孟江槐,康滿春,2,3**,紀道斌,2,3,劉 佳,2,3,肖尚斌,2,3,胡杰茗,韓燕星
(1:三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,宜昌 443002) (2:三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心,宜昌 443002) (3:三峽水庫生態(tài)系統(tǒng)湖北省野外科學(xué)觀測研究站,宜昌 443002)
水庫、湖泊等水體是全球溫室氣體的重要調(diào)節(jié)器,水庫因其釋放CO2、CH4而被稱作碳循環(huán)的“淡水管道”[1],其中沉積物是水庫溫室氣體的重要來源[2]。由于沉積物中具備CH4產(chǎn)生所需要的充足的有機質(zhì)(OM)供應(yīng)、缺氧和還原環(huán)境等條件[3], 而蓄水和運行等造成上游水流帶來的OM在水庫中沉積,影響著其水溫、溶解氧等控制CH4產(chǎn)生的先決條件, 使水庫沉積物長期成為CH4的排放源[1]。當(dāng)前關(guān)于水庫CH4的研究多集中于水-氣界面或水體, 其中水-氣界面CH4主要來源于沉積物產(chǎn)生的CH4在水體中以氣泡或溶解等形式的擴散, 而聚焦于沉積物內(nèi)CH4產(chǎn)生、氧化等變化過程的研究則相對較少[4]。Romeijn等[5]通過培養(yǎng)沉積物證實水庫河床OM控制著CH4排放, 水體富營養(yǎng)化、水溫也影響著CH4的產(chǎn)生與氧化[6-7]??臻g上, 相較于深水區(qū), 淺水區(qū)沉積物CH4釋放潛力更大[8]。因此, 為更加準確評估水庫CH4排放能力, 需要深入研究沉積物CH4產(chǎn)生、氧化機理。
支流庫灣是水庫CH4排放的主要區(qū)域,尤其淺水區(qū)沉積物是大氣CH4的主要來源[23], 如亞熱帶新安江水庫支流CH4排放是主水庫的1~2個數(shù)量級[24], 巴西熱帶CDU水庫支流是CH4排放的“熱點”[25]。香溪河作為三峽水庫湖北境內(nèi)第一大支流,庫灣內(nèi)CH4年平均通量為114.96 mmol/(m2·d)[26],比三峽庫區(qū)CH4年平均通量(2.31 mmol/(m2·d))高2個數(shù)量級[27]。另外, 研究表明三峽庫區(qū)水體CH4濃度時空變化較大, 且其夏季高于冬季[28]。由于各研究結(jié)果之間仍存在很大的不確定性,亟需明確沉積物-水體連續(xù)體中CH4收支平衡各項(如沉積物產(chǎn)生、氧化)及其變化性來提升估算的準確性。沉積物作為水庫CH4主要釋放“源”之一, 探究其CH4釋放潛力及沉積物-水界面通量的空間變化及其影響因素, 對研究水庫CH4收支平衡及構(gòu)建模型均具有非常重要的作用。本研究以香溪河庫灣為研究對象,通過加密采集、分析和分類培養(yǎng)沉積物,以期探明沉積物CH4釋放潛力、沉積物-水界面CH4通量的空間變化規(guī)律及其影響因素, 從而為準確評估香溪河庫灣乃至三峽水庫沉積物CH4產(chǎn)生水平提供有力的數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù), 也可為其它大型水庫及其庫灣水域開展相關(guān)研究提供參考。
本研究以三峽水庫泄水期(2-5月)香溪河庫灣為研究對象(采樣時間:2021年4月30日-5月2日),根據(jù)前期對香溪河庫灣的研究[29],從下游到上游選擇XX00、XX02、XX04、XX05、XX06和XX07共6個采樣典型橫切面(圖1b)。由于XX02、XX05及XX06橫切面較寬,故在其河道從左到右進行了加密采樣(3~5個點位), 根據(jù)河流來水方向,各采樣點位如圖1c)所示。
圖1 香溪河庫灣沉積物采樣點分布Fig.1 Distribution of sediment sampling points in Xiangxi Bay
1.2.1 沉積物采集、處理和培養(yǎng) 三峽水庫自2008年蓄水以來至今, 產(chǎn)生約20.16 cm厚的沉積物[30]。研究表明,20 cm厚沉積物相當(dāng)于整個分層沉積物CH4的總排放[31]。本研究采用柱狀采泥器(SWB-1型)采集沉積物,每個點位采集1根長柱(約36 cm)和3根短柱(約20 cm)沉積物, 總共采集58根,其中15根長柱(表2)和43根短柱(附表Ⅰ)。長柱沉積物現(xiàn)場按0~2、3~5、6~8、10~12、16~18、24~26、34~36 cm(依次代表1、4、7、11、17、25、35 cm處沉積物)分層并密封在采樣袋中。短柱沉積物保留上覆水,盡快運到實驗室于4℃恒溫冷藏保存,待后續(xù)沉積物前處理和培養(yǎng)。沉積物-水界面處水深、水溫和溶解氧(DO)用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(美國YSI-EXO, 誤差<5%; 其中溶解氧量程為0.01~20 mg/L、分辨率0.01 mg/L;深度量程0.01~200 m、分辨率0.01 m;溫度量程0~65℃,分辨率0.01℃)現(xiàn)場測定。香溪河庫灣沉積物-水界面實際平均水溫是15.6℃(表3), 因此以15℃代表其原位溫度。沉積物采集、前處理及培養(yǎng)方法如表1、圖2所示。
表1 沉積物采集、前處理和培養(yǎng)流程Tab.1 Sediment collection, pretreatment and culture processes
表2 沉積物及其上覆水理化性質(zhì)*Tab.2 Physicochemical properties of sediments and its overlying water
表3 CH4釋放潛力(MPs)與20 cm沉積物CH4釋放潛力占比(P20)*Tab.3 CH4 release potential (MPs) and its ratio (P20) in surface 20 cm sediments
將沉積物置于恒溫生化培養(yǎng)箱(HENGZI,量程0~50℃,分辨率0.1℃,誤差 ±0.2℃)中,在目標(biāo)培養(yǎng)溫度下靜置12 h以恢復(fù)沉積物中的微生物活性。通過長柱分層培養(yǎng)確定沉積物CH4釋放潛力,再通過短柱培確定沉積物CH4產(chǎn)生、氧化通量。培養(yǎng)前,沉積物保留5 mm上覆水,以確保形成沉積物-水界面并減少上覆水對產(chǎn)生CH4的消耗和排放的影響。厭氧培養(yǎng)時,頂空CH4濃度初始濃度為0 cm3/m3; 有氧培養(yǎng)時,頂空CH4濃度初始值為空氣CH4濃度。
根據(jù)新近監(jiān)測,長江干流水溫變化范圍在11.4~27.3℃ 之間,香溪河表層水溫在12.9~33.2℃之間,底層水溫在11.0~26.3℃之間[32]。因此,本研究除15℃原位溫度培養(yǎng)外,對同一批短柱沉積物還進行了20℃和25℃培養(yǎng),以探究溫度對沉積物CH4通量的影響。長柱分層培養(yǎng)和短柱培養(yǎng)均在無光環(huán)境中連續(xù)培養(yǎng)7 d,期間每隔24 h用微量注射器抽取0.25 mL頂空氣體,通過N2(約300 mL/min)載氣系統(tǒng)將待測氣體快速送入溫室氣體分析儀(LGR, 型號908-0010-0001,CH4量程0~10000 cm3/m3,分辨率0.001 cm3/m3)觀測氣樣CH4峰值濃度(約5~10 s后可得檢測峰值),然后通過標(biāo)準曲線計算實際濃度。本研究測定的標(biāo)準CH4氣樣濃度值依次為14、22、61、83、195、602 cm3/m3,對應(yīng)檢測峰值濃度依次為0.047、0.062、0.155、0.152、0.275、0.704 cm3/m3, 通過分析氣體實際與檢測峰值濃度的相關(guān)關(guān)系, 建立的標(biāo)準曲線如圖3所示。
圖3 CH4標(biāo)準樣本真實濃度與檢測濃度的標(biāo)準曲線Fig.3 Standard curve of true concentration and detected concentration of CH4 standard sample
1.2.2 沉積物理化因子測定 用真空冷凍干燥機(國產(chǎn)SCIENTZ-10N,使用條件:冷陷倉溫度<-45℃、壓強<20 Pa)干燥沉積物,研磨過200目篩,然后測如下指標(biāo):TOC,粒度,可交換態(tài)氮(DTN)和可交換態(tài)磷(DTP)。其中,TOC用碳氮元素分析儀測定(德國Multi N/C 3100,固體TOC分析范圍0.05~150 mg,分辨率0.01 mg)。粒度用激光粒度分析儀(國產(chǎn)TopSizer,量程0~2000 μm,精度0.01 μm,誤差<5%)測定,其中粒度組分分為黏土(<2 μm)、粉砂(2~60 μm)和砂(>60 μm)[33]。DTN和DTP根據(jù)《湖泊沉積物-水界面過程基本理論與常用測定方法》[34]。
1.2.3 沉積物CH4釋放潛力、CH4產(chǎn)生通量與氧化通量計算
(1) 沉積物CH4產(chǎn)生速率參考Conrad等[35]提出的濃度隨時間的變化速率得:
(1)
式中,MPi(mg/(kg·d))是每一層沉積物CH4產(chǎn)生速率,沉積物CH4釋放潛力MPs為MPi之和;ΔC/Δt、M、22.4、V與m′依次是單位時間內(nèi)頂空CH4氣體濃度變化量(cm3/(m3·d))、CH4相對分子量(16.00 g/mol)、標(biāo)準氣體摩爾體積(L/mol)、頂空體積(m3)和底泥濕重(kg)。
(2)沉積物-水界面CH4產(chǎn)生、氧化通量與氧化率公式[36]:
(2)
MO=MPN2-MPAir
(3)
(4)
式中,MP、MO為沉積物-水界面CH4產(chǎn)生通量(MPN2、MPAir分別表示頂空為缺氧和有氧環(huán)境下CH4釋放通量)和氧化通量(mmol/(m2·d));MR為沉積物-水界面CH4氧化率(%);h為頂空高度(m)。
用Microsoft Excel 2019對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理。繪圖和回歸分析用Origin 2018進行。沉積物CH4產(chǎn)生、氧化通量及其影響因素的顯著性分析用SPSS 22.0進行。其中,R2是回歸決定系數(shù);差異性檢驗系數(shù)sig用P表示:P<0.05表示差異性顯著;P<0.01表示差異性極顯著。
香溪河庫灣不同點位沉積物粒度組分顯示(圖4),黏土、粉砂和砂占比依次是11.38%±2.39%、84.69%±2.83%和3.93%±2.47%,表明庫灣內(nèi)沉積物質(zhì)地類型主要為粉砂(81.24%~89.29%)。黏土和砂占比范圍依次為7.08%~14.32%和0.46%~7.62%之間; 黏土在XX04占比最高,粉砂在XX02占比最高,砂在XX05占比最高。空間上,中、下游沉積物TOC含量與粒度組分中黏土含量呈顯著線性關(guān)系,其它組分對TOC并無顯著影響(圖4)。
圖4 粒度組分空間分布(a)以及中下游(b)、上游(c)TOC與粒度組成的相關(guān)性分析(中下游包含XX00、XX02和XX04,上游包含XX05、XX06和XX07)Fig.4 Spatial distribution of particle size components (a) and correlation analysis between TOC and particle size composition in the middle and downstream (b), and upstream (c) of Xiangxi Bay
垂向空間上,隨沉積物深度的增加,XX02、XX05及XX06橫切面MPi呈整體下降趨勢(圖5a~c)。在香溪河庫灣,MPi隨沉積物深度的增加亦呈整體下降趨勢(圖5d),其最大值主要出現(xiàn)在表層2~5 cm內(nèi),如在XX05、XX06和XX07橫切面上。相較于上游XX05、XX06、XX07橫切面MPi變化,隨沉積物深度的增加,下游XX00、XX02、XX04橫切面MPi變化波動不明顯;同時與上游橫切面各分層MPi相比,下游橫切面對應(yīng)各分層處MPi更低。
圖5 沉積物CH4產(chǎn)生速率(MPi)垂向分布:(a)、(b)和(c)為橫切面垂向分布,(d)為河道垂向分布;虛線為沉積物20 cm深處線Fig.5 Vertical distribution of CH4 production rate in sediment ((a-c): vertical distribution diagrams of cross section, and (d): vertical distribution)
香溪河庫灣MPs是(356.81±748.11) mg/(kg·d),變化區(qū)間為6.35~2029.37 mg/(kg·d),從下游到上游呈整體上升趨勢,最大值出現(xiàn)在XX07,最小值出現(xiàn)在XX02(表3)。XX02、XX05及XX06典型橫切面MPs分別是(4.59±0.89)、(32.68±13.58)、(14.29±3.62) mg/(kg·d)??臻g上,XX02、XX05橫切面MPs在河道兩邊低中間高,XX06橫切面從左到右MPs依次減小,但總體在3.62~56.48 mg/(kg·d)范圍內(nèi)變化。同時,XX02、XX05及XX06橫切面表層20 cm沉積物CH4釋放潛力與MPs比值(P20)依次為68.09%、82.36%和81.94%,XX02和XX05橫切面P20在河道兩邊高中間低,相反XX06橫切面P20兩邊低中間高。香溪河庫灣P20是71.03%,從XX00到XX07先升后降,最大值出現(xiàn)在XX05(82.36%),說明香溪河庫灣表層20 cm沉積物可以用來估算MPs。
通過43根短柱沉積物進行培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)香溪河庫灣MP和MO分別是(0.35±0.21)與(0.32±0.19) mmol/(m2·d)(圖6d),其最大值均出現(xiàn)在上游XX07, 最小值均出現(xiàn)在下游XX02。典型橫切面XX02、XX05及XX06上,MP分別是(0.04±0.01)、(0.43±0.11)和(0.29±0.03) mmol/(m2·d)(圖6),MO分別是(0.03±0.01)、(0.41±0.06)、(0.27±0.02) mmol/(m2·d)。典型橫切面XX02、XX05及XX06上,MP和MO雖有差異但均不具有統(tǒng)計顯著性;而在香溪河庫灣, XX05與XX00、XX02之間MP具有顯著的差異性,XX05與XX00、XX02、XX07之間MO亦具有顯著的差異性。同時,XX02、XX05及XX06 橫切面CH4氧化率(MR)依次為64%±21%、94%±2%、92%±5%。相比較下游XX02,上游XX05、XX06橫切面MR更高。香溪河庫灣MR是88%±10%,其中,XX02橫切面MR最低(69%),其它橫切面MR均在85%以上。
圖6 沉積物-水界面CH4產(chǎn)生通量(MP)、氧化通量(MO)及氧化率(MR)空間分布:<(a~c)為典型橫切面分布,(d)為河道空間分布(對MP、MO分別進行了顯著性分析,不同小寫字母表示顯著差異(P<0.05))Fig.6 Spatial distribution of MP, MO and CH4 oxidation rate at the sediment-water interface((a-c): typical transverse section distribution maps; (d):spatial distribution map of river channel)
香溪河庫灣CH4產(chǎn)生(MPs、MP)具有空間異質(zhì)性,從下游(XX00)到上游(XX07)逐漸上升,其中MP與采樣點水深呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與TOC呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01,圖7a)。Bodmer等[15]研究表明TOC和溫度等是沉積物CH4產(chǎn)生的重要影響因素。隨著水深的增加,顆粒態(tài)OM因水流波動而不易向下沉積,導(dǎo)致CH4產(chǎn)生與水深具有直接或巨大的負相關(guān)關(guān)系[37]。隨著水深增加,流速變緩,導(dǎo)致輸送至中下游的新鮮OM更少,這可能是XX00、XX02和XX04處MPs較小的主要原因之一。同時,沉積物CH4產(chǎn)生過程中溫度起著十分關(guān)鍵的作用,隨著溫度的升高,單位含量TOC的MP也逐漸升高(圖7c)。溫度升高會增強CH4產(chǎn)生菌的活性[38],從而有利于CH4產(chǎn)生。
圖7 沉積物CH4產(chǎn)生、氧化通量與TOC(a~b)、溫度(c~d)的擬合分析:(a)、(b)為CH4產(chǎn)生通量、氧化通量與TOC的線性擬合圖,(c)、(d)為單位含量TOC的CH4產(chǎn)生通量、氧化通量與溫度的非線性擬合圖Fig.7 Fitted analysis of sediment CH4 flux of production and oxidation with TOC (a-b) and temperature (c-d)
XX07位于上游,水深較淺、富營養(yǎng)化嚴重[39],是水華暴發(fā)的集中區(qū)[40]。水華生消過程產(chǎn)生的大量顆粒小分子TOC,為CH4產(chǎn)生提供了充足的基質(zhì),這可能是MP、MPs最大值均出現(xiàn)在XX07的原因。同時,消落帶植被分解會增加水體OM含量[41],讓大量新鮮TOC在沉積物表層沉積,這有利于CH4產(chǎn)生[6]。XX05橫切面MPs、MP較大則可能主要與人類活動的影響有關(guān)。XX05右岸是峽口鎮(zhèn),左岸是磷礦場,導(dǎo)致水體營養(yǎng)元素豐富,由表3知,XX05點位DTP在香溪河庫灣處于最高水平(23.51 g/kg),TOC為17.11 g/kg(僅次于XX07)。研究表明磷元素的長年累積可能造成水體溶解氧下降甚至缺氧[42],而沉積物表層溶解氧減少和TOC含量的增加均會促進CH4產(chǎn)生[40]。此外,粒度組分可能通過影響TOC含量進而間接影響CH4產(chǎn)生(如圖4b、4c)。
CH4氧化通量(MO)從下游到上游呈上升分布,也表現(xiàn)出空間異質(zhì)性。CH4氧化作為自然界CH4減排的唯一途徑,在有氧和缺氧條件下均可發(fā)生,使沉積物產(chǎn)生的CH4在進入大氣前會被大量氧化(30%~90%)[43]。Wang等[44]研究表明香溪河庫灣沉積物CH4氧化率為77.4%(35℃培養(yǎng)時),而Frenzel等[45]在4℃培養(yǎng)的沉積物CH4氧化率更高(90%及以上);Reeburgh等[46]探明沉積物產(chǎn)生的CH4大約98%會在水體和沉積物中被消耗。本研究在15℃培養(yǎng)時,沉積物CH4氧化率是88%(69%~98%)(圖6d)。水庫沉積物-水界面CH4釋放水平取決于MO和MP之間的關(guān)系[39]。Lofton等[47]研究表明CH4氧化通量與產(chǎn)生通量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。不同溫度(15、20及25℃)下香溪河庫灣MO與MP亦呈極顯著線性正相關(guān)關(guān)系(P<0.01,圖8a);隨著溫度的增加,其增加幅度呈下降趨勢(線性擬合斜率依次為0.97、0.93和0.88)。CH4氧化率MR(即線性擬合斜率)與溫度的極顯著線性負相關(guān)關(guān)系(P<0.01,圖8b)進一步說明隨著溫度的升高,MR會變得越小?;跍囟扰cCH4氧化率關(guān)系,得出12.65℃時沉積物產(chǎn)生的CH4會被完全氧化。三峽水庫泄水期香溪河庫灣平均溫度為15.6℃,可以推斷該時期沉積物CH4氧化率約為96.62%。
圖8 CH4產(chǎn)生通量與氧化通量(a)和CH4氧化率與溫度的線性擬合(b)Fig.8 Linear fitting of CH4 flux of production to oxidation (a) and CH4 oxidation rate to temperature (b)
不同培養(yǎng)溫度下(15、20及25℃),MP和MO與TOC均呈極顯著線性正相關(guān)關(guān)系(P<0.01,圖7a、7b)。隨著培養(yǎng)溫度的升高,MP和MO隨TOC的增幅先降后升。由于CH4產(chǎn)生菌更容易利用內(nèi)源TOC(如藻類、水生植物等)[11],因此本研究中對同一批短柱沉積物依次進行15、20、25℃下的培養(yǎng)實驗,這可能是當(dāng)溫度為20℃其增幅降低的原因。研究表明沉積物CH4氧化過程中溫度的作用十分關(guān)鍵,隨著溫度升高CH4氧化菌的活性明顯變大[38](圖7c、7d),單位TOC含量的MP和MO隨溫度的升高呈指數(shù)上升。
水庫CH4釋放的主要影響因素除了水深、TOC、溫度、溶解氧外,還與水庫特征、水動力條件等多種影響因素有關(guān)[48]。研究表明CH4排放量在不同水深下是高度變化的,最大值往往出現(xiàn)在淺水區(qū),且水深小于5 m的水域CH4排放量是水深大于5 m水域的約35倍[49]。原位條件下,水深會影響到沉積物中CH4的排放途徑(如擴散和冒泡排放)和沉積物中CH4含量,進而影響到沉積物中CH4產(chǎn)生與氧化[15];沉積物受流動且富氧上覆水的影響,不利于CH4產(chǎn)生,且會促進CH4氧化;另外,原位沉積物上覆水的擾動會導(dǎo)致較大的CH4排放量[50]。與原位沉積物相比,室內(nèi)培養(yǎng)時沉積物上覆水極少,更有利于CH4排放;室內(nèi)培養(yǎng)會高估實際沉積物CH4產(chǎn)生量和低估實際沉積物CH4氧化量。原位沉積物會有新鮮OM補給,且溶解氧濃度隨著水深的增加逐漸降低至缺氧甚至是厭氧狀態(tài)[51-52],從而促進沉積物CH4產(chǎn)生,而室內(nèi)培養(yǎng)由于OM的持續(xù)消耗則會低估CH4產(chǎn)生量。
泄水期,香溪河上游低溫來流進入庫灣底層[32],這在一定程度上會抑制CH4產(chǎn)生;同時期長江干流富氧且溫度較高的水體倒灌[32, 41],又會促進CH4氧化,庫灣水體摻混過程具體如何影響沉積物CH4產(chǎn)生、氧化以及釋放通量仍需要進一步研究。另外,由于水庫調(diào)度,三峽水庫在蓄水期、正常水位運行期和泄水期的水動力特性、水體溫度[32]、溶解氧[41]、沉積物OM來源等均存在差異,本研究只關(guān)注了泄水期間沉積物CH4釋放特征,而研究水庫不同運行期沉積物CH4排放能為精確估算水庫溫室氣體排放提供依據(jù),也為完善水庫調(diào)度策略以減少其溫室氣體排放提供有用信息。
通過沉積物室內(nèi)培養(yǎng),分析了三峽水庫泄水期香溪河庫灣沉積物CH4釋放潛力、沉積物-水界面CH4產(chǎn)生和氧化通量的水平、空間變化及其影響因子,得出如下結(jié)論:
1)三峽水庫泄水期間,香溪河庫灣沉積物CH4釋放潛力具有空間異質(zhì)性,其變化范圍是6.35~2029.37 mg/(kg·d),從下游(XX00)到上游(XX07)呈上升變化趨勢。垂向空間上,沉積物CH4產(chǎn)生速率隨著沉積物深度的增加而降低,表層20 cm沉積物CH4釋放潛力約占整柱(26~36 cm)沉積物CH4釋放的71%。
2)香溪河庫灣沉積物-水界面CH4產(chǎn)生、氧化通量分別為(0.35±0.21)、(0.32±0.19) mmol/(m2·d),主要受水深、TOC和溫度的影響。同時,沉積物-水界面CH4產(chǎn)生、氧化通量在典型橫切面上無顯著差異,但在香溪河庫灣存在顯著性差別。此外,CH4產(chǎn)生通量與氧化通量均與溫度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,溫度上升會加劇CH4氧化率線性下降,導(dǎo)致CH4排放增加。
致謝:張博文、羅豪和朱怡帆等同志在采樣、實驗測定等方面給予了支持幫助,在此一并誠謝!
附表Ⅰ見電子版(DOI: 10.18307/2023.0527)。