2019, Vol. 31 
CO2、CH4和N2O是导致全球气候变暖的主要温室气体, 对温室效应的贡献率分别为60 %、15 %和5 % [1-2].内陆水体是温室气体重要的源和汇, 湖泊生态系统作为内陆水体的一部分, 虽然面积远小于海洋, 但因其位于内陆, 受人为影响较大, 与陆地生态系统的物质、能量、信息交换强烈, 且湖泊生态系统的生产力较高[3], 因此也是温室气体的重要排放源[2-3].水生植被是湖泊生态系统的重要组成部分, 具有多种生态功能, 对水体的C、N循环过程起着重要调节作用.不同类型的水生植物通过自身特性影响、改变所处水体环境的物理和化学条件, 从而形成与其相辅相成的生物学环境条件, 与水体中的微生物进行复杂的交互作用, 最终影响发生在水体和底泥中的各种生化反应过程, 从而影响水体温室气体的产生和排放[4-5].
城市湖泊多属于静止或缓流水体, 由于地理位置的特殊性, 相对封闭, 交换能力差, 底泥较厚且有机质和N、P等营养物质丰富, 常处于富营养状态[6].陆源有机物的大量输入及其在底泥中的储存会刺激水生生物和微生物的新陈代谢, 由此导致温室气体的大量产生和排放[2].近年来, 对富营养化水体具有较强适应能力和净化作用的沉水植物-菹草逐渐成为城市湖泊水生植物的优势种[7]；而另一方面, 为了景观需要, 城市湖泊中往往会种植观赏性水生植物如睡莲(浮水植物)、荷花(挺水植物)等.已有研究较多关注湖泊温室气体的源汇效应及环境参数(气温、气压、太阳辐射、日照时数、风速等)和水体环境因子(pH、DO、盐度、营养盐水平等)对温室气体排放的影响[8-10], 未考虑不同水生植被的影响；而部分已有关于水生植被对温室气体排放影响的研究多基于实验室模拟[5, 11-12]或短期监测[4, 13], 缺乏长期现场监测的研究结果.当前对湖泊温室气体排放通量的研究除静态箱观测法外, 顶空平衡法也是较为常用的方法之一[8, 10].本研究选择位于山东省聊城市市区的铃铛湖, 于2015年4 -11月(非冰封期)采用顶空平衡法对铃铛湖不同植被区水体中温室气体的溶存浓度及水质指标进行了监测分析, 比较了不同植被区水体中温室气体浓度、饱和度和排放通量的差异, 探讨了影响水体中温室气体溶存浓度的因素, 研究结果为深入理解城市湖泊温室气体浓度的时空变化特征及其与环境因素之间的相互关系, 准确评估城市湖泊中植被的选择对大气中温室气体的影响提供了科学数据支撑和理论参考.
1 材料与方法 1.1 采样区域概况聊城市位于温带季风气候区, 四季分明, 属半干旱大陆性气候.聊城市有“江北水城”之称, 仅市区水域面积就多达13 km2.铃铛湖属于聊城市城区河湖水系, 位于京杭古运河河畔, 是典型的城市景观水体.铃铛湖东西约1 km, 西接东昌湖, 东通京杭古运河, 水面约10 hm2, 平均水深2 m, 水面开敞广阔, 主要植被有菹草(Potamogeton crispus)、睡莲(Nymhaea tetragona)和莲藕(Nelumbo nucifera), 在岸边零星分布有少量的芦苇和香蒲；因此按主要植被类型的不同, 将水域分为菹草区、睡莲区和莲藕区, 并在各区植被生长较为均一的水域各设置1个采样点(图 1), 该采样点避开了有芦苇和香蒲生长的水域且离岸带有一定距离, 因此芦苇和香蒲对各植被区水体环境的影响可忽略不计.
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图 1 铃铛湖植被分布和采样点示意 Fig.1 Sketch of Lake Lingdang showing the vegetation zones and sampling sites |
于2015年4 -11月按每月2次的频率分别在铃铛湖的菹草区、睡莲区和莲藕区定点采集水样、水中气体和空气样品(由于8月份处于雨季受降雨影响, 水体波动较大, 故未进行采样), 每次样品的采集时间均为采样当天下午3:00.使用注射器采集现场空气(3个平行样)于气体采样袋中；采用卡盖式采水器采集水面下20 cm处水样, 将水样注入100 ml两头具有密封硅胶垫和密封螺帽的有机玻璃管内, 并使其溢出2/3管体积的水样后密封, 并注入0.2 ml饱和HgCl2溶液以抑制微生物活性, 每个样点取3个平行样用于测定水中N2O、CH4的溶存浓度；同时按相同步骤再采集3个平行样但不加饱和HgCl2用于测定水中溶存的CO2浓度.每次采样都要重新迅速采集湖水, 以降低水体中温室气体在采集样品时向大气扩散导致的误差.回实验室后立即采用顶空平衡法[14](水气比1 :1)测定温室气体浓度, 即用注射器从一端注入50 ml高纯氮气, 并利用重力从另一端扎入的注射器针头排出相同体积的水样, 振荡10 min静置1 h后抽取顶空气体测定温室气体浓度；另取部分水样置于聚乙烯塑料瓶中, 用于水体N、P、叶绿素a等理化指标的测定, 每次采集3个平行样；同时在现场使用HI9145型溶解氧仪(意大利HANNA公司)测定并记录水体水温(T)和溶解氧(DO)浓度；水体冰封会影响水-气界面交换造成水体中气体的累积, 因此在冰封期(12月至次年3月)不进行样品采集.
气体样品采用Agilent 7890A型气相色谱仪(美国Agilent公司)测定N2O、CO2和CH4.水样pH值采用IQ150型pH计测定.取100 ml水样过0.45 μm滤膜用以测定硝态氮(NO3--N)、亚硝态氮(NO2--N)、铵态氮(NH4+-N)和可溶性正磷酸盐(DIP)浓度, 滤膜采用90 %丙酮提取后分光光度法测定叶绿素a(Chl.a)浓度；另取未过滤水样测定总氮(TN)和总磷(TP)浓度. NH4+-N、DIP和NO2--N浓度分别采用纳氏试剂分光光度法、钼锑抗分光光度法和N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定；NO3--N浓度采用紫外分光光度法测定；TN浓度采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定；TP浓度采用过硫酸钾氧化-钼锑抗分光光度法测定[15].
1.3 数据处理与统计水样中温室气体溶存浓度(CW, μmol/L)的计算公式为[16]：
| $ C_{\mathrm{W}}=\left[\left(C_{\mathrm{A} 1}-C_{\mathrm{A}}\right) V_{\mathrm{AM}}+\alpha \cdot C_{\mathrm{Al}} \cdot V_{\mathrm{W}}\right] / V_{\mathrm{W}} $ | (1) |
式中, CAl为培养管中水-气交换达到平衡时顶空气体样品中温室气体的浓度(μmol/L或10-6 V/V)；CA为采样点大气中温室气体的浓度(μmol/L)；VAl为培养管中顶空空气体积(L)；VW为培养管中水样的体积(L)；α为布氏系数(Bunsen coefficient, mol/L).
水体温室气体溶解饱和度(S, %)是实测的采样点CW与采样点现场条件下水体温室气体饱和浓度(CWs, μmol/L)的比值, 计算公式为[16]：
| $ S=C_{\mathrm{W}} / C_{\mathrm{Ws}} $ | (2) |
| $ C_{\mathrm{Ws}}=\alpha \cdot C_{\mathrm{A}} $ | (3) |
双层模型被广泛应用于气体在水-气界面交换速率的定量计算[17], 铃铛湖水面开阔, 流速极其缓慢(几乎静止), 满足双层模型的假定条件[16-17], 因此采用双层模型计算铃铛湖水-气界面温室气体的排放通量(F), 计算公式为[14, 16]：
| $ F=k \cdot \Delta C $ | (4) |
式中，ΔC为水-气界面温室气体浓度的差值, ΔC=CW-CA；k为扩散系数, 计算公式为[14]：k=1.91 e0.35μ (Sc/600)-1/2, μ为10 m处风速(m/s), 在本研究中风速数据来源于聊城大学地理园的气象自动监测站；Sc为施密特数(Schmidt number), 为水的运动黏度(v)与气体分子扩散系数(D)之比.
数据的统计分析采用软件Excel 2013和SPSS 18.5完成, 不同植被区水环境参数和温室气体排放浓度、饱和度和排放通量间的差异采用单因素方差分析(One-way ANOVA)在0.05的显著性水平上进行检验, 图形采用软件Origin 2015绘制.
2 结果和讨论 2.1 铃铛湖水环境参数和水质状况铃铛湖4 -11月全湖的pH、DO、TP和NH4+-N的平均浓度均能达到《地表水环境质量标准》(GB 3838 -2002)Ⅴ类水标准要求, 能满足一般景观用水要求(表 1).不同植被类型水体中T、pH、NO2--N、NH4+-N、DIP和Chl.a平均浓度无显著性差异(P>0.05), 而DO、TN、TP和NO3--N平均浓度具有显著差异(P < 0.05), 其中DO、TN和NO3--N均表现为菹草区浓度最高, 莲藕区浓度最低, 而TP浓度则正好相反, 表现为莲藕区水中TP浓度最高, 而菹草区最低.菹草为沉水植物, 在生长期其光合作用可吸收利用CO2, 并生成O2, 使水中DO浓度增加, 有利于N的硝化作用, 同时菹草对水中磷具有较好的净化作用[18]；而睡莲和莲藕分别为浮水植物和挺水植物, 在生长期其叶面覆盖遮挡水面, 阻碍了大气复氧并影响了水中藻类的光合作用, 导致水中DO浓度降低.
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表 1 铃铛湖水环境参数* Tab. 1 The water environment parameters of Lake Lingdang |
如表 2所示, 铃铛湖水体中N2O、CH4和CO2的浓度分别为41.4±15.2 nmol/L、0.608±0.757 μmol/L和34.7±11.7 μmol/L, 低于太湖夏季蓝藻水华堆积区表层水体中N2O和CH4的溶存浓度(0.054±0.024和2.33±1.46 μmol/L), 但高于开阔湖区的浓度(0.023±0.012和0.14±0.059 μmol/L)[10].饱和度分别为304 % ±111 %、21875 % ±26998 %和235 % ±68 %, 均处于高度过饱和状态, 其中CH4饱和度范围为2868 % ~157660 %, 远高于N2O和CO2；排放通量分别为0.027±0.015、0.253±0.354和7.94±4.32 mg/(m2 ·h), 均表现为大气中温室气体的“源”.温志丹等[8]也发现长春市城市内湖主要表现为大气中CO2和CH4的“源”.不同植被区水体中CH4浓度、饱和度和排放通量有显著性差异, 表现为莲藕区CH4浓度、饱和度和排放通量均显著高于菹草区(P < 0.05), 但睡莲区和莲藕区间无显著差异(P>0.05)；各植被区N2O和CO2浓度、饱和度和排放通量均无显著性差异(P>0.05).
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表 2 铃铛湖不同植被区水体温室气体溶存浓度、饱和度和排放通量的参数统计* Tab. 2 The parameter statistics of concentrations, saturation and fluxes of greenhouse gases in the different vegetation type zones of Lake Lingdang |
不同植被区水体各温室气体浓度、饱和度和排放通量随时间具有较为一致的变化规律(图 2).各植被区水体中N2O浓度和排放通量随着时间变化出现显著降低趋势, 11月水体中N2O浓度和排放通量分别比4月平均下降了60 %和76 %；N2O饱和度亦有所降低, 下降幅度约为28 %, 但仍处于过饱和状态.各植被区CH4总体表现为中间高两端低的变化趋势, 其浓度的最大值均出现在第91天(7月9日), 睡莲区水体中CH4浓度在第91天和第57天(6月5日)的峰值分别为2.40和4.56 μmol/L, 均显著高于其他月份以及菹草区和睡莲区CH4浓度.各植被区水体中CO2浓度总体表现为随时间先降低后上升的反复波动变化.菹草区水体中CO2浓度的峰值出现在4月(50.0 μmol/L), 睡莲区出现在7月(60.9 μmol/L), 莲藕区则在11月水中CO2浓度最高(66.5 μmol/L).
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图 2 铃铛湖不同植被区水体温室气体浓度、饱和度和排放通量(误差线为3个平行样间的标准偏差) Fig.2 The concentration, saturation and flux of greenhouse gases in the different vegetation type zones of Lake Lingdang |
由于样品的采集均是在同一湖泊进行, 因此, 气温、风速、气压等环境因素均相同, 植被类型的不同及其水体环境参数之间的差异可能是造成不同植被区温室气体浓度差异的主要原因.一方面是在植物生长期, 菹草、睡莲和莲藕分别作为沉水植物、浮水植物和挺水植物对水体理化性质和水质产生不同的影响；另一方面是在植物衰亡期, 与睡莲和莲藕不同, 菹草秋季发芽, 冬春季生长, 夏季开始时衰亡腐烂；因此, 菹草在衰亡后其残体往往被公园管理处组织打捞出湖, 避免了菹草衰亡过程中碳氮等营养物质向水体的释放[19-20], 进而使其在6月初的腐烂期水体温室气体浓度降低；在秋季睡莲和莲藕衰亡后则未清理, 其残体进入水体后在来年春季腐烂分解消耗水中DO并释放N、P等营养物质, 促进反硝化作用和N2O的产生排放, 沉积在湖泊底泥中的有机残体在厌氧条件下分解产生CH4释放进入水体和大气, 从而导致睡莲区和莲藕区湖水中温室气体浓度高于菹草区.
2.3 环境因子对铃铛湖温室气体溶存浓度的影响研究表明[4, 13]水体理化性质是影响水体温室气体产生的重要因素, 因此为进一步分析水质因子对湖水中温室气体溶存浓度的影响, 采用相关分析和多元回归分析对其进行了分析.如表 3所示, 菹草区水中温室气体的浓度与T、TP、NO3--N和NO2--N均具有显著相关性, 睡莲区与温室气体浓度具有显著相关性的水质指标有pH、T、TP、NO2--N和Chl.a, 而莲藕区为DO、pH、TN、TP、NO2--N和Chl.a. TP和NO2--N是3种植被区共有的相关因子, 但是在不同植被区其与各温室气体间的相关关系和相关程度各有差异, 各植被区TP与N2O、CH4浓度均呈正相关, 而与CO2浓度呈负相关；NO2--N与N2O浓度呈正相关, 且还与莲藕区CH4呈显著正相关.各植被区水中温室气体浓度与NH4+-N和DIP均无显著相关性, 这可能与NH4+-N和DIP浓度在各植被区均在同一浓度水平以及DIP浓度较低有关(表 1).
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表 3 铃铛湖不同植被区水体中温室气体浓度与水质参数间的Pearson相关系数(n=13) Tab. 3 The Pearson correlation coefficients between the greenhouse gas concentrations and the water quality parameters in different vegetation type zones of Lake Lingdang |
如表 4所示, 不同植被区各温室气体浓度多与1~2个水质指标间构建成立具有统计学意义的线性回归方程.不同植被区同一种温室气体的影响因子各不相同, NO2在菹草区主要受到NO2--N和NO3--N的影响, 在睡莲区为TP, 而在莲藕区则为pH；CH4在菹草区为T和NO3--N, 在睡莲区为pH, 而在莲藕区为NO2--N；CO2在菹草区为T和DO, 在睡莲区为pH和TP, 在莲藕区则为DO.总的来说, 菹草区湖水中温室气体浓度主要与NO2--N、NO3--N、T和DO有关；睡莲区为TP和pH；莲藕区为pH、NO2--N和DO.
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表 4 铃铛湖不同植被区水体中温室气体浓度与水质参数间线性回归方程 Tab. 4 The linear regression equations between the dissolved greenhouse gas concentrations and the water quality parameters in different vegetation type zones of Lake Lingdang |
在菹草区, 一方面, 当气温升高, 水温也随之升高, 菹草光合作用增强, 降低水中CO2浓度；另一方面, 气体在水中的溶解度与温度呈反比, 当温度升高, 有利于CO2从水中释放进入大气, 两方面的共同作用导致CO2浓度与水温呈显著负相关.水体中CH4主要来源于沉积物的厌氧降解[21], 当水温升高时有利于有机物的矿化, 使产甲烷速率增强[22]. NO3--N浓度是影响菹草区CH4溶存浓度的主要因子(表 4), 且与其呈显著负相关(表 3). NO2-为硝化和反硝化过程的中间产物, 其产生取决于水体N的转化速率及环境条件, 而N2O主要源自硝化和反硝化微生物的脱氮反应过程[5], 由于铃铛湖上覆水中DO浓度较高(表 1), 使得NO3-和NO2-还原受阻, 反硝化作用受到抑制, 因此, N2O浓度与水中NO2--N浓度具有显著正相关关系.总体来说, 菹草区温室气体溶存浓度主要受到NO2--N、NO3--N和DO等因子的影响, 这可能与其较高的DO和氮浓度有关(表 1).
与菹草不同, 睡莲和莲藕在生长期叶面遮挡水面, 阻挡了阳光进入水面, 抑制了大气复氧和藻类的光合作用；而在秋冬季衰亡后, 由于温度较低, 微生物活性减弱, 其残体的分解过程较为缓慢, 水体长期处于耗氧过程中, 使其DO浓度显著低于菹草区(表 1), 并间接影响了水中温室气体的溶存浓度. P虽然不直接参与温室气体的产生和排放, 但作为水体中生物必需的营养元素, 支持着生物初级生产, 从而通过影响植物生物量间接影响温室气体的排放[23-24].睡莲区和莲藕区水体中TP浓度均显著高于菹草区, 有利于植物的生长和繁殖, 植物死亡后沉积到湖底, 为沉积物有机物的累积提供了丰富的易降解碳源, 同时加强了湖泊底部的厌氧条件, 有利于CH4和N2O的产生[23].
pH也是影响温室气体排放的重要因子.各植被区湖水中CO2浓度与水体pH呈负相关, 且在睡莲区和莲藕区CO2浓度与pH呈显著负相关(表 3), 这与其他研究者获得的结论相一致[8].铃铛湖湖水偏碱性(表 1), 游离的CO2易发生溶解, 由此导致CO2浓度降低.而pH对CH4和N2O产生和排放的影响主要是通过影响微生物的活性间接产生的[25-26], 铃铛湖湖水pH值在8.21~9.48之间波动, 产甲烷菌的活性随pH升高而受到了抑制.黄文敏等[25]研究发现秋季香溪河水-气界面N2O交换通量与pH值呈显著正相关关系, 而也有其他研究[26-28]发现N2O的排放与pH值呈显著负相关关系.但在本研究中, 莲藕区N2O浓度与pH呈显著正相关关系(表 3), 由于N2O的形成是多种氮循环过程共同作用的结果, 因此水体pH值对N2O排放的影响还有待于进一步的研究和探讨.
铃铛湖上覆水中DO浓度(表 1), 有利于CH4的氧化, 且较高的DO浓度抑制了上覆水中的反硝化作用, 而各植被区上覆水中温室气体尤其是CH4均具有较高的饱和度(表 2), 说明水体深层和底泥中有机物的微生物厌氧分解作用较为强烈, 导致上覆水中温室气体的溶存浓度较高[2, 8].水生植被衰亡腐烂后其残体沉积在底泥中, 为产甲烷菌和反硝化细菌提供了丰富的底物和碳源[4], 有利于CH4和N2O的产生和排放.本研究仅对各植被区上覆水理化性质进行了分析, 今后还需结合底泥理化性质进一步分析和探究不同水生植被对水体温室气体产生和排放的影响机制.
3 结论1) 铃铛湖不同植被区水域中DO、TN、TP和NO3--N平均浓度具有显著差异(P < 0.05), 其中DO、TN和NO3--N浓度表现为菹草区>睡莲区>莲藕区, 而TP浓度则正好相反, 表现为莲藕区>睡莲区>菹草区.
2) 铃铛湖水体中温室气体均处于过饱和状态, 表现为向大气排放温室气体；不同植被区水体中N2O和CO2浓度、饱和度和排放通量均无显著性差异(P>0.05), CH4浓度、饱和度和排放通量均表现为睡莲区>莲藕区>菹草区.
3) 铃铛湖各植被区温室气体浓度不同程度地与水环境参数呈正/负相关关系, 但与NH4+-N、DIP浓度均无显著相关性(P>0.05)；水生植物通过影响水体的理化性质对温室气体的产生和排放产生显著的差异性影响, 表现为菹草区湖水中温室气体浓度主要与NO2--N、NO3--N、T和DO相关；睡莲区相关参数为TP和pH；莲藕区相关参数为pH、NO2--N和DO.
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