2020, Vol. 43
表1(Table 1)
自有研究称水库可能是温室气体的净排放源后, 水库温室气体的“源” “汇”效应引起国内外学者的广泛关注[1]。三峡水库建成后, 水位的周期性变化和水生生态系统演变造成的温室气体效应成为国内外研究的热点。通过Rudd等[2]对南美热带雨林地区水库CO2和CH4释放通量观察数据分析来看, 水库温室气体排放已经成为国内外学者的研究热点问题。Fearnside等[3]研究发现一些热带雨林地区水库的温室气体效应可以达到同等发电量的火电厂的数倍。Barros等[4]发现水库建成投入运行时间和所处气候是影响温室效应的关键。目前, 国内大多数研究只关注水库水空气界面CO2和CH4温室气体的通量特征, 或者侧重于季节、气温等对其影响[5-6]。三峡库区前期研究已经基本掌握了三峡库区温室气体昼夜变化和气泡释放通量特征, 但对于库区不同水位运行条件下水体CO2和CH4浓度时空变化特征还不明确[7]。在“蓄清排浑”的水库调度运行方案下, 三峡水库每年2—5月为泄水期, 6—9月水库在低水位运行, 10月至次年1月为高水位运行; 这个反季节性的水位涨落过程在很大程度上影响着水气界面碳源气体的释放。
笔者以三峡库区中段干流为研究对象, 初步探究水气界面CO2、CH4通量在不同运行工况下的时空变化特征, 确定关键影响因素, 为进一步阐释三峡库区中段干流CO2、CH4在水库调度运行下的产汇机制提供理论支撑与数据参考。
1 材料与方法 1.1 研究区域基于前期调研及预备实验, 选择三峡库区库中段涪陵、忠县、万州3个断面为研究对象开展研究工作, 采样点基本情况见表 1。
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表 1 干流各采样点基本情况 Table 1 The features of the sampling spots of the mainstream |
忠县位于重庆市东中部, 其上距重庆190 km, 下距长江三峡大坝386 km。该河段平直宽阔, 水流均匀, 流程88 km, 多年平均流量约12 400 m3/s。
万州位于重庆东北部, 属长江上游区域中心城市, 其上距重庆328 km, 下距三峡大坝里程约283 km。该河段属大型山区河流稳定地段, 河道较为顺直, 流程84.3 km, 多年平均流量约13 700 m3/s。
涪陵居重庆市中部, 位于长江和乌江交汇处, 其上距重庆120 km, 下距长江三峡大坝482 km。该河段属于长江上游典型的山区型河道, 流程86 km, 多年平均流量约11 200 m3/s, 该河段的径流年内分配极不均匀, 汛期6—10月平均流量为1 050 m3/s, 其径流量占全年径流量的74.5%。
选择三峡库区中段涪陵南沱镇, 忠县石宝寨, 万州小周镇作为本研究采样点, 从2017年8月开始, 对所选监测断面开展完整周年逐月定位跟踪观测。
根据三峡工程调度运行规定, 汛期6—9月三峡工程按照145 m低水位防汛运行, 9月底逐渐抬高水位, 10月至次年1月按照175 m高水位。在本文研究期间, 2018年7月初, 三峡水库迎来特大洪水, 水位在短时间内暴涨, 入库流量达到50 000 m3/s。本次监测时间完整地包括了水库泄水期, 低水位运行期, 高水位运行期, 充分考虑了三峡水库调度运行方案, 体现水位周期性变化对CO2、CH4浓度的影响, 也考虑到库区季节因素下水环境特征, 反映水库调度运行和季节变化下对干流CO2、CH4产汇的影响。
1.2 CO2、CH4浓度测试方法由于采样区域环境因素复杂, 气候条件差, 水流湍急, 采样点之间的距离远, 不确定性因素影响大且需要大区域长时间观测, 故采用顶空平衡法与TBL模型估算法对三峡库区干流中段不同深度水体CO2、CH4浓度展开监测工作。每月采样时间设定在每月的20日左右, 每天监测时间控制在上午10:00至下午3:00之间, 采样工具为5 L采样器。具体流程为:将顶空瓶放置于事先装满水样的采水器中, 使水体完全淹没顶空瓶, 拧紧瓶盖确认顶空瓶内无气泡产生, 取出倒置放好, 送回实验室进行进一步测量分析。将装满水样的顶空瓶从仪器盘上取出, 事先准备两支注射器, 其中一支装入5 mL高纯氮, 另一支不做操作。在室温条件下, 将两支注射针头同时插入倒置的顶空瓶, 确保注射气体的针头应高于另一只。再次密封好将顶空瓶放入摇床内机械震荡20 min, 达到水气两相平衡之后抽取瓶内上部气体, 送入气象色谱仪进一步检测, 经TDX-01色谱柱分离, 用FID检测器进一步检验得到CO2、CH4浓度[8-9]。
1.3 数据处理方案本研究所得的实验数据分析计算全部录入Origin®进行统计分析。
2 结果与分析 2.1 水库运行关系图水库调度运行使库区水位和流量呈现周期性变化, 为了进一步了解水位和流量变化对水气界面CO2、CH4交换通量的影响, 分别记录了采样点在2018年4月到2018年9月的水位流量数据。采用清溪场监测站的水位和流量代表涪陵采样点, 由于清溪场没有流量数据, 用寸滩监测站加上武隆监测站的流量数据相加, 近似等于清溪场的流量; 万州、忠县和涪陵之间没有大的支流汇入, 即认为涪陵点位的水位流量数据近似等于万州和忠县采样点的水位流量。不同运行时间的水位流量数据见图 1(数据来源于中国长江三峡集团)。
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图 1 2018年4月至9月期间水位和流量变化 Fig. 1 Waterlevel andflow duringthe periodfrom Aprilto September 2018 |
各采样点水气界面CH4浓度含量随水库运行时间变化情况详见图 2~4。经过一个完整的观测周期发现, ZX点位CH4浓度波动范围为0.02~0.91 μmol/L, WZ点位CH4浓度波动范围为0.02~0.13 μmol/L, FL点位CH4浓度波动范围为0.02~0.65 μmol/L。ZX点位在观测开始的2017年8月达到观测期间的CH4浓度峰值, 接着开始急剧下降, 并在2017年11月下降到最低值。ZX点位分别在2018年1月份和2018年5月份达到相对较高值。同时期FL点位变化趋势与ZX一致, 并且在2018年4月份上升至观测期间最大值, 为0.65 μmol/L, 整个观测期间ZX和FL点位不同水位CH4浓度相差不大。WZ点位不同水层CH4浓度波动较大, 分析可能为采样区域水流湍急和不同水层温度变化较大影响有机物的厌氧分解, 加上外界有机碳通过各种途径进入河流生态系统沉降成沉积物后, 在厌氧状况下, 有机碳在微生物作用下产生CH4, 不同水层CH4传输速率相差较大[10-12]。3个采样点在6—9月均保持观测期间CH4浓度的较低水平, 分析可能为该时期三峡水库遇特大洪水, 水位暴涨加上水流速度加快, 不利于水体植被生长, 厌氧分解过程受到抑制, CH4的释放较少。10月进入三峡水库的高水位调度运行, 不同采样点的CH4浓度均开始缓慢上升。
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图 2 不同运行时期CH4浓度(ZX) Fig. 2 CH4 concentration (ZX) in different operating periods |
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图 3 不同运行时期CH4浓度(WZ) Fig. 3 CH4concentration (WZ) in differentoperating periods |
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图 4 不同运行时期CH4浓度(FL) Fig. 4 CH4 concentration (FL) in different operating periods |
每个采样水气界面CO2浓度含量随运行时间变化情况详见图 5~7。经过一个完整的观测周期发现, 每个观测点位CO2浓度随时间变化趋势一致, 春季CO2浓度最高, 夏季CO2浓度最低。其中ZX点位CO2浓度波动范围为0.008~0.110 mmol/L, WZ点位CO2浓度波动范围为0.006~0.110 mmol/L, FL点位CO2浓度波动范围为0.008~0.090 mmol/L。FL观测点在2018年5月份达到观测期间的峰值, ZX和WZ均在2018年4月份达到峰值。在整个夏季观测期内, FL和WZ观测点均保持不变, 但ZX观测点在2018年7月突然增大, 分析可能为2018年7月发洪水所致。进入9月水库高水位运行期, 水温开始降低, 每个观测点CO2浓度都开始迅速增加。在整个观测期内, 每个观测点不同水层CO2浓度没有明显变化, 表现出水深对于CO2产汇没有明显影响[13-15], 且水底产生的CO2通过扩散或气泡形式向水面大气传输的传输速率在不同水层之间相差不大[16-17]。
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图 5 不同运行时期CO2浓度(ZX) Fig. 5 CO2 concentration (ZX) in different operating periods |
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图 6 不同运行时期CO2浓度(WZ) Fig. 6 CO2 concentration (WZ) in different operating periods |
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图 7 不同运行时期CO2浓度(FL) Fig. 7 CO2 concentration (FL) in different operating periods |
不同观测点位CH4通量在库区不同运行时期的变化情况详见图 8。经过一个完整的三峡库区调度运行周期, 研究发现ZX点位的CH4通量波动范围为-0.13~2.10 μmol/(m2 · h), WZ点位的CH4通量波动范围为-0.54~0.21 μmol/(m2 · h), FL点位的CH4通量波动范围为-0.97~4.98 μmol/(m2 · h)。其中在泄水期运行时期, ZX观测点CH4通量表现为“源”, 进入低水位运行初期出现“源”→“汇”的转变, 但“汇”的量不大, 进入高水位运行期CH4通量整体表现为“源”, 并且大于泄水期运行时的CH4通量。WZ观测点位在整个泄水期和低水位运行期CH4通量均表现为“汇”, 在低水位运行期水库呈现出最大吸收通量为-0.54 μmol/(m2 · h), 进入库区低水位运行末期CH4通量呈现出“汇” → “源”的转变, 但CH4释放通量并不大, 仅为0.21 μmol/(m2 · h)。FL点位CH4通量在泄水期达到库区调度运行的峰值, 且数值明显大于其他两个观测点位。分析原因可能为FL点位在该时期水体藻类迅速繁殖需要吸收大量的CO2和营养盐成分, 死亡后提供大量厌氧消化过程所需的有机物[18-19]。这些藻类会发生聚集, 当达到一定数量时就会发生厌氧的死亡分解, 短时间内释放大量CH4、CO2等温室气体, 只有小部分会先沉降到水底再缓慢释放[20-22]。
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图 8 CH4通量与运行时期关系 Fig. 8 Relationship between CH4 flux and operating period |
不同观测点位CO2通量在库区不同运行时期的变化情况详见图 9。经过一个完整的三峡库区调度运行周期, 研究发现ZX观测点CO2通量的波动范围为-0.12~3.16 mmol/L, WZ观测点CO2通量的波动范围为-0.48~2.88 mmol/L, FL观测点CO2通量的波动范围为-0.38~2.13 mmol/L。干流上3个观测点在泄水期均达到CO2通量的峰值, 分析可能为水流逐渐进入库区干流观测点位后, 水体容量增大导致对碳的沉淀利用作用增强, 加上来自外源碳的不断摄入, 水库碳含量明显增加, 导致CO2扩散通量逐渐增加。在低水位运行期WZ和FL点位CO2通量表现为“汇”, ZX观测点位CO2通量仍然表现为“源”, 但数值很小。造成3个观测点位CO2扩散通量减小的原因可能为2018年7月份重庆三峡库区遇特大洪水, 水位暴涨和浮游植物的增加, 光合作用效果远大于呼吸作用效果, 导致观测点位水气界面CO2通量减小。进入库区高水位运行期, 3个观测点位CO2通量均表现为“源”, 数值都几乎为库区泄水期CO2通量的一半, 分析可能为硝态氮含量增加, 加上浮游植物呼吸作用效果大于光合作用效果[23-24], 导致CO2释放达到一个相对小高峰。
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图 9 CO2通量与运行时期关系 Fig. 9 Relationship between CO2flux and operating period |
对观测区域每月CO2、CH4通量进行全年平均估算, 选择环境要素作为参考, 研究区域CO2全年平均释放强度为21.12 mmol/(m2 · d); CH4通量全年平均释放强度为7.92 mmol/(m2 · d)。通过对Soumis等[25]、St Louis等[18]、Huttunen等[27]相关样本进行对比分析, 三峡库区干流中段CO2扩散通量在全球范围内处于中等水平; CH4通量则远低于St Louis等[18]、Huttunen等[27]收集的数据的平均值。全球主要水库CO2、CH4通量见表 2, 3。
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表 2 世界上主要水库水气界面CO2扩散通量 Table 2 CO2 diffusion flux atthe water-gas interface of major reservoirs inthe world |
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表 3 世界上主要水库水气界面CH4扩散通量 Table 3 CH4 diffusion flux at the water-gasinterface of major reservoirs in the world |
1) 在2017年8月至2018年11月一个完整水文周期内, 库区干流中段CH4通量在水库低水位运行期表现为“汇”, 其中FL点位在泄水期达到“源”的最大值; 3个采样点在CO2通量在泄水期均表现为“源”的特征, 低水位运行期为CO2通量表现为“源”与“汇”的转换。
2) 三峡库区干流中段各观测点位CO2、CH4浓度均呈现出高度的时空异质性特征, 二者变化不具有同步性, 但均在夏季保持完整周期内的最低值, 其中CO2浓度在库区开始进入低水位运行的5—6月均出现急剧下降。
3) 通过与国外已有水库监测数据比较分析, CO2扩散通量在全球水库序列中处于中等水平, CH4扩散通量在全球水库序列中处于中等偏下水平。
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