北京昆玉河夏季水－气界面CO2 通量日变化研究

陈文重 王雨春 肖尚斌 李海英 许 涛 吴 娅

（1.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443002；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

大气中二氧化碳（CO2）是一种重要的温室气体［1］，其温室效应约占总温室效应权重的50%［2］.自工业革命以来，大气中CO2的浓度正以年均1.9×10－6的速率增加［3］.温室气体浓度的变化趋势对预测未来气候变化及其对社会经济的影响至关重要［4］.目前，有关水－气界面温室气体释放通量的研究主要集中在稻田、沼泽、湖泊以及人工水库［5－7］，而对城市河流温室气体的研究鲜有报道.

由于城市的大规模建设，典型城市河流天然汇水区域大幅减少，各种生活污水和工业废水进入城市河流，城市面源污染也随着降水径流进入河流［8］.对于温室气体的排放，城市河流由于范围小，受到的关注也较小.但是城市河流是受人类活动影响最大的水生态系统之一［9］.大多数自然河流大部分时间处于向大气排放CO2的状态［10］，通过研究城市河流水－气界面温室通量，可以了解人类活动对水域温室气体排放的影响.昆玉河位于我国最大的城市—北京市城区，这里经济发达、人口众多，且一般CO2的释放通量在夏季最大［11］.因此，针对该河开展研究有助于了解城市河流温室气体的排放水平及过程.

1 研究区域概况

昆玉河是贯穿北京西部城区的重要水系，也是京密引水渠下游从颐和园昆明湖通到玉渊潭八一湖的水道，长约10km［12－13］.京密引水渠是一条把密云水库的水引进北京城区做饮用水的人工渠，它起自密云水库白河主坝以南的调节池，于怀柔县城北入怀柔水库，下游经颐和园的昆明湖，在海淀区罗道庄与永定河引水渠相汇合，构成了北京的输水系统.观测点选在位于北京市海淀区昆玉河之玉渊潭河段玉渊潭试验水电站下游，监测点水深2m 左右.可以代表一般城市河流的水深特点.

2 材料与方法

2.1 监测方法

监测测时间为2012年8月3日12：00至8月4日12：00，在此期间天气晴好.

气体通量采用LGR－100型快速温室气体分析仪，该仪器已在水布垭水库［14－15］、香溪河库湾［16］等水域得到良好应用.气样采集设备为自制动态通量箱，箱体（规格：长50cm，宽50cm，高40cm）采用塑钢材质，通过箱体两侧的支架在箱体顶部装有一个定时自动伸缩杆，提升高度为25cm，可将整个通量箱顶盖提起使箱体内外通风.箱体上部四周设有密封槽，注水后可以隔断箱体内外的空气交换，使整个箱体达到密封的效果.箱体内侧面设有两个微型风扇以便于使箱内的空气混合均匀.为保证监测期间箱内温度不会剧烈变化，箱外布设泡沫保温层，并贴有反光膜，箱体中部有两根塑料导管与LGR－100型快速温室气体分析仪相连.通量箱底部四围包有一层厚5cm 泡沫，以使通量箱漂浮在水面上.监测前，设定好自动伸缩杆的定时程序，平衡期，先将顶盖提升，维持20min，以便箱内与箱外空气充分混合，然后进入检测期，将顶盖合上维持40min，如此进行循环监测.监测期间，LGR－100型快速温室气体分析仪始终处于运行状态，在数据处理时将平衡期的数据作为检测期的初始数据进行平均处理，而只计算检测期的通量.测定时将通量箱置于水面，箱口浸入水中10cm.在现场监测期间，同时采用酸滴定法测定水样总碱度（TA），并使用便携式pH 计测定pH，用气温气压计测定现场气温和气压，风速仪测定现场风速.用PVC 瓶取200 mL水样，带回实验室分析总氮（TN）、总磷（TP），具体方法见《水与废水分析方法（第4版）》.

2.2 通量计算方法

温室气体的释放通量是指单位时间内单位面积上温室气体浓度的变化量，正值表示气体从水体向大气排放，负值表示水体吸收大气中该气体.气体通量采用如下公式［17］进行计算：

式中，F 为气体通量（mg·m－2·d－1）；K 为时间浓度关系图中的浓度斜率（mg·kg－1·min－1）；F1为mg／kg与μg／m3的转换系数（CO2：1 798.45）；F2为分钟与天的转换系数（1 440）；V 为进入浮箱的空气体积（m3）；S 为水上部分浮箱的表面积（m2）；F3为μg与mg的转换系数（1 000）.

3 结果与分析

3.1 环境因子

气温、风速、气压、pH、TN、TP 及TA 在24h变化过程（如图1所示）.气压从8月3日12：00整体保持降低，到下午18：00以后开始上升，在夜间24：00左右达到一天之中的最大值100.30kPa.8 月4 日0：00左右气压开始下降，到4：00达到低谷，然后又开始上升，至11：00达到第二个高峰后又开始下降.在一天之中气压变化范围为99.91～100.30kPa，平均值100.12kPa，变化幅度较小.风速在8 月3 日12：00～22：00有较大起伏，22：00至次日9：00风速基本为零，随后到11：00有0.1～0.2m·s－1的风出现.全天风速在0～2.0m·s－1，平均值0.25m·s－1，波动幅度较大.气温是一天之中变化最为明显的环境因子，昼夜温差较大，全天气温在23.8～34.7℃，平均值28.8℃.

pH 整体呈现出减小趋势，只在21：00出现一个最大值，之后迅速减小，范围在8.08～8.92，平均值8.32.TP表现为递减趋势，在8月3日15：00左右和8月4日1：00左右分别出现监测期间的最大值8.9 μg·L－1和最小值4.6μg·L－1，全天平均值6.44μg·L－1.TN 含量呈缓慢的增长趋势，在8月3 日20：20和次日2：20分别出现最高值16.41mg·L－1和最低值12.10mg·L－1.TA 在昼间变化过程则有较为明显的波动，8月3日23：00至8月4日8：00，TA 变化相对较为稳定，全天TA 范围在74.2～84.1mg·L－1（CaCO3），平均值77.8mg·L－1（CaCO3）.

图1 环境因子日变化

3.2 水－气界面CO2 通量

观测点处水－气界面的CO2释放通量可分为2：20～4：20较短的持续下降期和其他时段较长波动变化期（如图2所示）.

图2 CO2 通量日变化

24h内CO2以吸收为主，仅在部分时段表现为释放.全天CO2通量在－27.18～12.51mg·m－2·h－1，平均值－7.28mg·m－2·h－1，水体表现为对CO2的“汇”.CO2通量昼（4：20～19：20）、夜差异较大，昼间平均释放通量为－8.81mg·m－2·h－1，低于全天平均值，夜间为－4.22mg·m－2·h－1，高于全天平均值.夜间的排放量高于昼间，这与吕东珂［18］、Cole［19］等人的研究结果一致.

与其他水域相比，昆玉河与有一定富营养化的太湖、东湖Ⅰ区、东湖Ⅱ区一样是大气CO2的“汇”，且释放通量处于3 者之间.而水质较为良好的泥河水库、香溪河库湾和鄱阳湖则为大气CO2的“源”.昆玉河夏季水－气界面CO2的释放通量处在较低的水平（见表1）.

表1 我国其他水域夏季水－气界面CO2 日平均释放通量

4 讨 论

水体温室气体的产生和传输过程共同决定了水－气界面温室气体通量，这些过程主要受气候条件、水体水质、植被状况及其他因素影响［5］.CO2主要由水体底部沉积物中有机质的分解和水柱中有机碳的氧化降解产生［24］，水底产生的CO2可以通过扩散或气泡形式向水面传输［25］.另外，水生生物的呼吸作用也释放温室气体［26］，水生植物、浮游植物光合作用则可以固碳［27］.已知影响CO2水－气界面释放通量的因素有光照、风速、水体透明度等都与浮游植物初级生产力有关系［28－29］.

水－气界面CO2释放通量大小及方向由表层水体和大气CO2分压差大小决定，通常大气中的分压差变化较小，所以CO2通量主要由表层水体CO2的分压决定［30］.表层水体CO2分压主要受风速、TA、水温、碳酸盐分解和生物泵的影响［31］.

相关性分析结果（见表2）显示，昆玉河水－气界面CO2通量与pH、TP、TN、风速呈正相关性，与TA、温度、气压呈负相关，其中与TA 和风速的相关系数值较小.水体pH 既影响水中物质的迁移和转化过程［32］，也直接影响水中碳酸盐的的分布，对水体CO2的浓度有着直接的控制作用［33］.

表2 环境因子与CO2 通量的相关系数

TA 是指水中能够接受氢离子即与强酸发生中和反应的物质总量.比如氢氧根、碳酸根、重碳酸根等.本文TA 与通量呈负相关且相关系数较小.一般TA 越大相应的水体碳酸盐、重碳酸盐就愈多，因此TA 也是影响CO2通量的一个因素之一［34］.浮游植物在光合作用时还会吸收N、P 等营养物质，水体碱度也会相应的降低［35］.所以，碱度集中反应了水中CO2的溶解水平.

气压是影响气体在水中溶解度的重要参数［36］.气压升高会使气体在大气中的分压相应的升高，CO2向水体溶解，使向大气释放的通量减小.但由于本文中气压昼夜变化并不是很大，所以这种效果不太明显.

气温既可以直接影响温室气体的排放，也可以通过调节水温间接的影响温室气体的排放［37］.由于在本研究中缺乏水温的实时监测数据，只能通过气温来进行分析，根据王亮［16］等在香溪河库湾进行的研究表明，24h内水温受气温影响比较明显，水温升高会促进CO2的吸收.气温升高，气压增加，促使CO2从大气进入水体.气温降低，CO2从水中进入大气.昼间气温高，气压高，夜间气温低，气压低，所以一天之中昼间从大气进入水体的CO2多，而夜间较少.对于河流而言，由于水体比热较大，水温对太阳辐射不敏感，而且较小的水温变化对CO2通量的影响也不会很大［38］.

风速是影响水－气界面碳通量的重要因素［5］.在观测中发现在风浪较大的时段，水体向大气的排放量也较大.研究认为，风应力增加了水－气接触面积，加速了碳交换；对底泥产生扰动，促使底泥中的CO2排放，与CO2释放通量正相关［18］.在本研究中风速与CO2通量虽呈正相关，但相关性较弱，可能是因为在昼夜风力差异大，且24h内风速都比较小，对CO2通量的影响不明显.由于城市河流水浅，河道较为狭窄的特点，在风速较大的情况下可能更易受到风应力的影响.

在生长季浮游植物是控制表层水体分压的关键因素，CO2的吸收与释放大部分是由浮游植物完成.当浮游植物进行光合作用时，消耗水中的溶解CO2，提高水体pH，水体CO2分压降低，大气中的CO2进入水体；呼吸作用时生物释放CO2，使表层水体CO2分压增加，CO2从水体进入空气［21］.昼间水体从大气中吸收的CO2多，而夜间少.主要原因在于夏季昼长夜短，日照加强了水体中的光合作用，水体中的CO2通过光合作用转化为有机碳，并且产生氧气，导致水体氧化还原电位升高、CO2分压降低，使得河道碳排放强度在日落后达到最弱、日出前最强［34］.

本文TN 和TP 与CO2通量有较强的相关性.N、P 是影响浮游植物生长的重要营养物质，它们通过影响浮游植物的生长来调节水体理化特性，从而影响CO2的释放通量.

5 结 论

昆玉河CO2的平均释放通量昼夜差异较大，昼间吸收多，晚间吸收少，昼夜平均释放通量为－7.28 mg·m－2·h－1，与其他水域夏季日平均结果比较处于较低水平.pH、TP、TN 和温度对水－气界面CO2的释放通量有较大影响.风速和TA 昼夜间的变化并不明显，昼夜间的变化对温室气体的产生和水－气界面的释放通量影响较小，昼夜变化过程与CO2的相关性较弱.

［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］ 李香华.太湖水－气界面温室气体通量及时空变化特征研究［D］.南京：河海大学，2005.

［5］ 赵小杰，赵同谦，郑 华，等.水库温室气体排放及其影响因素［J］.环境科学，2008，29（8）：2377－2384.

［6］ 赵 炎，曾 源，吴炳方，等.水库水气界面温室气体通量监测方法综述［J］.水科学进展，2011（1）：019.

［7］ 李海涛，沈文清，刘 琪，等.湿地生态系统的碳循环研究进展［J］.江西科学，2003，21（3）：160－167.

［8］ 胡嘉东，张锡辉，万正茂，等.典型城市河流中嗅味物质和微生物菌落特征［J］.环境科学研究，2009，（1）：47－51.

［9］ 张丙印，倪广恒.城市水环境工程［M］.北京：清华大学出版社，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.昆玉河生态水景走廊景观规划设计［J］.中国园林，2005，21（10）：33－40.

［13］傅 桦，赵丽娟，徐晓进.北京市昆玉河旅游与沿岸景观规划建设［J］.首都师范大学学报：自然科学版，2009，29（5）：57－61.

［14］赵登忠，谭德宝，汪朝辉，等.水布垭水库水气界面二氧化碳交换规律研究［J］.人民长江，2012，43（8）：65－70.

［15］汪朝辉，杜清运，赵登忠.水布垭水库CO2排放通量时空特征及其与环境因子的响应研究［J］.水力发电学报，2012，31（2）：146－151.

［16］王 亮，肖尚斌，刘德富，等.香溪河库湾夏季温室气体通量及影响因素分析［J］.环境科学，2012（5）：010.

［17］Lambert M，Fréchette 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］吕东珂，于洪贤，马成学，等.泥河水库春季水－气界面二氧化碳通量与其影响因子的相关性分析［J］.湿地科学与管理，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］吕东珂.泥河水库水－气界面CO2通量研究［D］.哈尔滨：东北林业大学，2009.

［21］嵇晓燕，崔广柏，杨龙元，等.太湖水－气界面CO2交换通量观测研究［J］.环境科学，2006，27（8）：1479－1486.

［22］邢阳平，杨洪，倪乐意.武汉东湖夏季水－气界面CO2、CH4通量研究［A］.中国地理学会2003 年学术年会［C］.武汉，2003：1.

［23］林 茂.鄱阳湖水－气界面温室气体通量研究［D］.北京：北京林业大学，2012.

［24］Liikanen A，Flöjt 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］刘丛强，汪福顺，王雨春，等.河流筑坝拦截的水环境响应—来自地球化学的视角［J］.长江流域资源与环境，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］严国安，刘永定.水生生态系统的碳循环及对大气CO2的汇［J］.生态学报，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］杨 妍，刘丛强，吴 攀，等.猫跳河流域梯级开发水库夏季甲烷排放研究［J］.贵州水力发电，2009，23（3）：12－16.

［33］郭劲松，李 哲，方 芳，等.三峡水库不同运行状态下支流澎溪河水－气界面温室气体通量特征初探［J］.环境科学，2012，33（5）：1463－1470.

［34］李香华，胡维平，杨龙元，等.太湖梅梁湾冬季水－气界面二氧化碳通量日变化观测研究［J］.生态学杂志，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］王东启，陈振楼，王 军，等.夏季长江口潮间带CH4，CO2和N2O 通量特征［J］.地球化学，2007，36（1）：78－88.

［38］张发兵，胡维平，杨龙元.太湖春季水－气界面碳通量日变化观测研究［J］.生态环境，2004，13（2）：186－190.