陳思祥,楊正健**,王從鋒,魏辰宇,劉德富

(1:三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,宜昌 443002) (2:三峽大學(xué)三峽水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)湖北省野外科學(xué)觀測(cè)研究站,宜昌 443002) (3:湖北工業(yè)大學(xué)河湖生態(tài)修復(fù)及藻類利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430068)

甲烷(Methane,CH4)是引起全球變暖的重要溫室氣體之一,在百年尺度上其分子增溫潛勢(shì)是二氧化碳(CO2)的28～34倍[1]。湖庫(kù)淡水水域是重要的CH4自然排放源[2]。其面積僅占全球陸地面積的3.7%[3],CH4釋放量卻高達(dá)67 Tg C/a(按其增溫潛勢(shì)為CO2的34倍折算,相當(dāng)于828.4 Tg C/a的碳排放)[4],可抵消近27%的全球生態(tài)系統(tǒng)年凈吸收碳量[5]。自然水體中,CH4傳輸?shù)闹饕绞綖閿U(kuò)散、氣泡釋放、植物運(yùn)輸[6-9]。其中,氣泡釋放是湖庫(kù)排放CH4的重要方式[10-11]。近期研究表明,熱帶及亞熱帶淺水湖庫(kù)中,以氣泡形式釋放的CH4可占其釋放總量的約10%～86%[12]。因此,研究湖庫(kù)氣泡態(tài)CH4排放對(duì)于估算未來(lái)全球陸地CH4的收支具有重要意義。

湖庫(kù)中形成于水底的CH4等氣體,在特定物化條件下形成氣泡聚集于沉積物表面。這些氣泡在適宜條件下(水位降低、水溫升高等)脫附,做無(wú)規(guī)律運(yùn)動(dòng)運(yùn)移至水面破裂,所攜帶CH4釋放至大氣[13]。氣泡的形成、釋放過(guò)程極其復(fù)雜,不僅受產(chǎn)氣水域靜水壓力、水流速度、水溫及風(fēng)速等物理?xiàng)l件影響,亦與水體pH、沉積物有機(jī)質(zhì)含量等化學(xué)條件密切相關(guān)[14-15]。根據(jù)已有研究經(jīng)驗(yàn),水溫較高、有機(jī)質(zhì)含量豐富的淺層(10～40 m)緩流(<0.1 m/s)水域產(chǎn)泡幾率較高[16-17]。盡管如此,同相對(duì)均質(zhì)的擴(kuò)散過(guò)程相比,氣泡的形成、釋放具有極高的不確定性、不連續(xù)性及偶然性,致使湖庫(kù)CH4氣泡釋放通量表現(xiàn)出明顯的時(shí)間、空間變異特性[10-11]。

目前,湖庫(kù)CH4氣泡釋放通量通常采用倒置漏斗法、浮箱法進(jìn)行監(jiān)測(cè)[18-19]。但這兩種方法難以滿足監(jiān)測(cè)需求。浮箱法根據(jù)箱體內(nèi)氣體定長(zhǎng)時(shí)間的變化斜率推求氣體通量。但氣泡的瞬時(shí)釋放會(huì)對(duì)箱內(nèi)穩(wěn)定狀態(tài)造成干擾,從而對(duì)其測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性造成較大影響[15]。由于浮箱法監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)有限,在湖庫(kù)中氣泡釋放的時(shí)間、空間未知的情況下,其結(jié)果可能無(wú)法反映氣泡通量的變化特征。倒置漏斗法通過(guò)收集研究區(qū)域水體所產(chǎn)生的氣泡,評(píng)估氣泡通量水平[7]。其結(jié)果僅反映監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)的氣泡收集總量[16],無(wú)法表征CH4氣泡通量的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段存在的缺陷致使湖庫(kù)氣泡態(tài)CH4釋放通量的時(shí)空異質(zhì)特性得到廣泛討論[12-24],但有關(guān)其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的研究相對(duì)較少[10-11,25-26]。

三峽水庫(kù)蓄水以來(lái),水庫(kù)建設(shè)引起潛在的溫室效應(yīng)問(wèn)題已成為國(guó)內(nèi)研究熱點(diǎn)[27-29]。雖然現(xiàn)有研究已充分掌握了三峽庫(kù)區(qū)的CH4擴(kuò)散通量及其變化規(guī)律[27-28],但受制于監(jiān)測(cè)手段的局限性,其氣泡通量及變化規(guī)律仍不明確。針對(duì)已有監(jiān)測(cè)手段在監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及監(jiān)測(cè)頻率等方面存在的缺陷,本研究基于倒置漏斗型氣泡通量監(jiān)測(cè)裝置[6,27],結(jié)合紅外對(duì)管測(cè)定技術(shù)[30],擬設(shè)計(jì)一種適用于三峽水庫(kù)支流水域的CH4氣泡通量連續(xù)監(jiān)測(cè)方法。驗(yàn)證其可靠性后,基于該方法開展三峽支流香溪河庫(kù)灣CH4氣泡通量監(jiān)測(cè),并同步監(jiān)測(cè)環(huán)境因子。初步探討香溪河庫(kù)灣CH4氣泡通量變化特征并分析環(huán)境因子對(duì)其產(chǎn)生的影響。本研究旨在克服已有監(jiān)測(cè)手段無(wú)法針對(duì)CH4氣泡通量進(jìn)行高頻次、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)的難題,為研究三峽水庫(kù)典型支流氣泡態(tài)CH4排放及其影響因素提供理論及技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 裝置設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)原理

1.1.1 裝置設(shè)計(jì) 本裝置外形與國(guó)際常用倒置漏斗狀氣泡收集裝置[6]類似(圖1)。裝置垂直布設(shè)于水下,漏斗頂部開孔與氣泡記錄儀中的玻璃導(dǎo)管相連,導(dǎo)管頂端連接于集氣瓶。氣泡由漏斗底部進(jìn)入,流經(jīng)玻璃導(dǎo)管,最終進(jìn)入集氣瓶?jī)?nèi)。氣泡記錄儀中的紅外光束收發(fā)器以固定頻率發(fā)射光束脈沖,并根據(jù)水體和氣泡在經(jīng)過(guò)玻璃導(dǎo)管時(shí)對(duì)光束的吸收差異辨識(shí)并記錄氣泡信息,同時(shí)通過(guò)上下兩個(gè)激光記錄儀參數(shù)計(jì)算氣泡體積。

圖1 定點(diǎn)氣泡監(jiān)測(cè)裝置整體示意Fig.1 Sketch of bubbles detector in situ

1.1.2 監(jiān)測(cè)原理 計(jì)算氣泡通量的具體步驟為:假設(shè)玻璃導(dǎo)管內(nèi),第i個(gè)氣泡的頂端及底端通過(guò)第一個(gè)紅外光線收發(fā)器的時(shí)間分別為ti,1及t′i,1,通過(guò)第二個(gè)光線收發(fā)器的時(shí)間分別為ti,2及t′i,2, 單位均為s;玻璃導(dǎo)管內(nèi)徑為d(cm);兩光線收發(fā)器間距離為L(zhǎng)(cm);倒置漏斗的底部橫截面積為S(m2)。則氣泡在玻璃導(dǎo)管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度ωi(cm/s)可表征為:

(1)

為提高精度,氣泡通過(guò)兩光束收發(fā)器的速度及時(shí)間取平均值,則該氣泡體積Vi(mL)可表示為:

在時(shí)間T內(nèi)探測(cè)到的氣泡數(shù)目為n,則該時(shí)間內(nèi)區(qū)域氣泡體積通量Fbubble(mL/(m2·d))可表示為:

(3)

氣泡流經(jīng)玻璃導(dǎo)管,最終匯聚于頂部集氣瓶?jī)?nèi),定期測(cè)定收集氣泡中的CH4濃度Cmethane(mg/m3),則監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)CH4氣泡通量Fmethane(mg/(m2·d))為:

(4)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 室內(nèi)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 1) 不同玻璃導(dǎo)管內(nèi)徑篩選實(shí)驗(yàn): 式(2)表明,玻璃導(dǎo)管內(nèi)徑d的大小對(duì)測(cè)量氣泡體積產(chǎn)生影響。故針對(duì)裝配不同玻璃導(dǎo)管(內(nèi)徑d=3、4、5、6 mm)的裝置進(jìn)行可靠度測(cè)試。利用魏辰宇等開發(fā)的產(chǎn)泡泵[31]在定長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)以一定產(chǎn)泡速率(裝置時(shí)間精度為秒,故設(shè)置為每秒一個(gè)氣泡)向每組裝置輸送等大氣泡。按0.6～6 mL/min組間距0.6 mL/min、6～60 mL/min組間距6 mL/min分19組進(jìn)行實(shí)驗(yàn),每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)25次,每次時(shí)長(zhǎng)1 min,實(shí)驗(yàn)示意圖見圖2。對(duì)比不同裝置測(cè)量結(jié)果的可靠性及穩(wěn)定性,確定最優(yōu)導(dǎo)管內(nèi)徑。

圖2 不同內(nèi)徑玻璃導(dǎo)管篩選實(shí)驗(yàn)示意Fig.2 Sketch of screening experiment for glass catheter with different inner diameters

2)裝置檢出限測(cè)定實(shí)驗(yàn): 確定最優(yōu)玻璃導(dǎo)管內(nèi)徑后,探究裝置在定長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)氣泡體積的上、下限。實(shí)驗(yàn)步驟同上,產(chǎn)泡速率設(shè)置為60、66 mL/min……直至裝置測(cè)定結(jié)果可靠度無(wú)法滿足監(jiān)測(cè)需求,每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)25次,結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定裝置的檢出限。

1.2.2 野外研究區(qū)域與監(jiān)測(cè)方案 香溪河是三峽水庫(kù)湖北庫(kù)區(qū)的最大支流,干流長(zhǎng)94 km,隨壩前水位抬升在距離河口32 km范圍內(nèi)形成回水區(qū)。河流流向自北向南,在秭歸香溪匯入長(zhǎng)江干流,河口距三峽大壩34.5 km。三峽水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)湖北省野外科學(xué)觀測(cè)研究站于香溪河中段峽口鎮(zhèn)附近架設(shè)水上平臺(tái)(圖3)。三峽庫(kù)區(qū)蓄水前該平臺(tái)所處水域淹沒區(qū)為大面積農(nóng)用耕地,有機(jī)質(zhì)含量較高。其水深大致變化范圍為10～40 m,流速極小(<0.1 m/s)[32]。且在前期觀測(cè)發(fā)現(xiàn),自2月開始平臺(tái)附近水域時(shí)常發(fā)生氣泡釋放現(xiàn)象。綜合考察后決定于平臺(tái)附近開展氣泡監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)時(shí)間為2020年6-11月及2021年6-11月。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)位置Fig.3 The location of platform

2020年6-11月,為驗(yàn)證裝置野外實(shí)測(cè)性能,開展原位監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。將3組裝置固定于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)附近水域,其倒置漏斗部分敞口直徑800 mm、高1000 mm,頂部集氣瓶容量為1 L,敞口放置處水深1.2 m。監(jiān)測(cè)期間,每日記錄倒置漏斗法(頂部集氣瓶中氣泡體積)測(cè)定的氣泡體積通量,并與本方法測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,以確定裝置野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。

完成數(shù)據(jù)可靠度測(cè)試后,于2021年6-11月在相同點(diǎn)位開展CH4氣泡通量連續(xù)監(jiān)測(cè)。河岸與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)間固定有一錨繩,將3組監(jiān)測(cè)裝置由淺至深栓于錨繩下方。監(jiān)測(cè)初期,裝置1*、2*、3*(下文統(tǒng)稱為采樣點(diǎn)1*、2*、3*)垂向斷面水深分別約為5、7.5、10 m(圖4)。因研究區(qū)域水深受水庫(kù)運(yùn)行影響陡落陡漲,故每月初調(diào)整3個(gè)采樣點(diǎn)位水平位置,確保其所在處水深自近岸處往實(shí)驗(yàn)平臺(tái)依次遞增。監(jiān)測(cè)期間,每間隔1天使用手持風(fēng)速儀(pH-HB-CJ2,中國(guó))記錄水面風(fēng)速(WS),同時(shí)利用EXO2多參數(shù)水質(zhì)分析儀(YSI,美國(guó))監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)垂向斷面水溫(WT)、溶解氧濃度(DO)、電導(dǎo)率(EC)及水體pH等水環(huán)境因子。水深(Depth)數(shù)據(jù)則由實(shí)驗(yàn)平臺(tái)垂向斷面底部放置的HOBO水位計(jì)(U20L-1,美國(guó))記錄。此外,每月下旬將各采樣點(diǎn)收集氣泡快速轉(zhuǎn)移至鋁箔氣袋內(nèi),48 h內(nèi)使用Picarro溫室氣體分析儀(model:G4301)分析測(cè)定CH4濃度。綜合每日氣泡體積通量及收集氣泡中的CH4濃度通過(guò)式(4)計(jì)算每日CH4氣泡通量。

圖4 各采樣點(diǎn)裝置布置示意Fig.4 Sketch of bubble detector in situ at each sampling site

2 結(jié)果與分析

2.1 裝置可靠度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)分析

2.1.1 不同內(nèi)徑玻璃導(dǎo)管篩選實(shí)驗(yàn)分析 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5,橫坐標(biāo)為產(chǎn)泡速率Va,縱坐標(biāo)為1 min內(nèi)裝置監(jiān)測(cè)到的氣泡體積Vm。圖5a表明,導(dǎo)管內(nèi)徑為3 mm的裝置在產(chǎn)泡速率小于1.2 mL/min及大于24 mL/min時(shí),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)明顯偏離擬合曲線,且各組數(shù)據(jù)離散系數(shù)CV值均大于0.15;配備4 mm內(nèi)徑導(dǎo)管的裝置,其Va-Vm線性回歸方程為y=0.9983x+0.00187 (R2=0.99903),斜率最接近于1,且相關(guān)系數(shù)最大。同時(shí)僅在產(chǎn)泡速率低于1.2 mL/min時(shí)CV值大于0.15(圖5b);而配備5 mm、6 mm內(nèi)徑導(dǎo)管的裝置分別在產(chǎn)泡速率低于3 mL/min、5.4 mL/min時(shí),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性較低(圖5c、5d)。綜上可知,裝置配備d=4 mm的導(dǎo)管時(shí),其對(duì)于產(chǎn)泡速率處于0.6～60 mL/min范圍內(nèi)的氣泡監(jiān)測(cè)性能最佳。故最優(yōu)玻璃導(dǎo)管內(nèi)徑d=4 mm。

圖5 配備不同內(nèi)徑導(dǎo)管時(shí)裝置在不同產(chǎn)泡速率情況下測(cè)量結(jié)果的對(duì)照分析 Fig.5 Comparison and analysis of device different inner cathers measurement results under different bubble production rates (with different inner cathers)

2.1.2 裝置檢出限測(cè)定實(shí)驗(yàn)分析 選定最優(yōu)玻璃導(dǎo)管內(nèi)徑d=4 mm后,裝配該導(dǎo)管裝置的檢出限測(cè)定結(jié)果見圖6。結(jié)果表明,產(chǎn)泡速率高于66 mL/min后各組數(shù)據(jù)明顯偏離1∶1標(biāo)準(zhǔn)直線,且CV值均超過(guò)0.15。則裝置的檢測(cè)上限為66 mL/min。而前述結(jié)果表明,裝置檢測(cè)下限為1.8 mL/min。結(jié)合漏斗面積,可計(jì)算得出裝置對(duì)于水體氣泡體積通量的理論量程為3.6～132 mL/(m2·min)。

圖6 裝配4 mm內(nèi)徑導(dǎo)管裝置檢出限測(cè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析Fig.6 Analysis figure of test results of detection limit measurement for bubble detector with 4 mm inner cather

在產(chǎn)泡速率為1.8 mL/min情況下,產(chǎn)泡泵每秒向裝置輸送單個(gè)體積為0.03 mL的氣泡,其直徑為3.8 mm。而裝置依式(2)計(jì)算氣泡體積,將玻璃導(dǎo)管內(nèi)徑視作氣泡直徑。實(shí)際氣泡直徑小于玻璃導(dǎo)管內(nèi)徑時(shí),監(jiān)測(cè)結(jié)果偏大,且其在導(dǎo)管內(nèi)作橫移、螺旋等不規(guī)則運(yùn)動(dòng)對(duì)于監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響(圖5b)。而在產(chǎn)泡速率高于66 mL/min時(shí),單個(gè)氣泡體積超過(guò)1.1 mL。其直徑(≥15.5 mm)遠(yuǎn)超玻璃導(dǎo)管內(nèi)徑(4 mm),在進(jìn)入玻璃導(dǎo)管的過(guò)程中可能發(fā)生了破裂形成多個(gè)氣泡,導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性較低。但已有研究表明,10～40 m水深的緩流水域所產(chǎn)生的氣泡體積主要分布于0～0.4 mL間[31,33-34],故本方法測(cè)量結(jié)果能夠滿足后續(xù)監(jiān)測(cè)需求。

2.1.3 野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可靠度分析 2020年6-11月期間,本方法與倒置漏斗法測(cè)得的每日氣泡體積對(duì)比分析結(jié)果表明,二者測(cè)量結(jié)果吻合度較高(圖7a)。倒置漏斗法結(jié)果均值為(6.83±7.67) mL/(m2·d),本方法為(6.75±7.47) mL/(m2·d)。對(duì)二者數(shù)據(jù)序列進(jìn)行配對(duì)樣本檢驗(yàn),其差值為(0.20±0.41) mL/(m2·d),誤差較小。但每日氣泡收集體積超過(guò)38.33 mL/(m2·d)后二者差值超過(guò)5%,表明該情況下本方法監(jiān)測(cè)結(jié)果不再可靠(圖7b)。而為期183 d的監(jiān)測(cè)過(guò)程中,該情況僅占總體情況的3.8%,且兩種方法測(cè)得的氣泡體積總量差值不超過(guò)2.5%。表明本方法測(cè)量結(jié)果能較好的表征香溪河庫(kù)灣氣泡釋放體積變化特征。

圖7 2020年6月-2021年5月期間兩種方法測(cè)得單日氣泡體積通量逐日變化(a)和兩方法測(cè)量結(jié)果同1∶1標(biāo)準(zhǔn)直線對(duì)比(b)Fig.7 Variation of daily ebullitive flux obtained by different methods during the research (a) andcomparison of results obtained by two methods with 1∶1 standard line (b)

2.2 香溪河庫(kù)灣CH4氣泡通量監(jiān)測(cè)分析

2.2.1 香溪河庫(kù)灣CH4氣泡濃度及通量變化特征 研究期間,所收集氣泡中CH4濃度變化范圍為144626.82～295406.64 mg/m3,變幅較大。各采樣點(diǎn)CH4濃度具有顯著的時(shí)空變化特征。從逐月變化特征來(lái)看,6-8月CH4濃度緩慢穩(wěn)定上升,8月達(dá)到峰值,峰值期間濃度均超過(guò)265302.07 mg/m3。9月開始,CH4濃度逐漸下降,至11月后降至175134.06 mg/m3以下(圖8)。

圖8 研究期間采樣點(diǎn)氣泡CH4濃度逐月變化和空間變化Fig.8 Monthly and spatial changes of CH4 concentrations in bubbles at each site during the research

根據(jù)2021年6-11月不同采樣點(diǎn)收集氣泡中的CH4濃度,綜合裝置每日記錄的氣泡體積通量按式(4)估算得到的CH4氣泡通量結(jié)果見圖9a, 相應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。研究期間,各采樣點(diǎn)CH4氣泡日通量均值為(2.15±2.01) mg/(m2·d),變化范圍為0.02～8.13 mg/(m2·d),最大值為11.93 mg/(m2·d)出現(xiàn)于2021年8月10日的采樣點(diǎn)1*。從空間變化特征來(lái)看,各采樣點(diǎn)通量總體呈隨水深增加逐漸降低的趨勢(shì)。對(duì)各采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行單因素方差分析,其結(jié)果呈顯著差異性(P=0.00<0.05);從時(shí)間變化特征來(lái)看,不同樣點(diǎn)氣泡通量都展現(xiàn)出較大的變異性(圖9a)。其變化特征同氣泡中的CH4濃度基本一致,總體呈下降趨勢(shì),6-8月緩慢增長(zhǎng),出現(xiàn)峰值后迅速下降,11月基本歸零(0.02～0.38 mg/(m2·d))(表1)。結(jié)果表明,香溪河庫(kù)灣CH4氣泡通量具有較高的時(shí)空異質(zhì)特性,亦表明在該水域?qū)ζ溥M(jìn)行大范圍、高頻次連續(xù)監(jiān)測(cè)的必要性。

表1 各采樣點(diǎn)CH4氣泡日通量(mg/(m2·d)逐月統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 Monthly statistical results of methane ebullitive flux (mg/(m2·d) at each sampling site

圖9 不同采樣點(diǎn)CH4氣泡通量逐日變化(a);研究區(qū)域環(huán)境因子逐日變化(b、c)Fig.9 Daily change of methane ebullitive flux at each sample site during the research(a);Daily variation of environmental factors inresearch area (b,c)

2.2.2 CH4氣泡通量與環(huán)境因子間的關(guān)系 2021年6-11月,研究區(qū)域不同環(huán)境因子變化見圖9b、9c。對(duì)各采樣點(diǎn)CH4氣泡通量均值與研究水域不同環(huán)境因子進(jìn)行逐步回歸分析,結(jié)果表明:CH4氣泡通量主要受水溫(WT)、水體pH、水體電導(dǎo)率(EC)和水深(Depth)影響(P<0.01;表2)。進(jìn)一步線性回歸分析表明:CH4氣泡通量與WT和水體pH呈正相關(guān),同水體電導(dǎo)率與水深(Depth)呈負(fù)相關(guān)(圖10)。其中水深是影響氣泡態(tài)CH4釋放的關(guān)鍵因子。以上結(jié)果表明,水深及水體電導(dǎo)率的增加抑制了氣泡態(tài)CH4的釋放,而水體pH及WT的升高對(duì)CH4氣泡釋放具有促進(jìn)作用。

表2 不同環(huán)境因子同CH4氣泡通量間相關(guān)性分析結(jié)果Tab.2 Correlation analysis between different environmental factors and methane ebullitive flux

圖10 關(guān)鍵環(huán)境因子與CH4氣泡通量之間的關(guān)系Fig.10 Relationship between key environmental factors with methane ebullitive flux

3 討論

3.1 相較于倒置漏斗法的優(yōu)缺點(diǎn)及優(yōu)化思路

2021年6-11月監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,香溪河庫(kù)灣CH4氣泡通量具有較高的時(shí)間變異性。倒置漏斗法結(jié)果僅反映其放置時(shí)間內(nèi)水體氣泡釋放總量[7],在無(wú)人值守的情況下無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)域內(nèi)氣泡通量的連續(xù)、高頻次監(jiān)測(cè),從而無(wú)法表征CH4氣泡通量的連續(xù)變化特征。本方法所記錄的氣泡釋放時(shí)間彌補(bǔ)了該缺陷(圖9a)。但2020年6-11月的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,研究水域氣泡體積通量高于38.33 mL/(m2·d)后本方法不再可靠。分析該情況下的氣泡序列發(fā)現(xiàn),約0.3%的氣泡體積測(cè)量結(jié)果作為異常值被剔除,同時(shí)約有0.5% 的氣泡受制于時(shí)間精度(s)未被記錄。出現(xiàn)這兩種情況的原因可能為:(1)氣泡尺寸過(guò)大,其破裂后形成的多個(gè)小氣泡同時(shí)進(jìn)入玻璃導(dǎo)管,致使氣泡記錄儀報(bào)錯(cuò);(2)氣泡釋放速率超出本方法檢測(cè)限過(guò)多,致使部分氣泡未被記錄。針對(duì)這兩種情況,后期可能需要重新設(shè)計(jì)氣泡記錄儀使其包含微型攝像機(jī),將攝像法[35]與本方法結(jié)合使用,以記錄多個(gè)氣泡同時(shí)進(jìn)入玻璃導(dǎo)管情況下的數(shù)據(jù),減少氣泡作為異常值被剔除的情況。此外,需要適當(dāng)提高氣泡記錄儀中光束收發(fā)頻率以提高裝置的時(shí)間精度,從而增加裝置的檢出上限。

3.2 環(huán)境因子對(duì)氣泡態(tài)CH4釋放的影響

水深是影響自然水體中氣泡態(tài)CH4釋放的重要因素之一[16]。已有研究表明,淺層緩流水體為氣泡的形成、釋放提供有利條件[17],水深(靜水壓力)突變亦對(duì)該過(guò)程具有促進(jìn)作用[11]。同時(shí),沉積物表面脫附的氣泡在運(yùn)移至水面的過(guò)程中會(huì)部分溶解至周圍水體,其溶解比例與氣泡尺寸呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與靜水壓力呈正相關(guān)關(guān)系[23-24]。本研究中,水深與CH4氣泡通量間的擬合曲線為y=1496.67x-2.51(R2=0.84,P=-0.81)(圖10a)。氣泡態(tài)CH4集中于6-8月釋放(通量均值(3.76±1.65) mg/(m2·d)),變化范圍0.79～8.13 mg/(m2·d)),期間水深變化范圍為6.82～18.01 m,在水深超過(guò)38.35 m后CH4氣泡通量基本歸零(通量范圍為0.02～0.33 mg/(m2·d))(圖9a、9c)。表明香溪河庫(kù)灣在水深高于38.35 m后可能不再通過(guò)氣泡形式釋放CH4。該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因應(yīng)為: (1)2021年6-8月監(jiān)測(cè)區(qū)域靜水壓力較低,水深受水庫(kù)運(yùn)行的影響陡漲陡落,為氣泡的形成、釋放提供了較好的條件;(2)水深超過(guò)38.35 m時(shí)靜水壓力較高,不利于沉積物表面氣泡的形成。同時(shí),其運(yùn)移至水氣界面過(guò)程中的溶解比例更高。因此,水深可能是決定水體是否以氣泡形式釋放CH4的關(guān)鍵因素之一。

3.3 研究不確定性分析

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)僅驗(yàn)證本方法在測(cè)定釋放速率一定的等大氣泡時(shí)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性。在野外驗(yàn)證過(guò)程中,僅通過(guò)倒置漏斗法的結(jié)果來(lái)驗(yàn)證本方法結(jié)果是否準(zhǔn)確,對(duì)其具體量程及適用范圍僅有基本的估計(jì)。后續(xù)仍需要進(jìn)行大量的室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)對(duì)其普適性及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。CH4氣泡通量的監(jiān)測(cè)過(guò)程中,CH4濃度測(cè)定頻率為每月一次。但氣泡中CH4的濃度并非一成不變,在氣泡收集過(guò)程中其重新溶解至水體亦會(huì)使結(jié)果產(chǎn)生偏差[13]。因此,最終估算的CH4氣泡通量可能存在一定誤差。同時(shí),由于香溪河庫(kù)灣地形特征、沉積物底質(zhì)和水體理化性質(zhì)等諸多方面的非均質(zhì)性[45],其沿程不同斷面的氣體通量特征具有一定差異[46-47],本文結(jié)果可能無(wú)法表征整個(gè)香溪河庫(kù)灣的CH4氣泡通量及其變化特征。此外,水深閾值(38.35 m)是否適用于三峽水庫(kù)其它支流還需要更多實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本研究以倒置漏斗型氣泡監(jiān)測(cè)裝置為基礎(chǔ),構(gòu)建了一種CH4氣泡通量連續(xù)監(jiān)測(cè)方法?；谠摲椒ǖ尿?yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果及野外監(jiān)測(cè)結(jié)果,得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)本方法測(cè)量對(duì)象為定長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)水域內(nèi)的氣泡體積通量(最高時(shí)間精度為秒)。其理論量程為3.6～132 mL/(m2·d),實(shí)際測(cè)量上限為38.33 mL/(m2·d),測(cè)量結(jié)果可較好的表征10～40 m緩流水體氣泡釋放通量變化特征。

2)2021年6-11月期間香溪河庫(kù)灣CH4氣泡釋放通量為(2.15±2.01) mg/(m2·d),變化范圍為0.02～8.13 mg/(m2·d),不同采樣點(diǎn)間氣泡通量呈現(xiàn)較高的時(shí)空異質(zhì)性。表明對(duì)湖庫(kù)氣泡態(tài)CH4釋放過(guò)程進(jìn)行大范圍、高頻次連續(xù)監(jiān)測(cè)的必要性。

3)水體pH、水溫的升高促進(jìn)氣泡態(tài)CH4的釋放,而水深及水體電導(dǎo)率的升高對(duì)氣泡態(tài)CH4的釋放具有抑制作用。其中,水深可能是決定水體是否以氣泡形式釋放CH4的重要因素之一。水深高于38.35 m時(shí),水體幾乎不再以氣泡形式釋放CH4。

致謝:徐劉德、劉毅、李亮、陳成等同志在采樣、監(jiān)測(cè)等方面給予了支持幫助,在此一并誠(chéng)謝!