摘要
池塘和小型水库作为中国数量最多、分布最广的水体，是碳收支核算的重要组成部分。随着塘库水体富营养化加剧，水体的碳排放过程发生变化，增加了塘库碳排放通量计算的不确定性。本研究以竹溪河流域2个池塘、3个水库为研究对象，开展为期9个月的水-气界面CO2、CH4通量监测，并在此基础上进一步探讨小型水体富营养化对CO2、CH4排放的影响。结果表明，中度富营养化塘库的CO2、CH4平均排放通量高于轻度富营养化、中营养的塘库，同时轻度富营养化塘库的CO2、CH4平均排放通量高于中营养塘库；对应的水-气界面中营养塘库的CO2平均排放通量为17.32 mmol/(m2·d)，CH4平均排放通量为0.42 mmol/(m2·d)；轻度富营养化塘库的CO2平均排放通量为17.89 mmol/(m2·d)，CH4平均排放通量为0.48 mmol/(m2·d)；中度富营养化塘库的CO2平均排放通量为19.37 mmol/(m2·d)，CH4平均排放通量为0.78 mmol/(m2·d)；整体表现为CO2、CH4的源。CO2、CH4排放通量与温度、溶解氧和pH等影响因素综合变化有关。随着小型水体塘库富营养水平的提高，CO2、CH4排放通量呈非线性增加的趋势，中度富营养化水体的CH4排放通量约是中营养水体的2倍，这表明降低水体富营养水平可有效减少水体CH4等温室气体的排放。因此，为准确估算和预测小型水体CO2和CH4等温室气体的排放量，应将富营养化水平作为潜在的影响因素。
Abstract
The ponds and small reservoirs have a large number and wide distribution across China, and are thus an important component in the accounting of carbon balance. With the increasing eutrophication of these water bodies, the carbon emission processes changed considerable, increasing the uncertainty of calculating carbon emission fluxes of ponds/reservoirs. This study took two ponds and three reservoirs in the Zhuxi River Basin as the study areas. A nine-month monitoring of CO2 and CH4 fluxes was conducted at the water-air interface. Based on the monitoring results, the study investigated the impacts of eutrophication on CO2 and CH4 emissions in these small water bodies. The results showed that the average CO2 and CH4 emission fluxes were highest in the moderately eutrophic ponds/reservoirs, followed by lightly eutrophic ponds/reservoirs, and lowest in mesotrophic ponds/reservoirs. In mesotrophic ponds/reservoirs, the average CO2 and CH4 emission fluxes at the water-air interface were 17.32 and 0.42 mmol/(m2·d), respectively. In lightly eutrophic ponds/reservoirs, the average CO2 and CH4 emission fluxes were 17.89 and 0.48 mmol/(m2·d), respectively. In moderately eutrophic ponds/reservoirs, the average CO2 and CH4 emission fluxes were 19.37 and 0.78 mmol/(m2·d), respectively. Overall, the study found that these water bodies acted as sources of CO2 and CH4. The CO2 and CH4 emission fluxes were influenced by various factors, including temperature, dissolved oxygen, and pH. With the increase in eutrophication of small water bodies, the emission fluxes of CO2 and CH4 showed a nonlinear increasing trend. The CH4 emission flux in moderately eutrophic water bodies was approximately twice that of mesotrophic waters, indicating that controlling eutrophication could effectively decrease greenhouse gas emission such as CH4 from water bodies. Therefore, to accurately estimate and predict greenhouse gas emissions such as CO2 and CH4 from small water bodies, eutrophication should be considered as a potential influencing factor.
Keywords
内陆水体在全球碳循环中发挥着重要的作用，同时是大气中二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）等气体的重要来源[1-3]。湖泊、河流、水库等水体向大气排放的CO2、CH4（2.1 Pg/a的CO2和103 Tg/a的CH4）削减了陆地碳汇的作用[4-5]，加剧气候变暖[3]。反之，由于持续的全球变暖和水体富营养化，未来内陆水体的CO2排放将显著增加或者减少，CH4排放将显著增加[6-7]。有学者对不同区域乃至全球内陆水体的CO2、CH4的排放估算差异较大，而对小型水库、养殖灌溉池塘等小型水体的研究尤显不足。目前小型水体面积虽小，但在全球区域数量多，碳排放不容忽视。有研究估计占有全球内陆水体8.6%面积的小型水体贡献了15.1%的CO2和40.6%的CH4扩散排放[8]，表明这些小型水体在全球温室气体循环和气候调控中发挥着巨大作用[9]。当前大多数研究以大型湖泊、河流和水库为主[10-11]，对于面积不易统计且位置分布难以确定的小型水体CO2、CH4排放关注较少[12]。此外，小型水体更容易受到气候变暖、水文变化和人为活动等因素的影响，造成CO2、CH4排放估算存在很大的不确定性。其中池塘、小型水库等水体由于水深较浅、面积较小，单位面积收纳更多的生源要素，易受人类活动干扰，致使其生物地球化学循环过程异常活跃，是大气CO2、CH4的重要自然排放源[13-14]。因此，开展池塘、小型水库等小型水体的CO2、CH4排放研究对准确评估内陆水体在CO2、CH4收支清单中的贡献占有重要的意义。
小型水体由于水深较浅、表面积不大、蓄水较少且对外部营养物质和污染负荷输入的承载力有限，通常会呈现出富营养化状态[8]。根据已有的研究发现，小型水体CO2、CH4的排放与富营养化密切相关[15]。关于水体富营养化对CO2排放的影响目前有两种观点，第一种观点是CO2排放会随富营养水平提高呈线性或非线性增加[7，15-16]，另一种观点是CO2排放会随富营养水平提高而减少[17]。当研究区域水体处于异养型代谢时，产生的CO2大于吸收，会使CO2出现增加的趋势；而当水体处于自养型代谢时，产生的CO2小于吸收，会使CO2出现减少的趋势，富营养化水平越高，CO2排放增加或减少趋势就越明显[17]。而水体富营养化与CH4排放呈正相关，水体富营养水平越高，CH4排放就越多。有研究发现水体CH4排放通量与富营养水平呈显著非线性增加的关系[7]；也有研究发现水体CH4排放与富营养水平呈显著线性增加的关系[16]。因此富营养化的水体不仅促进了浮游植物的繁殖、生长和代谢过程，还引起藻类分解，改变表层沉积物的物理化学性质，导致溶解氧的消耗和有机物的矿化，同时也为CO2、CH4提供适宜的环境和充足的底物[18]，使得小型水体成为大气CO2、CH4的热点区域[19]。
中国小型水体数量高达510.8万个，面积总计3.2万km2，占水体面积的17.85%；湖泊、水库、池塘的数量总计达517.8万个，水体面积17.93万km2，约占全国陆地面积的1.87%[20]。但随着人口的增加、化肥的广泛使用和污水排放量进一步增加，21世纪末水库、池塘等水体中营养物质浓度可能增加3倍，使水体富营养化严重，水体初级生产力增加50%，极大可能会促进CO2、CH4的排放[21-22]。鉴于上述背景，本研究以重庆北碚丘陵山区5个塘库为研究对象，进行水-气界面CO2、CH4扩散通量的监测。探讨小型水体塘库水-气界面CO2、CH4扩散通量的排放特征及影响因素，并建立CO2、CH4扩散通量与不同富营养化塘库营养状态指数（EI）的非线性关系，以评估富营养化小型水体与CO2、CH4排放之间的关系，并为未来研究丘陵山区塘库CO2、CH4排放通量提供科学参考。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
选取重庆市北碚区柳荫镇、静观镇、金刀峡镇的2个池塘——池塘A（29°57′N，106°37′E）、池塘B（29°57′N，106°36′E）和3个水库——水库C（29°54′N，106°33′E）、水库D（29°55′N，106°34′E）、水库E（30°2′24″N，106°39′36″E）开展研究（图1）。研究区域所在流域为竹溪河流域，该流域属于嘉陵江流域，5个塘库面积分别为0.0013、0.0018、0.0229、0.0338、0.5112 km2。研究区域属亚热带湿润性季风气候，降雨主要集中在5—10月，区域年平均降雨量为1100 mm，年平均气温为16~27℃。研究区域地势东低西高，地形以山地丘陵为主。研究区地理位置见图1。
图1竹溪河流域地理位置及采样塘库
Fig.1Geographical location of the Zhuxi River Basin and sampling ponds and reservoirs
1.2 实验方法
本实验以长期野外采样观测为主，于2023年11月-2024年7月使用漂浮箱法[23]和气相色谱仪监测水-气界面的CO2、CH4扩散通量。采样频率为每月一次，采样时间为每月下旬并选择天气晴朗的两天（因为采样点比较多，清晨和傍晚温度差异比较大，故而选择两天采完），在每个塘库设置3个采样点位，且每次采样点位置均保持不变。静态箱由采集箱和泡沫漂浮架组成，采集箱由长0.4 m、宽0.3 m、高0.175 m的PE材质以及外部附着隔热膜组成，另外箱体顶部安装了小型风扇用来混合均匀箱体内部气体，箱体顶部有两个PVC透明软管，一根用来采集气体，另外一根用来平衡箱内和大气气压平衡。采样前，箱体置于通风处倒置，使箱内气体混合均匀，一旦静态箱安置水面成功，立即抽取气体，作为0 min气样，随后于5、10、15、20、25、30 min时分别采集气样，每次抽取100 mL气体，带回实验室使用气相色谱仪分析完毕。同步检测采样点水下20 cm的水温、pH等（YSI多参数水质分析仪），叶绿素a浓度（便携式叶绿素a检测仪，霍尔德HED-YL-100）、气温、风速和大气压采用手持气象仪（FT-SQX，中国）完成。水样采集时，先将采水器冲洗两次后，再采集水样用于营养盐分析。当天采集的水样带回实验室后用45 μm的滤纸进行过滤后，立即进行各项指标的测定。总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH3-N）和硝态氮（NO-3-N）浓度按照国家标准方法进行测定（TN: GB/T11894—1989、TP: GB/T11893—1989、NH3-N: GB/T7479—1987、NO-3-N: HJ/T346—2007）。溶解性有机碳（DOC）和溶解性无机碳（DIC）通过multi N/C 2100S总有机碳分析仪（Analytik Jena，德国）进行测定。
1.3 水—气界面CO2、CH4通量计算
CO2、CH4水-气界面通量计算公式为：
(1)
式中，F为水-气界面CO2、CH4扩散通量，mg/（m2·d）；k为采集箱内CO2、CH4浓度随时间的变化率，10-6/s；F1为气体标准温度和压力下ppm到mg/m3的转换系数；F2为秒与天的转换系数（86400）；v为采集箱在水面时的箱体体积，m3；A为采集箱所覆盖的水面面积，m2。计算后使用待测气体的质量浓度换算成摩尔质量通量，mmol/（m2·d）。
营养状态指数（EI）需要计算水体中叶绿素a、TN、TP、透明度等指标[24]，其中叶绿素a为必评项目，采用线性插值法将水体叶绿素a等浓度转换为赋分值，根据公式计算EI，即：
(2)
式中，En为评价项目赋分值，N为评价项目个数。根据营养状态指数评价标准及分级表来确定营养状态分级。结果参照湖库营养状态评价标准及分级方法[25]：EI≤20为贫营养；20＜EI≤50为中营养；EI＞50为富营养，其中50＜EI≤60为轻度富营养，60＜EI≤80为中度富营养，80＜EI≤100为重度富营养。
1.4 数据分析
使用SPSS软件的相关性分析方法分析CO2、CH4通量与水体理化指标及气象因素的相关参数，采用单因素方差分析（one-way ANOVA）和非参数检验分析不同富营养水平塘库CO2、CH4通量与水体理化指标的显著性差异，其余数据处理分析及图形绘制使用Excel 2021、Origin 2021、R语言完成。
2 结果分析
2.1 塘库监测期间水体的理化指标
研究区域5个塘库划分为3种不同富营养水平（中营养塘库、轻度富营养塘库、中度富营养塘库），根据以上营养状态指数评价标准及分级方法，池塘A、B为中度富营养、水库C为轻度富营养、水库D、E为中营养。从2023年11月-2024年7月小型水体塘库水温、Chl.a、TN的逐月变化（图2）可见，3种不同富营养水平塘库的水温表现出明显的时间变化趋势，且变化趋势一致。中营养、轻度富营养、中度富营养塘库的Chl.a均值分别为（2.84±2.50）、（41.15±52.27）、（56.17±21.02） μg/L，此外，Chl.a浓度也有明显的时间变化趋势。中度富营养塘库的平均Chl.a浓度显著高于其他富营养化塘库（P＜0.05），并且2024年5月（89.75 mg/L）显著高于其余月份（P＜0.05）。此外，3种不同富营养水平塘库的营养盐浓度也呈现出巨大差异。以TN为例，中度富营养塘库的TN浓度显著高于其他2种不同富营养塘库（P＜0.05），并且在2024年4月（2.52 mg/L）和2024年6月（2.69 mg/L）出现极大值。
不同富营养水平塘库的水体理化指标如表1所示。研究期间，监测点位的水温范围为7.2~27.33℃，水体的理化参数在不同区域表现出显著的空间变化，这些变化遵循营养状态相对应的趋势。TN浓度呈增加趋势（从0.71 mg/L增加到1.78 mg/L），对应于富营养水平从中营养向中度富营养转变。TP、NH3-N、Chl.a浓度也表现出与TN浓度变化相同的趋势。中度富营养水体的TN、TP浓度分别比中营养水体高约2倍和10倍，特别是中度富营养水体Chl.a浓度比中营养水体高约20倍。DO浓度（8.05~6.68 mg/L）与TN浓度呈显著负相关（P＜0.05），pH和DOC无显著相关，然而，pH与DO浓度呈显著负相关（P＜0.05），同时Chl.a与TN、TP、NH3-N浓度均呈显著正相关（P＜0.05）（表2）。
图2研究期间不同富营养水平塘库水温、Chl.a、TN浓度逐月变化
Fig.2Monthly variations in water temperature, Chl.a and TN concentration in different eutrophic ponds and reservoirs during the observation period
表1研究期间不同富营养水平塘库水体的理化参数*
Tab.1 Physicochemical parameters of water in different eutrophic ponds and reservoirs during the observation period*
*表格中的数据为平均值±标准差，上标不同小写字母表示差异性显著（P＜0.05）。
2.2 不同富营养水平塘库CO2、CH4通量时间变化及影响因素
2023年11月到2024年7月不同富营养水平塘库CO2、CH4通量均存在显著的时间动态变化（图3），中度富营养化塘库的CO2通量显著高于其他富营养化塘库（P＜0.05），CO2排放通量最大值出现在2024年4月，为46.64 mmol/（m2·d），是CO2的强源，最小值出现在2023年11月，为5.08 mmol/（m2·d）；CH4的扩散通量最大值出现在2024年1月，为1.88 mmol/（m2·d），最小值出现在2024年5月，为0.27 mmol/（m2·d）。轻度富营养塘库CO2通量存在两个峰值，分别在2024年1月（25.84 mmol/（m2·d））和2024年5月（34.37 mmol/（m2·d））；CH4通量最大值出现在2024年1月（1.24 mmol/（m2·d））。中营养塘库的CO2、CH4通量随时间呈“升高-降低-升高-降低”的趋势，变化幅度相对较小，CO2通量在2024年7月表现为碳汇（-3.43 mmol/（m2·d））。
表2CO2、CH4通量与环境因子间的Pearson相关系数
Tab.2 Pearson correlation coefficients between CO2， CH4 fluxes and environmental factors
*表示在0.05水平上相关性显著；**表示在0.01水平上相关性显著（均为双尾检验）；WT：水温；AT：气温。
图3不同富营养水平塘库CO2、CH4通量的时间变化
Fig.3Temporal variations of CO2 and CH4 fluxes in different eutrophic ponds and reservoirs
塘库的CO2、CH4产生与释放是一个比较复杂的生物地球化学反应过程，对外界各种环境因子比较敏感。通过对不同富营养水平塘库的CO2、CH4通量与环境因子的相关性分析，探讨不同富营养水平塘库水-气界面CO2、CH4排放通量的主要影响因素。结果发现轻度富营养（P＜0.05）、中度富营养（P＜0.01）塘库的CO2通量与DO浓度呈显著负相关关系；而中营养（P＜0.01）、轻度富营养（P＜0.05）塘库的CO2通量与pH呈显著负相关；轻度富营养、中度富营养塘库CO2通量与其他环境因子未呈现出显著关系；中营养、轻度富营养、中度富营养塘库CH4通量与DO浓度均呈显著负相关关系，且轻度富营养、中度富营养塘库CH4通量与水温呈显著负相关关系（P＜0.05）。
2.3 不同富营养化塘库CO2、CH4排放通量的非线性关系
研究期间，不同富营养化塘库CO2、CH4排放通量差异较大。中营养、轻度富营养、中度富营养的平均CO2排放通量分别为17.32、17.89、19.37 mmol/（m2·d），平均CH4排放通量分别为0.42、0.48、0.78 mmol/（m2·d），其中中度富营养塘库的CH4平均排放通量是中营养塘库的2倍。随着塘库的富营养水平由中营养向中度富营养转变，塘库的富营养化状态加速了CH4的排放。
用线性函数来拟合5个塘库CO2和CH4的平均排放通量与EI之间的关系（R2=0.883，P＜0.05； R2=0.804，P＜0.05），同时用非线性指数函数来拟合5个塘库CO2和CH4的平均排放通量与EI之间的关系（R2=0.987，P＜0.01；R2=0.998，P＜0.01）（表3），可以对比看出非线性函数拟合CO2、CH4排放通量与EI的效果较好。5个塘库CO2、CH4排放通量与EI呈正相关（图4），CO2、CH4的排放通量会随着富营养化水平提高呈指数上升趋势，富营养化塘库是CO2、CH4排放的巨大来源之一。根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）2013年和2014年报告，近100年期间，CH4的全球变暖潜能比CO2约大34倍，因此将CH4通量转化为CO2当量，以比较并评价CH4在温室气体排放方面的增温潜力（GWP）和排放强度[7，26]。结果发现CH4排放当量占所有碳排放当量的比例达43%以上，5个塘库的CH4排放当量占比与EI呈正相关（图5），用非线性指数函数来拟合CH4排放当量占比与EI之间的关系（R2=0.997，P＜0.01），结果表明CH4排放当量占比也是随着富营养水平提高呈指数上升趋势。水体富营养水平提高越多，对CH4排放当量占比的影响就越大。
表3CO2、CH4平均排放通量与EI线性与非线性拟合的函数对比
Tab.3 Comparison of linear and nonlinear fitting functions for the average emission fluxes of CO2 and CH4 with the trophic status index (EI)
研究发现，CO2、CH4通量以及CH4排放当量占比的突变点在EI 55附近（图4、图5），之后随着EI提高，CO2、CH4通量以及CH4排放当量占比增加越快，且CH4通量随着富营养化水平提高，CH4排放当量占比就越大（图5）。
图4水体营养状态指数与5个塘库CO2和CH4排放通量的关系
Fig.4The relationship between trophic status index and CO2 and CH4 emission fluxes in five ponds
3 讨论
3.1 不同营养状态的塘库水-气界面CO2、CH4通量变化规律及其影响因素
野外连续采样监测表明，中度富营养化塘库、轻度富营养化塘库、中营养塘库的CO2、CH4通量均有明显的时间变化趋势（图3）。且本文中不同富营养化塘库平均CO2、CH4通量均为正值，是大气排放的源，这与之前对小型水体池塘以及淡水湖泊水体的研究结果一致[9，11，19]。本研究中，中营养塘库、轻度富营养化塘库和中度富营养化塘库的CO2排放通量分别为（17.32±13.89）、（17.89±10.91）、（19.37±8.41） mmol/（m2·d），CH4的扩散通量分别为（0.42±0.25）、（0.48±0.25）、（0.78±0.55） mmol/（m2·d）。黄婷等[19]研究的小型景观池塘的CO2、CH4平均排放通量分别约为（78.6±66.9）和（2.31±3.48） mmol/（m2·d）；Li等[11]对全国湖泊水库的CO2、CH4平均排放通量进行估算，分别约为（37.30±68.5）、（2.00±5.8）mmol/（m2·d），均高于本研究结果。与其他大型水体的研究结果类似，丘陵山区塘库CO2和CH4的排放通量相对接近。例如，在美国威斯康星州某个水库的CO2排放通量范围为0.40~45.70 mmol/（m2·d），CH4排放通量范围为0.12~1.71 mmol/（m2·d）[27]；在美国科罗拉多州的水库CH4排放通量范围在0.07~12.94 mmol/（m2·d）之间[28]；同时与全球湖库水体CO2、CH4排放通量均值接近（分别为24.4和0.44 mmol/（m2·d））[3，5]。本研究丘陵山区塘库CO2、CH4的排放通量相对偏低，原因在于除了受不同经纬度、海拔、降雨这些因素影响外，CO2、CH4排放还可能与塘库面积、流域等因素有关。
图5营养状态指数与CH4排放当量占比的关系
Fig.5The relationship between the trophic status index and CH4 emission equivalent proportion
不同富营养化塘库CO2排放通量差异可能与其水环境因素相关。本研究发现DO、pH对CO2排放通量具有较好指示性，轻度富营养化塘库、中度富营养化塘库的CO2通量与DO浓度呈显著负相关，中营养、轻度富营养化塘库CO2通量与pH呈显著负相关（表4）。水体中营养物质的分解、底栖生物和浮游生物的呼吸作用等过程都会消耗氧气，导致DO浓度下降，并产生CO2[29]。有研究指出，随着水体营养程度的增加，CO2通量与DO浓度之间的负相关将会越来越显著[30]。CO2通量与DO浓度的显著负相关关系证明景观水体代谢是调控CO2通量的关键[19]。同时DO与CO2呈负相关关系可能源自于2个过程——呼吸过程（消耗O2，产生CO2）和光合作用（消耗CO2，产生O2），原因在于藻类的繁殖使初级生产力提高，光合作用增强，导致CO2减少和DO增加[31]。本研究中度富营养、轻度富营养塘库通过降雨径流收纳大量的外源负荷，使CO2排放通量较高，而DO浓度相对中营养塘库却较低（表1），与DO与CO2排放通量呈负相关相符。表明了塘库接收的外源污染物增加促进了水体方面的代谢，增加了O2的消耗和CO2的产生。值得注意的是，中营养塘库的营养盐负荷较低，其DO浓度与CO2通量没有显著负相关，而中营养塘库有较高的DO浓度（表1），可能是由该塘库水体的光合作用和浮游生物的呼吸作用共同导致。pH与中营养、轻度富营养化塘库呈显著负相关关系（表4），pH是通过影响水体碳酸盐浓度平衡进而影响CO2的释放和吸收，对小型水体CO2排放具有较强的指示性[7，19]。
不同富营养化塘库的CH4通量与DO浓度具有显著的负相关关系（表5），DO浓度可以更好地指示中营养、轻度富营养、中度富营养塘库CH4通量变化，随着富营养水平的提高，DO浓度开始降低（表1）。水体CH4的产生和释放一般需要厌氧环境，较低的DO浓度有利于CH4的产生和排放，而较高的DO浓度会使CH4氧化并降低CH4的产生和排放，因此本研究中不同富营养化塘库的CH4通量与DO浓度呈负相关关系[7，32]。DO不仅是评估水环境质量的重要参数，也能反映水体内生物化学循环过程[33]。因此，DO可以作为关键的环境指标，用来反映在生物化学过程中对小型水体中CH4产生和排放的影响[34]。研究发现轻度富营养、中度富营养塘库的CH4排放通量与水温呈显著正相关关系，温度对CH4排放的影响很大[35]，温度上升通常会增强产甲烷菌及其他微生物的代谢活性，增加底泥中产甲烷菌的数量，加速有机物的分解，从而促进水体CH4的排放[36]，相反，温度降低可能会减少CH4的排放。
表4不同富营养水平塘库CO2通量与环境因子的Pearson相关系数
Tab.4 Pearson correlation coefficients between CO2 fluxes and environmental factors in different eutrophic ponds and reservoirs
*表示在0.05水平上相关性显著；**表示在0.01水平上相关性显著（均为双尾检验）。
表5不同富营养水平塘库CH4通量与环境因子的Pearson相关系数
Tab.5 Pearson correlation coefficients between CH4 fluxes and environmental factors in different eutrophic ponds and reservoirs
*表示在0.05水平上相关性显著；**表示在0.01水平上相关性显著（均为双尾检验）。
3.2 不同富营养状态塘库的CO2、CH4排放的非线性响应
近年研究表明，小型水体（如淡水湖泊）是CH4排放的一个巨大的潜在来源[37]。小型水体中持续累积的碳氮污染物会导致富营养化，形成缺氧的沉积环境。这种条件下，有机质的厌氧降解（主要通过产甲烷菌作用）会显著提升CH4排放通量。大量的研究表明，湖泊、水库等水体的富营养化会导致水-气界面CH4的排放[7，22，38]，这与文中水体富营养水平越高会导致CH4排放的增加一致。湖泊富营养水平升高会减少CO2的排放，是因为随着研究区域湖泊生态系统的完善，湖泊从异养型代谢转变为自养型代谢，从而转变为CO2的汇[17]，这与文中塘库富营养水平越高，CO2排放越高相反，这是因为研究区域塘库系统与流域中的水系连通，流域中的碳、氮和磷等营养物质随着径流不断输入，系统中虽然有藻类生长，但是较多外源碳的矿化分解使其成为CO2的排放源。而中营养塘库2024年7月成为碳汇，原因可能在于夏季温度升高、日照时数延长等会促使水体浮游植物等快速繁殖，提高初级生产力，促进水体浮游植物光合作用，最终导致CO2排放成为碳汇。
小型水体塘库的氮、磷营养盐富集会促进水体的初级生产力，引起藻类的有机质积累并降解，成为CH4产生并排放所需要的先决条件[39]。人为活动造成大量营养盐元素的输入会导致小型水体塘库富营养水平加剧，促进了藻类的繁殖[40]。通过研究发现，藻类的繁殖会驱动CH4的排放[41-42]。众所周知，叶绿素a可以表征藻类生产力[43]，同样叶绿素a浓度与水-气界面CH4的排放有较好的对应关系，而叶绿素a浓度较高的水体通常对应CH4高排放速率[41，44]。多数研究表明，富营养化可能是驱动小型水体CH4释放的关键因素[7，41，45]。小型水体中CH4高强度排放主要由富营养化驱动，营养物质的输入不仅为藻类生长提供了必要元素，也为水体微生物的活动提供了能量来源[46]。此外，营养物质的输入提高小型水体初级生产力，为CH4产生和释放提供底物，进一步影响CH4的产生和排放[44，47]。除此以外，沉积物底部产生CH4会间接增加CO2的排放，生成的CH4从底部向上移动时，遇到有氧环境会被氧化成CO2[48]。富营养化引起的蓝藻衍生的碳积累在沉积物表面，会改变沉积物物理化学性质，增加水分含量和有机碳，促进微生物的活动，导致CO2增加[16]。同时CO2、CH4产生和排放也与丘陵山区环境因素相关，相比平原区，丘陵山区塘库流域土壤侵蚀更为剧烈，池塘泥沙沉积速率更大。有研究表明泥沙沉积越多会导致CH4产生速率越快[49]，另一方面，泥沙淤积导致塘库库容减小，深度变浅，更浅的水深有利于CH4排放[50]。除此之外，丘陵山区塘库富营养化严重，会促进藻类大量生长繁殖，导致藻类死亡分解，并在表层沉积物创造一个厌氧环境，抑制表层沉积物中CH4氧化过程，有利于水体微生物产甲烷菌和甲烷氧化菌分解代谢以及CO2、CH4产生和排放[16]。
研究发现，不同富营养水平的小型水体对CH4的排放通量具有较大的贡献，随着富营养水平的提高，CH4的排放通量呈指数增长[41]。同时CO2排放通量也会随着富营养水平的增加呈指数上升（图4），这与Zhou等[7]的研究一致。随着小型水体富营养等级每上升一个等级，CO2、CH4的排放速率会越来越快。特别在富营养水平越高的小型水体中，对应的CO2、CH4排放通量往往是其他较低富营养化水平水体的数倍以上。Zhou等[7]研究指出富营养化指数（TLI）每增加一级，CO2的排放通量会呈指数上涨，CH4的排放通量将会提升10倍。综上所述，不同富营养化塘库的CO2、CH4排放会随着营养水平的升高而增加，且CH4排放通量随着营养水平提高，其占碳排放当量的比例越大（图5）。因此在如今全球变暖的背景下，有必要采取塘库管理和生态恢复，将塘库的EI值控制在55以下（图5），不仅可以有效降低CO2、CH4的排放，减少塘库对大气释放温室气体，还可以改善水质，进一步实现碳中和的目标。
4 结论
本研究对丘陵山区不同富营养化塘库CO2、CH4排放通量与环境变量进行研究，结果表明，丘陵山区塘库CO2与CH4的排放通量均值呈正值，是大气的净排放源；与其他研究相比，丘陵山区塘库的CO2、CH4排放通量均值与全球湖库的均值接近；受温度、溶解氧和pH的综合影响。水体富营养化是影响CO2、CH4排放的关键因素，表现为CO2和CH4排放通量随富营养水平的提升呈指数型上升，这一研究为初级生产力较高的小型水体CO2、CH4排放通量增加提供了进一步的证据。而小型水体塘库的CO2、CH4产生和排放受水体内部因子和外部环境因素的综合调控，其潜在的控制机制和复杂多变的关系还需要进一步讨论。
