一種底泥釋放氣體收集裝置的設計

胡茂俊等

摘要：針對底泥溫室氣體排放和反硝化氣態脫氮的原位研究亟需有效、便捷收集底泥釋放氣體方法的現狀，自主研發了一種可連續、自動、有效收集底泥釋放氣體的裝置。本文對該裝置的結構和功能進行了詳細的描述，并利用該裝置研究了江蘇省農業科學院富營養化水塘中泥水界面釋放氣體速率及各種氣體組分（N2、N2O、CH4、CO2、O2）的釋放情況。結果表明，該裝置成功實現了原位定量研究底泥產生并釋放氣體的速率以及各氣體組分的釋放速率。該技術為利用N2直接測定法原位研究底泥的反硝化脫氮過程，以及底泥釋放溫室氣體規律提供了可靠的方法。

關鍵詞：底泥；反硝化；溫室氣體；氣體收集裝置；氣體釋放；原位研究

中圖分類號： X52文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）09-0418-04

自從1776年Alessandro Volta使用倒置漏斗收集水體沼氣以來[1]，類似的裝置常被用于采集水體、底泥釋放的冒泡氣體（gas bubbles）[2-3]，尤其在近年對水體、底泥溫室氣體釋放的研究中發揮著重要作用[4-6]。倒置漏斗式集氣裝置在使用過程中不斷得到改進。1989年，Chanton等描述了一種利用漂浮在水面的錐形裝置測定潮汐河口釋放冒泡氣體通量的方法，該裝置通過長5～10 m、直徑0.358 cm的聚乙烯管將注射器連接到采氣裝置頂部，定期手動采集所收集的氣體樣品。1992年，Sorrell等在落基山科羅拉多河用漂浮的密封塑料裝置測量冒泡CH4釋放過程，在每個采樣周期，該裝置均為密封，氣樣通過隔墊用配有三通的玻璃注射器抽取[3]。1994年，Keller等在巴拿馬市加通湖的另一個研究項目中應用了類似裝置收集冒泡CH4氣體，并在裝置的邊緣安裝了錨以限制其在水中四處飄動，該方法使得倒置漏斗集氣裝置固定漂浮于底泥上方，免去了人工將倒置漏斗控制在采樣點的過程，可以實現多點同時采樣；此外，為了取樣方便，在該裝置的頂端通過魯爾接口和注射器與聚乙烯采氣試管相連[4]。

在對底泥溫室氣體排放和反硝化脫氮的規模化原位研究中，亟需有效、便捷、自動收集底泥釋放氣體的裝置，并能對收集氣體樣品中反硝化脫氮氣態終產物N2進行精確定量測定的方法。在科學研究中，結果的獲取在很大程度上依賴于研究方法和工具。針對此現狀，本文主要介紹一種底泥釋放氣體連續自動收集裝置的結構和使用方法，該裝置根據排水集氣原理并結合倒置漏斗方法進行設計，適用于直接測定所收集氣體中的硝化、反硝化脫氮終產物N2，溫室氣體CH4、CO2、N2O，以及反映底泥新陳代謝（光合作用和呼吸作用）情況的O2含量，并揭示了富營養化水體底泥釋放氣體（N2、CH4、CO2、N2O）的規律及特征。

1材料與方法

1.1基本原理

通過懸掛在水面之下、底泥之上5 cm的氣體收集罩，收集底泥產生并釋放到水體中的氣體。當集氣罩內積聚的氣體形成一定壓力時，在壓力差的作用下，收集的氣體通過進氣管自動被吸入預先充滿水的集氣瓶，相應體積集氣瓶中的水通過排水管排入水體，從而可連續、自動收集底泥中釋放的氣體。

1.2底泥釋放氣體采集裝置描述

圖1為連續自動收集底泥釋放氣體裝置的系統結構。該裝置適用于自然水體底泥釋放氣體的直接收集，包括方形浮球支架、連接桿、固定旋鈕、集氣瓶、閥門、進氣管、排水管、排氣管、集氣罩等。方形浮球支架上頂部有1塊有孔硬質板，孔位于硬質板中部，允許連接桿通過；孔上方有固定旋鈕，用于固定連接桿，連接桿有刻度。方形浮球支架的硬質板下方有小鉤，用來懸掛集氣瓶，集氣瓶的瓶口處有進氣管和排水管。集氣罩頂端有排氣孔，排氣孔通過排氣管與懸掛在浮球支架上的集氣瓶的進氣管連接，連接處位于水面上且有三通閥。集氣罩罩體外面附著有支架，支架上方有固定旋鈕，固定旋鈕可以與連接桿的下端相連并固定，集氣罩下方邊緣處有攝像頭支架，用來放置水下攝像頭。集氣罩底邊附著有垂直向下的刻度尺，并在刻度尺上涂有反光漆以提高水下能見度。

本裝置各個組件間連接牢固，組裝與拆卸均方便快捷，尤其適合于水面行船作業。集氣罩底邊上的攝像頭可以將集氣罩底邊以及所附屬的刻度尺的圖像傳輸到電腦上，通過攝影圖像的指引調節連接桿長度，可將裝置正確放置于底泥上方5 cm處，從而實現釋放氣體的定位直接收集。該裝置應用性廣，可實現野外自然水體不同環境下底泥釋放氣體的研究。

在放置底泥釋放氣體采集罩時，注意保證采氣裝置的底部與水底之間有5 cm距離，以免裝置搖晃對底泥產生干擾。開始連接采氣裝置時，如圖1所示，首先將浮球支架放置于水面上，將連接桿與浮球支架連接，連接桿末端位于水面上，旋

緊固定旋鈕1對連接桿進行初步固定。然后將集氣罩放入水下，把集氣罩上方的固定旋鈕2與連接桿底端連接并旋緊固定。集氣罩上方排氣孔上連接氣路管，氣路管末端連接三通閥并一直位于水面上，氣路管長度與水柱深度一致。然后將水下攝像頭放置于集氣罩底邊的攝像頭支架上，并通過電腦捕獲水下圖片。此時，一邊將浮球支架上的固定旋鈕緩慢松開，一邊抓緊連接桿，緩慢向下移動，通過電腦捕獲水下圖像和連接桿上的刻度指示將集氣罩正確放置于底泥上方5 cm處，將浮球支架上的固定旋鈕旋緊，連接桿不再上下移動。最后將集氣瓶懸掛于浮球支架上，進氣管與排氣管相連，排水管打開放入水中，并確保管路中沒有氣泡，最后打開三通閥。

1.3試驗方案

在江蘇省農業科學院內2#蓄水塘布置上述采氣裝置，進行底泥釋放氣體樣品的采集，采樣裝置分布于蓄水塘中心，用尼龍繩將采氣裝置栓于塘中的毛竹樁上，固定在一定范圍之內。采樣時間為2012年8月30日至9月1日，采樣的同時采用多功能水質測定儀對泥水界面的溶氧值和溫度進行測定。在采樣點布置采氣裝置的時間為試驗開始當日08：00。布置采氣裝置時，將集氣罩完全浸沒于水中，距底泥5 cm左右，使氣罩和進氣管中空氣全部排出，并將準備好的裝滿水的集氣瓶倒掛于浮球支架頂端。然后，將集氣瓶與集氣罩之間的出氣管與進氣管連通。將出水管的尾端浸沒于水中。注意準備過程中確保集氣瓶與相關管道中無任何細小的氣泡。記錄集氣瓶初始重量。18：00左右將集氣瓶從浮球支架上取下，替換新集氣瓶，分別收集白天、夜晚水體釋放的氣體。集氣瓶用天平稱重，計算產氣量。集氣瓶中的氣體直接用氣相色譜儀測定N2、O2、N2O、CH4、CO2氣體濃度。endprint

1.4收集氣體的成分分析

集氣瓶中收集的氣體樣品采用氣相色譜儀（SHIMADZU，GC2010）進行分析。氣體測定采用閥進樣方式，閥進樣系統配有1 mL的定量管，并采用十通進樣閥自動進樣。填充柱為Porapak Q柱（2 m×2 mm）、Porapak Q柱（3 m×2 mm）和Porapak QS柱（6 m×2 mm），測定樣品時柱溫保持70 ℃。N2、CH4、O2、CO2檢測采用熱導檢測器（TCD），檢測器溫度200 ℃，高純H2作為載氣，流速為 8 mL/min，電流70 mA。N2O檢測采用ECD檢測器，檢測器溫度為300 ℃，電流為1.0 nA，尾吹氣為5% CH4/Ar，流量為30.0 mL/min。以上氣體的濃度采用峰面積外標法定量。

1.5氣體通量計算

收集的氣體體積（mL）、氣體釋放速率[底泥單位面積單位時間內釋放氣體的總量，mL/（m2 ·h）]、氣體釋放通量[底泥單位面積單位時間內釋放某種氣體的量，mg/（m2 ·h）]，計算方法詳見文獻[1]。

2結果與分析

2.1水體釋放氣體樣品的N2、O2、N2O、CH4、CO2濃度

該試驗采用一套采氣裝置，在8月30—31日連續2 d分別收集白天和晚上底泥產生的氣體，采集的氣體直接用氣相色譜儀測定各種組分的濃度，結果見表1。表1收集氣體中各氣體組分濃度及通量2.2底泥釋放氣體速率

如圖2所示，江蘇省農業科學院富營養化蓄水塘底泥8月30日白天（08：00—18：00）釋放氣體的速率為 42.91 mL/（m2 ·h），30日夜間（18：00—08：00）釋放氣體的速率為55.82 mL/（m2 ·h），31日白天（08：00—18：00）釋放氣體的速率為93.76 mL/（m2 ·h），31日夜間（18：00—08：00）釋放氣體的速率為 42.12 mL/（m2 ·h）。

2.3底泥釋放氣體中N2通量

如表1所示，江蘇省農業科學院富營養化蓄水塘底泥白天（08：00—18：00）釋放N2的通量為15.4、22.3 mg/（m2·h）， 明顯

高于夜間（18：00—08：00）的10.4、12.1 mg/（m2·h）。

2.4底泥釋放氣體中O2通量

如表1所示，江蘇省農業科學院富營養化蓄水塘底泥白天（08：00—18：00）釋放O2的通量為2.8、2.8 mg/（m2 ·h），明顯高于夜間（18：00—08：00）的10、1.7 mg/（m2 ·h）。

2.5底泥釋放氣體中CH4通量

如表1所示，江蘇省農業科學院富營養化蓄水塘底泥白天（08：00—18：00）釋放CH4的通量為22.6、59.6 mg/（m2 ·h），夜間（18：00—08：00）釋放CH4的通量為37.3、25.1 mg/（m2 ·h）。

2.6底泥釋放氣體中CO2通量

如表1所示，江蘇省農業科學院富營養化蓄水塘底泥白天（08：00—18：00）釋放CO2的通量為0.8、3.9 mg/（m2 ·h），夜間（18：00—08：00）釋放CO2的通量為2.8、0.8 mg/（m2 ·h）。

2.7底泥釋放氣體中N2O通量

該試驗采用一套采氣裝置，在8月30-31日連續2天分別收集白天和晚上底泥產生的氣體，測定氣體樣品中N2O濃度并計算N2O通量。如表1所示，發現江蘇省農業科學院富營養化蓄水塘底泥白天（08：00—18：00）釋放N2O的通量為0.16、1.07 μg/（m2·h）；夜間（18：00—08：00）釋放N2O的通量為0.20、0.15 μg/（m2·h）。

3討論

已有研究中，直接收集底泥釋放氣體主要采用倒置漏斗法。使用簡單的倒置漏斗裝置采集氣體時，需要在每個采樣點人工將漏斗或漏斗形狀的采樣裝置倒置在底泥上方，并等待一定量氣體進入倒置漏斗后引入集氣容器中[2-3]。這種采樣方式耗時、費力，在進行大范圍采樣研究過程中工作量過大。雖然不斷對倒置漏斗裝置進行改進，達到了原位收集底泥釋放冒泡氣體的目的，但仍不能同步進行氣體收集和氣體采樣[7-9]，因此不能完全解決大范圍采樣過程中工作量較大、采樣不及時、容易引入誤差等問題。使用本文描述的裝置，達到了原位、連續、自動收集底泥釋放冒泡氣體的目的，無需在每個采樣點上等待整個氣體采集過程的完成，也無需手動抽取收集的氣體，實現了氣體的自動收集與采集，方便簡單，且可同時進行多點采樣，減少不同采樣點因采樣時間的不同步造成的結果差異，適用于較大尺度的底泥釋放氣體原位收集。本文描述的裝置還可以根據水體釋放氣體的速度調節采樣時間，既適用于研究產氣量大、產氣速度快的底泥，也適用于有冒泡氣體產生但產氣緩慢的底泥。本文描述的裝置還適用于收集特定時間段水體釋放的氣體，例如研究水體晝夜釋放氣體的規律特性。由于本方法可連續自動采集收取的氣體，因而還可以精確定量一定面積一定時間內底泥釋放氣體的總量。

倒置漏斗法在采集氣體時因需要人為抽取氣體，在采氣過程中增加了與空氣接觸的機會，而本方法直接采用排水集氣原理自動將收集到的底泥釋放氣體吸入集氣瓶，最大程度地保證了采集的氣體樣品均來自于底泥釋放的氣體，而不受空氣污染，適用于底泥釋放N2的原位研究。準確收集水體、土壤及底泥硝化、反硝化脫氮釋放N2的方法一直是國內外共同面臨的難題。這主要是由于N2在空氣中的本底值極高，強烈干擾著脫氮過程產生的N2的收集和測定，使得以往關于水體脫氮的研究只能借助間接測定的方法，并不能對水體向大氣釋放的氮量做出直接測定和比較精確的定量化評估[10]。本文描述的裝置利用倒置漏斗方法的同時結合排水集氣原理，達到了定量收集、測定底泥釋放氣體中硝化、反硝化脫氮產物N2的目的，在原位研究反硝化脫氮方面取得了重要的突破。endprint

本試驗詳盡測定了底泥釋放氣體的組成成分，包括N2、CH4、CO2、N2O、O2。以往的研究雖然收集了底泥氣體，但并未對收集氣體中的成分做詳盡分析，僅重點關注了CH4的含量。本研究的測定結果表明所收集氣體的主要組成成分為CH4（24.3～32.3 mmol/L）、N2（9.0～16.5 mmol/L）、O2（0.9～2.9 mmol/L）。這與以往認為水體冒泡氣體以CH4為主的觀點不盡相同。以往傳統的氣體采集裝置和方法不能解決同時直接測定上述氣體的問題，本文描述的采氣裝置在該方面也取得了突破，避免了采用不同方法造成的取樣及測定誤差。CH4、N2O、CO2等溫室氣體排放能夠引起全球范圍內溫度持續變暖，引起了世界各國的關注。其中CH4是全球變暖研究中最受重視的溫室氣體之一[11-12]。從CH4的產生機制來看，主要由厭氧發酵產生，水體生態系統（如湖泊、水庫、池塘等）底泥長期處在淹水狀態下，且含有豐富的有機質、養分和大量的微生物，完全符合CH4的產生條件[13-14]。同時，由于水體的富營養化程度不斷加劇，底泥中聚集了豐富的氮、磷營養鹽，底泥中的生物硝化、反硝化脫氮作用強烈。本方法可用于直接收集并測定底泥釋放氣體的研究，有助于全面掌握底泥對于溫室氣體排放的貢獻，對于底泥中生物脫氮過程的研究具有實際應用價值。

本裝置在使用過程中須注意：在采樣點布置裝置時，要提前測量水體的深度，以此來確定連接桿放置到水下的大致深度，并在放置過程中時刻觀察刻度尺，以確定不擾動底泥。在放置好浮球支架系統后要將集氣罩完全浸沒于水下，排除集氣罩內的空氣，并趕出采氣裝置系統內（包括集氣罩、進氣管、排水管等）各部分的細微氣泡。準備集氣瓶時應確定集氣瓶充滿水，無細小氣泡。在連接集氣瓶與進氣管時需排除連接處的細小氣泡。在收采氣瓶時應讓進氣管中自動充滿水，確保氣瓶中氣體不與空氣接觸。集氣瓶收好氣后應倒置以貯存氣體，并及時測定。測定氣體樣品時，要注意保持氣體樣品的進樣過程不被空氣污染，保證不讓空氣進入氣相色譜的進樣系統。

中國的天然濕地系統的CH4釋放量為2.46～30 mg/（m2·h） [15-18]，本試驗中測得的CH4釋放通量為22.6～59.6 mg/（m2·h），遠遠高于濕地系統的CH4釋放通量，這可能是因為濕地CH4釋放具有很大的時空變異性[19]，有關濕地釋放CH4的研究多集中在低溫地區[20-21]，而本試驗在亞熱帶地區夏季進行，是CH4釋放最強烈的階段；本研究中的富營養化水塘水力停留時間較長，且無外界擾動，底泥有機質豐富，這些都有利于厭氧環境的發酵及CH4釋放過程。釋放的CH4通過氣泡擴散方式向大氣中釋放。我國湖泊的CH4釋放通量0.01～1.12 mg/（m2 ·h）[22-23]，也低于本試驗數據，因為地表淹水過深時CH4不僅可以在水體中向各個方向擴散，還會在以氣泡或擴散形式穿越水層時被氧化，水層越深CH4損失量越大[18]，以往底泥釋放氣體的收集方法多漂浮在水面上，而本試驗裝置直接在底泥上方收集底泥產生的CH4，避免了CH4在水層上升時大量損失，有利于研究底泥釋放CH4的潛力。

N2O是僅次于CO2和CH4的溫室氣體，其增溫潛勢是CO2的300倍左右[24-27]。研究表明，湖泊排放N2O的通量為16～28 μg/（m2 ·h）[28-30]，遠遠高于本試驗測定值，這可能是因為本試驗研究的富營養化水塘長期淹水處于厭氧環境，有利于N2O進一步被還原為N2，向大氣排放的N2O比較少[24，31-32]，因此N2O含量較低。

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