三峡库区澎溪河水华过程中CO2浓度及通量变化研究

,2

(1.重庆三峡研究院 重庆 404100；2.重庆交通大学 重庆 4000714)

近几十年来，全球变暖已经引起世界各国学者以及政府的共同关注，人们都普遍认为温室气体浓度升高的主要原因是化石燃料的燃烧，而水力发电则是一种清洁能源。但是，现在已有的大量研究表明，水库已经成为大气CO2和CH4的一个重要排放源，水库温室气体的研究逐渐成为热点[1,2]。水华指淡水水体中藻类大量繁殖的一种自然生态现象，是水体富营养化的一种特征，主要由于生活及工农业生产中含有大量氮、磷的废污水进入水体后，蓝藻、绿藻、硅藻等大量繁殖后使水体呈现蓝色或绿色浮沫的一种现象。三峡水库蓄水以来，水库次级支流出现水体富营养化，在其他生态环境因子的综合作用下，局部水域水华频繁暴发[3]。

本文拟以三峡水库澎溪河回水区的夏初季节水华为研究对象，开展野外观测和现场原位实验研究。通过野外观测研究自然条件下藻类水华过程中的CO2的吸收和释放情况；通过添加不同浓度梯度的磷，测定藻类在生长和消亡过程中的CO2的吸收和释放情况。综合揭示该流域在水华过程中的CO2变化规律。

一、材料与方法

(一)研究区域与采样方案

澎溪河(又称“小江”)是三峡库区中段长江北岸一级支流，流域面积5172.5km2，干流全长182.4km，坝前145 m下回水区全长约60km。其中，高阳平湖是澎溪河145 m 回水区中段较具独特性的水域(图1)，其上游(养鹿杨家坝小江电站)、下游(代李子牛栏溪)河段均为峡谷型河道，河道狭长且断面变化不大，水力条件相对单一，而高阳平湖水域则是在上述两个峡谷之间水域面积为4～5km2(水位145 m)的开阔水域，湖沼特征上近似于过水型湖泊。

图1 澎溪河回水区及高阳平湖水域示意图

本实验选择在2016年4月22日至5月10日，在澎溪河高阳平湖实验平台进行原位培养实验,取平湖湖水搅拌均匀后平均分配至12个桶中(图2)，每个桶装30L湖水，桶中分别添加不同浓度梯度的磷(表1)[4]。

图2 原位培养实验

备注TP浓度(mg/L)样品编号原水(0)0.11,2,31倍磷(1P)0.24,5,610倍磷(10P)17,8,9100倍磷(100P)1010,11,12

(二)检测方法与数据处理

现场测试分析指标包括:pH值、溶解氧(DO)、水温等。其中，采用多参数水质分析仪(HACH®MS5)现场测定pH值(精度分别为0.01个单位)；采用YSI®Pro ODO测定水温、DO(测试精度分别为0.1℃，0.01mg/L)；现场气温、大气压采用手持式数字大气压计测得。水-气界面CO2扩散通量采用顶空平衡法测量。气样分析采用安捷伦7820型气相色谱仪。气体采用十通阀进样，CO2经TDX-01色谱柱分离后直接用FID检测器检测。

顶空平衡法用气象色谱仪测出CO2积分峰面积算出CO2在水中的浓度，水-气界面的CO2交换通量计算公式为：

Flux=KX(C1-C2)

式中Flux为CO2气体扩散通量，mg/(m2·h)；KX为气体交换系数；C1为顶空平衡法测出的水中CO2浓度，μatm/min或ppm/s；C2为水中CO2饱和浓度，μatm/min或ppm/s。顶空法测得的CO2通量为负通量表示水体从大气吸收CO2，正通量表示水体向大气释放CO2气体。

二、结果与讨论

(一)藻类的生长状况

图3 Chl.a、DO、pH变化示意图

叶绿素-a(Chla)的初始值(第0天)为70(mg/m3)左右；原水、1P、10P的Chl.a在第2天达到最高值便逐渐降低，其叶绿素最大值分别为94.2、85.3、78.9 mg/m3。100P的Chla一直下降，直到第9天开始回升，实验结束时Chla高于其他三组。对于溶解氧(DO)，1P、10P前四天上升，并在第4天都达到最大值，分别为16.00、15.88(mg/L)，而其他浓度梯度的水样DO在第2天达到峰值便马上下降。DO最终稳定在9mg/L左右。总体而言，1P、10P的溶解氧略高于原水和100P的水样。pH值的变化情况与溶解氧类似，1P、10P的pH在第4～6天时出现了明显大于添加其他浓度梯度的峰值，且整个实验过程中pH都明显高于原水和100P的实验组。

实验初期原水中含有少量磷，但随着磷被消耗，藻类生长受营养物质的限制，光合作用减弱导致DO减少以及pH降低并回归到正常；而对于100P的桶中，营养物质由实验初期的不适宜浓度变为适宜浓度，导致Chla增大，pH增大。藻类光合作用吸收CO2使水体中HCO3-浓度降低，导致水体pH上升；而呼吸作用则相反。本研究采样主要为白天，光合作用普遍强于呼吸作用，导致pH上升，水体碱性增强。在一定范围内，碱性增强有利于藻类生长。

(二)不同磷浓度下的CO2通量

实验期间，CO2通量均为正，表现为“源”(图4)。实验桶中水体CO2气体主要来源于桶中藻类、细菌等的呼吸作用和大气中CO2的溶解两个方面。本实验采样时间为11:00～14:00，此时光合作用大于呼吸作用，由于光合作用产生大量O2，O2的分压较大，使水体中CO2气体分压减少。最终导致水体向大气中释放CO2气体，表现为“源”。

图4 CO2通量变化

(三)相关性分析

本实验采用Pearson相关法对CO2通量及各理化指标(pH、DO、Chl-a等)进行相关性分析(表2)。结果表明本实验求得的CO2通量与Chl-a、pH、DO均无相关性。分析认为实验桶中浮游植物的光合作用和呼吸作用是影响CO2产汇的关键。白天藻类光合作用吸收CO2释放O2，并使水体pH增大，导致CO2主要表现为汇。原理上CO2通量与Chl-a、pH和DO应为负相关性。但由于本实验是在桶中进行，且实验过程中藻类水华仅为轻度水华，水体溶解态CO2并未达到饱和等因素，使得本次实验中CO2通量与Chl-a、pH、DO均无相关性。

表2 相关性分析表

三、结论

本次对三峡澎溪河水华过程中的CO2通量研究表明，藻类的生在死亡过程会受到不同磷浓度梯度的影响，只有在适宜的浓度梯度下才会促进藻类的生长，且藻类的生长受到磷的限制。但在藻类的生长死亡过程中对CO2通量释放与吸收基本没有影响。本实验中水-气界面CO2通量与Chl-a、pH、磷酸盐、DO均无相关性