连续筑坝湟水一级支流火烧沟对河流水-气界面温室气体通量的影响研究

张艳春，张志法，陶雅琴，陈玉鹏，毛旭锋，*

1. 青海省自然地理与环境过程重点实验室，青藏高原地理过程与生态保育教育部重点实验室，西宁 810000

2. 高原科学与可持续发展研究院，西宁 810000

3. 青海师范大学地理科学学院，西宁 810000

4. 西宁湟水国家湿地公园，西宁市湟水林场，西宁810000

0 前言

中国是世界上拥有水坝数量最多的国家，水坝提供了防洪、发电、供水、灌溉等诸多功能。水坝的建设会造成自然河流阻断，其物理水文因素发生改变，使得天然河道湖库化，生物生境破碎，河流有机质含量增加，有机质在微生物的作用下会产生CH4、CO2等温室气体，必然影响河流温室气体排放过程。由于水坝修建后河流的平均滞留时间延长，强化了氮磷等营养物质在库区滞留沉积作用，有研究显示河流含氮量增加会促进N2O的排放量相应地增加[1]，氮磷等也为 CH4的排放提供物质基础。与单个水坝相比，梯级水坝对温室气体排放的影响机制研究还很匮乏。连续筑坝指在同一条河流上修建一系列的水坝。我国在长江、黄河的干流和各大支流连续修建有大量的拦河坝，这些水坝形成上下串联的水文连续体，在水质、水温、泥沙和生物等方面具有传递效应，进而对河流温室气体的排放产生深远的影响。

水库温室气体排放的研究从1993年Rudd等[2]对南美热带雨林地区开始，自此各国学者对相关问题展开研究。目前国际上温室气体排放的研究热点集中在加拿大[3-4]、美国中西部[5-6]、欧洲[7-9]以及热带地区[10-11]等地，国内的研究主要集中分布在东部、中部地区的水库[12-13]以及城市河流[14-15]、湖泊[16-17]等，且重点关注单个水库的温室气体时空排放特征。对于水-气界面监测温室气体通量的方法有静态箱[12-13]、倒置漏斗法[18]、梯度法[19-20]以及涡度相关法[21-22]等，其中静态箱原理简单、操作方便，能够同时分析多种气体。总体而言，国内外学者针对水库温室气体的研究区广、研究方法多样，研究区受不同程度人类活动影响，水-气界面温室气体排放通量数量级不同，且存在一定的排放规律。然而对于梯级水坝温室气体的研究却极少，如有研究指出[1]水库高密度的梯级开发会使河流温室气体排放量极大地增加。梯级水坝修建后，温室气体排放模式如何？空间的联系和影响如何？这些都需要进一步研究。这里以湟水一级支流为例，开展梯级水坝对河流水-气界面温室气体CH4、CO2、N2O排放的影响，分析时空变化，判断影响因素，以期能够为河流生态建设和管理提供参考。

1 研究区概况

火烧沟位于青海省西宁市湟水河南岸，是湟水河的一级支流，黄河的二级支流，其分布范围为36°28′30"—136°39′01"N，101°33′20"—101°43′55"E(图1)。河流属于高原寒温带半干旱气候区，气压低，日照长，太阳辐射强，昼夜温差大。年平均气温和年平均降水量分别为5.8 ℃和380 mm。

图1 火烧沟梯级水坝地理位置示意图Figure 1 The location of the Huoshaogou River

由于地形和缺水等因素，加上人类活动的影响，火烧沟植被退化、泥沙淤积、水土流失非常严重。2013年随着海绵城市改造建设和湟水国家湿地公园生态工程的实施，火烧沟形成由上到下的连续多级水坝的水体。本研究以前 4级水坝为研究区，上游选取一点(如图1中的第5采样点)作为对照区。

2 样品采集与方法

2.1 采集方法与装置

2018年 4—8月各月中旬天气晴朗微风的条件下，对火烧沟 5级阶梯进行现场观测测定，包括温室气体采集、水文、水质、气象、植物、底泥等的收集与监测。

本文温室气体通量采用漂浮静态箱-气相色谱法测定。静态箱由采样箱和泡沫漂浮架组成，采样箱是铝箔包裹表层的 PVC材料制成的圆桶(直径30 cm，高 40 cm)；漂浮架是用铁丝固定的泡沫板，采样箱顶部有小孔连接温度传感器和气体导管，气体导管连接三通阀，便于采集气体。采样前将箱体倒置于通风处，使箱内气体达到平衡。采样时将采样箱放置在水面，使箱口浸没到水中以保证箱内空气与外界隔绝。采样时间为 9:00—21:00，每隔 3 h采样一次，气体收集时间为箱体下水后0、15、30、45 min，五级阶梯静态箱同步采样。用50 ml注射器将气体收集到气体采样袋，样品采集完带回实验室24 h内利用气相色谱仪完成气体浓度分析。本实验利用经改装Agilent7890B的检测温度350 ℃带电子捕获检测器的后检测器ECD检测N2O浓度，检测温度 250 ℃带离子火焰化前检测器 FID检测 CO2和CH4的浓度。

一天的9:00—21:00每隔3 h在静态箱放置水面后依次对五级阶梯的风速、气温、水温、电导率、氧化还原电位(ORP)和溶解氧进行观测，采用 YSI水质多参数仪、手持式小型气象站等测量现场环境参数。此外还需收集各样点500 ml水样，以便测定水体的总碳(TOC)、总氮(TN)、总磷(TP)、COD，其中TOC采用TOC分析仪法，TN、TP和COD分别采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法、钼酸铵分光光度法和碱性高锰酸钾氧化法测定；并收集样方内的植物、底泥，分别测定其 TOC、TN、TP 含量，其中TOC和TN分别采用容量法和凯氏定氮法，植物和底泥的TP分别采用硫酸-双氧水消解钼锑抗比色法和NaOH熔融-钼锑抗比色法。

2.2 CO2、CH4、N2O通量计算方法

温室气体通量指单位时间内单位面积垂直方向的温室气体浓度变化量，其计算方式为[23]:

式中F为气体通量，mg·(m2·h)-1；V为进入浮箱的空气体积，m3；P1为分与小时的转换系数，取 60；P2为ppm与μg·m-3的转换系数(CO2: 1798.45；CH4: 655.47，N2O: 1798.56)；P3为 μg 与 mg 的转换系数，取1000；S为浮箱在水上部分的表面积，m2。Δc·Δt-1为温室气体的时间浓度关系图中的浓度斜率，ppm·min-1。当F＞0表示气体从水体向大气排放，即为“源”，当F＜0表示水体吸收大气，即为“汇”。

采用 Matlab R2018a，origin9.1、Arcgis10.2、SPSS 24、Excel等软件进行论文的图形绘制和数据分析处理。利用Pearson相关分析和多元逐步回归分析方法，对各指标对温室气体通量的影响进行研究。

3 结果与分析

3.1 水-气界面温室气体时空变化

火烧沟水-气界面CH4、CO2、N2O的空间变化由春夏季采样时期梯级变化图(图 2 a—f)综合可得:筑坝区(第一阶梯-第四阶梯)温室气体的排放量高于未筑坝区(第五阶梯)，以中上游河段排放的温室气体最多。

CH4和N2O在观测期间均表现为河流温室气体的“源”(图 a、d；图 c、f)，筑坝区排放量显著高于未筑坝区；由CH4、N2O春夏季排放通量范围得，未筑坝区比筑坝区吸收的CH4、N2O多，排出的CH4、N2O少；CH4和N2O春夏季筑坝区平均排放通量均高于未筑坝区。CO2在春夏季均表现出明显的排放与吸收交替进行的特征(图 b、e)，不过春季整体上表现为 CO2的“源”，夏季表现为 CO2的“汇”，研究区地处青藏高原冬季漫长，春季升温迅速，在冬季冰封期，河流中大量的有机碳积累得不到有效的释放[13]，在春季河流解冻过程中，水中大量 CO2向大气排出；而夏季河流植物长势良好，在水体中在进行光合作用时初级生产大于呼吸消耗，其吸收作用大幅增强。其春夏季筑坝区平均排放通量均高于未筑坝区。河流在未筑坝区排放少量的温室气体，而经中下游水坝拦截后气体排放量增加，这与前人在猫跳河梯级水库的研究[1]相一致，说明火烧沟梯级水坝修建之后在为海绵城市建设发挥作用的同时，温室气体排放问题也应重点关注。

各类温室气体在筑坝区不同梯级之间存在差异，但主要以中上游河段排放气体为主。春季筑坝区CH4排放通量的极值主要集中在中游(第三级阶梯)和中上游(第四级阶梯)河段，夏季的极值主要集中在中上游。CO2在春季筑坝区的排放通量极大值和极小值都出现在中游，夏季的极大值和极小值均集中在中上游。筑坝区的N2O春季在中下游和中游河段集中排放，夏季在中上游河段，春夏季都是排放为主；排放量最少的阶梯由春季的第四阶梯向夏季的第二阶梯转移。火烧沟台阶式的分布，上游水体下泄时会携带大量营养物质在中上游河段富集，而该河段流速很缓，水流搬运能力较低，致使下游碳源、氮源储量较少，使得河段温室气体排放通量呈现出由上游阶梯和下游阶梯向中上游阶梯累积的“梭形累积”；此外，中上游河段受光照等因素影响较少，气温最高，也会影响该处温室气体的集中排放。

水-气界面温室气体的时间变化特征由梯级变化图(图2 a—f)综合可得: CH4、N2O的排放通量夏季明显高于春季；CO2在春季以排放为主，夏季各阶梯以吸收为主；各类温室气体在各梯级之间的日变化水平不同。

(1)CH4在春季(图 a)整个时期河流向大气排放了 31639.56 μg·(m2·h)-1的气体；随着观测时间推移，未筑坝区逐渐减少并向吸收转变，筑坝区一整天均在向大气大量排放，其在中游河段的日变化最大，变异系数Cv为 158.95%，但弱于未筑坝区的变化水平。夏季(图 d)整个时期河流向大气排放了321698.75 μg·(m2·h)-1的 CH4，以 15:00 和 18:00 的排放最集中，夏季CH4的排放量是春季的10.17倍；筑坝区比未筑坝区的日变化水平小，以中上游河段的日变化最大(Cv=104.15%)。CH4在春夏季各梯级的日变化水平受排放极值的影响。(2)CO2在春季(图b)向大气排放了 1147.51 mg·(m2·h)-1的气体；未筑坝区在春季以随时间吸收与排放交替进行的方式吸收CO2，筑坝区整体以排放为主。夏季(图 e)整个时期河流向大气吸收了 325.78 mg·(m2·h)-1的 CO2；未筑坝区除9:00排放了极少量的气体外，其余均在吸收；筑坝区除第四阶梯在18:00和第三阶梯在21:00排放了大量气体外，其他河段各时间以吸收为主。春夏季筑坝区 CO2的日变化水平均强于未筑坝区。(3)N2O 在春季(图 c)和夏季(图 f)各时期由河流向大气分别排放了 3753.39 μg·(m2·h)-1和 10315.84 μg·(m2·h)-1的 N2O，夏季 N2O 的排放量是春季的2.75倍。春季未筑坝区表现为“源”“汇”交替，夏季以排放为主；筑坝区从春季的二、三阶梯集中排放向夏季第四阶梯集中大量排放转变。本实验中 CH4和 N2O通量季节变化趋势为夏季高于春季，与众多研究结果[13-14]一致，夏季气温、水温升高，微生物活性增强，河流中植物由春季的零星分布到夏季密集生长，水中有机质含量增加，均有助于夏季温室气体排放量增多。

3.2 环境因子及其对温室气体通量的影响

温室气体的产生和扩散都与外部环境有关，本实验各指标的季节变化见图3(a—f)，其中图a—c的横轴m—n表示m级阶梯第n个时间点。气象指标在9:00—21:00时间段各梯级水坝之间波动如图3a、b: 夏季气温明显高于春季，风速、气压则是春季高于夏季。水环境指标季节变化见图 c、d: 电导率存在明显的周期变化规律；夏季溶解氧低于春季，水温相反；ORP波动范围大，且大部分以第三级阶梯为极值。水生态参数季节变化如图 e、f: 水体总氮(TN)和总有机碳(TOC)季节波动大体一致；春季的总磷(TP)波动幅度大，基本大于变化很小的夏季；pH 变化不大，春季略高于夏季；高锰酸盐指数夏季高于春季，未筑坝区低于筑坝区。各梯级水坝内不论在植物还是底泥中TOC和TN的季节波动都较大，TP的变化都较小(图g、h)。

本实验利用 Pearson相关分析研究了各指标对温室气体通量的影响，其结果见表1。CH4通量与气温、水温、CODmn呈正相关关系，与气压、pH、 ORP呈负相关关系；CO2通量与水体TOC和水体TN呈正相关关系；N2O通量与CODmn、pH呈正相关关系，与气压、风速呈负相关关系。

3.3 影响温室气体排放的因子

将实验中监测的各类环境因子与CH4、N2O通量利用多元逐步回归分析建立最优回归方程如下:

图2 春夏季采样时期CH4、CO2、N2O梯级变化图(a-f)Figure 2 Cascade changes of CH4, CO2 and N2O during spring and summer sampling period

由上式知: CH4通量主要受气压影响，与气压呈负相关关系；CO2通量主要受水体TN影响，与其呈正相关关系；N2O 通量的主要影响因素是风速、CODmn和底泥 TOC，与 CODmn为正相关关系，与风速和底泥 TOC均为负相关关系。

综合上述 Pearson相关分析和多元逐步回归分析可得: 本研究中，气压是影响 CH4的关键因素，水体TN是影响CO2的关键因素，风速和CODmn是N2O通量的主要影响因素。

图3 各环境因子季节变化Figure 3 Seasonal variations of environmental factors

表1 温室气体通量与部分环境因子Pearson相关分析表Table 1 Pearson's correlation coefficient between greenhouse gases fluxes and environment factors

4 讨论

气象指标中气压和风速分别以影响温室气体在水中溶解度、水气交换面积，对气体交换量产生作用，当气压升高时，气体溶解度增加，有利于温室气体从大气进入水体[14]。Duchemin等[24]研究表明随着风速加大，水-气界面的气体交换通量变大。火烧沟观测期间夏季的气压低于春季，与温室气体夏季排放量多于春季相一致，本实验中 CH4、N2O 与气压呈负相关关系(rCH4= -0.447，rN2O= -0.332)；春夏季风速相差不大，平均风速为 0.62 m·s-1，对水-气界面风力扰动较小，只与 N2O通量产生负相关关系(r= -0.393)，与其他研究区的研究结果相一致[25-26]。

水文指标是影响河流生态系统的重要环境参数，直接或间接影响温室气体的产生。(1)气温和水温可以影响气体溶解度、交换速率，也可以作用于微生物酶活性、水生植物初级生产等。夏季平均气温、水温比春季分别高 8.5 ℃、6.5 ℃，可以加快产甲烷过程促进其排放，尤其是 15:00的气温正好满足产甲烷菌的最适温度 30—40 ℃[15]，其平均水温也高于其他时间段，这与相关分析和观测情况得到的结论相一致: CH4分别与气温、水温呈正相关关系(r气温= 0.305，r水温= 0.383)，CH4的夏季排放量显著高于春季。(2)观测期间火烧沟的 pH波动范围在7.5—8.3，产甲烷菌、硝化作用和反硝化作用的最适范围分别为 6.0—8.0、3.4—8.6和 7.0—8.0[27-29]，在该范围内有利于CH4和N2O排放。由相关性分析得，pH与CH4通量呈负相关关系(r= -0.333)，与N2O正相关性达到极显著水平(r= 0.55)。火烧沟流域的pH波动范围在硝化反应和反硝化反应的最适范围之内，pH高低与N2O释放量成正比相一致。(3)ORP强弱会制约水中有机质的分解，影响气体排放。有研究表明[30]氧化还原电位对碳通量的产生和迁移有影响。Masscheleyn 等[31]研究指出-250 ＜ ORP ＜-150 mV时CH4排放量随ORP减小而逐渐增大，春季的ORP均高于-150 mV，夏季在-250—-150 mV范围内的部分占 68%，因此夏季 CH4排放量多于春季，ORP与CH4呈极显著负相关关系(r= -0.441)。(4)CODmn用于衡量水中有机质含量多少的指标，CODmn越高，温室气体产生所需物源越丰富，越有利于气体产生，与本实验结果相一致: CODmn和CH4、N2O呈正相关关系(rCH4= 0.409，rN2O= 0.331)，观测中 CODmn夏季是春季的23倍，未筑坝区低于筑坝区，与CH4、N2O通量夏季排放量高于春季，筑坝区高于未筑坝区一致。

水质、植物、底泥中的TOC、TN、TP含量也对温室气体通量有影响。在刘丛强等人[32]的研究中发现水坝更有利于磷素的拦截，同时在微生物活性增强时会溶解底泥中的磷酸盐，使得磷素积累；碳源、氮源富集，促进微生物生长同时呼吸作用加强且为反硝化作用提供能量来源，促进温室气体排放。本研究中CO2通量与水体TOC和水体TN呈正相关关系(rTOC=0.309，rTN=0.315)； N2O 通量与底泥TN 无明显的相关性(r=0.012)，根据 Silvennoimen等[9]等人的研究表明水生态系统中，底泥中进行的反硝化作用产生的N2O最多，与本实验结论相反的原因可能与人为干扰致使水中 TN含量偏高或者所处的青藏高原地理位置有关，因此长时间多维度的对各种形式的河流氮源监测是必要的。

浮游动植物是河流生态系统食物链的主要组成部分[33]，在众多研究中均表明，温室气体水-气界面交换通量的一个主要影响因子是水生生物的初级生产力，而叶绿素是表征初级生产力的直接指标。火烧沟夏季生物活跃，植物密布，实验过程中未收集各样点的浮游生物以及叶绿素 a，未进行定量分析研究，不知其对温室气体排放的影响，该不足需要在之后的研究中进行改进。

5 结论

通过对火烧沟梯级水坝水-气界面温室气体CH4、CO2、N2O时空变化及影响因子分析研究，得到梯级水坝修建对天然河道水-气界面温室气体影响较大。主要结论如下:

(1)梯级水坝修建后，筑坝区温室气体的排放量明显高于未筑坝区；其中筑坝区以中上游河段排放的温室气体最多。CH4和N2O在筑坝区大量排放温室气体，未筑坝区表现为少量排放或吸收。筑坝区的 CO2在春季以排放为主，夏季以吸收为主；而未筑坝区两季均在吸收。

(2)整个火烧沟梯级水坝CH4和N2O的排放通量呈现出夏季明显高于春季的趋势。夏季CH4和N2O的排放通量分别是春季的10.17倍和2.75倍。春季为CO2排放的“源”，向大气排放了 1147.51 mg·(m2·h)-1的气体；夏季为 CO2排放的“汇”，向大气吸收了 325.78 mg·(m2·h)-1的 CO2。

(3)各类环境因子对温室气体通量有不同程度的影响。气象指标、水文指标、水质、植物、底泥中的TOC、TN、TP含量等与本研究中的温室气体通量有一定相关性。其中气压是影响CH4的关键因素，水体TN是影响CO2的关键因素，而风速和CODmn是影响N2O通量的主要因素。