沉水植被对河流温室气体释放减缓作用研究

魏岩洁，胡成，李亚峰，耿姣，李青倩，孙菲，袁鹏*

1.沈阳建筑大学市政与环境工程学院

2.中国环境科学研究院流域水污染综合治理研究中心

温室气体主要有二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化合物（HCFs）、全氟碳化合物（PFCs）、六氟化硫（SF6），其中较为常见的有CO2、CH4、N2O，其对温室效应的贡献分别约为60%、15%和5%[1-2]。河流水体通常处于CO2、CH4过饱和状态[3]，其对温室气体释放通量的贡献不可小觑。据估算，全球河流每年向大气中排放10 亿t CO2、150～2 680 万t CH4[4]，同时还有68 万t 的溶解无机氮转换成N2O 释放到大气中[5]，CO2释放量为-54.43～104.54 mg/(m2·h)（以C 计，全文同）。我国河流CO2释放量为19～177.98 mg/（m2·h），高于全球河流CO2释放量平均值[6]。

“十四五”时期，我国生态文明建设进入了以降碳为重点战略方向、推动减污降碳协同增效、实现生态环境质量改善由量变到质变的关键时期[7]。河流水体水质与沉积物理化指标都是温室气体产生与释放的影响因素，如温度、pH、有机质、营养盐、溶解氧浓度[4,8]等，水生植物作为河流生态系统中重要的组成部分，能够通过影响水体中生源要素的生物化学地球循环从而影响水体温室气体的产生与释放[9]。目前针对挺水植物[10]、藻类[11]、浮叶植物[2]对河流或湖泊温室气体产生与释放的影响有一些研究，而针对沉水植物对河流温室气体释放影响的研究较少。河流中的沉水植物能够降解河流污染物，提高水体透明度及溶解氧浓度。为了探究沉水植物对河流温室气体释放的影响并明确河流温室气体释放的影响因素，笔者在浙江省嘉善县选取沉水植物生长状况不同的2 条河流——盛家湾及东龙港进行24 h 连续监测，对比分析其对温室气体释放的减缓作用差异，以期为估算平原河网区域河流温室气体释放通量提供依据。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

嘉善县境内河网密布，是典型的江南水乡，河道水域面积为54 km2，约占嘉善县域面积的11%。选取盛家湾（120.996°E，30.973°N）、东龙港（120.934°E，30.918°N）2 条河流作为研究对象，2 条河流周围环境近似一致，均紧挨居民区。盛家湾河流中心水深1.35 m，岸边水深0.52 m，均宽16 m，全长1.48 km，于2020 年8 月启动河道水生态修复工程，2021 年10 月全部完成后沉水植物覆盖度在85%以上，其中70%为苦草，间种轮叶黑藻与狐尾藻[12]；东龙港全长3.84 km，均宽22.9 m，河流中心水深2.02 m，未进行水生态修复且河流中无沉水植物生长。2 条河流位置分布及现状如图1 所示。

图1 盛家湾、东龙港位置分布及现状Fig.1 Location distribution and status quo of Shengjiawan and Donglonggang

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集与现场测定

在2 条河流各设置1 个采样点，分别位于盛家湾岸边及东龙港桥上。于2022 年4 月8—9 日采集盛家湾样品，4 月18—19 日采集东龙港样品，均为24 h 连续采样，从第1 天12:00 开始每隔2 h 采样1 次，至第2 天10:00 结束（日落时间为18:20；日出时间为05:28）。利用有机玻璃采水器采集河流表层35 cm 深水样，将水样注入60 mL 安谱瓶中，待其溢出安谱瓶约2/3 体积后密封，之后冷藏保存运送至实验室，24 h 内完成分析测定。每次采集6 个安谱瓶的水样并将其分为2 组，每组3 个样品，组内互为平行样。水样采集后一组水样用于测定水中CO2、CH4溶存浓度，一组用于测定N2O 溶存浓度，同时向N2O 组加入KOH 作为抑菌剂。另采集500 mL水样用于水中硝酸盐氮（N-N）、氨氮（N-N）、亚硝酸盐氮（N-N）及溶解性有机碳（DOC）浓度测定。

在采集水样的同时，将医用注射器反复抽拉几次后抽取空气并注入事先抽好真空的12 mL 顶空进样瓶中，采集3 个空气样品，互为平行样，用于测定大气中CO2、CH4、N2O 气体浓度。

水体溶解氧浓度、氧化还原电位、pH 和水温利用便携式多参数水质仪（哈希HQ30d）现场测定，水体透明度利用塞氏盘测定，风速利用手持风速仪（Anemometer AT816 型）现场测定。

1.2.2 样品处理与检测

将安谱瓶倒置，利用医用注射器抽取30 mL 高纯氦气注入安谱瓶中置换出水样，无水流流出时保持安谱瓶倒置并拔出注射器，将安谱瓶充分振荡后静置15 min，再次利用注射器抽取安谱瓶顶部气体注入事先抽好真空的12 mL 顶空进样瓶中，待测。

CO2、CH4、N2O 在大气中以及在水中的浓度利用气相色谱仪（安捷伦7890A）分别测定，CO2及CH4浓度检测器为离子化火焰检测器（FID），N2O 浓度检测器为电子捕获检测器（ECD）。利用离子色谱仪（赛默飞戴安Aquion 1100 型）测定N-N、N-N浓度，利用紫外可见分光光度计（上海佑科T2602型）测定N-N 浓度，利用总有机碳分析仪（日本岛津TOC-L 型）测定DOC 浓度。

1.2.3 河流水体CO2、CH4、N2O 饱和度及溶存浓度计算

河流水体温室气体饱和度是水中温室气体溶存浓度[13]与水体中温室气体平衡浓度[14]的比，计算公式如下：

式中：S为水体温室气体饱和度，%；Cw为水中温室气体溶存浓度；C0为顶空平衡后顶部气体浓度；Cs为水体中温室气体平衡浓度，µg/L（N2O 以N 计，CH4以C 计）或mg/L（CO2以C 计）；C1为采样点大气中温室气体浓度；α为布氏系数，mol/L；T为处理样品时的水温，K；V0为顶空开始至结束过程中从安谱瓶中置换出水的体积，mL；V1为顶空结束后安谱瓶中剩余水的体积，mL；β为系数，mol/(L·atm)，CO2、CH4、N2O 的计算公式[15-16]如下。

1.2.4 河流水体CO2、CH4、N2O 释放通量计算

考虑到采样的便捷性，河流水体温室气体释放通量采用扩散模型法测得，但此方法无法监测气体冒泡通量，可能会造成对CH4释放通量的低估，其具体计算公式[16-18]如下：

式中：F为气体释放通量，µg/(m2·h)（N2O 以N 计，CH4以C 计）或者mg/（m2·h）（CO2以C 计）；k为气体交换速率，cm/h。

式中：k600为293.15 K 时气体从水到空气中的扩散系数，cm/h；u10为10 m 高风速，m/s；Sc为施密特数，3 种气体的Sc计算公式如下[19]。

式中：t为温度，K。同时，10 m 高风速可根据式（13）与2 m 高风速进行换算。

24 h 连续监测，温室气体日总通量计算公式[20]为：

式中：Fb为日总通量；Fhi为第i次采样获得的时通量，µg/(m2·h)（N2O 以N 计，CH4以C 计）或 者mg/(m2·h)（CO2以C 计）。

利用CO2、CH4、N2O 释放通量计算CO2当量通量[21]，并以此表示全天温室气体释放情况，计算公式为：

式中：Fe为24 h 的CO2当量通量，mg/（m2·d）（以CO2计）；Fm为24 h 的气体通量，mmol/（m2·d）；M为气体摩尔分子质量，g/mol；KGWP为气体全球增温潜力系数，对于CO2、CH4、N2O 分别为1、23、296。

1.2.5 数据处理与统计分析

用SPSS 及Origin 软件进行数据统计分析和绘图，采样点分布图用Arcmap 软件绘制。采用Mann-Whitney U 检验进行2 条河流的CO2、CH4、N2O 释放通量差异性分析，环境因子对温室气体释放的影响采用Spearman 方法进行相关性分析。

2 结果与讨论

2.1 河流水体CO2、CH4、N2O 溶存浓度及饱和度对比

盛家湾与东龙港2 条河流水体中CO2、CH4、N2O 溶存浓度及饱和度如图2 所示。由图2 可看出，盛家湾水体除CO2在16:00 时不饱和（饱和度为88%）外，其余监测时间内3 种气体均呈过饱和状态，东龙港水体中3 种气体均呈过饱和状态，2 条河流之间水体中3 种气体溶存浓度与饱和度差异显著。盛家湾24 h 的CO2、CH4、N2O 溶存浓度均值分别为0.38 mg/L、20.09 µg/L、1.26 µg/L，饱和度均值分别为171%、2 077%、461%；东龙港24 h 的CO2、CH4、N2O 溶存浓度均值分别为1.93 mg/L、6.13 µg/L、6.04µg/L，饱和度均值分别为891%、667%、2 326%。对比来看，盛家湾CO2、N2O 溶存浓度与饱和度均显著低于东龙港（P<0.05），但CH4溶存浓度与饱和度表现为盛家湾显著高于东龙港（P<0.05）。这可能与盛家湾全河道均种植有沉水植物有一定的关系，沉水植物进行光合作用，吸收CO2，释放O2，影响反硝化过程的进行，减少了N2O 的产生；在沉水植物进行光合作用的同时其根系附近产生可溶性分泌物，刺激微生物活性[9]，同时分泌物中的小分子有机碳更容易被产甲烷菌所利用，进而促使CH4的产生[22]。而且沉水植物的光合作用也使得盛家湾CO2溶存浓度整体呈现昼降夜升的规律。

图2 盛家湾、东龙港水体CO2、CH4、N2O溶存浓度及饱和度Fig.2 Dissolved concentration and saturation of CO2,CH4 and N2O in Shengjiawan and Donglonggang

2.2 河流水体CO2、CH4、N2O 释放通量对比

2 条河流CO2、CH4及N2O 释放通量24 h 监测结果如图3 所示。由图3 可知，盛家湾水体除CO2释放通量在16:00 为负值外，其余监测时间内3 种气体释放通量均为正值；东龙港水体3 种气体释放通量均为正值，表明河流向大气中释放温室气体。对比来看，2 条河流释放通量规律与气体溶存浓度和饱和度规律相同，表现为盛家湾CO2、N2O 释放通量显著低于东龙港（P<0.05），CH4释放通量则显著高于东龙港（P<0.05）。其中，盛家湾CO2释放通量在16:00 时最低，表现为CO2“汇”。根据式（14）可知，盛家湾CO2、CH4、N2O 日总通量分别为1 137.84 mg/（m2·d）、13 672.02 µg/（m2·d）、729.06 µg/（m2·d）；东龙港CO2、CH4、N2O 日总通量分别为11 239.56 mg/（m2·d）、3 312.46 µg/（m2·d）、3 748.18 µg/（m2·d）。

图3 盛家湾、东龙港CO2、CH4、N2O 释放通量Fig.3 Fluxes of CO2,CH4 and N2O from Shengjiawan and Donglonggang

根据式（15）将温室气体释放量以CO2当量通量表示，结果见表1。盛家湾24 h 的CO2当量通量为4 930.50 mg/（m2·d），东龙港24 h 的CO2当量通量为43 056.70 mg/（m2·d）。对比来看，24 h 内，盛家湾相对于东龙港可降低89%的温室气体释放。

表1 盛家湾与东龙港CO2 当量通量对比Table 1 Comparison of CO2 equivalent fluxes between Shengjiawan and Donglonggang

本研究结果与国内已有研究中其他河流温室气体释放通量对比见表2，除盛家湾外其余河流在采样时均无沉水植物生长。由表2 可以看出，盛家湾相对于东龙港以外其余河流来说，其水体CO2、N2O 释放通量较低，但CH4释放通量较高，这一规律与本研究中盛家湾、东龙港2 条河流水体CO2、CH4、N2O释放通量对比规律类似。东龙港与其他研究中河流对比，其水体有着较高的CO2、N2O 释放通量。

表2 国内部分河流水体CO2、CH4、N2O 释放通量对比Table 2 Comparison of CO2,CH4 and N2O emission fluxes from some rivers in China

2.3 河流水体CO2、CH4、N2O 释放通量影响因素

分别对盛家湾、东龙港河流水体环境因子进行监测，2 条河流水体N-N、N-N、N-N 及DOC 浓度昼夜差别不大，其余环境因子如图4 所示。将2 条河流气体释放通量与环境因子进行相关性分析，结果见表3。

表3 环境因子与CO2、CH4、N2O 释放通量的相关性分析Table 3 Correlation analysis between environmental factors and CO2,CH4,N2O emission fluxes

盛家湾与东龙港2 条河流24 h 水温变化范围分别为16.8～24.3、18.0～24.5 ℃，无明显差异。盛家湾和东龙港24 h pH 均值分别为8.62、7.29，溶解氧浓度均值分别为9.77、6.40 mg/L，表现为盛家湾pH、溶解氧浓度均高于东龙港。盛家湾与东龙港24 h 氧化还原电位变化范围分别为82.1～132.7、107.1～213.5 mV，表现为盛家湾氧化还原电位低于东龙港。相关性分析结果表明，盛家湾水体CO2释放通量与水温、溶解氧浓度、pH 呈显著负相关，N2O 释放通量与水温、溶解氧浓度、pH 呈显著正相关。可能是由于水温升高，既促进了沉水植物的光合作用，释放O2，提高了水体溶解氧浓度，吸收CO2，降低了水中CO2分压，有利于大气中CO2进入水中[30]，这一过程又改变了水中碳酸盐平衡，使得水体pH 升高；又促进了水中生物的新陈代谢[31-32]，有利于硝化过程的进行，同时微生物在弱碱性条件下有着较高的活性[33]，综合作用下，影响着N2O 的产生与释放。氧化还原电位代表水中氧化还原能力的强弱，氧化还原电位发生变化可能影响有机质的分解与微生物活性，进而影响CO2与N2O 的释放[29]。本次监测中盛家湾水体CO2释放通量与氧化还原电位呈显著正相关，与张璐等[11]研究结果一致。东龙港CO2、CH4、N2O 释放通量均与水温呈显著正相关，可能是由于本次采样监测时水温的升高促进了水中生物的新陈代谢，进而促进了3 种气体的产生与释放。此外，东龙港水体CH4释放通量与水体溶解氧浓度呈显著正相关，这可能由多种因素造成，例如好氧产甲烷菌的生命活动[34]，具体原因仍需进一步研究。综上所述，此次监测中盛家湾水体CO2、N2O 释放通量与水温、溶解氧浓度，pH、氧化还原电位有较高的相关性，而东龙港水体CO2、CH4、N2O 释放通量主要与水温、溶解氧浓度有较高的相关性。

3 结论

（1）24 h 监测结果表明，嘉善县盛家湾水体除CO2在16:00 时不饱和外，其余监测时间内3 种气体均呈过饱和状态；东龙港水体中3 种气体均呈过饱和状态。2 条河流之间水体中3 种气体溶存浓度与饱和度差异显著。盛家湾CO2与N2O 溶存浓度与饱和度均显著低于东龙港；CH4溶存浓度及饱和度显著高于东龙港。

（2）释放通量方面，仅盛家湾水体在16:00 时表现为吸收CO2。将温室气体释放量以CO2当量通量表示，24 h 内比较来看，沉水植物生态修复后的河流盛家湾能够减少89%的温室气体释放。

（3）24 h 内，2 条河流气体释放通量与河流水体水温、pH、溶解氧浓度、氧化还原电位表现出显著的相关性。盛家湾水体CO2释放通量与水温、pH、溶解氧浓度呈显著负相关，与氧化还原电位呈显著正相关；N2O 释放通量与水温、pH、溶解氧浓度呈显著正相关，与氧化还原电位呈显著负相关。东龙港水体CO2释放通量与水温呈显著正相关，CH4释放通量与水温、溶解氧浓度呈显著正相关，N2O 释放通量与水温呈显著正相关。

本研究所采用的扩散模型法依据气体在水中的溶存浓度、水-气界面交换速率函数来计算释放通量，未考虑气泡通量；由于CH4存在冒泡排放机制，导致此方法对CH4释放通量的低估。在未来研究中，可延长监测时段，采用扩散模型法、通量箱法结合的形式来探究不同季节河流温室气体释放情况、对比差异，同时结合水质监测，探究长时间尺度下N-N、N-N、N-N 及DOC 浓度对河流温室气体释放的影响。