2017, Vol. 37文章信息
- 李凌宇, 于瑞宏, 田明扬, 胡海珠, 张笑欣, 冉立山, 杨现坤, 吕喜玺.
- LI Lingyu, YU Ruihong, TIAN Mingyang, HU Haizhu, ZHANG Xiaoxin, RAN Lishan, YANG Xiankun, LÜ Xixi.
- 黄河二氧化碳逸出时空变化及其影响因素——以头道拐水文站为例
- Spatial-temporal variations and influencing factors of carbon dioxide evasion from the Yellow River:An example of the Toudaoguai Gauging Station
- 生态学报. 2017, 37(22): 7636-7646
- Acta Ecologica Sinica. 2017, 37(22): 7636-7646
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201609091833
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文章历史
- 收稿日期: 2016-09-09
- 网络出版日期: 2017-07-12
2. 新加坡国立大学, 新加坡 17570
2. Department of Geography, National University of Singapore, 17570 Singapore
自然界中不同形态的碳在岩石圈、陆地生态系统、大气和海洋4个碳库间的相互转换和运移过程称为全球碳循环[1]。河流作为全球碳循环的重要连接通道, 持续地从陆地向海洋输送碳, 在此过程中河流由水体向大气释放CO2, 是碳损失的重要途径之一[2-3]。已有研究表明黄河CO2逸出量与碳沉降量相当, 约占河流碳循环的1/3, 均大于向海洋的输送量[4]。全球河流系统的CO2年逸出量高达0.9—1.8亿t(GtC)[5], 与矿石燃料燃烧的碳排放通量和海洋-大气间的净碳通量属于同一量级[6-7]。因此, 开展河流水-气界面CO2通量研究, 对认识河流碳循环、区域碳循环乃至全球碳循环过程具有重要意义。
河流水体中的CO2在处于过饱和状态, 即水体中的CO2分压(pCO2)大于大气压时, 才能从水体逸出。因此, FCO2的研究通常以河流水体表面pCO2为基础。目前, 研究者在世界范围内的大江大河, 如南美的亚马逊河、北美的密西西比河、亚洲的长江、湄公河和黄河开展了pCO2和FCO2的定量研究。例如, Li等[8]分析了湄公河下游42个水文站的数据得出水体表层pCO2均值为1090 μatm, FCO2为71 mol m-2 a-1；Li等[9]对长江龙川支流的研究发现该支流pCO2均值为1230 μatm, FCO2为27 mol m-2 a-1；密西西比河流域河流和湿地的CO2释放量可达1.2±0.3 MgC hm-2 a-1[10]。
河流pCO2和FCO2通常呈现出明显的时空差异, 导致差异的主要原因是河流水体中CO2的来源不相同, 并且相关的环境影响因素也有所不同。河流CO2的来源有外源和内源两种。外源主要有土壤中含碳有机物的矿化、土壤有机物的降解、植物根系的呼吸；内源主要有水体有机碳的原位呼吸作用、光化学降解作用以及碳酸盐的沉淀[11-12]。环境影响因素主要有温度、降水、流速、微生物以及人类活动等, 这些因素相互作用, 共同影响着河流CO2逸出[13]。研究表明流域降水给土壤提供了水分, 而微生物在适宜的温度条件下活跃度较高, 利于产生CO2进入河流, 从而增大了水体的pCO2。近些年人类活动引发的营养和热力学变化也可能增加河流pCO2[14]。
关于FCO2的估算, 有静态箱法、模型估算法、涡度相关法以及气体示踪试验法等[15-17], 目前最常用的主要是前两种方法。静态箱法即红外水-气界面CO2分析仪法, 该法的优点是能直接在河流表面测得FCO2, 缺点是实验设备对水面风速和降雨可能存在扰动[18]。模型估算法又称梯度法, 表达式[17, 19]为：
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式中, k为气体交换系数, pCO2水为河流表层的CO2分压, pCO2气为大气的CO2分压, 河流表层pCO2一般采用温度、pH结合碱度间接估算得到[20], 碱度则由滴定法得到。该模型中参数k的取值的不同, 结果有所差异, 因此存在争议。Peng采用模型估算法得到了乌江不同深度处的pCO2[21]；Noriega和Araujo采用该法估算了巴西北部和东北部河口的pCO2和FCO2 [22]；Li等同样采用该法估算了湄公河下游的pCO2和FCO2[8]。
黄河是高含沙量河流的代表, 近些年有关其碳通量研究的报道越来越多。孙超[23]通过对黄河花园口和利津测站的观测, 研究水体pCO2与水沙的关系, 表明高泥沙含量对应较高的pCO2；王亮[24]观测了黄河花园口和利津测站水体中的各种形态的碳浓度, 并估算了河流碳的输运量和水-气界面通量。Ran等[25]对黄河干流碳逸出及其影响因素研究发现, 雨季FCO2大于旱季, 并且受人类影响, 输入海的碳通量在减少而FCO2在增加。以上研究表明目前对于黄河碳逸出的研究主要集中在黄河下游与河口地区, 而黄河中游和上游的相关研究较少。本文以黄河中游内蒙古段的头道拐断面为研究对象, 基于FCO2及其相关水文和水化学指标的监测分析, 探索了FCO2在年际、年内以及断面上的分布特征以及影响因素, 补充了黄河中上游CO2逸出规律的研究, 为黄河碳循环研究提供了科学参考。
1 研究区概况黄河是中国第二大河, 全长约5464 km[26], 水面落差4480 m, 流域面积约752443 km2, 平均含沙量达37 kg/m3[27], 是世界上含沙量最高的河流。本研究选取黄河上游与中游分界点—头道拐水文站(110°04′E, 40°16′N)为试验点。头道拐水文站是黄河干流重要的水文站点之一, 位于内蒙古托克托县河口镇, 位置如图 1所示。该站点所在区域属温带干旱半干旱气候, 年降水量为155—366 mm, 75%的降水集中于7—9月份。1956—2010年的水面蒸发量为1368 mm, 夏季蒸发量为全年最大[28]。站点所在流域内自产径流很少, 但过境流量很大, 流经该测站的径流量占全河的50%以上[29]。1987—2010年的黄河径流资料显示, 头道拐多年平均水量为258亿m3, 主要集中于汛期的7—10月[30]。黄河在巴彦高勒与头道拐区间, 主要接纳“十大孔兑”等支流汇入, 这些支流流域植被较差、土质疏松, 并且河道流程短、比降大, 因此汛期极易造成水土流失[31]。另外, 头道拐水文站的上游是河套灌区, 年引黄水量约50亿m3, 占黄河过境水量的七分之一[32]。
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| 图 1 研究断面位置示意图 Fig. 1 The position of the river cross-section |
本研究在头道拐水文站附近选取研究断面, 如图 2所示。为探究FCO2沿河道断面的空间分布规律, 在研究断面布设4个采样点, S1点靠近黄河左岸, S2和S3点分别位于河道中部, S4点靠近右岸, 分布如图 2所示。自2013年至2015年, 共实测得到近3年的FCO2数据, 采样时间分别为2013年7月、11月, 2014年和2015年的4月、6月、9月和12月。
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| 图 2 研究断面采样点布设示意图 Fig. 2 The sampling points of the river cross-section |
本研究运用静态箱法—红外水气CO2分析仪Li-7000(美国Li-Cor公司)监测水体pCO2[33]。由于Li-7000无法直接测量水体中的CO2浓度, 因此需要外接静态箱(图 3), 通过两根塑料管将静态箱与Li-7000气体分析仪连接, 形成空气闭合回路。本试验所用静态箱为体积0.018 m3, 与水面接触面积为0.09 m2的塑料箱, 为使塑料箱浮在水面, 在塑料外部套有12 cm厚泡沫板。测量时, 首先将静态箱举起, 使箱内CO2浓度与大气CO2浓度平衡, 之后将静态箱放置于河流表面, 保持其静止。Li-7000气体分析仪每间隔1 min记录一次pCO2数值, 每次监测持续20 min左右。Li-7000气体分析仪采用12V电池供电。水-气界面FCO2可通过下式计算[34]。
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| 图 3 Li-7000静态箱法原理示意图 Fig. 3 The schematic of Li-7000 static chamber method |
式中, FCO2为CO2逸出通量(μmol m-2 s-1)；dpCO2/dt为pCO2在静态箱中积累量的斜率(μatm/s), 一般采用开始7—15 min之内pCO2呈线性升高趋势的数值计算；V为静态箱体积(m3)；R为气体常数(m3 atm K-1 mol-1)；T为静态箱内温度(K)；S为静态箱覆盖水面面积(m2)。
野外试验过程中, 除了对每一采样点监测水-气界面CO2浓度变化, 还监测pH、流速、风速和水温等指标。水温和pH采用便携式水质监测仪(Multi3420)监测, 水温测量精度±0.2℃, pH测量精度±0.004。河道流速采用直读式流速仪(Global Water FP211)进行监测(m/s), 测量精度±0.03 m/s, 测量时将流速仪放置于每个采样点水面以下10 cm处, 分别测量3次取平均值。风速(m/s)采用标智风速仪(GM8901)进行监测, 精准度为±3%, 测量高度基本与静态箱采样时的水平高度一致, 每个采样点测量两次取平均值。取水样时, 在每个采样点水面以下5 cm处用超纯水润洗过的500 mL采样瓶进行水样采集。
冬季采样时, 分别在4个采样点处用冰镐在冰面上砸开略大于静态箱底面积的冰洞。12月的河面结冰厚度为20—40 cm, 河中央S2和S3处的冰层较厚。之后将静态箱放置在冰洞中进行监测, 步骤和方法同上。
取回水样后, 溶解有机碳(Dissolved Organic Carbon, DOC)使用德国VORE公司的TOC总碳总氮分析仪测定。碱度在采样后的5 h之内测定, 甲基橙做指示剂, 用0.1 mol/L的盐酸对采集的水样进行滴定, 将得到的碱度结合pH估算各采样点水体pCO2。河流系统中总无机碳(Dissolved Inorganic Carbon, DIC)是碳酸氢盐(HCO3-)、碳酸(H2CO3)、碳酸盐(CO32-)、溶解二氧化碳(CO2aq)的总和。无机碳中各组分构成比例随温度和pH值变化而变化, 温度与pH同时还影响大气中CO2与水体CO2aq的平衡。无机碳可以通过亨利定律来计算[35-36]：
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式中H2CO3* 是H2CO3与CO2aq的总和, K为给定温度的亨利常数。因此, 河流水体无机碳用以下公式进行计算[37]：
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河流水体的pCO2计算可以简单的表示为下式：
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目前研究认为HCO3-代表了99%的碱度, 所以可以直接用做碱度进行计算[38]。
3 结果 3.1 相关环境因子与研究断面水体FCO2相关的环境因子如表 1所示。水温的季节性变化明显, 在0—25℃范围内。pH的变化范围为8.01—8.45, 水体偏碱性。监测期间风速大部分为1—2 m/s, 仅在2014年12月风速最高达到6.3 m/s。研究断面的水体DOC浓度在2.7—13 mg/L, 其来源可能有多种, 分为内源和外源。内源主要是指水生植物通过光合作用吸收无机碳产生有机碳, 但是研究断面的水生植物较少[39], 而且夏季流速较快、泥沙含量较高和透光性较弱的特征限制了水生植物生长[40]。因此, 研究断面的DOC主要来自于外源输入, 包括土壤有机质的降解产物、人类生产和生活的排放物, 特别是工农业生产, 均是水体DOC不可忽略的来源。断面水体pCO2介于467—2101 μatm, 季节性变化显著, 丰水期的pCO2普遍大于枯水期, 最大值2101 μatm出现在2013年7月, 同时FCO2也达到最大510 mmol m-2 d-1。
| 日期Date | 水温/℃ Water temperature | pH | 风速 Wind velocity/ (m/s) | 碱度 Alkalinity/ (μmol/L) | 溶解有机碳 Dissolved organic carbon/ (mg/L) | 流速 Current velocity/ (m/s) | pCO2 Partial pressure of carbon dioxide/(μatm) | FCO2 Carbon dioxide evasion/ (mmol m-2 d-1) |
| 2013-07 | 25 | 8.01 | 1.3 | 3266 | — | 1.3 | 2101 | 510 |
| 2013-12 | 5 | 8.42 | 1.1 | 3553 | — | 0.5 | 695 | 99 |
| 2014-04 | 11 | 8.33 | 2.1 | 3517 | 5.4 | 0.8 | 898 | 152 |
| 2014-06 | 23 | 8.37 | 2.2 | 3308 | 7.5 | 0.5 | 946 | 401 |
| 2014-09 | 17 | 8.21 | 1.2 | 3320 | 6.0 | 1.5 | 1101 | 504 |
| 2014-12 | 0 | 8.32 | 6.3 | 4590 | 7.7 | 0.5 | 1150 | 59 |
| 2015-04 | 16 | 8.21 | 0.9 | 1903 | 7.1 | 0.8 | 644 | 145 |
| 2015-06 | 25 | — | — | — | 13.0 | 0.5 | — | — |
| 2015-09 | 16 | 8.30 | 1.8 | 3300 | 5.5 | 1.2 | 957 | 150 |
| 2015-12 | 0 | 8.45 | 0.1 | 2673 | 2.7 | 0.2 | 467 | 39 |
| —表示未测得数据 | ||||||||
将每次采样时S1—S4点的FCO2取算术平均, 得到研究断面平均FCO2随时间变化过程, 如图 4所示。头道拐断面FCO2的年际变化总体趋同(图 4), 在2013—2015年期间, 冬季FCO2均为各年最低；春季FCO2在2014和2015年基本一致；2013和2014年的夏季FCO2均处于较高水平。2015年夏季FCO2缺测是因为河道在S1和S2点干涸。
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| 图 4 研究断面的二氧化碳逸出通量(FCO2)年际和年内季节变化过程 Fig. 4 The annual and seasonal variations of carbon dioxide efflux (FCO2) at the river cross-section |
研究断面的FCO2呈现出明显的年内季节性变化特征(图 4)。夏季FCO2为全年最高456 mmol m-2 d-1, 如果遇到枯水年份, 河道水量较低, FCO2也可能很低, 比如研究断面在2015年6月的河道流量极低。秋季次之为251 mmol m-2 d-1, 春季为148 mmol m-2 d-1, 而冬季为全年最低33 mmol m-2 d-1。一般认为冬季时, CO2会被冰层封于水体内, 因此水体可能储存了大量CO2, 但是该结果表明冬季冰层以下河流FCO2较低。
3.3 FCO2在研究断面的变化将各采样点的FCO2在研究时段(2013年7月—2015年12月)内取算数平均值, 得到FCO2在头道拐断面上的空间分布(图 5)。结果表明研究断面的FCO2呈现出明显的空间差异性：靠近右岸的S4点处的FCO2为断面最大392 mmol m-2 d-1；左岸S1点处的最小为86 mmol m-2 d-1；位于河道中部S2和S3点处的FCO2基本相同, 分别为236 mmol m-2 d-1和237 mmol m-2 d-1, 介于S1和S4之间。
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| 图 5 研究断面4个采样点的二氧化碳逸出通量(FCO2) Fig. 5 Carbon dioxide efflux (FCO2) at 4 sampling points at the river cross-section |
综合研究断面的FCO2, 通过时间换算得到头道拐年均FCO2为84 mol m-2 a-1。该结果与其他河流的结果一致, 表明河流是CO2的源, 不断向大气释放CO2。相比于世界其他较大河流的FCO2：如湄公河下游的107.5 mol m-2 a-1、密西西比河的98.5 mol m-2 a-1、亚马逊河的69 mol m-2 a-1、哈德逊河的13.5 mol m-2 a-1以及长江河口的15.5—34.2 mol m-2 a-1, 该断面FCO2处于较高水平。对黄河而言, 位于上游的头道拐断面FCO2小于中游的125.6 mol m-2 a-1[5]。
4 讨论研究结果表明黄河头道拐断面是一个碳源, 而CO2逸出强度受诸多因素影响。从公式(1)可知, 大气的pCO2较稳定, 所以水体pCO2和气体交换系数k是控制FCO2的两个关键因素。
4.1 pCO2根据温度、碱度和pH计算得到的头道拐断面水体pCO2普遍高于大气中的400 μatm：夏季pCO2为全年最大平均1524 μatm、秋季次之平均为1029 μatm、冬季和春季基本相同约为770 μatm, 同样表明黄河头道拐断面是一个碳源, 该结论与黄河其他站点的pCO2研究结果相一致[41-42]。
黄河水体表层pCO2与FCO2的季节变化基本一致。夏季FCO2为全年最高, 表层水体pCO2平均值为1524 μatm, ΔpCO2达到1124 μatm, 促使水体中的CO2向大气释放, 而冬季FCO2为全年最低, 测得水体pCO2在2015年12月最小仅为467 μatm(表 1), ΔpCO2较小导致FCO2较小。与FCO2结果不同的是, pCO2在冬季和春季非常相近。该断面的FCO2和pCO2总体呈中等相关水平(R2=0.24, P < 0.01), 如图 6所示。分析原因, 可能是因为FCO2除了与pCO2有关, 还与气体交换系数k有关。例如, 位于S3点的2014年秋季FCO2高达448 mmol m-2 d-1, 但是相应的pCO2仅为1181 μatm, 而其河道流速却高达1.84 m/s。
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| 图 6 研究断面水体二氧化碳逸出通量(FCO2)与二氧化碳分压(pCO2)线性拟合结果 Fig. 6 The result of carbon dioxide efflux (FCO2) vs partial pressure of carbon dioxide (pCO2) with a linear fitting |
研究表明水体pCO2主要由水温、pH、碱度和CO2浓度决定[43]。CO2浓度和碱度主要受光合作用、呼吸作用和钙化作用等生物过程控制[17]。
4.1.1 水温采样期间测得断面水温为0—25℃, 将水温和pCO2进行线性拟合, 表明河水温度与pCO2呈较好的正相关关系, 如图 7所示。夏季水温较高, 提高了水体中微生物的活性, 并降低了CO2溶解度, 因此FCO2相应增加, 冬季则反之[25, 26, 29]。Alin等[44]在研究亚马逊河时同样发现水温高会促进水-气界面的气体交换速率, 并增加CO2逸出强度。桂祖胜[45]在研究长江水-气界面CO2逸出季节变化时发现夏季FCO2为全年最高、秋季次之, 与本研究结果不同的是其冬季FCO2高于春季, 该差异可能是因为长江冬季无结冰现象。
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| 图 7 研究断面水温、pH、溶解无机碳、溶解有机碳与二氧化碳分压的拟合结果 Fig. 7 The fitting results of water temperature, pH, dissolved inorganic carbon, dissolved organic carbon vs partial pressure of carbon dioxide at the river cross-section |
由水体中二氧化碳-碳酸盐体系的平衡过程可知(公式3)[46], pH升高会促使平衡向右移动, 更多的CO2生成碳酸盐溶解在水中, 导致水体pCO2降低, 水-气界面ΔpCO2减小, 所以FCO2减少。将采样点的pH和pCO2进行线性拟合, 得到pCO2与pH呈负相关性, 如图 7所示。研究表明当水体pH>8.3时, 河流相当于碳汇, 而当pH < 8.3时, 河流相当于碳源[9]。本研究断面超过一半水样的pH小于8.3, 同样说明该断面水体是CO2的源。
4.1.3 DIC和DOC黄河水体中DIC主要由HCO3-构成, HCO3-又代表了99%的碱度[47]。黄河流域的黄土和灰钙土分布较广泛, 化学风化导致水体碱度较高[25], 研究断面的水体碱度最高可达4590 mg/L(表 1)。碱度直接影响水体pCO2, 但是图 7中的碱度和pCO2相关性并不好, 这点与前面FCO2和pCO2呈中等相关的结果相符合。DOC和pCO2呈现出较好的正相关关系(R2=0.50, P < 0.001), 与相关研究结果符合, 即DOC的分解是控制水体pCO2的重要因素[42-43]。
4.2 气体交换系数k研究表明气体交换系数k对FCO2的影响甚至大于水体pCO2, k值的大小主要由流速、风速控制, 同时还受到水深、河宽和河床坡度等多种环境因子的影响[48]。
4.2.1 流速头道拐断面的流速变化范围为0.2—1.5 m/s, S4点处的平均流速是断面最大1.04 m/s, S3点为0.99 m/s, S2点为0.81 m/s, S1点处最小仅为0.48 m/s。S4点流速较大因为该点位于河道的中泓线, 水深也最大。断面4个采样点处的平均流速大小分布规律与FCO2相似。将采样点的流速和FCO2进行线性拟合, 二者呈现较好的正相关关系, R2可达0.7, 如图 8所示。本研究结果说明头道拐断面河道流速是FCO2的关键影响因素, 大于pCO2对河道FCO2的贡献(R2=0.24)。这主要是因为流速较大有助于增大河流表面的湍流度和破碎度, 使水体与空气的接触面积变大, 从而加速了两者间气体的交换[49-50]。
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| 图 8 研究断面流速和风速与二氧化碳逸出通量的线性拟合结果 Fig. 8 The results of current velocity and wind speed vs carbon dioxide efflux with linear fitting at the study river section |
夏季FCO2普遍较高, 降雨集中和流量较大是主要影响因素之一[38], 实测流量最高可达1010 m3/s(2014年8月21日)。冬季FCO2为全年最小, 与冰层以下较低的河水流速(0.13 m/s—0.3 m/s)有关, 较小的水体扰动减缓了CO2释放[50-51]。
4.2.2 风速已有研究表明风速是影响气体交换速率常数的主导因素, 对气体交换起着决定性作用。风会加快气体的交换速率, 带走河流水-气界面处的CO2, 从而增大河流水体与大气之间的ΔpCO2, 促使水体中的CO2逸出。张龙军等[52]在研究黄河碳通量影响因素时发现, 风速是影响FCO2的一个重要因素, 且两者表现出明显的正相关性。
本研究将每个采样点的风速和FCO2进行线性拟合, 表明FCO2与风速并没有呈现明显的相关性, 如图 8所示。可能是因为采样期间没有遇到大风天气, 大部分风速低于3.5 m/s。吕东珂[53]在研究水库FCO2时发现当风速小于3.5 m/s时, 对FCO2的影响较小, 而当风速大于3.5 m/s时, FCO2与风速就表现出明显的相关性。Raymond等[54]在哈德逊河的研究也发现FCO2未明显受到风速的影响, 同样可能是因为监测时风速较小, 即使出现风速较大的情况, 持续时间也并不长。
5 结论本研究在2013—2015期间, 利用Li-7000静态箱法对黄河头道拐断面进行了FCO2野外监测试验, 分析了FCO2在年际、年内和断面上的变化规律, 并探讨了水体pCO2和气体交换系数k对FCO2的影响。结果表明河流水体pCO2高于大气, 断面平均pCO2为995 μatm, 且表现出明显的季节性变化, 夏季平均pCO2最大1524 μatm, 秋季次之1029 μatm, 冬季与春季基本相同, 约为770 μatm。另外, DOC的分解是控制水体pCO2的重要因素, 而研究断面的DOC主要来自于外源。研究断面平均FCO2为84 mmol m-2 a-1, 呈现出与pCO2相似的年际变化规律和明显的季节性差异：夏季最高为456 mmol m-2 d-1, 与夏季温度高、流量大有关, 秋季次之251 mmol m-2 d-1, 春季148 mmol m-2 d-1, 冬季最低为33 mmol m-2 d-1, 可能是因为冬季温度低、微生物活性较低, 导致冬季冰层以下河流FCO2较低。研究断面FCO2表现出较强的空间差异性：靠近右岸S4点的FCO2为断面最大392 mmol m-2 d-1, 河段中部S2点和S3点的FCO2基本相同约为237 mmol m-2 d-1, 靠左岸S1点的FCO2最小86 mmol m-2 d-1。该结果表明即使在同一断面FCO2也可能存在较大差异, 研究河段流速最大处的FCO2也最大, 随机采样可能低估或高估水体CO2的逸出量, 因此在河道取样监测时需要选取具有代表性的采样点, 特别是在较大的河流中。研究断面的FCO2与流速和温度呈较好的正相关关系, 与pCO2的相关关系中等, 与pH呈负相关关系, 与风速并没有呈现明显的相关性。结果说明河道流速较水体pCO2对FCO2的贡献更大。本研究为黄河中上游CO2逸出量的评价提供了科学参考, 但是仅一个断面不足以全面评价黄河的CO2释放能力, 需要在后续的试验中继续完善对黄河上中下游逸出CO2的研究。
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