喀斯特山区筑坝河流水-气界面CO2 通量变化特征及影响因素分析

张富强,周忠发,*,孔 杰,丁圣君,王 翠,谢江婷,温朝程,邹 艳

(1.贵州师范大学 地理与环境科学学院/喀斯特研究院,贵阳 550001;2.贵州喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地,贵阳 550001)

全球气候变暖已成为当今世界面临的生态环境重大问题之一,以二氧化碳为主的温室气体在大气中长期积累引发的极端气候现象也愈发显著[1]。截至2021 年5 月全球大气二氧化碳浓度已达到419 mg/L,远远超过工业革命前的大气二氧化碳浓度水平[2]。目前,寻找“遗失碳汇”、平衡大气二氧化碳收支等问题已成为全球气候变化的研究热点[3-6]。河流作为陆地和海洋生态系统两大碳库物质的传输纽带,具有陆海生态系统之间碳的迁移、转化等作用[7-8]。为保障生活生产对水资源需求及水电能源开发利用,河流通常以筑坝拦截建设水库的方式来发挥其调蓄功能。然而,河流筑坝蓄水后将造成原始生态系统与大气温室气体之间的源汇关系发生变化,对区域碳循环和全球气候变化等产生影响[9-10]。因此,水库已成为调节区域乃至全球碳循环的重要环节,定量分析水库CO2收支情况将成为厘清其碳“源”、“汇” 之间转换关系的研究重点。

已有研究发现,水库作为河流携带物质的沉积环境,经浮游植物光合作用产生的有机碳将被埋藏至底层,进而被视为重要的有机碳汇,但仍然有大部分的有机质及淹没的陆生植被发生矿化和分解将释放出大量CO2形成碳源[11-14]。因而,掌握各体系下水库水-气界面CO2扩散通量将成为准确量化其碳收支情况的主要衡量参数。Barros等[15]估算全球不同地区85 个水库的CO2释放量约为0.048 Pg C/a,并发现新建的水库与热带地区的水库碳排放速率最高,认为CO2排放受水库库龄和地理位置的影响。Deemer 等[16]估算全球范围内水库每年释放的温室气体约为0.8 Pg(0.5～1.2 Pg),并认为水库对温室气体的源汇关系与水体初级生产力更为密切相关。我国幅员辽阔、水库类型多样,据Li 等[17]对中国153 个水库统计得知,目前水库CO2通量为532.49±781.74 mg/(m2·d)(均值±标准差),在此多维度和多样性的特征下,现有的研究还难以反映水库对大气CO2交换通量的总体情况。在喀斯特地区,由于其山高坡陡谷深的独特地貌,河流筑坝拦截后常常会形成峡谷型水库,具有淹没植被少,消落带面积小及热分层现象显著等特点,在区域碳循环中具有良好的碳汇潜力[18-20]。Liu 等[21]在岩溶区水域环境的研究表明,水生植物通过光合作用形成“碳泵效应”可将岩溶作用产生的大量溶解无机碳转化成有机质,进而固定下来形成稳定碳汇,这将会有效降低水-气界面CO2的扩散通量。Wang 等[22]对喀斯特地区乌江流域梯级水库的CO2通量研究发现,受水力停留时间和水体分层强度的控制,其CO2通量具有明显的时空变化特征,变化范围在-9.0～2 269.3 mg/(m2·d)之间。吕迎春等[23]对位于典型喀斯特地区的红枫湖、百花湖水库表层水体pCO2研究指出,夏季时表层水体CO2处于欠饱和状态,其他季节处于过饱和状态,与北方温带地区表层水体CO2的变化过程有所差异。Wang 等[24]对喀斯特地区河流筑坝后对无机碳的影响研究中发现,水-气界面CO2扩散通量与水中较高浓度的溶解无机碳有关。由此可见,在不同的地理环境、气候类型及初级生产力等条件下水库之间的碳排放存在显著差异,特别是在喀斯特地区其复杂的地理单元和地球化学背景下,水库与大气CO2之间的源汇关系存在一定程度的动态变化,导致在对其水-气界面CO2通量的评估中存在诸多不确定性和局限性。虽然该领域已开展部分研究,但相应成果仍然有限,目前的研究范例还难以准确掌握喀斯特水库碳收支对区域及全球碳循环的影响,因而积极寻找并量化各体系下水库的CO2收支情况,成为完善我国水库碳源汇监测与定量评估体系的重要科研任务。基于此,本文选取喀斯特山区筑坝河流——平寨水库为研究对象,于2020 年1 月、5 月、7 月和11 月对其库区水体理化指标和环境因子开展监测研究,明确其水-气界面CO2交换通量,分析其变化特征和源、汇关系,探讨碳排放机制及影响因素,为准确评价区域环境碳收支提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

平寨水库位于黔中地区长江和珠江两大流域分水岭地带,处于乌江上游三岔河中游河段,由纳雍河、水公河、张维河、白水河、扈家河五条河流汇集筑坝蓄水而成的喀斯特山区峡谷水库,总库容量10.89 亿m3,调节库容4.48 亿m3,水域面积约为15.17 km2,河床底高1 183 m～1 185 m,正常蓄水位1 331 m,平均水深80.07 m。研究区属构造溶蚀-侵蚀低中山峡谷地貌,出露地层主要为上二叠统大隆组(P3d)和龙潭组(P3l)的砂岩和泥岩,下三叠统大冶组(T1d)、关岭组(T1g)、夜郎组(T1y)和永宁镇组(T1yn),岩性主要为白云岩和泥灰岩。该区处于亚热带季风气候区,雨热同期,年均气温为13.0 ℃,年均降水量为1 300 mm,主要集中在5～8 月。平寨水库于2015 年正式运行,作为黔中水利枢纽核心水源工程,主要功能是以农灌用水和城市供水为主,并兼顾发电等综合利用的大(一)型水库。

1.2 样品采集与分析

以平寨水库为研究对象,布设PZ1、PZ2 和PZ3三个点位(图1),于2020 年1 月、5 月、7 月和11 月对其进行水样采集和现场测定,用卡盖式采水器在水深0～60 m 之间每间隔10 m 采一次样。利用Multi3430 便携式多参数水质分析仪(德国WTW 公司)现场测定各样点pH、电导率(EC)、溶解氧(DO)和水温(T),测试精度分别为0.001 pH、1 μS/cm、0.01 mg/L 和0.01 ℃。用Telaire-7001 CO2气体检测仪和美国Kestrel5000 多功能风速计对现场空气CO2浓度和风速进行实测,测量精度为±50×10-6和0.1 m/s。用碱度试剂盒(德国Aquamerck 公司)现场实测浓度,精度为0.1 mmol/L,其余阴阳离子(Ca2+、Cl-、、K+、Na+、Mg2+、Sr2+)用0.45 μm 的醋酸纤维素膜将水样过滤储存于25 mL高密度聚乙烯瓶中,阳离子水样加硝酸酸化至pH≤2,阴离子水样直接密封,低温保存运至室内测定,分别用ICS90 型离子色谱仪和VISTA MPX 型电感耦合等离子体-发射光谱仪测定,测试精度为0.01 mg/L,分析误差＜5%。用500 mL 避光瓶采集叶绿素a(Chl-a)水样,加入0.5 mL 碳酸镁悬浊液,低温保存送至室内按HJ897-2017 水质叶绿素a 分光光度法测定。

图1 平寨水库采样点位置Fig.1 Location of sampling site at Pingzhai Reservoir

1.3 数据处理

根据测的数据参数,运用Phreeqc 程序计算水体二氧化碳分压(pCO2)和方解石饱和指数(SIc),计算公式为[25-26]:

式(1)中,[H+][]为离子活度积(mol/L),和K1分别为CO2平衡常数和H2CO3第一次解离常数;式(2)中,IΔAP为 [Ca2+][]的离子活度积(mol/L),KC为方解石溶于水的平衡常数。

运用TBL 模型计算水-气界面二氧化碳通量,计算公式为[27]:

式(3) 中,Flux 为水-气界面CO2的扩散通量mg/(m2·d),F＞0 时表示释放CO2,F ＜0 时则表示吸收CO2;K 为水-气CO2交换系数(cm/h);Cwater为水体溶解的CO2浓度(mmol/L),Cair为大气的CO2浓度(mmol/L);交换系数K 值可通过风速的经验函数和K600进行计算[28],由式(4)～(7)得到。

式(4)～(7)中,SC为CO2的施密特数;t 为水体表层温度(℃);K600表示水体温度为20 ℃、施密特常数为600 时CO2的标准气体交换系数;当风速小于3 m/s 时x为0.67,当风速大于3 m/s 时x为0.5;U10为水面以上10 m 处的风速(m/s),U1为水面上方的风速(m/s)。

本研究数据使用EXCEL 2010 和IBM SPSS Statistics 24.0 软件进行统计分析,并采用ArcGIS 10.2和Oringin 2021 软件交互操作进行数据可视化。

2 结果与分析

2.1 研究区理化参数特征

表1 平寨水库理化参数Table 1 Physiochemical parameters of Pingzhai Reservoir

图2 平寨水库水体理化性质垂直分布图Fig.2 Physiochemical parameters along the water column of Pingzhai Reservoir

2.2 水库水化学类型及热结构变化过程

平寨水库表层水体离子组成中,阳离子主要为Ca2+,其次为Na+、Mg+和K+,变化范围分别为40.50～79.17、9.35～23.46、6.16～9.27 和2.06～3.62 mg/L。阴离子主要为,其次为和Cl-,变化范围分别为94.55～194.00、53.04～73.85、9.42～16.40 和4.83～11.62 mg/L。由 水化学三角图可看出(图3),平寨水库主要以和Ca2+为优势离子,结合舒卡列夫分类法可判断研究区水体水化学类型为HCO3+SO4-Ca型,表征其水化学特征主要受碳酸盐岩风化所控制。

图3 平寨水库水化学三角Fig.3 Hydrochemistry triangle of Pingzhai Reservoir

在深水水库中,由于热能传输差异导致水体密度发生变化,在垂直梯度水温变化大于或等于0.2℃/m 时出现温跃层,形成热分层现象,从而限制了各水层之间的物质交换[29]。如图4 所示,平寨水库在5 月、7 月和11 月均存在热分层现象,其中,5 月时在水深0～10 m 之间出现温跃层,7 月时在水深0～10 m 之间出现第一个温跃层,在20～30 m 之间出现第二个温跃层,11 月时该现象相对减弱,但在水深30～40 m 之间仍存在温跃层现象,而1 月时该现象消失,水体发生垂向混合。

图4 平寨水库水温垂向变化Fig.4 Vertical variation of water temperature in Pingzhai Reservoir

2.3 平寨水库水体pCO2 及水-气界面CO2 扩散通量变化特征

平寨水库水体pCO2在时空尺度上存在明显变化特征(图5)。1 月平均变化范围在558.74～3 216.53 μatm 之间,呈现为表层低、深层高的差异特征。5 月、7 月和11 月的平均变化范围分别为132.27～2 496.82 μatm、124.64～3 869.58 μatm 和165.66～1 879.90 μatm,在温跃层处均出现明显上升,总体仍呈现为表层低、深层高的差异特征。其中,5 月和7 月在温跃层下出现降低后再升高,11 月由表层至底层呈上升趋势。

图5 平寨水库水体pCO2 变化Fig.5 variation of pCO2 in water of Pingzhai Reservoir

平寨水库水-气界面CO2扩散通量变化特征如图6 所示。1 月时CO2扩散通量在5.63～15.90 mg/(m2·d)之间,平均值为12.43 mg/(m2·d),表现为大气CO2的源。5 月、7 月和11 月的CO2扩散通量分别在-15.05～-11.43、-18.85～-10.85 和-15.42～-11.19 mg/(m2·d)之间,平均值分别为-12.75、-15.31 和-12.69 mg/(m2·d),均表现为大气CO2的汇。

图6 平寨水库水-气界面CO2 扩散通量变化Fig.6 Variation of CO2 diffusion fluxes at the water-air interface of Pingzhai Reservoir

3 讨论

3.1 碳酸盐体系对CO2 通量的影响

SIc 方解石饱和指数是碳酸盐岩平衡系统变化的指标之一,可反映碳酸盐岩平衡体系反应方向[30]。平寨水库表层水体各监测时期SIc 平均值在0.81～1.11 之间,呈过饱和状态,表明水体将发生碳酸盐岩沉淀趋势,式(8)将倾向于向右反应,易形成CO2脱气状态。和Ca2+作为碳酸盐岩反应的产物与参与物质,当水中和Ca2+含量相对偏低,式(8)向右的反应速率相对减慢,导致碳酸盐岩沉淀和CO2生成速率较低,减缓了水体脱气速率。pCO2是控制水-气界面CO2扩散通量的因素之一,由式(1)可知是控制pCO2的变量因子,两者具有正相关关系(图7),而在碳酸盐风化控制下和Ca2+具有高度相关性,因此Ca2+与pCO2同样具有正相关关系(图7),说明水体pCO2受和Ca2+浓度变化的影响。同时,在季节性变化上对平寨水库表层水体和Ca2+与CO2通量进行相关分析发现,和Ca2+与CO2通量均呈正相关关系(r=0.82,P＜0.17;r=0.85,P＜0.14;图7)。进一步表明了平寨水库在其富钙偏碱的地球化学特性下,碳酸盐岩平衡体系反应方向及速率将会对平寨水库水-气界面CO2扩散通量造成影响。

图7 平寨水库水-气界面CO2 扩散通量与环境因子相关系数Fig.7 Correlation between CO2 diffusion flux at the water-air interface in Pingzhai Reservoir and environmental factors

过去研究发现,水体pH 的大小可改变CO2在水中的存在形态而影响水体pCO2[31-32]。如图7,在季节性变化上平寨水库表层水体pH 与、pCO2均呈负相关关系(r=-0.74,P＜0.26;r=-0.99,P＜0.01),与pCO2呈正相关关系(r=0.81,P＜0.19),说明水中的浓度变化依赖于水体pH 值的高低,进而改变水体pCO2。这与其他学者研究结果相似,表明pH 可能是影响水-气界面CO2扩散通量的关键因子[33-34]。受碳酸盐岩平衡体系影响,平寨水库表层水体各监测时期pH 平均值在8.37～8.89 之间。在1 月时表层水体pH 相对偏低,水中碳化合物的存在形态主要以为主,造成水中含量偏高,导致水体pCO2升高从而促进水体CO2向大气扩散。而5 月、7 月和11月时表层水体pH 值相对升高,部分被转化为的形式存在,导致水中含量降低,造成水体pCO2下降从而减缓水体CO2向大气扩散。因此,在碳酸平衡体系影响下pH 的大小可控制水中碳化合物的存在形态,致使水体pCO2发生变化而对水-气界面CO2扩散通量造成影响。

3.2 浮游植物对CO2 通量的影响

河流筑坝后形成的“水库效应”为浮游植物提供了良好的栖息条件,在其代谢繁殖过程时可通过光合作用将水中的CO2和碳酸盐岩溶蚀产生的进行利用并释放出氧气[35-36]。Chl-a 可作为浮游植物生物量及代谢过程的方向与强度的指标,表征其光合作用的强度[37-38]。如图7,Chl-a 与DO、pH 呈正相关关系,与、pCO2呈负相关关系,其中与pCO2呈显著负相关关系(r=-0.96,P＜0.05),说明平寨水库表层水体pCO2受浮游植物光合作用的影响。这与王世杰等[18]、刘涛泽等[39]对岩溶区水库CO2释放的研究相似。受温度、日照及气候等因素影响,浮游植物代谢速率将发生变化,平寨水库表层水体Chl-a 在不同季节差异明显。在5 月、7 月和11 月时,水温及日照条件适宜浮游植物生长繁殖,其代谢过程较快,光合作用强烈,Chl-a 浓度偏高(5.24、5.87 和4.16 μg/L),进而消耗水中的CO2和相对较多,释放大量氧气,导致DO 和pH 升高,含量降低,造成水体pCO2降低,从而抑制水体CO2向大气扩散。而1 月时水温降低及日照条件减弱,浮游植物代谢减缓,光合作用减弱,Chl-a 浓度相对偏低(1.39 μg/L),水体CO2和消耗量相对减少,氧气的释放量降低,导致DO 和pH 降低,含量升高,造成水体pCO2升高,水体CO2扩散抑制作用减弱。同时,Chl-a 与CO2通量呈显著负相关关系(r=-0.95,P＜0.05),表明平寨水库表层水体浮游植物光合作用时可消耗掉水中的CO2和,使其水体pCO2下降,从而抑制水体CO2向大气扩散。

3.3 热结构变化对CO2 通量的影响

平寨水库水体pCO2各时期平均变化范围为124.64～3 869.58 μatm,总体表现为表层低、底层高的差异特征。其中,在分层期间表层水体pCO2均小于大气,表现为大气CO2的汇,而在混合期时水体pCO2大于大气,表现为大气CO2的源。该现象可能与水体热结构变化控制了垂向上物质的交换有关[40-41]。岩溶水库碳循环过程中,上部水体主要涉及水-气界面CO2交换和浮游植物光合作用两个过程,下部水体主要涉及有机物矿化、分解和水岩作用两个过程[42]。如图8,各监测时期垂向上水体pCO2与Chl-a、DO 呈显著负相关关系,说明水体pCO2垂向变化受浮游植物光合作用和有机物分解的影响。表层水体由于水温温暖,接收日照较强,适宜浮游植物生长代谢,进而消耗掉水中的CO2和产生氧气,造成Chl-a、DO 和pH 偏高,、pCO2偏低。随着水深增加,浮游植物光合作用减弱,对水中的CO2和消耗量减少,导致Chl-a、DO 和pH 开始下降,、pCO2开始上升,而到底部时该现象明显减弱甚至消失以及有机质分解发生好氧反应产生CO2,导致水中的CO2和发生累积,造成Chl-a、DO、pH 较低和pCO2较高。同时,各监测时期水体pCO2垂向上与SIc 呈显著负相关关系,与、Ca2+呈显著正相关关系,说明水体pCO2垂向变化还可能受到与碳酸盐岩溶蚀过程的影响。底层水体SIc 较低,溶蚀程度相对较高,与水底基岩溶蚀充分,导致和Ca2+含量较高,造成pCO2升高。随着底层水体向表层上移,在分层期时受水体分层阻隔作用的影响,具有高含量的和Ca2+的水体被限制在温跃层以下,因此在温跃层处pCO2发生明显降低,接近表层后受浮游植物光合作用对CO2和消耗的影响,水体碳酸盐平衡发生转变,造成Ca2+、含量降低,SIc 升高,导致在表层时pCO2达到最低。而在混合期,温度降低浮游植物光合作用减弱,具有高含量和Ca2+的底层水向上逐渐迁移后致使表层水体、Ca2+和CO2含量升高,导致pCO2增加,从而促进水中CO2向大气扩散。以水温垂向变化作为热结构变化的指标,将各监测时期水体pCO2均与水温进行相关分析,发现在垂直梯度上均具有明显相关性,说明水体pCO2垂向上的变化受水体热分层的影响。在热分层期间,受温跃层的阻隔作用,有机质分解产生的CO2以及碳酸盐岩溶蚀作用产生的和Ca2+会被限制在水库底层,造成底层水体pCO2偏高、表层偏低,从而抑制水体CO2扩散。而当分层现象消失后水体发生垂向混合,pCO2较高的底层水向表层迁移,致使表层pCO2升高,从而促进水体CO2扩散。因此,平寨水库在分层期间对水-气界面CO2扩散可能具有抑制作用,而在混合期时具有促进作用。

图8 平寨水库pCO2 与Chl-a、DO、SIc、HCO、Ca2+、水温的相关性Fig.8 Correlation of pCO2 with Chl-a、DO、SIc、HCO、Ca2+and water temperaturein Pingzhai Reservoir

4 结论

根据平寨水库的水质参数与水化学数据,运用水化学和TBL 模型计算水库pCO2与CO2扩散通量,综合讨论其时空变化特征及影响因素,得出以下结论:

1)平寨水库水化学类型为HCO3+SO4-Ca 型,其水化学特征主要受碳酸盐风化所控制。热结构变化过程中,5 月、7 月和11 月时均出现热分层现象,1 月时该现象消失水体发生垂向混合。

2)平寨水库表层水体pCO2与CO2扩散通量变化范围分别为124.64～558.76 μatm 和-18.85～15.90 mg/(m2·d)之间,两者均具有明显季节性变化特征。1 月的表层水体pCO2与CO2扩散通量的平均值分别为558.76 μatm 和12.43 mg/(m2·d),表现为大气CO2的源,5 月、7 月、11 月的表层水体pCO2与CO2扩散通量的平均值分别为132.28、124.64、165.66 μatm 和-12.75、-15.31、-12.69 mg/(m2·d),均表现为大气CO2的汇。垂向上水体pCO2变化范围为124.64～5 409 μatm,总体在垂向上表现为表层低、底层高的差异特征。

3)平寨水库水-气界面CO2扩散通量差异特征主要是受碳酸盐岩平衡体系、浮游植物光合作用和水体热结构变化的影响。碳酸盐岩体系控制了水中碳化物的存在形态,进而改变pCO2对CO2扩散通量造成影响;浮游植物光合作用可将水中的CO2及碳化物进行消耗利用,可抑制水体CO2出逃形成大气CO2的汇;平寨水库水体热结构变化控制了垂向上的物质交换,在分层期间时各水层之间阻隔作用对水-气界面CO2扩散具有抑制作用,而混合期底层水体上覆将促进水-气界面CO2向大气扩散。