川西平原小流域不同水體N2O排放特征及驅動因素

鄧歐平,唐祺超,葉 麗,鄧良基

四川農業大學資源學院, 成都 611130

氧化亞氮(Nitrous oxide, N2O)是京都議定書規定應該監測和削減的溫室氣體,雖然N2O大氣濃度遠小于二氧化碳(Carbon dioxide, CO2)和甲烷(Methane, CH4),但具有顯著的增溫效應(其增溫潛勢是CO2的298倍,是CH4的12倍),還對平流層下部臭氧層具有破壞作用[1- 2]。近年來,受人類生活、生產的影響,大氣中N2O濃度持續增長,研究表明近260年大氣N2O濃度增長19%,其中人為排放占到35%—45%[3]。近年來,因N2O濃度增加帶來的全球變暖等一系列環境生態問題引起了人們對其來源的關注[2]。

受人類影響的小流域水生生態系統,包括河流、水庫、魚塘和溝渠等,即是陸地與水域營養物質、能量交換的重要通道,也是氮素生物地球化學循環十分活躍的熱點區域,更是N2O重要的源和匯[4- 5]。近年來研究發現,流域人類活動,如農業活動、城市排污、河道改造和修筑堤壩等,均是驅動流域不同水體水氣界面N2O排放特征發生變化的重要因素[6- 8]。目前,圍繞人類活動對水生生態系統N2O排放的影響研究主要集中在城市發展、農業活動、土地利用變化和水文工程對河流排放的影響[7,9-11];農業活動對農業溝渠排放的影響[8];以及水產養殖對人工池塘和天然湖泊的影響[12-13]等方面。涉及研究水體較單一,因不同研究之間采樣方法、氣候和地理特征的差異,使得不同水體的N2O排放特征及影響因素難以對比,尚沒有針對一個小流域開展的多種水體N2O排放特征對比研究。對比同一小流域多種水體的溫室氣體排放特征,有助于理解不同水生生態系統溫室氣體排放的機制,對完善水生生態系統溫室氣體通量排放清單有一定的理論和現實意義。

川西平原是我國西南最重要的糧農產區,也是西部最大城市成都所在地,區域人口密度為500—1700 人/km2,受人類活動影響深刻[8]。近年來,以成都為核心的川西平原經濟區發展勢頭迅猛,成都及周邊城市迅速城鎮化,分布在川西平原及周邊地區的工業企業眾多,給川西平原小流域內的水生生態系統帶來了豐富的外源性碳氮物質,增大了區域水體溫室氣體的排放潛力。研究區地表水資源豐富,地表水生態系統以河流、溝渠、水庫和養殖水體為主,是對比研究不同水體N2O排放規律的適宜區域。因此,本研究選擇川西平原西河流域作為研究區,期望通過調查西河小流域不同水體溫室氣體排放強度和時間變異特征,對比分析影響其排放特征的原因,幫助理解不同水生生態系統溫室氣體排放的機制,為完善水生生態系統溫室氣體通量排放清單提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 研究區與采樣點概況

西河為岷江上游的一級支流,全長109km,發源于成都市崇州雞冠山,從西北往東南流穿崇州全區,跨越森林-農村-城市過渡帶(圖1)。西河流域面積達1080 km2,屬亞熱帶濕潤季風氣候區,四季分明,春秋短,冬夏長,雨量充沛,日照偏少,無霜期較長。年平均氣溫15.9 ℃,年平均日照時數為1161.5 h,年平均降雨量1012.4 mm。平原區水系縱橫交錯,河網密度達1.22 km/km2[14]。

在西河流域布設6個采樣點,包括河流采樣點3個,水庫、魚塘和農業溝渠采樣點各1個(表1,圖1)。河流采樣點分別位于崇州市街安、金坡源和徐家渡,采樣河段的水文條件基本一致,其采樣點附近土地利用類型分別為鄉鎮、農區和城市。水庫采樣點位于向陽水庫西北邊緣,距岸邊1m處(表1,圖1)。向陽水庫屬于西河中游支流羅漢河,水庫正常庫容為690萬m3,壩址以上控制流域集雨面積為2.0 km2。其主要功能是為下游崇州15個鄉鎮提供飲用和灌溉用水,灌溉面積7100 hm2。魚塘采樣點位于崇州市榿泉鎮,樣點設置在魚塘東邊緣0.5—1 m處(表1,圖1)。采樣魚塘為典型的生態養殖魚塘,主要功能為垂釣和養殖,春天投放草魚、鰱魚和鯉魚魚苗,于春、夏和秋季不定時投放餌料,餌料以粗糧為主。魚塘水深2—4 m,面積約0.13 hm2。截至2016年底,成都市水產養殖面積達1.848萬hm2,其中池塘養殖面積占9300 hm2[15]。溝渠采樣點位于崇州市榿泉鎮,與西河下游相聯,寬8 m,深1.5 m。

表1 采樣點基本情況介紹

圖1 采樣點分布圖Fig.1 Location of the sampling sites街安、金坡源和徐家渡分別代表鄉鎮段、農區段和城市段河流

1.2 水-氣界面N2O的采集和分析

水-氣界面氣樣的采集和分析采用靜態漂浮箱法進行原位監測。靜態漂浮箱為中空正六面體(50 cm× 50 cm× 50 cm),距離漂浮箱底部15 cm處安裝聚苯乙烯浮子(10 cm× 65 cm× 65 cm),頂部裝有小風扇,確保采樣過程中箱體內空氣均勻。采樣前,排凈氣體采樣袋內的空氣,把采樣箱體在通風處倒置,使箱內氣體混合均勻。采樣時,將箱體至于水面上,用配有三通閥的注射器和0.5 L鍍鋁內膜氣體采樣袋采集水-氣界面大氣樣,分別于箱體下水后0、7、14、21和28分鐘采集,緩慢抽推注射器數次以混合采樣管和箱內的氣體后抽取200 mL氣樣,氣體樣品在一周內分析完畢。采樣時間為2016年6月—2017年5月,每月12日左右9:00—12:00。每個采樣點設置3個平行。結合室內分析法對N2O溫室氣體的濃度使用氣相色譜儀(Agilent 7890, Santa Clara, CA, 美國)進行測定。水-氣界面N2O排放通量采用以下公式計算[14]：

(1)

式中,F為排放通量(mg m-2h-1),ρ為N2O的密度(g/L),V為箱內體積(L),dC/dt是箱內氣體濃度隨時間變化率(mol L-1min-1),m為N2O的摩爾質量,A為采樣箱橫截面積,H為水面至箱頂的有效高度(m),R為普適氣體常數(8.314 J mol-1K-1),T為采樣時箱內平均氣溫(℃)。P為采樣點標準大氣壓(P=1.013×105 Pa)。

1.3 表層水樣采集與測定

與采集氣樣同一天,采用聚乙烯采水器(1 L,豫垣,中國)采集表層水水樣,用100 mL帶蓋塑料瓶收集運回實驗室,當天測定相關水質指標?，F場采樣時,用常規溫度計測定水溫,用便攜式多參數水質測定儀(Multi 350i,德國)測定溶解氧(Dissolved oxygen, DO)和pH。

1.4 氣象數據來源

各采樣點的氣象數據均來自于當地氣象站,采樣點與氣象站的直線距離小于4 km。分析涉及氣象數據包括降水量、空氣溫度和風速的月數據。

1.5 數據處理方法

原始數據使用Excel 2010進行標準化處理和計算,使用SPSS 19平臺進行Pearson相關分析和One-way ANOVA分析,使用R(Version 3.4.4)平臺的heatmap函數進行聚類分析并繪制熱圖,其他圖件在Origin 2019上繪制。

2 結果

2.1 環境參數描述

研究區屬亞熱帶濕潤季風氣候區,所有采樣點的降雨和溫度均表現出一致的季節變異。最大降雨量出現在8—9月,為203.1—306.3 mm,最小降雨量出現在12—1月,為13.1—19.5 mm;而最高氣溫和最低氣溫分別出現在7月和12—1月,變化范圍為23.0—25.8℃和5.8—9.4℃。川西平原風速普遍較小,最小風速出現在10—11月,為0.3—1.3 m/s,最大風速出現在2—5月,為0.8—1.8 m/s。

2.2 不同水體N2O的排放特征

不同水體水氣界面N2O排放通量的月變異存在差異(圖2)。農區段和溝渠的月N2O排放變化較相似,均呈單峰型,峰值出現在8月,谷值出現在11—1月,且全年表現為N2O的排放源,月均排放通量的變化范圍分別為0.52—35.31 μg m-2h-1和7.01—126.25 μg m-2h-1。城市段河流也表現為N2O的全年排放源,且月排放呈雙峰型變化,峰值出現在9月和3月(52.67—92.06 μg m-2h-1)谷值出現在1月(9.06—14.88 μg m-2h-1)。鄉鎮段河流和魚塘除10—11月外,其他月份均表現為N2O的排放源,峰值出現在2—3月,月均排放通量的變化范圍分別為-59.06—70.98 μg m-2h-1和-37.12—88.25 μg m-2h-1。而水庫主要表現為N2O的匯,只有12—2 月排放N2O,其月均排放通量的變化范圍為-82.25—27.38 μg m-2h-1。

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

從水氣界面N2O排放的季節通量來看,農區段和農業溝渠表現為夏天最高,冬春最低(P<0.05),而其他水體均表現出相反的季節排放規律,即冬春顯著高于夏秋(P<0.05,表2)。

表2 不同水體N2O排放季節通量對比

監測期內,鄉鎮段、農區段和城市段河流、魚塘、水庫和溝渠的年均N2O排放通量分別為(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,且表現為溝渠>城市段河流 和 魚塘>鄉鎮段和農區段河流>水庫(P<0.05,圖3)。

圖3 不同類型水體N2O的年排放通量Fig.3 Annual fluxes of N2O in different waters大寫字母不同表示不同水體在P<0.05水平上存在顯著的差異

2.3 不同水體N2O的排放通量與環境指標的關系

圖4 不同水體N2O月排放通量與環境指標的Pearson相關系數聚類分析Fig.4 Pearson correlation coefficient between monthly fluxes of N2O and environmental indicators in different waters橙色色表示相關系數為正,藍色表示為負,灰色斜杠表示在P<0.05水平上存在顯著的相關性;COD：化學需氧量,Chemical Oxygen Demand;DOC：可溶性有機碳,Dissolved organic carbon;DO：溶解氧,Dissolved oxygen;TP：全磷,Total 硝態氮,Nitrate nitrogen;Chl-a：葉綠素a,Chlorophyll 銨態氮,Ammonium nitrogen;TN：全氮,Total nitrogen

3 討論

3.1 不同水體N2O 排放的季節變異性及原因分析

本研究通過水體N2O排放時間特征及其與環境指標的聚類相關分析,將研究區水體分為四種類型。第一類是農業段河流和農業溝渠,其水氣界面N2O排放通量表現出夏季高,冬春季低的季節特征,且與氣象指標(降雨量和水溫)呈顯著正相關(P<0.05,圖4)。以往研究證明,夏季水體N2O排放通量高是因為高溫有助于提高相關微生物活性,降雨有助于驅動氮素從土壤移動到水體,促進N2O的生產和排放[7, 16]。其次,研究區的夏天是水稻生長和收獲的季節,大量土壤、肥料和植物中的營養元素在夏季暴雨的作用下從陸地遷移到毗鄰水體,加上研究區農業生產廣泛采用漫灌方式,也促進了營養元素的遷移[17],最終促進N2O的排放。再次,夏天河流和溝渠的流量、流速均高于其他季節,水流動力作用有助于水體中溶解性N2O的排放[8]?？梢姎庀笠蜃雍娃r業活動聯合驅動了農業段河流和農業溝渠的N2O排放時間變異特征。

第四類向陽水庫只有3個月表現為N2O的源,2016年3—11月均表現為N2O的匯,且夏季“匯”的作用最強。并且,水庫的N2O排放月通量與氣象指標(降雨量和水溫)呈顯著的負相關(P<0.05),與表層水的養分指標均呈顯著正相關(P<0.05,圖4)。與河流、溝渠不同,水庫具有深水環境和流速較緩的靜水特征,水中的浮游生物碎屑和其他顆粒態有機物更易聚集、沉降,更易形成較厚的沉積物系統[23]。也與魚塘不同,水庫沒有季節性的養分人為輸入。夏季水庫沉積物中的微生物活性強、生長快;水生動植物新陳代謝、旺盛生長速度快,均對碳氮等養分需求大,因此對N2O的吸收作用最強;而冬季水生動物新陳代謝較弱,對水體浮游植物的捕食強度降低,浮游植物生長較快,促進了N2O的生產和排放[23]。水庫N2O排放的時間變異特征主要受控于氣象因素和水庫生態系統的代謝活動。

綜上所述,研究區不同水體水氣界面N2O排放的時間變異性及其驅動機制均不同。農業類水體的N2O排放通量表現為夏高冬低,受氣象指標和農業活動的聯合驅動;城鄉類河流和魚塘的N2O排放無一致性規律,主要受控于人類活動和養殖活動,均與降雨溫度等氣象指標關系較弱;水庫主要表現為N2O的吸收匯,只在冬季表現為排放源,主要受控于氣象因素。

3.2 不同水體N2O排放通量比較

研究區不同水體水氣界面N2O排放年通量存在差異,其中溝渠的N2O排放年均通量((52.68±36.09) μg m-2h-1)顯著高于其他水體(P<0.05,圖3),這是因為(1)溝渠受農業生產影響最劇烈,且直接與農田毗鄰,降雨時來自于土壤、植物和肥料的氮素能更快的遷移到溝渠中[24];(2)溝渠的流量和沉積物量遠低于河流,對人為輸入氮素的稀釋和同化作用更弱[8]。與國內外研究相比較,川西平原農業溝渠水氣界面N2O的排放通量高于國內丘陵山區溝渠(6.56 μg m-2h-1, 8),也高于英國(1.43—4.49 μg m-2h-1, 26)和美國(35.2 μg m-2h-1, 19)的平原區溝渠。這與該區域農業生產過程中養分面源流失較嚴重、氮沉降劇烈有關[8],暗示農業氮素管控是該區域控制N2O排放的重點。

城市段河流水氣界面的N2O排放年通量,僅次于溝渠,顯著高于鄉鎮段和農區段河流(P<0.05,圖3),這與國內外關于人類活動對河流溫室氣體排放影響的研究結果一致[10, 21, 25],再次證明受城市工業、生活排污的影響,城市對河流N2O排放的促進作用顯著。川西小流域城市段河流水氣界面的N2O排放通量為(34.16±2.16) μg m-2h-1,低于國內大部分城市段河流,如上海河網(79.6 μg m-2h-1,22;184.8 μg m-2h-1,28)、南京河網(62.2—176.0 μg m-2h-1,29);重慶黑水灘河(113.7 μg m-2h-1,10);也低于部分國外的城市段河流,如西班牙Guadalete河(170.1 μg m-2h-1,7);瑞士(108.0 μg m-2h-1,30);美國Kalamazoo河(37.0 μg m-2h-1,19)。因此,從更大的尺度來看,河流不是研究區N2O排放的熱點區域。

向陽水庫的N2O年排放通量((-16.45±29.76) μg m-2h-1)顯著低于是研究區內其他水體,表現為N2O的匯(P<0.05,圖3)。有研究顯示,水庫最易受入庫河流和流域土地利用類型的影響[26],向陽水庫位于川西平原邊緣的林區,其上游流域以林地為主,為水源地一級保護區,相對于其他采樣點,受農業生產和城市排污等人為活動的影響最小。與國內其他報道相比,向陽水庫N2O年排放通量低于江西白云山水庫(0.29 μg m-2h-1,31)、唐山大黑汀水庫(13.6 μg m-2h-1,32)、九龍江水庫(15.9 μg m-2h-1,33)。這是因為(1)研究區水庫上游域以林地為主,養分的人為輸入較小;(2)研究區土壤類型以有機質、肥力都較低的紅壤為主,通過徑流作用遷入水庫的養分濃度也較低。向陽水庫的TN、TP和TC分別為1.22,0.09和5.46 mg/L,均比其他水庫低[26-27]。

綜上,研究區河流和水庫的N2O排放通量低于國內其他地區,而農業溝渠高于其他地區,農業氮素管控是該區域控制N2O排放的重點。

3.3 不同水體N2O產生和排放機制比較

4 結論

(1)西河流域不同水體的N2O排放特征及其驅動因素均不同,可分為四類。第一類農業類水體的N2O排放通量表現為夏高冬低,受氣象指標和農業活動的聯合驅動;第二類和第三類城鄉類河流和魚塘的N2O排放無一致性規律,主要受控于人類活動和養殖活動,而與降雨溫度等氣象指標關系較弱;第四類水庫主要表現為N2O的吸收匯,主要受控于氣象指標。

(2)不同水體的N2O年排放通量差異顯著,溝渠最高,城市段河流和魚塘次之,鄉鎮段和農區段河流再次,水庫最低。并且,而農業溝渠的N2O排放通量高于國內其他地區,農業氮素管控是該區域控制N2O排放的重點。