养殖塘CH4通量时空变化特征及其影响因素

贾 磊,张 弥*,蒲旖旎,赵佳玉,王 娇,谢燕红,张 圳,肖 薇,石 婕,邱吉丽

养殖塘CH4通量时空变化特征及其影响因素

贾 磊1,张 弥1*,蒲旖旎1,赵佳玉1,王 娇2,谢燕红1,张 圳1,肖 薇1,石 婕1,邱吉丽1

(1.南京信息工程大学,气候与环境变化国际合作联合实验室大气环境中心,江苏 南京 210044；2.山西省太原市气象局,山西 太原 030000)

本研究基于多通道密闭式动态箱法对亚热带典型养殖塘CH4通量的时空变化特征及其影响因素进行了分析.结果表明:亚热带养殖塘CH4主要排放方式是冒泡,CH4扩散及冒泡通量均呈现明显的季节变化特征.春、夏、秋、冬4个季节CH4扩散通量分别为:0.113, 0.830, 0.002, 0.005μmol/(m2·s),冒泡通量分别为0.923, 1.789, 0.006, 0.007μmol/(m2·s),冒泡通量占总通量的比例分别为89.04%、68.29%、78.95%和60.52%.在冬、春季养殖塘没有人工管理措施的情况下,CH4通量随着离岸距离的增加而增大,冬、春季养殖塘中间区域CH4总通量分别是岸边浅水区的34.70和2.98倍.夏季养殖活跃期CH4通量在空间上呈现出:人工投食区(7.371μmol/(m2·s))>自然生长区(2.151μmol/(m2·s))>人工增氧区(0.888μmol/(m2·s))>岸边浅水区(0.206μmol/(m2·s))的特征.在0.5h尺度上,春季CH4扩散通量与水温呈显著正相关关系,与风速呈负相关关系,秋季CH4扩散通量与水温、风速呈正相关关系,冒泡通量和水温呈正相关关系.在日尺度上,水温是CH4扩散通量和冒泡通量的主控因子,两者均随着水温升高呈指数增加,并且冒泡通量的水温敏感性10(12.72)大于扩散通量(7.78).

养殖塘；密闭式动态箱法；CH4扩散通量；CH4冒泡通量；时空变化特征；影响因素

全球水产养殖的快速发展会导致水体温室气体排放增加[1-2].作为世界上最大的淡水养殖国家,中国占全球水产养殖产量的58%[3].受“退养还湖”政策影响,湖泊养殖面积逐年下降,池塘养殖成为我国主要淡水养殖方式,占淡水养殖总面积的一半以上,并且逐年增长[4].养殖塘普遍面积较小,水深较浅,水体容易与周围陆地生态系统发生物质交换,是重要的CH4排放源.与自然水体相比,人工饲料投入和养殖鱼类代谢产物积累带来大量有机物,导致养殖塘CH4排放量高于政府间气候变化专门委员会(IPCC)提出的热带和亚热带湿地的排放水平而成为排放热点[5].因此,明确养殖塘CH4排放特征及其影响因素已成为内陆水体温室气体循环研究中亟待解决的科学问题.

水体中CH4由底泥厌氧环境中微生物分解有机物产生,并通过冒泡、扩散和植物介导3种途径由水体向大气排放[6].研究发现,在没有挺水植物的水体中,CH4主要以冒泡方式排放,小型水体中甲烷冒泡通量约占总排放量的40%～60%[7].自然水体由于有机物含量和水深存在空间异质性,加之CH4冒泡排放具有高度的随机性,从而导致CH4通量存在明显的空间差异[8-12].对于养殖塘,人工管理措施(人工投食、增氧等)使水体理化性质的空间分布更复杂,从而导致CH4通过扩散、冒泡排放通量的空间格局更为复杂.结合传输系数法和倒置漏斗法对养殖塘CH4通量观测表明,CH4扩散通量和冒泡通量不仅存在空间差异还存在季节变化特征[21-22].但由于传输系数法和倒置漏斗法采样频率低,无法长时间连续观测,可能造成CH4高通量事件被忽略,导致养殖塘CH4通量的时空变化特征仍存在不确定性.传统的静态箱-气相色谱法无法进行高频连续观测,也无法区分CH4的不同排放途径[13-19].微气象学方法能得到通量贡献源区内CH4排放通量,却无法捕捉CH4通量的空间变化特征[20].利用密闭式动态箱,可实现同时对CH4冒泡通量和扩散通量进行原位高频连续观测,并且可以通过设置多个采样点对养殖塘不同区域的CH4通量进行多点观测,这对于明确养殖塘不同排放途径的CH4通量及其时空变化特征十分必要.

CH4扩散和冒泡过程均受到温度、气压等环境因子的影响.但由于不同途径排放CH4通量的影响因子及其对影响因子响应的敏感性存在差异[23-24].因此,基于总通量与环境因子之间的统计关系对CH4排放量模拟可能存在偏差[25].明确养殖塘不同途径CH4排放通量的影响因子及其对因子变化的响应关系,是准确估算养殖塘以及进行尺度上推准确估算区域CH4排放的关键.

长江中下游地区地处亚热带季风气候区,气候温暖湿润,水网密布,是我国水产养殖的重要区域,该地区的养殖池塘占全国养殖池塘总面积的23.7%[4],因此该区域是CH4排放的热点区域.本研究选取位于长江中下游地区的安徽省一处典型的淡水养殖塘,基于多通道密闭式动态箱法,对不同季节的CH4冒泡和扩散通量进行多点观测,分析养殖塘CH4冒泡、扩散及总通量的时空变化特征及其影响因子,以期为养殖塘CH4排放对区域乃至全球内陆水体温室气体排放贡献研究提供数据和理论支撑,同时为其他水体温室气体通量观测研究提供方法参考.

1 材料与方法

1.1 研究地概况

本研究选择的养殖塘位于安徽省滁州市全椒县官渡村淡水养殖区(118.69°E,32.24°N,图1).该地属亚热带季风气候,夏季多偏南风、温暖多雨,冬季多偏北风、寒冷干燥.年平均气温为15.8℃,年平均降水量为1090mm(数据来源:http://data.cma.cn/).养殖塘面积7738m2,平均水深1.8m,且岸边区域水深小于池塘中间区域.该养殖塘为鱼、蚌混养塘,主要养殖鱼类为鲢鱼()、青鱼()、草鱼()和鳙鱼()等.每年主要养殖季节为春、夏、秋三季.

图1 研究区位置及采样点分布

▲小气候观测点 ●通量观测点 ◆涡轮增氧机 □养殖塘水体

本研究在养殖塘中设置A、B1、C1、D1、B2、C2和D2共7个通量观测点(图1),其中:A点位于养殖塘西岸岸边浅水区,B1、C1和D1分别位于西岸向养殖塘中央延伸的10,20,30m处.B2、C2和D2分别位于西岸向南岸延伸的10,20,30m处,其中D2点距离南岸10m.B1点靠近养殖塘饲料投入点,为人工投食区.C1点远离饲料投入点和涡轮增氧机,为自然生长区.D1点靠近涡轮增氧机,为人工增氧区.本研究分别在2018年秋季10月24～26日、2019年冬季1月13～19日、春季5月3～13日和夏季7月24日～8月5日对养殖塘CH4通量进行观测,其中秋季在A点进行CH4通量观测,春季在A、B2、C2和D2这4个点进行CH4通量观测;夏季和冬季在A、B1、C1和D1这4个点进行CH4通量观测.

1.2 多通道密闭式动态箱设计及通量计算原理

使用高度40cm,直径32cm的圆柱状透明塑料箱体扣置在水面上,箱体依靠泡沫浮圈漂浮在水面上.漂浮圈边缘固定气囊,当气囊充气时依靠其浮力将箱体打开,气囊未充气时箱体完全扣置在水面上,箱体下边缘没入水下,完全密封.通过延时继电器控制气泵定时给气囊充气和抽气,实现箱体自动打开和关闭.箱体顶部设置进气口和出气口,使用内径为0.635cm特氟龙导管通过多通道气路切换装置与便携式温室气体分析仪(915-0011-CU STOM, Los Gatos Research Inc., SF, USA)(LGR)连接,实现箱体内CH4浓度在线实时测量.该仪器对CH4浓度100s测量精度为100×10-9mol/mol.气路切换装置设置4组进、出气口,通过延时继电器控制气路之间切换,整套观测系统可以对4个观测点进行自动观测.

实验开始时控制气泵给气囊充气使箱体1打开,箱体内气体与大气充分交换;15min后,控制气泵抽气使箱体自动关闭,分析仪开始记录箱体内CH4浓度,去除由于箱体起落对水体造成扰动的时间,选取2min之后的数据进行通量计算,箱体保持关闭状态15min后对箱体1测量结束,之后气囊再次充气,箱体自动打开,进入气体交换状态.与此同时,气路切换装置将气路切换到箱体2并进行与上述过程相同的流程,对箱体2的CH4通量进行观测.依次进行全部4个箱体观测后返回箱体1,如此循环观测,4个箱体总测量周期为2h.

在得到LGR测得箱体内的CH4浓度1Hz原始数据后进行10s平均,用于后续通量计算.观测期间CH4以扩散方式排放时,箱体内CH4浓度呈线性增加,如图2a中的AB段.扩散通量的计算方法为:对AB段箱体内CH4浓度随时间变化进行线性拟合,得到拟合斜率d/d,代入以下公式中可以得到CH4扩散通量[19]:

图2 CH4扩散通量和冒泡通量计算方法

当发生冒泡现象时,箱体内CH4浓度会出现一个跃升,如图2b所示.对于CH4冒泡通量的计算方法是:先对AB段进行线性拟合,并根据扩散通量计算方法得到这一观测时段内CH4扩散通量k,根据扩散通量求得观测时间结束时,即C点处的CH4浓度,即为观测时间内通过扩散方式排放的CH4而导致的浓度变化量.CD之间的浓度差即为观测时间段内通过冒泡方式排放的CH4浓度变化量.CD点浓度差与AD点浓度差的比值即为该时段内CH4冒泡排放的贡献量.通过这一比值与总通量的乘积可以得到观测时段内CH4冒泡通量[26-27].

1.3 其他观测数据

观测目标养殖塘西岸岸边安装有小气候观测系统仪器,其中包括温度湿度传感器(HMP155, Vaisala Inc., Helsinki, Finland) 、风速风向传感器(05103, R M Young Company, Traverse City, Michigan, USA)可同时获取气温和风速风向等气象数据,且温度湿度传感器和风速风向传感器架设在距离地面高度1.5m处.同时配备水温计(109-L, Campbell Scientific Inc., Logan, Utah, USA)用以获取水面以下20cm处的水温数据.通过在线数据分析程序将所有气温、气压和风速风向数据计算为0.5h平均值数据.

2 结果与分析

2.1 CH4通量时间变化特征

2.1.1 CH4通量日变化特征 为明确养殖塘CH4通量日变化特征,在2019年春季5月9～11日对养殖塘CH4通量进行连续观测得到CH4扩散通量、冒泡通量和总通量日变化如图3所示,观测期间CH4通量并没有明显日变化规律.观测期间CH4扩散、冒泡和总通量平均值分别为0.131,1.020,1.151μmol/(m2·s).其中CH4扩散通量最大值出现在5月11日11:00,为0.559μmol/(m2·s),冒泡通量最大值出现在5月10日00:00,为2.925μmol/(m2·s).

如图4所示,白天(06:00～18:00)总通量、扩散通量和冒泡通量平均值分别为1.032,0.117, 0.916μmol/(m2·s);夜间(18:00～次日06:00)总通量、扩散和冒泡通量平均值分别为1.377,0.160,1.217μmol/ (m2·s).经过独立样本T检验,CH4总通量、冒泡通量和扩散通量昼夜均值之间的差异并不显著(扩散通量= 0.472、冒泡通量=0.354、总通量=0.361),因此可使用白天CH4通量观测结果代表全天平均水平.

白天CH4通量的变化特征主要与太阳辐射造成的环境温度变化一致,呈现出 “单峰型”变化趋势(图5).春季各时间段均出现冒泡现象,扩散、冒泡和总通量最大值分别为0.354, 1.436, 1.790μmol/(m2·s).夏季各时段均出现冒泡现象,扩散、冒泡和总通量最大值分别为1.104, 2.623, 3.706μmol/(m2·s).秋季CH4冒泡现象主要出现在下午,并且当冒泡现象出现时,CH4总通量显著提升,CH4总通量的变化特征主要由冒泡通量决定,其中扩散、冒泡和总通量最大值分别为0.003,0.053,0.055μmol/(m2·s).冬季上午CH4冒泡通量较大,下午和傍晚CH4冒泡通量明显减少,其中扩散、冒泡和总通量最大值分别为0.010,0.026, 0.034μmol/(m2·s).

图4 2019年5月9～11日养殖塘CH4通量昼夜差异

2.1.2 CH4通量季节变化特征 如图6所示,秋季观测期间CH4总通量日均值最大值出现在10月24日,为0.027μmol/(m2·s),最小值出现在10月25日为0.001μmol/(m2·s).其中,扩散通量日均值最大值出现在10月24日,为0.002μmol/(m2·s),只有10月24日出现CH4冒泡现象,冒泡通量为0.025μmol/(m2·s),占总通量的比例高达91.91%.

冬季观测期间总通量日均值最大值出现在1月15日,为0.037μmol/(m2·s),最小值出现在1月13日为0.001μmol/(m2·s).其中,除1月13日和16日外各天均观测到CH4冒泡现象,且冒泡通量、扩散通量日均值最大值均出现在1月15日,分别为0.027和0.010μmol/(m2·s).

春季观测期间各天均出现冒泡现象,冒泡通量占总通量的比例均超过70%,总通量日均值最大值出现在5月13日,为1.538μmol/(m2·s),最小值出现在5月4日,为0.626μmol/(m2·s).其中,扩散通量和冒泡通量日均值变化趋势均与总通量一致,最大值均出现在5月13日,分别为0.408,1.130μmol/(m2·s),最小值均出现在5月4日,分别为0.017,0.609μmol/ (m2·s).

图5 养殖塘春、夏、秋、冬季多日平均白天CH4通量变化

夏季观测期间每天均有冒泡现象,总通量日均值最大值出现在8月4日,为4.234μmol/(m2·s),最小值出现在7月30日,为0.821μmol/(m2·s).其中,扩散通量日均值最大值出现在8月3日,为1.719μmol/ (m2·s),最小值出现在8月5日,为0.171μmol/(m2·s).冒泡通量日均值最大值出现在8月4日,为3.247μmol/(m2·s),最小值出现在7月30日,为0.626μmol/(m2·s).

分析各季节CH4通量日均值发现,在各个季节均存在CH4冒泡现象.但是,CH4冒泡通量在秋、冬季节观测时并非每天出现.在春、夏季节每天均有出现.

图6 2018～2019年秋(a)、冬(b)、春(c)、夏(d)季CH4扩散通量、冒泡通量日均值

表1 不同季节CH4扩散通量、冒泡通量、总通量和冒泡通量占比

由表1可见,CH4扩散通量、冒泡通量和总通量均呈现出:夏季>春季>冬季>秋季的特征.CH4扩散通量在夏季与其他3个季节之间呈显著差异,夏季CH4扩散通量是春季的7.35倍,是秋冬季节平均值的237.14倍.CH4冒泡通量在秋冬季与春夏季之间差异显著,其中CH4冒泡通量春夏季平均值是秋冬季平均值的208.62倍.不同季节CH4冒泡通量不同,但是CH4冒泡通量占总通量的比值均大于60%,春季占比最高,为89.04%,年平均为74.14%.

2.2 CH4通量空间变化特征

观测期间,养殖塘不同区域CH4扩散通量、冒泡通量和冒泡方式在总通量中的贡献均呈现出明显的空间差异.

如图7a所示,冬季总通量由A到D1逐渐增大,A点CH4总通量为0.001μmol/(m2·s),D1点CH4总通量为0.025μmol/ (m2·s),两观测点之间CH4总通量差异显著.其中A点扩散通量最小,为0.001μmol/(m2·s), C1点扩散通量最大,为0.013μmol/(m2·s),且C1点扩散通量与A和B1点差异显著,而与D1点差异不显著.由于CH4冒泡在空间上的随机性,冒泡通量各点之间差异不显著,其中A点冒泡通量最小,为2.077× 10-6μmol/ (m2·s),D1点冒泡通量最大,为0.020μmol/ (m2·s),并且D1点冒泡通量在总通量中所占比例最大,为77.78%.

如图7b所示,春季C2点CH4总通量最大,为2.017μmol/(m2·s),且与其他3个观测点之间有显著差异.各观测点CH4扩散通量、冒泡通量变化趋势与总通量相一致,C2点扩散通量、冒泡通量分别为0.204和1.814μmol/(m2·s),均显著高于其他观测点.B2点扩散通量、冒泡通量最小,分别为0.042和0.500μmol/(m2·s).此外,春季冒泡通量在总通量中所占比例均超过85%,且在各观测点之间差异较小.

柱状图上方字母A、B表示不同采样点扩散通量差异性,a、b和c表示冒泡通量差异性.含有相同字母表示差异不显著,不含有相同字母表示差异显著

图7c所示,夏季位于人工投食区的B1点CH4总通量最大,达7.371μmol/(m2·s),而岸边浅水区A点总通量最小,为0.206μmol/(m2·s).A点CH4总通量与位于人工增氧区D1点差异不显著,而与位于人工投食区的B1和自然生长区C1点差异显著.其中B1点CH4扩散通量、冒泡通量分别为2.623和4.748μmol/(m2·s),显著高于其他点.CH4扩散通量和冒泡通量最低为A点,该点扩散通量、冒泡通量分别为0.029和0.177μmol/(m2·s).D1点CH4冒泡通量在总通量所占比例高于其他点,达到87.36%,而B1点冒泡通量占总通量的比例最小,为64.42%.

养殖塘CH4通量总体表现为,在冬春季没有人为管理措施时,CH4通量随着与离岸距离的增加而增大,冬季中间区域CH4总通量是岸边浅水区的34.70倍,春季中间区域的CH4总通量是岸边浅水区的2.98倍.夏季养殖塘CH4受人工管理措施影响,人工投食区CH4冒泡和扩散通量均显著高于其他区域,其总通量为自然生长区的3.43倍,人工增氧区域的CH4通量比自然生长区低58.70%,比人工投食区低88.00%.

2.3 气象要素对CH4通量的影响

养殖塘CH4扩散、冒泡和总通量在各季节均不符合正态分布,因此在分析养殖塘CH4通量与气温、水温、气压和风速之间相关性时,采用spearman相关性分析.结果如表2所示,在0.5h尺度上,春季CH4扩散通量与气温和水温呈现显著正相关,相关系数分别为0.188和0.236,与风速和气压呈现显著负相关关系,相关系数分别为-0.185和-0.168.该结果说明,温度升高会导致CH4扩散通量增加,而风速、气压增加会导致扩散通量减小.CH4冒泡出现的随机性导致春季CH4冒泡通量和总通量与气象要素之间未呈现出显著相关关系.秋季CH4扩散通量、冒泡通量和总通量均与水温和气温呈现出显著正相关,即随着温度升高,CH4通量及各种途径排放的CH4均会增加.此外,冒泡通量与气压呈显著负相关(<0.01),相关系数为-0.446,即气压增加会导致冒泡通量减小.冬、夏季观测期间CH4通量和气象要素变化幅度较小,因此未得到显著相关关系.

表2 不同时间尺度CH4通量与气象要素的Spearman相关性分析

注:数值为相关系数,**表示在0.01水平上显著相关,*表示在0.05水平上显著相关.

在日尺度上,CH4扩散通量、冒泡通量及总通量与气温和水温之间均呈显著正相关,而与气压呈现负相关,与风速无显著相关关系.CH4扩散通量、冒泡通量及总通量与水温的相关性大于气温,表明水温直接影响CH4通量.

表3 不同时间尺度CH4通量与气象要素的多元逐步回归分析

注:表中k、m和z分别为CH4扩散通量、冒泡通量和总通量,单位为μmol/(m2·s);w为水温,单位为℃;WS为风速,单位为m/s.

由表2可以得到,CH4通量受多个气象要素影响,由多个气象因子共同决定,为消除不同气象要素之间的相互关联,分析CH4通量的主导影响因子,对数据进行多元逐步回归拟合.如表3所示,在0.5h尺度上,春季CH4扩散通量主要影响因子为水温和风速,且与水温正相关,与风速负相关.秋季CH4扩散通量主要影响因子为水温和风速,且与水温和风速均正相关,基于水温和风速的回归方程可以解释45.9%的CH4扩散通量变化.秋季冒泡通量和总通量主要影响因子为水温,基于水温的回归方程可以分别解释22.4%的CH4冒泡通量和24.0%的CH4总通量变化.在日尺度上,CH4扩散通量、冒泡通量和总通量的主要影响因子均为水温,基于水温的线性拟合方程可以分别解释44.3%的扩散通量、50.4%的冒泡通量和51.8%的总通量变化.

在日尺度上,进一步分析CH4扩散通量和冒泡通量对水温变化的响应关系发现,两者均随着水温升高呈指数增加趋势(图8).CH4扩散通量和冒泡通量与水温的指数拟合方程的拟合优度2分别达到0.710和0.622,CH4扩散通量和冒泡通量对水温变化的敏感性10分别为7.78和12.72,这表明CH4冒泡通量对温度的变化更为敏感.

3 讨论

3.1 亚热带养殖塘CH4通量的排放水平及排放途径

众多研究发现,小型水体的甲烷排放高于大型水体,并且养殖水体的甲烷排放会高于自然小型水体[36].本研究对比了亚热带地区不同类型水体年平均CH4通量研究,从表4的统计中可以得出,亚热带养殖塘年平均CH4通量为0.173μmol/(m2·s),约为亚热带其他自然水体的4.90倍,是未用于养殖的富营养化池塘的5.60倍[43].与其他水体类型相比,养殖动物代谢产物淤积,以及饲料投入等大量的外源碳输入,为养殖塘中CH4产生提供了充足的底物供给,使养殖池塘这一特殊类型小型水体,具有更高的CH4排放量值.

对比本研究与亚热带其他养殖塘的CH4排放量可以看出,CH4排放量最高出现在夏季.Yang等[56]对福建闽江河口养殖塘观测得到其夏季CH4通量为2.135μmol/(m2·s),与本研究所得夏季CH4通量2.619μmol/(m2·s)相当.说明夏季气温和水温高,鱼虾新陈代谢旺盛,饲料大量投入,水体中有机质增加,并且水温高有利于有机物质的分解,从而使养殖塘CH4的排放量增大.本研究全年平均水平高于其他养殖塘研究,是因为本研究对不同季节养殖塘CH4通量进行多天连续观测,各季节的观测时间相对集中,特别是春、夏季观测期间气温与水温较高,因此根据CH4通量和气温的相关关系可得,观测的CH4通量代表了该季节养殖塘CH4通量最高水平.对湖北宜昌5个养殖塘观测得到CH4年平均通量为0.175μmol/(m2·s),是本研究的20%[39].该研究每月进行1次通量观测,由于气象要素影响,各天之间CH4通量日均值存在差异,低采样频率可能造成CH4高通量事件的忽视,从而低于本研究的CH4排放水平.

表4 亚热带不同类型内陆水体CH4年平均通量

内陆水体中,CH4由水体底泥中的厌氧微生物分解有机物产生,主要通过冒泡方式向上传输到达水面并释放到大气中,同时,溶解在水中的CH4气体通过扩散方式向大气中释放,而有挺水植物生长的地方,CH4还可以通过植物介导的方式向外排放[57].在本研究中,养殖塘并没有大型水生植被,因此CH4排放主要以冒泡方式向外排放,冒泡通量占总通量的年平均比例为74.14%.不同季节CH4冒泡通量在总通量中所占比例存在差异,其中春季最大,为89.04%,冬季最小,为60.52%.对于太湖梅梁湾CH4通量观测结果得到CH4冒泡通量比例范围为31.2%～71.0%,低于本研究结果[58-59].与自然水体相比,养殖塘由于人工投食为厌氧微生物产生CH4提供了丰富的有机质,具有较高的CH4产生速率.养殖塘普遍水深较浅,减小了CH4气泡在向上传输过程中被氧化的机率.同时,养殖塘面积普遍较小,受风扰动小,CH4气泡在传输过程中不容易破碎,更有利于CH4通过冒泡形式排放.因此,CH4冒泡通量在总通量中所占的比例高.张秀芳等[22]对于2个养殖塘夏季CH4通量观测得到冒泡通量占总通量的比例分别为97.5%和96.4%,高于本研究夏季观测结果.原因可能是该研究采用倒置漏斗的方法进行CH4冒泡通量收集和观测,而CH4扩散通量则通过传输系数法进行观测,且该研究采样点均位于养殖塘岸边,方法差异和冒泡通量的空间差异均给冒泡通量在总通量中所占比例结果带来差异.

3.2 养殖塘CH4通量空间变化特征

已有研究表明,对于自然水体,CH4冒泡和扩散通量存在空间差异.CH4通量空间变化特征主要与水体深度[60]、水生植物[52]以及有机物输入[59]有关.而对于养殖池塘,本研究得到,冬春季CH4空间差异主要受离岸距离影响,岸边浅水区CH4通量小,中间区域CH4通量大,养殖塘中间区域扩散通量和冒泡通量均显著高于岸边浅水区.在养殖塘多年养殖过程中,人工投食和养殖生物活动的主要区域均位于养殖塘中间区域,因此残留饲料和养殖生物代谢产生的有机物易于在这一区域积累,而岸边浅水区有机物含量较少.这种有机物空间分布不均匀造成CH4通量呈现出中间区域高于岸边浅水区的分布特征.王娇等[21]对于春季养殖塘CH4通量的观测也得到了养殖塘中间区域CH4冒泡通量远大于岸边浅水区.

当夏季淡水养殖活跃期进行人工投食和增氧时,CH4通量的空间差异受人工管理措施影响.人工投食区CH4冒泡和扩散通量均显著高于其他区域,其总通量为自然生长区的3.43倍.人工投入的饲料若未完全被鱼类利用,残留在池塘底泥当中,为产CH4微生物提供丰富的有机质,促进CH4的产生和向外排放,因此人工投食区CH4通量明显高于其它区域.Yang等[61]对于亚热带养虾塘的观测同样得到投食区CH4排放显著增加,约占CH4总排放通量的60%.而对于江苏兴化的养殖鱼塘观测得到人工饲料投喂区CH4通量低于营养富集区[38].导致这种现象的原因是在该研究中有机物质主要在营养富集区积累,导致营养富集区溶解有机碳高于饲料投喂区.

对于高密度的池塘养殖,为保证养殖鱼类有充足的氧气,避免窒息死亡,需要人工增氧措施向水体中补充氧气[62].本研究发现在靠近养殖塘人工增氧区域的CH4通量比自然生长区低58.70%,比人工投食区低88.00%.水体中的溶解氧会对CH4起到氧化的作用,一方面,CH4在水体的传输过程中被溶解在水中的氧气氧化;另一方面,CH4的产生需要厌氧环境,而水体中氧气会抑制厌氧微生物的分解过程[63].丁维新等[64]通过对比不同养殖塘CH4通量得出,增氧措施能够使养殖塘CH4排放通量平均降低92.67%.Liu等[42]对于鱼蟹养殖塘的研究也证明,即使沉积物DOC浓度高,增氧装置的使用依然有效降低了CH4通量.本研究养殖塘采取叶轮增氧机进行人工增氧,通过涡轮叶片搅动水体达到增氧目的,使增氧区域CH4通量降低,但其作用的空间范围十分有限,并未对整个养殖塘产生明显作用.相比之下,底层微孔曝气增氧对养殖塘底部的增氧效果更佳,可以高效降低养殖塘CH4排放[65-66].

综上所述,离岸距离及人为管理措施是影响养殖塘CH4通量格局的主要因素.在观测和估算养殖塘CH4排放通量时,应该充分考虑由于水体特征和人工养殖措施(人工投食和增氧)空间分布不均造成的CH4通量空间变化特征.同时,通过合理优化养殖塘人工管理措施可以达到CH4减排的目的.

3.3 养殖塘CH4通量的影响因子

已有研究得到,温度和气压等环境因子是影响水体CH4排放通量的重要因素,而环境因子对于不同CH4排放过程的影响机制不同[23-24].其中,温度升高一方面会导致底泥中产CH4微生物活性增强,加速CH4产生并且以冒泡形式向上传输,导致CH4冒泡通量增加[67];另一方面,温度升高使CH4在水中溶解度降低,更容易从水体中向大气释放,使CH4扩散通量增大[68-69].对于气压,一方面气压可能是CH4冒泡的触发因素,因此其对于CH4冒泡通量有很大影响[12];另一方面,气压同样会影响CH4在水中的扩散速率,从而影响CH4扩散通量[41].

对于CH4冒泡通量,本研究得到其在日尺度上与水温有显著正相关,CH4冒泡通量与水温呈指数关系,冒泡通量的水温敏感性10为12.72.王娇等[21]对于冬春季养殖塘CH4通量的观测结果显示,CH4冒泡通量与水温呈显著正相关,温度敏感性10为14.88,与本研究相似.对于CH4扩散通量,本研究得到其在日尺度上与水温均呈显著正相关,其中CH4扩散通量对水温的敏感性10为7.78.而对于洞庭湖湿地CH4通量的研究表明,扩散通量与温度之间呈现出线性正相关[70].在太湖[59]、南京城市水体[71]温室气体通量的研究也得到了线性正相关的结论.造成该线性相关的原因为:养殖塘底泥中有机质更丰富,而自然水体底泥中有机物的限制可能会强烈削弱CH4通量与温度之间的指数关系.本研究结果表明,与CH4扩散通量相比,冒泡通量对水温敏感性更高.其原因在于,水温升高会直接影响底泥中微生物活性,促使CH4产生并以冒泡形式向外排放,而由于CH4在水体当中溶解度较低,因此CH4扩散通量对水温变化做出的响应较小.

同时本研究得到,气压上升会导致CH4冒泡通量下降,但CH4通量与气压之间的变化关系主要由于气压和温度协同变化所导致.而蒲旖旎等[58]在太湖梅梁湾的观测结果表明,气压每变化1kPa,CH4冒泡通量变化0.131 μmol/(m2·s),由此可以看出,当气压降低时,更多含有CH4气体的气泡由底泥当中释放出来并向上传输.

4 结论

4.1 亚热带养殖塘CH4扩散通量、冒泡通量和总通量在季节尺度上均呈现出:夏季>春季>冬季>秋季的特征.在各季节中,冒泡均为CH4排放的主要途径,冒泡通量占总通量74.14%.其中,冒泡通量在总通量中的比例春季最高,冬季最低.该养殖塘年均甲烷总通量为0.919μmol/(m2·s).

4.2 亚热带养殖塘CH4总通量、扩散通量、冒泡通量均呈现出空间变化特征.人为管理及离岸距离是空间变化的主要影响因素.在没有人工投食和增氧措施情况下,CH4通量由岸边浅水区向中间区域逐渐增大.在人工投食及增氧措施的影响下,夏季人工投食区CH4通量为自然生长区的3.43倍,人工增氧区CH4通量比自然生长区低58.70%.

4.3 在日尺度上,CH4扩散通量和冒泡通量均与水温呈显著正相关,其温度敏感性分别为7.78和12.72,与扩散通量相比,冒泡通量对水温的敏感性更强.

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JIA Lei1, ZHANG Mi1*, PU Yi-ni1, ZHAO Jia-yu1, WANG Jiao2, XIE Yan-hong1, ZHANG Zhen1, XIAO Wei1, SHI Jie1, QIU Ji-li1

(1.Yale-NUIST Center on Atmospheric Environment, International Joint Laboratory on Climate and Environment Change, Nanjing University of Information Science &Technology, Nanjing 210044, China；2.Taiyuan Meteorological Bureau of Shanxi Province, Taiyuan 030000, China)., 2021,41(6)：2910～2922

Applied the multi-channel closed dynamic floating chamber, the spatial and temporal variations of CH4flux and its impact factors in an aquaculture pond were identified. The results showed that ebullition was the major transport pathway of CH4emission. CH4diffusion flux and ebullition flux had visible seasonal variation. The CH4diffusion flux was 0.113, 0.830, 0.002 and 0.005 μmol/(m2·s) in spring, summer, autumn and winter, respectively. The ebullition flux was 0.923, 1.789, 0.006 and 0.007μmol/(m2·s) in spring, summer, autumn and winter, respectively. The ratio of the ebullition flux to the total flux was 89.04%、68.29%、78.95% and 60.52% respectively in the four seasons. The total CH4flux also exhibited spatial variations within the pond. In winter and spring, artificial managements were not performed. The total CH4flux increased with increase of offshore distance. The total CH4flux was 34.7 and 2.98 times higher in the middle area of the pond than that in the shallow water area close to bank in winter and spring, respectively. But, during breeding period in summer, the spatial pattern of CH4flux was related to artificial managements. The total CH4flux showed the following sequence: artificial feeding zone (7.371μmol/(m2·s))>natural growth zone (2.151μmol/(m2·s)) >artificial oxygenation zone (0.888μmol/(m2·s)) > shallow water zone along the shore (0.206μmol/(m2·s)). At the half hourly scale, CH4diffusion flux positively correlated with water temperature and negatively correlated with wind speed significantly in spring. In autumn, CH4diffusion flux positively correlated with water temperature and wind speed.CH4ebullition flux positively correlated with water temperature significantly. At the daily scale, water temperature was the main impacting factor of CH4diffusion flux and ebullition flux. Both of the fluxes increased exponentially with the increase of water temperature. The water temperature sensitivity(Q10) of ebullition flux was higher than that of diffusive flux. The10was 12.72 and 7.78, respectively.

aquaculture ponds；multi-channel closed dynamic floating chamber method；CH4ebullition flux；CH4diffusion flux；temporal and spatial characteristics；impact factors

X51

A

1000-6923(2021)06-2910-13

贾 磊(1993-),男,山西朔州人,南京信息工程大学硕士研究生,主要研究地-气温室气体交换.

2020-10-29

国家自然科学基金资助项目(41575147,41975143);河北省气象与生态环境重点实验室开放研究基金项目(Z201901H)

* 责任作者, 副教授, zhangm.80@nuist.edu.cn