(diǎn)處的平均流速是斷面最大1.04m/s,S3點(diǎn)為0.99m/s,S2點(diǎn)為0.81m/s,S1點(diǎn)處最小僅為0.48m/s。S4點(diǎn)流速較大因?yàn)樵擖c(diǎn)位于河道的中泓線,水深也最大。斷面4個(gè)采樣點(diǎn)處的平均流速大小分布規(guī)律與FCO2相似。將采樣點(diǎn)的流速和FCO2進(jìn)行線性擬合,二者呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系,R2可達(dá)0.7,如圖8所示。本研究結(jié)果說(shuō)明頭道拐斷面河道流速是FCO2的關(guān)鍵影響因素,大于pCO2對(duì)河道FCO2的貢獻(xiàn)(R2=0.24)。這主要是因?yàn)榱魉佥^大有助于增大河流表面的湍流度和破碎度,使水體與空氣的接觸面積變大,從而加速了兩者間氣體的交換[49- 50]。

夏季FCO2普遍較高,降雨集中和流量較大是主要影響因素之一[38],實(shí)測(cè)流量最高可達(dá)1010m3/s(2014年8月21日)。冬季FCO2為全年最小,與冰層以下較低的河水流速(0.13m/s—0.3m/s)有關(guān),較小的水體擾動(dòng)減緩了CO2釋放[50- 51]。

4.2.2風(fēng)速

已有研究表明風(fēng)速是影響氣體交換速率常數(shù)的主導(dǎo)因素,對(duì)氣體交換起著決定性作用。風(fēng)會(huì)加快氣體的交換速率,帶走河流水-氣界面處的CO2,從而增大河流水體與大氣之間的ΔpCO2,促使水體中的CO2逸出。張龍軍等[52]在研究黃河碳通量影響因素時(shí)發(fā)現(xiàn),風(fēng)速是影響FCO2的一個(gè)重要因素,且兩者表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性。

本研究將每個(gè)采樣點(diǎn)的風(fēng)速和FCO2進(jìn)行線性擬合,表明FCO2與風(fēng)速并沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性,如圖8所示。可能是因?yàn)椴蓸悠陂g沒(méi)有遇到大風(fēng)天氣,大部分風(fēng)速低于3.5m/s。呂東珂[53]在研究水庫(kù)FCO2時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速小于3.5m/s時(shí),對(duì)FCO2的影響較小,而當(dāng)風(fēng)速大于3.5m/s時(shí),FCO2與風(fēng)速就表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。Raymond等[54]在哈德遜河的研究也發(fā)現(xiàn)FCO2未明顯受到風(fēng)速的影響,同樣可能是因?yàn)楸O(jiān)測(cè)時(shí)風(fēng)速較小,即使出現(xiàn)風(fēng)速較大的情況,持續(xù)時(shí)間也并不長(zhǎng)。

圖8 研究斷面流速和風(fēng)速與二氧化碳逸出通量的線性擬合結(jié)果Fig.8 The results of current velocity and wind speed vs carbon dioxide efflux with linear fitting at the study river section

5 結(jié)論

本研究在2013—2015期間,利用Li-7000靜態(tài)箱法對(duì)黃河頭道拐斷面進(jìn)行了FCO2野外監(jiān)測(cè)試驗(yàn),分析了FCO2在年際、年內(nèi)和斷面上的變化規(guī)律,并探討了水體pCO2和氣體交換系數(shù)k對(duì)FCO2的影響。結(jié)果表明河流水體pCO2高于大氣,斷面平均pCO2為995μatm,且表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化,夏季平均pCO2最大1524μatm,秋季次之1029μatm,冬季與春季基本相同,約為770μatm。另外,DOC的分解是控制水體pCO2的重要因素,而研究斷面的DOC主要來(lái)自于外源。研究斷面平均FCO2為84mmol m-2a-1,呈現(xiàn)出與pCO2相似的年際變化規(guī)律和明顯的季節(jié)性差異：夏季最高為456mmol m-2d-1,與夏季溫度高、流量大有關(guān),秋季次之251mmol m-2d-1,春季148mmol m-2d-1,冬季最低為33mmol m-2d-1,可能是因?yàn)槎緶囟鹊?、微生物活性較低,導(dǎo)致冬季冰層以下河流FCO2較低。研究斷面FCO2表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間差異性：靠近右岸S4點(diǎn)的FCO2為斷面最大392mmol m-2d-1,河段中部S2點(diǎn)和S3點(diǎn)的FCO2基本相同約為237mmol m-2d-1,靠左岸S1點(diǎn)的FCO2最小86mmol m-2d-1。該結(jié)果表明即使在同一斷面FCO2也可能存在較大差異,研究河段流速最大處的FCO2也最大,隨機(jī)采樣可能低估或高估水體CO2的逸出量,因此在河道取樣監(jiān)測(cè)時(shí)需要選取具有代表性的采樣點(diǎn),特別是在較大的河流中。研究斷面的FCO2與流速和溫度呈較好的正相關(guān)關(guān)系,與pCO2的相關(guān)關(guān)系中等,與pH呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與風(fēng)速并沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性。結(jié)果說(shuō)明河道流速較水體pCO2對(duì)FCO2的貢獻(xiàn)更大。本研究為黃河中上游CO2逸出量的評(píng)價(jià)提供了科學(xué)參考,但是僅一個(gè)斷面不足以全面評(píng)價(jià)黃河的CO2釋放能力,需要在后續(xù)的試驗(yàn)中繼續(xù)完善對(duì)黃河上中下游逸出CO2的研究。

[1] 姚冠榮, 高全洲. 河流碳循環(huán)對(duì)全球變化的響應(yīng)與反饋. 地理科學(xué)進(jìn)展,2005,24(5):50-60.

[2] 孫會(huì)國(guó), 漢景泰, 張淑榮, 呂喜璽. “05.06”西江特大洪水對(duì)河流碳輸出通量的影響. 科學(xué)通報(bào),2006,51(23):2773-2779.

[3] 高全洲, 沈承德. 河流碳通量與陸地侵蝕研究. 地球科學(xué)進(jìn)展,1998,13(4):369-375.

[4] Ran L S, Wang S J, Fan X L. Channel change at Toudaoguai Station and its responses to the operation of upstream reservoirs in the upper Yellow River. Journal of Geographical Sciences,2010,20(2):231-247.

[5] 楊歡. 黃河中游pCO2的時(shí)空變化特征研究[D]. 呼和浩特: 內(nèi)蒙古大學(xué),2015.

[6] 田麗欣, 吳瑩, 林晶, 朱卓毅, 張經(jīng). 冬季海南省東北部河流及近岸海區(qū)有機(jī)碳的分布特征. 熱帶海洋學(xué)報(bào),2010,29(5):136-141.

[7] 王敏. 長(zhǎng)江主流碳的時(shí)空輸運(yùn)特征及三峽工程對(duì)其影響[D]. 青島: 中國(guó)海洋大學(xué),2010.

[8] Li S Y, Lu X X, Bush R T. CO2partial pressure and CO2emission in the lower Mekong river. Journal of Hydrology,2013,504:40-56.

[9] Li S Y, Lu X X, He M, Zhou Y, Li L, Ziegler A D. Daily CO2partial pressure and CO2outgassing in the upper Yangtze River basin: a case study of the Longchuan River, China. Journal of Hydrology,2012,466-467:141-150.

[10] Richey J E, Melack J M, Aufdenkampe A K, Ballester V M, Hess L L. Outgassing from Amazonian rivers and wetlands as a large tropical source of atmospheric CO2. Nature,2002,416(6881):617-620.

[11] Abril G, Martinez J M, Artigas L F, Moreira-Turcq P, Benedetti M F, Vidal L, Meziane T, Kim J H, Bernardes M C, Savoye N, Deborde J, Souza E L, Albéric P, de Souza M F L, Roland F. Amazon river carbon dioxide outgassing fuelled by wetlands. Nature,2014,505(7483):395-398.

[12] Telmer K, Veizer J. Carbon fluxes,pCO2and substrate weathering in a large northern river basin, Canada: carbon isotope perspectives. Chemical Geology,1999,159(1/4):61-86.

[13] Ran L S, Lu X X, Sun H G, Han J T, Yu R H. Chemical denudation in the Yellow River and its geomorphological implications. Geomorphology,2014,231:83-93.

[14] 于奭, 杜文越, 孫平安, 黃婕, 羅惠先, 李幼玲, 何師意. 亞熱帶典型河流水化學(xué)特征、碳通量及影響因素. 水文,2015,35(4):33-41.

[15] 姚驍, 李哲, 郭勁松, 林初學(xué), 陳永柏, 李翀. 水-氣界面CO2通量監(jiān)測(cè)的靜態(tài)箱法與薄邊界層模型估算法比較. 湖泊科學(xué),2015,27(2):289-296.

[16] 趙炎, 曾源, 吳炳方, 陳永柏, 王強(qiáng), 袁超. 水庫(kù)水氣界面溫室氣體通量監(jiān)測(cè)方法綜述. 水科學(xué)進(jìn)展,2011,22(1):135-146.

[17] 丁虎, 劉叢強(qiáng), 郎赟超, 李思亮, 李曉東, 汪福順. 河流水-氣界面碳交換研究進(jìn)展及趨勢(shì). 上海大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版,2015,21(3):275-285.

[18] Ran L S, Lu X X, Sun H G, Han J T, Li R H, Zhang J M. Spatial and seasonal variability of organic carbon transport in the Yellow River, China. Journal of Hydrology,2013,498:76-88.

[19] Müller D, Warneke T, Rixen T, Müller M, Jamahari S, Denis N, Mujahid A, Notholt J. Lateral carbon fluxes and CO2outgassing from a tropical peat-draining river. Biogeosciences Discussions,2015,12(13):10389-10424.

[20] Hotchkiss E R, Hall Jr R O, Sponseller R A, Butman D, Klaminder J, Laudon H, Rosvall M, Karlsson J. Sources of and processes controlling CO2emissions change with the size of streams and rivers. Nature Geoscience,2015,8(9):696-699.

[21] Peng X, Wang B L, Liu C Q, Liu X L, Wang F S. Diurnal variations ofpCO2in relation to environmental factors in the cascade reservoirs along the Wujiang River, China. Chinese Journal of Geochemistry,2012,31(1):41-47.

[22] Noriega C, Araujo M. Carbon dioxide emissions from estuaries of northern and northeastern Brazil. Scientific Reports,2014,4(4):6164-6164.

[23] 孫超. 黃河調(diào)水調(diào)沙時(shí)期的碳輸運(yùn)特征及花園口站碳系統(tǒng)各分量的年變化[D]. 青島: 中國(guó)海洋大學(xué),2007.

[24] 王亮. 黃河干流碳輸運(yùn)及人類(lèi)活動(dòng)對(duì)其影響[D]. 青島: 中國(guó)海洋大學(xué),2014.

[25] Ran L S, Lu X X, Yang H, Li L L, Yu R H, Sun H G, Han J T. CO2outgassing from the Yellow River network and its implications for riverine carbon cycle. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences,2015,120(7):1334-1347.

[26] Wang Z Yu, Xin Y Z, Gao D M, Li F M, Morgan J, Xing B S. Microbial community characteristics in a degraded wetland of the yellow river delta. Pedosphere,2010,20(4):466-478.

[27] Ren M E. Sediment discharge of the Yellow River, China: past, present and future—a synthesis. Acta Oceanologica Sinica,2015,34(2):1-8.

[28] 丁磊. 黃河內(nèi)蒙古段河道變遷和干流水量損失研究[D]. 呼和浩特: 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2012.

[29] 張建云, 王國(guó)慶, 賀瑞敏, 劉翠善. 黃河中游水文變化趨勢(shì)及其對(duì)氣候變化的響應(yīng). 水科學(xué)進(jìn)展,2009,20(2):153-158.

[30] 張永領(lǐng), 董玉龍, 張東. 在三門(mén)峽水庫(kù)影響下黃河有機(jī)碳的輸送特征. 地理科學(xué),2015,35(7):912-918.

[31] 胡興林, 王靜, 藍(lán)永超, 李文治, 趙昌瑞. 黃河內(nèi)蒙段河道沖淤量與水沙輸移過(guò)程的關(guān)系分析. 水文,2012,32(2):44-48.

[32] Ran L S. Recent Riverine Carbon of the Yellow River: Fluxes, Outgassing and Burial[D]. Singapore: National University of Singapore,2013.

[33] Bergeron O, Margolis H A, Black T A, Coursolle C, Dunn A L, Barr A G, Wofsy S C. Comparison of carbon dioxide fluxes over three boreal black spruce forests in Canada. Global Change Biology,2007,13(1):89-107.

[34] Frankignoulle M. Field measurements of air-sea CO2exchange. Limnology and Oceanography,1988,33(3):313-322.

[35] Stumm W, Morgan J J. Aquatic chemistry:an introduction emphasizing chemical equilibria in natural waters. // Aquatic chemistry: An introduction emphasizing chemical equilibria in natural waters.1981:795-795.

[36] Plummer L N, Busenberg E. The solubilities of calcite, aragonite and vaterite in CO2-H2O solutions between0and90°C, and an evaluation of the aqueous model for the system CaCO3-CO2-H2O. Geochimica et Cosmochimica Acta,1982,46(6):1011-1040.

[37] Yao G R, Gao Q Z, Wang Z G, Huang X K, He T, Zhang Y L, Jiao S L, Ding J. Dynamics of CO2, partial pressure and CO2outgassing in the lower reaches of the Xijiang River, a subtropical monsoon river in China. Science of the Total Environment,2007,376(1/3):255-266.

[38] Hunt C W, Salisbury J E, Vandemark D. Contribution of non-carbonate anions to total alkalinity and overestimation ofpCO2in new England and new Brunswick rivers. Biogeosciences,2011,8(10):3069-3076.

[39] 袁永鋒, 李引娣, 張林林, 余斌, 齊喜榮, 韓明軒, 張建軍. 黃河干流中上游水生生物資源調(diào)查研究. 水生態(tài)學(xué)雜志,2009,2(6):15-19.

[40] 徐雪梅. 秋季黃河主流碳的輸運(yùn)特征[D]. 青島: 中國(guó)海洋大學(xué),2008.

[41] Li X L, Jia Q Y, Liu J M. Seasonal variations in heat and carbon dioxide fluxes observed over a reed wetland in northeast China. Atmospheric Environment,2015,127:6-13.

[42] 張龍軍, 徐雪梅, 溫志超. 秋季黃河pCO2控制因素及水-氣界面通量. 水科學(xué)進(jìn)展,2009,20(2):227-235.

[43] 黃文敏, 朱孔賢, 趙瑋, 余博識(shí), 袁希功, 馮瑞杰, 畢永紅, 胡征宇. 香溪河秋季水-氣界面溫室氣體通量日變化觀測(cè)及影響因素分析. 環(huán)境科學(xué),2013,34(4):1270-1276.

[44] Alin S R, de Fátima F L, Rasera M, Salimon C I, Richey J E, Holtgrieve G W, Krusche A V, Snidvongs A. Physical controls on carbon dioxide transfer velocity and flux in low-gradient river systems and implications for regional carbon budgets. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences,2011,116(G1): G01009.

[45] 桂祖勝. 長(zhǎng)江干流及其河口水體pCO2的分布與影響因素的初步研究[D]. 青島: 中國(guó)海洋大學(xué),2007.

[46] Larsen S, Andersen T, Hessen D O. ThepCO2in boreal lakes: organic carbon as a universal predictor?. Global Biogeochemical Cycles,2011,25(2): GB2012.

[47] Ran L S, Lu X X, Richey J E, Sun H G, Han J T, Yu R H, Liao S Y, Yi Q. Long-term spatial and temporal variation of CO2partial pressure in the Yellow River, China. Biogeosciences,2015,12(4):921-932.

[48] Wallin M B, ?quist M G, Buffam I, Billett M F, Nisell J, Bishop K H. Spatiotemporal variability of the gas transfer coefficient (KCO2) in boreal streams: implications for large scale estimates of CO2evasion. Global Biogeochemical Cycles,2011,25(3): GB3025.

[49] Alin S R, Salimon C I, Richey J E, Gordon I S, Jeffrey E R, Gordon W H, Alex V K, Anond K. Physical controls on carbon dioxide transfer velocity and flux in low-gradient river systems and implications for regional carbon budgets. Journal of Geophysical Research Biogeosciences,2011,116(G1): G01009.

[50] Zappa C J, Raymond P A, Terray E A, McGillis W R. Variation in surface turbulence and the gas transfer velocity over a tidal cycle in a macro-tidal estuary. Estuaries,2003,26(6):1401-1415.

[51] Wang F S, Wang Y C, Zhang J, Xu H, Wei X G. Human impact on the historical change of CO2degassing flux in River Changjiang. Geochemical Transactions,2007,8:7.

[52] 張龍軍. 東海海-氣界面CO2通量研究[D]. 青島: 中國(guó)海洋大學(xué),2003.

[53] 呂東珂. 哈爾濱周邊泥炭型水庫(kù)水-氣界面CO2通量研究[D]. 哈爾濱: 東北林業(yè)大學(xué),2013.

[54] Raymond P A, Caraco N F, Cole J J. Carbon dioxide concentration and atmospheric flux in the Hudson River. Estuaries,1997,20(2):381-390.

Spatial-temporalvariationsandinfluencingfactorsofcarbondioxideevasionfromtheYellowRiver:AnexampleoftheToudaoguaiGaugingStation

LI Lingyu1,YU Ruihong1, TIAN Mingyang1, HU Haizhu1,*, ZHANG Xiaoxin1, RAN Lishan2, YANG Xiankun2, Lü Xixi1

1SchoolofEcology&Environment,InnerMongoliaUniversity,Hohhot010021,China2DepartmentofGeography,NationalUniversityofSingapore, 17570Singapore

The oceanic carbon pool and terrestrial carbon pool are connected by rivers. Carbon dioxide (CO2) evasion from rivers to the atmosphere represents a substantial flux in the global carbon cycle. The CO2efflux (FCO2) and CO2partial pressure (pCO2) in large rivers have been widely evaluated. Most studies concerning CO2emission from the Yellow River, a typical river containing high sediment concentrations, focused on the lower reach and its estuary, but less is known about its upper and middle reaches. In this study, a river cross-section at the Toudaoguai Gauging Station in Inner Mongolia, the dividing point between the upper and middle reaches of the Yellow River was chosen as a study site. Evasion of CO2was measured four times each year using Li- 7000 static chamber method from 2013 to 2015 at four sampling points in a river cross-section. The spatial and temporal variations ofFCO2were analyzed. The relevant hydrological indexes, including water temperature, pH,and wind velocity as well as current velocity were measured at the four sampling points. The hydrochemical indicators, including ALK and DOC in water samples, were analyzed in the laboratory andpCO2was estimated. The possible influential factors ofFCO2were further discussed using correlation analysis. The CO2evasion from the river cross-section ranged from 14 to 186 mol m-2a-1and its average was 84 mol m-2a-1. ThepCO2in the Yellow River at the Toudaoguai Gauging Station was within the range of 467—2101 μatm and the average value was 995 μatm. The concentration of DOC ranged from 2 to 13 mg/L. TheFCO2exhibited obvious seasonal variations, with the maximumFCO2of 456 mmol m-2d-1occurring in summer and the minimum of 33 mmol m-2d-1occurring in winter. TheFCO2values were markedly different at sampling points, with the maximum value of 392 mmol m-2d-1at S4 near the right bank, similar values at S2 and S3 in the middle of the river section, and the minimum of 86 mmol m-2d-1at S1 near the left bank. The analysis of factors influencingFCO2indicated thatFCO2was positively correlated with current velocity andpCO2, and negatively correlated with pH. There was no obvious correlation betweenFCO2and wind speed. Results also showed that current velocity contributed more toFCO2than topCO2in the river cross-section. In this study, evasion of CO2from the Toudaoguai cross-section was determined on a relatively fine scale. The results suggested that a distinct spatial variation inFCO2exists even at the level of river cross-section, with the maximumFCO2found at the point with the highest current velocity. Thus, typical sampling points in a river cross-section should be chosen forFCO2measurement. The study provided a scientific reference for bothFCO2evaluation in the upper and middle reaches of the Yellow River andFCO2sampling in a river cross-section.

evasion of carbon dioxide; spatial-temporal variation; influencing factor; Toudaoguai Gauging Station of the Yellow River

國(guó)家自然科學(xué)基金(91547110,51469018); 水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(20150104)

2016- 09- 09; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 07- 12

*通訊作者Corresponding author.E-mail: haizhuhu@163.com

10.5846/stxb201609091833

李凌宇,于瑞宏,田明揚(yáng),胡海珠,張笑欣,冉立山,楊現(xiàn)坤,呂喜璽.黃河二氧化碳逸出時(shí)空變化及其影響因素——以頭道拐水文站為例.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(22):7636- 7646.

Li L Y,Yu R H, Tian M Y, Hu H Z, Zhang X X, Ran L S, Yang X K, Lü X X.Spatial-temporal variations and influencing factors of carbon dioxide evasion from the Yellow River: An example of the Toudaoguai Gauging Station.Acta Ecologica Sinica,2017,37(22):7636- 7646.