全球气候变暖引发的一系列生态与环境问题已引起人们对温室气体“源/汇”的广泛关注[1], 特别是水库(湖泊)、河流等水生生态系统的温室气体排放[2]。水生生态系统作为温室气体重要的源和汇, 对大气环境中温室气体调节具有重要作用[3]。水库是重要的陆地水生生态系统之一, 也是温室气体的重要排放源, 探讨水库温室气体排放及其影响因素有利于精确估算水库温室气体排放量和减少水利工程与水电开发过程中水库温室气体的排放[4]。
水库碳排放研究最早始于1993年, DUCHEMIN等[5]最先对水库水-气界面温室气体通量进行观测。WALSH [6]认为水库是大气温室气体的重要排放源; 目前国内外研究主要集中在水库的碳/汇源上。严国安等[7]认为水库作为CO2的源这一结果并不适用于大多数水库, 仅限于水库淹没地是泥炭地或浅水库区时; 李双等[8]对三峡水库库区梅溪河的研究表明其库区支流为大气中CO2的汇, 而库区干流表现为CO2的源; 李健鸿等[9]对不同地质背景水库区夏季水-气界面温室气体交换通量的研究发现大龙洞水库库区和出库水体均为大气CO2和CH4的源, 五里峡水库库区总体上为大气CO2的汇和CH4的源, 出库水体均为大气CO2和CH4的源, 思安江水库库区均为大气CO2的汇和CH4的源。诸多学者对西南喀斯特地区水库开展了碳排放和CO2交换通量的研究[10-15]。国内外此前的研究大多集中在热带[6, 16]、温带[17]水库, 对喀斯特地区深水河道型水库的研究较少。笔者实地监测了红水河龙滩水库丰水期表层水体的pH值、总溶解固体(TDS)、温度、碱度和氧化还原电位(ORP)等要素, 分析水库水体CO2分压(pCO2)的空间分布规律, 并根据水体温度、pH值、ORP等理化因子和水库水体pCO2分布之间的关系, 探讨龙滩水库丰水期水体pCO2的控制机制。
1 研究区域与方法 1.1 研究区概况红水河是珠江水系西江的上游干流, 发源于云南省沾益县马雄山, 其源头为南盘江, 在西林县与清水江汇合后进入广西、贵州边境, 成为黔桂两省区的界河。龙滩水库(25°04′ N, 107°01 E~25°12′ N, 106°39′ E)位于红水河中游, 西起贵州省黔西南自治州册亨县, 东至广西壮族自治区河池市天峨县。研究区属于亚热带季风气候区, 年均气温达20 ℃, 多年平均降水量为1 335 mm。龙滩水库属于干流型深水水库, 坝址以上流域面积为9.85 km2, 占红水河流域面积的71%, 库容达273×108 m3, 回水区长度120 km, 正常蓄水深度为378 m, 最大水深为173.5 m, 平均水深为92.7 m。
1.2 样品的采集与分析为采集龙滩水库水体样品, 于2016年7月16日从龙滩水库坝前沿红水河干流逆流而上分别采集33个水样点(图 1)。
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图 1 采样点分布示意 Figure 1 Sampling distribution map |
全程乘船采用专业采水器连续走航对各采样点进行水质参数和pCO2的监测。采用美国Myron公司生产的Ultru-Ⅱ(6P)多数水质仪现场测定水样的温度ORP、pH值、电导率和TDS等水质参数, 现场用稀盐酸滴定水样碱度(ALK)。采集水样用水库水清洗3次装瓶中, 带回实验室用HI 83200多参数水质测定仪分析检定样品中阴阳离子含量。用GPS对采样路线进行轨迹记录和定点, 用Google Earth 7.15和Arcgis 10.2软件对采样路线和地点进行空间分析制图, 确定采样空间轨迹和位置(图 1)。
1.3 数据处理运用连续走航所测定的水温、HCO3-、pH值等参数, 根据水体碳酸含量平衡原理利用亨利定律及相关公式计算水库水体的pCO2[8-11]。采用Excel 2016、SPSS 19.0和Origin 9.0软件进行数据分析。
1.4 CO2扩散通量计算水-气界面的CO2扩散主要受制于大气和水体中的CO2分压之差、温度、风速和河水流速等因素。通常水-气CO2释放通量计算公式[18-19]为
| $ F = K \times ({p_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_{{\rm{2w}}}}}} - {p_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_{{\rm{2a}}}}}})。$ | (1) |
式(1)中, F为水-气CO2释放通量, mmol·m-2·d-1; K为CO2的水-气交换系数; pCO2w为水体CO2分压, Pa; pCO2a为大气CO2分压, Pa。采用WANNINKHOF[20]提出的方法计算龙滩水库表层水体的水-气CO2交换系数:
| $ K = b \times U \times {(600/{S_t})^{1/2}}. $ | (2) |
式(2)中, U为风速, m·s-1; 当U为瞬时风速时, b=0.31;U为平均风速时, b=0.39;St为t ℃下CO2的Schmidt常数。St计算公式为
| $ \begin{array}{l} {S_t} = 1\;911.1 - 118.11 \times t + 3.452\;7 \times {t^2} - \\ \;\;\;\;\;\;\;0.041\;32 \times {t^3}。\end{array} $ | (3) |
从图 2可知, 从坝前到库尾, 水库表层水体pCO2变化显著, 总体呈上升趋势。坝前至库中在64.28~152.56 Pa之间, 库中过渡带在161.57~257.57 Pa之间, 库尾入库水体在126.45~264.29 Pa之间, 整个库区水面pCO2平均值为171.26 Pa。最高值出现在库尾的31号采样点, 为264.29 Pa。由于此处为水库水体与红河河水交接明显处, 水体分界较分明, 加之是库湾和河流入口, 水体有机质含量高，浊度大, 削弱了水体的光合作用, 有机质分解释放大量CO2，降低了水体氧含量, 导致ORP和pH值偏低, pCO2值很高。pCO2值最低点位于坝前2号采样点(64.28 Pa), 可能是因为坝前水体更新慢，流速缓, 有利于浮游植物生长, 光合作用明显增强, 水体中CO2被大量吸收导致水体pCO2降低。
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图 2 库区表层CO2分压(pCO2)及释放通量(F)分布 Figure 2 Distribution of pCO2 and out-grassing in surface water |
从图 3可知, 水库表层水体温度为29.2~31 ℃, 均温为30.27 ℃, 温度空间变化差异不大, 在库湾和峡谷地区(6~12号点)水体温度较低。电导率为191.2~264.1 μS·cm-1, 均值为238.42 μS·cm-1。电导率越高, 溶解性盐含量也越高, TDS含量也越高; ρ(TDS)为121.1~168.2 mg·L-1, 均值为152.14 mg·L-1, 两者呈显著正相关关系(表 1), 电导率和TDS从坝前向上游地区逐渐升高(图 3)。水体pH值为7.80~8.39, 呈弱碱性, 从坝前逐渐向上游地区递减, 与电导率和TDS含量空间分布趋势相反。ORP值为39~144 mV, 均值为64.76 mV。受碳酸盐体系的影响, 水体ALK值为1.8~3.3 mmol·L-1, 均值为2.44 mmol·L-1。ORP含量与ALK呈显著正相关(表 1), 且从坝前向上游逐渐升高。
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图 3 库区表层水质参数分布 Figure 3 Distribution of surface water quality parameters |
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表 1 各变量之间相关性分析 Table 1 Correlation analysis between variables |
当前研究认为影响河流pCO2的过程主要包括:(1)土壤CO2的输入; (2)碳酸盐岩矿物的溶解与沉淀; (3)水体中有机质的原位呼吸和降解及水生植物的光合作用; (4)从水体到大气的CO2脱气。前面2个过程主要是增加水体pCO2, 降低pH值; 后面2个过程则降低水体pCO2, 提高pH值。水库蓄水后, 坝前水体水动力条件减弱, 利于浮游植物的生长，光合作用加强, 消耗表层水体溶解的CO2, 导致水体pCO2降低[21-22]。
线性回归分析(图 4)显示, pH值与pCO2呈显著负相关关系, 水库蓄水后坝前水体水动力条件减弱, 利于浮游植物的生长, 浮游植物光合作用加强, 消耗表层水体溶解的CO2, 导致水体pCO2降低。有机质降解释放的营养盐也可以被浮游植物生长所利用; 库尾处大量入库水体流入河流，带来大量陆源有机质, 水流速度较快, 处于“河流-水库”过渡期的水体主要受异养呼吸作用的控制, 消耗流域上游带来的陆源有机碳和水体溶解态氧, 释放CO2。因此, 上游水体表现出低pH值、高pCO2。ORP、电导率、TDS与pCO2存在显著正相关关系, ORP体现整个水环境的宏观氧化和还原性, 库区作为上游物质的汇入区, 水环境的氧化还原性对库区pCO2产生重要影响。流域化学侵蚀过程中, 河流断面水体的TDS量是化学侵蚀强度的主要标志[23-24]。喀斯特地区流域化学侵蚀强度很大, 主要表现在富含碳酸的水体对可溶岩的溶蚀作用, 回归分析表明电导率与TDS呈显著正相关(表 1), TDS含量越高, 电导率就越大, 龙滩水库位于喀斯特流域, 库区中水体富含碳酸盐, 碳酸盐沉积作用释放CO2, 使水中pCO2升高。
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图 4 pCO2与水质参数线性回归分析 Figure 4 Linear regression analysis of water quality parameters and pCO2 |
采样当天的气候情况以及采样结果, 显示风速较匀速, 故选取当天当地气象部门发布的气候要素来确定风速, 取平均风速下的常数值, 大气pCO2取39 Pa, 此与张龙军等[25]的研究取值接近。根据式(1)~(2)计算出表层水体CO2释放通量在9.06~78.8 mmol·m-2·d-1之间, 平均值为45.96 mmol·m-2·d-1。坝前CO2释放通量最低, 距离大坝越远，CO2释放通量慢慢升高, 接近库尾处达到最大值。释放通量空间分布呈现从坝前向上游地区逐渐升高的趋势, 说明河流经过水库作用后减缓了CO2的排放。
3.3 与世界其他水体CO2释放通量的比较龙滩水库为典型的河道型水库, 水库表层pCO2最大值达264.29 Pa。CO2释放通量相对居中, 平均值为45.96 mmol·m-2·d-1。与其他河流、水库(表 2)相比, 热带地区的亚马逊河(Amazon)、弗纳斯(Furnas)、卡鲁阿(Curua-Una)水库通量分别为545.18、7.1和7.7 mmol·m-2·d-1; 亚热带、温带地区部分河流表现为大气CO2源, 部分河流表现为大气CO2汇。从表 2可以看出, 大多数河流、水库表现为CO2源, 现有研究的热带地区河流和水库水气界面CO2通量普遍高于亚热带和温带地区。不同的河流、水库水动力条件存在差异, 生态环境也不同, 其CO2释放通量也各不相同。龙滩水库丰水期气温偏高，降水量较丰富，植被生长旺盛, 喀斯特流域的物理侵蚀和化学风化比较强烈, 汇入河流系统溶解的无机碳较多, 使之成为重要的温室气体排放源。
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表 2 现有研究中世界主要研究河流、水库CO2分压(pCO2)和CO2排放通量 Table 2 pCO2 and CO2 emissions of rivers and reservoirs in the world |
(1) 龙滩水库建成后水动力条件发生改变, 水体理化性质呈显著差异。坝前到红水河入库水体表层pCO2值分3个区间, 坝前至库中在64.28~152.56 Pa之间, 库中过渡带在161.57~257.57 Pa之间, 入库水体在126.45~264.29 Pa之间, 入库水体和过渡区pCO2均高于坝前。相关性分析表明, 表层水体pCO2与TDS、pH值、ORP和电导率存在显著相关性。pH值和pCO2呈显著负相关关系, 而ORP、TDS、电导率和pCO2呈显著正相关关系, 说明河流呼吸作用和植物光合作用影响水体pCO2的分布。
(2) 龙滩水库表层水体CO2释放通量在9.06~78.8 mmol·m-2·d-1之间, 平均值为45.96 mmol·m-2·d-1。经过水库作用后, 原始河流CO2释放特征发生改变, 库区CO2释放通量出现从坝前向上游递增的趋势, 水库作用减缓了河流CO2的排放, 库区表层水体表现为碳源。与世界范围河流、水库CO2释放通量相比, 龙滩水库CO2释放通量低于热带地区, 高于温带地区。
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