川西平原小流域不同水体N2O排放特征及驱动因素

邓欧平,唐祺超,叶 丽,邓良基

四川农业大学资源学院, 成都 611130

氧化亚氮(Nitrous oxide, N2O)是京都议定书规定应该监测和削减的温室气体,虽然N2O大气浓度远小于二氧化碳(Carbon dioxide, CO2)和甲烷(Methane, CH4),但具有显著的增温效应(其增温潜势是CO2的298倍,是CH4的12倍),还对平流层下部臭氧层具有破坏作用[1- 2]。近年来,受人类生活、生产的影响,大气中N2O浓度持续增长,研究表明近260年大气N2O浓度增长19%,其中人为排放占到35%—45%[3]。近年来,因N2O浓度增加带来的全球变暖等一系列环境生态问题引起了人们对其来源的关注[2]。

受人类影响的小流域水生生态系统,包括河流、水库、鱼塘和沟渠等,即是陆地与水域营养物质、能量交换的重要通道,也是氮素生物地球化学循环十分活跃的热点区域,更是N2O重要的源和汇[4- 5]。近年来研究发现,流域人类活动,如农业活动、城市排污、河道改造和修筑堤坝等,均是驱动流域不同水体水气界面N2O排放特征发生变化的重要因素[6- 8]。目前,围绕人类活动对水生生态系统N2O排放的影响研究主要集中在城市发展、农业活动、土地利用变化和水文工程对河流排放的影响[7,9-11];农业活动对农业沟渠排放的影响[8];以及水产养殖对人工池塘和天然湖泊的影响[12-13]等方面。涉及研究水体较单一,因不同研究之间采样方法、气候和地理特征的差异,使得不同水体的N2O排放特征及影响因素难以对比,尚没有针对一个小流域开展的多种水体N2O排放特征对比研究。对比同一小流域多种水体的温室气体排放特征,有助于理解不同水生生态系统温室气体排放的机制,对完善水生生态系统温室气体通量排放清单有一定的理论和现实意义。

川西平原是我国西南最重要的粮农产区,也是西部最大城市成都所在地,区域人口密度为500—1700 人/km2,受人类活动影响深刻[8]。近年来,以成都为核心的川西平原经济区发展势头迅猛,成都及周边城市迅速城镇化,分布在川西平原及周边地区的工业企业众多,给川西平原小流域内的水生生态系统带来了丰富的外源性碳氮物质,增大了区域水体温室气体的排放潜力。研究区地表水资源丰富,地表水生态系统以河流、沟渠、水库和养殖水体为主,是对比研究不同水体N2O排放规律的适宜区域。因此,本研究选择川西平原西河流域作为研究区,期望通过调查西河小流域不同水体温室气体排放强度和时间变异特征,对比分析影响其排放特征的原因,帮助理解不同水生生态系统温室气体排放的机制,为完善水生生态系统温室气体通量排放清单提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区与采样点概况

西河为岷江上游的一级支流,全长109km,发源于成都市崇州鸡冠山,从西北往东南流穿崇州全区,跨越森林-农村-城市过渡带(图1)。西河流域面积达1080 km2,属亚热带湿润季风气候区,四季分明,春秋短,冬夏长,雨量充沛,日照偏少,无霜期较长。年平均气温15.9 ℃,年平均日照时数为1161.5 h,年平均降雨量1012.4 mm。平原区水系纵横交错,河网密度达1.22 km/km2[14]。

在西河流域布设6个采样点,包括河流采样点3个,水库、鱼塘和农业沟渠采样点各1个(表1,图1)。河流采样点分别位于崇州市街安、金坡源和徐家渡,采样河段的水文条件基本一致,其采样点附近土地利用类型分别为乡镇、农区和城市。水库采样点位于向阳水库西北边缘,距岸边1m处(表1,图1)。向阳水库属于西河中游支流罗汉河,水库正常库容为690万m3,坝址以上控制流域集雨面积为2.0 km2。其主要功能是为下游崇州15个乡镇提供饮用和灌溉用水,灌溉面积7100 hm2。鱼塘采样点位于崇州市桤泉镇,样点设置在鱼塘东边缘0.5—1 m处(表1,图1)。采样鱼塘为典型的生态养殖鱼塘,主要功能为垂钓和养殖,春天投放草鱼、鲢鱼和鲤鱼鱼苗,于春、夏和秋季不定时投放饵料,饵料以粗粮为主。鱼塘水深2—4 m,面积约0.13 hm2。截至2016年底,成都市水产养殖面积达1.848万hm2,其中池塘养殖面积占9300 hm2[15]。沟渠采样点位于崇州市桤泉镇,与西河下游相联,宽8 m,深1.5 m。

表1 采样点基本情况介绍

图1 采样点分布图Fig.1 Location of the sampling sites街安、金坡源和徐家渡分别代表乡镇段、农区段和城市段河流

1.2 水-气界面N2O的采集和分析

水-气界面气样的采集和分析采用静态漂浮箱法进行原位监测。静态漂浮箱为中空正六面体(50 cm× 50 cm× 50 cm),距离漂浮箱底部15 cm处安装聚苯乙烯浮子(10 cm× 65 cm× 65 cm),顶部装有小风扇,确保采样过程中箱体内空气均匀。采样前,排净气体采样袋内的空气,把采样箱体在通风处倒置,使箱内气体混合均匀。采样时,将箱体至于水面上,用配有三通阀的注射器和0.5 L镀铝内膜气体采样袋采集水-气界面大气样,分别于箱体下水后0、7、14、21和28分钟采集,缓慢抽推注射器数次以混合采样管和箱内的气体后抽取200 mL气样,气体样品在一周内分析完毕。采样时间为2016年6月—2017年5月,每月12日左右9:00—12:00。每个采样点设置3个平行。结合室内分析法对N2O温室气体的浓度使用气相色谱仪(Agilent 7890, Santa Clara, CA, 美国)进行测定。水-气界面N2O排放通量采用以下公式计算[14]：

(1)

式中,F为排放通量(mg m-2h-1),ρ为N2O的密度(g/L),V为箱内体积(L),dC/dt是箱内气体浓度随时间变化率(mol L-1min-1),m为N2O的摩尔质量,A为采样箱横截面积,H为水面至箱顶的有效高度(m),R为普适气体常数(8.314 J mol-1K-1),T为采样时箱内平均气温(℃)。P为采样点标准大气压(P=1.013×105 Pa)。

1.3 表层水样采集与测定

与采集气样同一天,采用聚乙烯采水器(1 L,豫垣,中国)采集表层水水样,用100 mL带盖塑料瓶收集运回实验室,当天测定相关水质指标。现场采样时,用常规温度计测定水温,用便携式多参数水质测定仪(Multi 350i,德国)测定溶解氧(Dissolved oxygen, DO)和pH。

1.4 气象数据来源

各采样点的气象数据均来自于当地气象站,采样点与气象站的直线距离小于4 km。分析涉及气象数据包括降水量、空气温度和风速的月数据。

1.5 数据处理方法

原始数据使用Excel 2010进行标准化处理和计算,使用SPSS 19平台进行Pearson相关分析和One-way ANOVA分析,使用R(Version 3.4.4)平台的heatmap函数进行聚类分析并绘制热图,其他图件在Origin 2019上绘制。

2 结果

2.1 环境参数描述

研究区属亚热带湿润季风气候区,所有采样点的降雨和温度均表现出一致的季节变异。最大降雨量出现在8—9月,为203.1—306.3 mm,最小降雨量出现在12—1月,为13.1—19.5 mm;而最高气温和最低气温分别出现在7月和12—1月,变化范围为23.0—25.8℃和5.8—9.4℃。川西平原风速普遍较小,最小风速出现在10—11月,为0.3—1.3 m/s,最大风速出现在2—5月,为0.8—1.8 m/s。

2.2 不同水体N2O的排放特征

不同水体水气界面N2O排放通量的月变异存在差异(图2)。农区段和沟渠的月N2O排放变化较相似,均呈单峰型,峰值出现在8月,谷值出现在11—1月,且全年表现为N2O的排放源,月均排放通量的变化范围分别为0.52—35.31 μg m-2h-1和7.01—126.25 μg m-2h-1。城市段河流也表现为N2O的全年排放源,且月排放呈双峰型变化,峰值出现在9月和3月(52.67—92.06 μg m-2h-1)谷值出现在1月(9.06—14.88 μg m-2h-1)。乡镇段河流和鱼塘除10—11月外,其他月份均表现为N2O的排放源,峰值出现在2—3月,月均排放通量的变化范围分别为-59.06—70.98 μg m-2h-1和-37.12—88.25 μg m-2h-1。而水库主要表现为N2O的汇,只有12—2 月排放N2O,其月均排放通量的变化范围为-82.25—27.38 μg m-2h-1。

图2 2016年6月—2017年5月不同水体N2O排放月通量特征Fig.2 Monthly flux of N2O emission from different waters from June 2016 to May 2017

从水气界面N2O排放的季节通量来看,农区段和农业沟渠表现为夏天最高,冬春最低(P<0.05),而其他水体均表现出相反的季节排放规律,即冬春显著高于夏秋(P<0.05,表2)。

表2 不同水体N2O排放季节通量对比

监测期内,乡镇段、农区段和城市段河流、鱼塘、水库和沟渠的年均N2O排放通量分别为(8.32±28.60),(8.52±9.43),(34.16±23.97),(29.03±31.41),(-16.45±29.76),(52.68±36.09) μg m-2h-1,且表现为沟渠>城市段河流 和 鱼塘>乡镇段和农区段河流>水库(P<0.05,图3)。

图3 不同类型水体N2O的年排放通量Fig.3 Annual fluxes of N2O in different waters大写字母不同表示不同水体在P<0.05水平上存在显著的差异

2.3 不同水体N2O的排放通量与环境指标的关系

图4 不同水体N2O月排放通量与环境指标的Pearson相关系数聚类分析Fig.4 Pearson correlation coefficient between monthly fluxes of N2O and environmental indicators in different waters橙色色表示相关系数为正,蓝色表示为负,灰色斜杠表示在P<0.05水平上存在显著的相关性;COD：化学需氧量,Chemical Oxygen Demand;DOC：可溶性有机碳,Dissolved organic carbon;DO：溶解氧,Dissolved oxygen;TP：全磷,Total 硝态氮,Nitrate nitrogen;Chl-a：叶绿素a,Chlorophyll 铵态氮,Ammonium nitrogen;TN：全氮,Total nitrogen

3 讨论

3.1 不同水体N2O 排放的季节变异性及原因分析

本研究通过水体N2O排放时间特征及其与环境指标的聚类相关分析,将研究区水体分为四种类型。第一类是农业段河流和农业沟渠,其水气界面N2O排放通量表现出夏季高,冬春季低的季节特征,且与气象指标(降雨量和水温)呈显著正相关(P<0.05,图4)。以往研究证明,夏季水体N2O排放通量高是因为高温有助于提高相关微生物活性,降雨有助于驱动氮素从土壤移动到水体,促进N2O的生产和排放[7, 16]。其次,研究区的夏天是水稻生长和收获的季节,大量土壤、肥料和植物中的营养元素在夏季暴雨的作用下从陆地迁移到毗邻水体,加上研究区农业生产广泛采用漫灌方式,也促进了营养元素的迁移[17],最终促进N2O的排放。再次,夏天河流和沟渠的流量、流速均高于其他季节,水流动力作用有助于水体中溶解性N2O的排放[8]。可见气象因子和农业活动联合驱动了农业段河流和农业沟渠的N2O排放时间变异特征。

第四类向阳水库只有3个月表现为N2O的源,2016年3—11月均表现为N2O的汇,且夏季“汇”的作用最强。并且,水库的N2O排放月通量与气象指标(降雨量和水温)呈显著的负相关(P<0.05),与表层水的养分指标均呈显著正相关(P<0.05,图4)。与河流、沟渠不同,水库具有深水环境和流速较缓的静水特征,水中的浮游生物碎屑和其他颗粒态有机物更易聚集、沉降,更易形成较厚的沉积物系统[23]。也与鱼塘不同,水库没有季节性的养分人为输入。夏季水库沉积物中的微生物活性强、生长快;水生动植物新陈代谢、旺盛生长速度快,均对碳氮等养分需求大,因此对N2O的吸收作用最强;而冬季水生动物新陈代谢较弱,对水体浮游植物的捕食强度降低,浮游植物生长较快,促进了N2O的生产和排放[23]。水库N2O排放的时间变异特征主要受控于气象因素和水库生态系统的代谢活动。

综上所述,研究区不同水体水气界面N2O排放的时间变异性及其驱动机制均不同。农业类水体的N2O排放通量表现为夏高冬低,受气象指标和农业活动的联合驱动;城乡类河流和鱼塘的N2O排放无一致性规律,主要受控于人类活动和养殖活动,均与降雨温度等气象指标关系较弱;水库主要表现为N2O的吸收汇,只在冬季表现为排放源,主要受控于气象因素。

3.2 不同水体N2O排放通量比较

研究区不同水体水气界面N2O排放年通量存在差异,其中沟渠的N2O排放年均通量((52.68±36.09) μg m-2h-1)显著高于其他水体(P<0.05,图3),这是因为(1)沟渠受农业生产影响最剧烈,且直接与农田毗邻,降雨时来自于土壤、植物和肥料的氮素能更快的迁移到沟渠中[24];(2)沟渠的流量和沉积物量远低于河流,对人为输入氮素的稀释和同化作用更弱[8]。与国内外研究相比较,川西平原农业沟渠水气界面N2O的排放通量高于国内丘陵山区沟渠(6.56 μg m-2h-1, 8),也高于英国(1.43—4.49 μg m-2h-1, 26)和美国(35.2 μg m-2h-1, 19)的平原区沟渠。这与该区域农业生产过程中养分面源流失较严重、氮沉降剧烈有关[8],暗示农业氮素管控是该区域控制N2O排放的重点。

城市段河流水气界面的N2O排放年通量,仅次于沟渠,显著高于乡镇段和农区段河流(P<0.05,图3),这与国内外关于人类活动对河流温室气体排放影响的研究结果一致[10, 21, 25],再次证明受城市工业、生活排污的影响,城市对河流N2O排放的促进作用显著。川西小流域城市段河流水气界面的N2O排放通量为(34.16±2.16) μg m-2h-1,低于国内大部分城市段河流,如上海河网(79.6 μg m-2h-1,22;184.8 μg m-2h-1,28)、南京河网(62.2—176.0 μg m-2h-1,29);重庆黑水滩河(113.7 μg m-2h-1,10);也低于部分国外的城市段河流,如西班牙Guadalete河(170.1 μg m-2h-1,7);瑞士(108.0 μg m-2h-1,30);美国Kalamazoo河(37.0 μg m-2h-1,19)。因此,从更大的尺度来看,河流不是研究区N2O排放的热点区域。

向阳水库的N2O年排放通量((-16.45±29.76) μg m-2h-1)显著低于是研究区内其他水体,表现为N2O的汇(P<0.05,图3)。有研究显示,水库最易受入库河流和流域土地利用类型的影响[26],向阳水库位于川西平原边缘的林区,其上游流域以林地为主,为水源地一级保护区,相对于其他采样点,受农业生产和城市排污等人为活动的影响最小。与国内其他报道相比,向阳水库N2O年排放通量低于江西白云山水库(0.29 μg m-2h-1,31)、唐山大黑汀水库(13.6 μg m-2h-1,32)、九龙江水库(15.9 μg m-2h-1,33)。这是因为(1)研究区水库上游域以林地为主,养分的人为输入较小;(2)研究区土壤类型以有机质、肥力都较低的红壤为主,通过径流作用迁入水库的养分浓度也较低。向阳水库的TN、TP和TC分别为1.22,0.09和5.46 mg/L,均比其他水库低[26-27]。

综上,研究区河流和水库的N2O排放通量低于国内其他地区,而农业沟渠高于其他地区,农业氮素管控是该区域控制N2O排放的重点。

3.3 不同水体N2O产生和排放机制比较

4 结论

(1)西河流域不同水体的N2O排放特征及其驱动因素均不同,可分为四类。第一类农业类水体的N2O排放通量表现为夏高冬低,受气象指标和农业活动的联合驱动;第二类和第三类城乡类河流和鱼塘的N2O排放无一致性规律,主要受控于人类活动和养殖活动,而与降雨温度等气象指标关系较弱;第四类水库主要表现为N2O的吸收汇,主要受控于气象指标。

(2)不同水体的N2O年排放通量差异显著,沟渠最高,城市段河流和鱼塘次之,乡镇段和农区段河流再次,水库最低。并且,而农业沟渠的N2O排放通量高于国内其他地区,农业氮素管控是该区域控制N2O排放的重点。