郭勁松，蔣 滔，李 哲＊＊，陳永柏，孫志禹

(1:重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶400030)

(2:中國長江三峽集團公司，宜昌443000)

三峽水庫澎溪河流域高陽回水區(qū)夏季水體CO2分壓日變化特性*

郭勁松1，蔣 滔1，李 哲1＊＊，陳永柏2，孫志禹2

(1:重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶400030)

(2:中國長江三峽集團公司，宜昌443000)

水柱中CO2分壓(pCO2)的時空分布在一定程度上可反映水中碳的環(huán)境地化特征.本研究在夏季分層期間對三峽水庫澎溪河(小江)流域高陽回水區(qū)段進行了晝夜連續(xù)觀測發(fā)現(xiàn)，恒定的溫躍層中pCO2隨水深增加而顯著增大，表層0.5 m處pCO2均值為152±71 μatm，而在水深10.0 m處pCO2均值為4568±1089 μatm，同水溫、pH及 DO 存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，進一步分析認(rèn)為水溫等將影響微生物、浮游植物的代謝過程及水-氣界面對流傳輸，進而對pCO2分布產(chǎn)生影響.對水-氣界面CO2擴散通量的估算結(jié)果表明，夏季分層期間高陽水域總體上表現(xiàn)為CO2的匯，其對大氣CO2的吸收量最大值于15:00左右，達(dá)到-0.33 mmol/(m2·h);最弱在次日凌晨3:00左右，吸收量僅為-0.17 mmol/(m2·h).

二氧化碳分壓;時空分布;水溫分層;水-氣擴散通量;澎溪河流域;三峽水庫;高陽回水區(qū)

水體中溶解態(tài)CO2是全球碳循環(huán)過程的重要組成部分，是多因素協(xié)同作用下大氣和陸地系統(tǒng)碳過程的重要貯存庫和交換庫.認(rèn)識水中CO2分壓(pCO2)的分布特點及其影響要素，不僅有利于進一步了解水生生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)特征，也將為深入認(rèn)識大氣系統(tǒng)碳循環(huán)特征提供更豐富的信息.

水體溶解態(tài)CO2主要來自底層沉積物的呼吸、水體中有機物的礦化［1］以及通過地表-地下徑流所帶入的陸生植物呼吸及巖石風(fēng)化所產(chǎn)生的CO2［2-3］，而水體中CO2的消耗則主要通過浮游植物及高等水生植物的光合作用.生產(chǎn)和消耗兩者共同決定了水體pCO2的分布狀況.當(dāng)表層水體pCO2高于大氣時，在水-氣界面處通過分子擴散、對流傳輸?shù)韧緩较虼髿忉尫臗O2，則此時水體便成為所謂的“碳源”，反之則稱為“碳匯”.在全球氣候變化背景下，近十幾年國內(nèi)外眾多學(xué)者對湖泊、河流和水庫pCO2進行了大量研究［4-6］，但絕大部分的工作是建立在年或季這樣大的時間尺度上，小時間尺度上的定量觀測還非常有限.三峽庫區(qū)作為一個新形成的人工生態(tài)系統(tǒng)，在這方面至今仍為空白.本文嘗試以日為時間尺度，研究三峽庫區(qū)澎溪河(小江)流域高陽回水區(qū)域夏季24 h水體pCO2的時空變化特征，著重從水溫、pH及DO三個理化指標(biāo)分析其對水體pCO2的影響，以期為認(rèn)識三峽水庫小時間尺度pCO2變化提供第一手資料和方法.

1 材料與方法

1.1 采樣點概述

澎溪河(小江)，地處四川盆地東部邊緣，流域面積5173 km2，干流全長182.4 km，是三峽庫區(qū)北岸中段流域面積最大的支流，流域下伏基巖以侏羅系中統(tǒng)沙溪廟祖泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖為主.三峽水庫蓄水后，澎溪河流域包含了峽谷、消落區(qū)以及湖庫等各種特征的水域，其在三峽水庫具有代表性.本文選擇澎溪河流域高陽平湖回水區(qū)(31°3'49″～31°6'7″N，108°39'12″～108°41'22″E)作為研究對象，該區(qū)域地處澎溪河流域中部，地勢平坦.上游水體經(jīng)峽谷流入此處，河面陡增，流速減緩，具有類似湖泊的地貌環(huán)境及水文水動力特征.低水位運行期(每年6月至9月，夏季)水體平均水深10 m，最大深度12 m;蓄水期(每年10月至次年5月)平均水深20 m，最大深度30 m.

1.2 樣品采集與分析方法

本研究于2009 年8 月20 日至21 日分別對高陽平湖中心水體 0.5、1.0、2.0、3.0、5.0、8.0 和 10.0 m 共7個水層進行水質(zhì)監(jiān)測，具體的采樣時間為8:00、15:00、20:00及次日凌晨3:00四個時段.利用HACH公司生產(chǎn)的MS5多參水質(zhì)儀現(xiàn)場原位測定水溫(T)、pH、溶解氧(DO)，現(xiàn)場用標(biāo)準(zhǔn)鹽酸滴定水體堿度，操作過程與滴定終點判定標(biāo)準(zhǔn)見文獻(xiàn)［7］，水體中pCO2根據(jù)pH、堿度及亨利常數(shù)計算而得［8-10］.

2 結(jié)果與分析

2.1 pCO2的時空變化特征

從空間上看，本次研究中四個監(jiān)測時段晝夜水體pCO2空間變化趨勢相似(圖1)，基本呈現(xiàn)隨深度增加而陡增的趨勢，表層0.5 m及1 m處pCO2均值分別為152±71 μatm、157 ±81 μatm(表1).而在底層10.0 m 處 pCO2均值增加到4568±1089 μatm.從表層1 m到底層10 m，短短的9 m水柱，pCO2增加了幾十倍.從時間上看，由于浮游植物光合作用的影響，晝間表層水體pCO2顯著低于夜間，四個時段中最小值出現(xiàn)在15:00左右，為72 μatm;隨后光合作用減弱，CO2濃度開始上升，在凌晨3:00左右出現(xiàn)最大值，為215 μatm;四個時段監(jiān)測得到的表層pCO2大小順序依次為3:00＞8:00＞20:00＞15:00(圖1)，但無論晝夜，表層pCO2始終低于大氣平均pCO2.

圖1 高陽平湖水體pCO2垂直分布的日變化Fig.1 Daily variations of vertical distribution of pCO2in the water column of Gaoyang backwater area

2.2 水溫、pH及溶解氧的時空變化特征

夏季高陽平湖水體水溫在垂向上遞減的現(xiàn)象十分明顯，除15:00外，其余三個時刻水體在水深1～8 m之間出現(xiàn)溫躍層(水溫在垂直方向出現(xiàn)急劇變化的水層(ΔT＞1℃/m)［11］)，正午由于氣溫較高，溫躍層的起始水層升至0.5 m左右(圖2).白天表層0.5 m最高水溫出現(xiàn)在15:00，為34.1℃，最低水溫出現(xiàn)在8:00，為31.5℃，晝夜溫差2.6℃，日平均水溫為32.8±1.2℃;隨水深增加，水溫晝夜變化減小，底層10 m水溫日平均值為25.5 ±0.1℃(表1).

水體pH值與水溫在空間上變化趨勢基本一致，表層水體pH較高(1 m以上日均值為8.86±0.21)，在溫躍層中迅速下降，并在底層達(dá)到最小值(底層10 m處日均值為7.49±0.08)(表1).一天中pH最大值出現(xiàn)在15:00的1 m水層，為9.14;最小值出現(xiàn)在凌晨3:00的10 m水層，為7.39.另外，3 m以上水體pH日變化較大，晝夜平均相差0.4，而3 m以下水體pH晝夜變化較小，平均相差約0.05.

表1 水層各參數(shù)日垂直變化Tab.1 Daily variation of vertical distributions of parameters in the water column

圖2 pCO2、水溫、pH及DO四時段垂直變化分布(a、b、c、d分別代表8:00、15:00、20:00及次日3:00)Fig.2 Vertical profiles of pCO2，water temperature，pH and DO in four periods

同樣，高陽平湖水體DO的日變化也具有與水溫、pH相似的特性.日最大值出現(xiàn)在15:00時的10 m水層，為18.47 mg/L，最小值出現(xiàn)在次日3:00，為2.23 mg/L，這與pH的最值出現(xiàn)時刻一致.水體DO在溫躍層中也急劇下降，并且3m以上水層DO晝夜變化較大，之后則較小.

3 討論

3.1 pCO2與水溫、pH及DO的相關(guān)性分析

研究結(jié)果表明，無論哪一時段，pCO2與水溫、pH及DO均呈明顯負(fù)相關(guān)(圖2、表2)，這與許多學(xué)者的研究結(jié)果相似［12-14］.溫躍層是各參數(shù)變化最快的區(qū)域，pCO2在溫躍層中急劇增大，而pH、DO在該層中則迅速降低(圖2).這是因為隨水深的增加，光照輻射衰減，細(xì)菌分解溶解態(tài)有機碳(DOC)及沉積物的呼吸作用逐漸代替光合作用而成為主導(dǎo)，所以2 m水層以下pCO2迅速增加，而水溫、pH及DO急劇下降，并在底部達(dá)到各自的極值.表層水體pCO2無論晝夜均低于大氣平均水平(379 μatm)(圖1)［15］，這主要是由水溫調(diào)控微生物新陳代謝、水環(huán)境中的光化學(xué)反應(yīng)以及水-氣界面對流傳輸所致.一方面晝間太陽輻射較強，表層水體浮游植物光合作用吸收水中溶解態(tài)CO2，另一方面水中生物的呼吸、光及細(xì)菌降解DOC都有利于pCO2的上升［16］;再者，夏季晝間水體溫度低于空氣(當(dāng)日氣溫為32～39℃)，水-氣界面存在從空氣到表層水體的熱傳輸，從而促進了水體對大氣CO2的吸收［17］.三者共同作用的結(jié)果是:研究期間晝間表層水體以浮游植物光合作用占主導(dǎo)，表層水體pCO2降低，而pH和DO上升，并在15:00達(dá)到最小，而同時表層水溫、pH和DO則達(dá)到各自一天中的最大值.夜間浮游植物光合作用及光降解DOC停止，而呼吸和礦化作用仍在進行，另外，夜間氣溫的下降使得表層水體溫度高于空氣，水-氣界面流傳輸過程與晝間相反，表層水體CO2將會隨熱傳遞釋放到大氣中［17］.研究期間呼吸礦化作用以及對流傳輸兩者的共同作用使得夜間pCO2有所增加，并在次日日出前達(dá)到一天中最大值(圖2)，但仍低于大氣平均水平.另外，pH與DO的晝夜變化在3 m以上較大，這與當(dāng)日平均真光層深度(2.94 m)一致.

表2 高陽平湖pCO2與水溫、pH及DO之間相關(guān)性分析(n=28)Tab.2 Relative analysis between pCO2and water temperature，pH，DO in Gaoyang backwater area

3.2 與其它水體pCO2的比較

早在1935年，Juday等就率先報道了Wisconsin湖絕大多數(shù)水體樣本的溶解態(tài)CO2過飽和現(xiàn)象［18］.近年來，眾多研究表明世界范圍內(nèi)的水生生態(tài)系統(tǒng)，表層水體溶解態(tài)CO2大多呈過飽和狀態(tài).Cole等對62°N到60°S之間的 1835個大小湖泊的研究發(fā)現(xiàn)，其中 87%的湖泊 CO2過飽和，全球湖泊平均 pCO2為1036 μatm［19］.Sobek等對全球4902個湖泊的研究也得到相似的結(jié)論［20］.處于亞熱帶地區(qū)的美國Florida湖泊群，其948個大大小小的湖泊 pCO2從0到81000 μatm不等，其中87%的湖泊 CO2超飽和，中值為1030 μatm［21］.而更高緯度地區(qū)無論湖泊還是水庫其全年(除冰封期外)水體 CO2則都呈現(xiàn)超飽和現(xiàn)象［22-24］.與湖泊類似，世界絕大多數(shù)河流中的CO2都呈過飽和狀態(tài)，pCO2基本在2000～8000 μatm之間，一些地區(qū)支流水體pCO2甚至高達(dá)10000 μatm以上［25-26］.對歐洲、美洲及亞洲河流入海口這些水域的觀測也得到同樣的結(jié)論［27-29］.近年來，國內(nèi)也有一些關(guān)于水體pCO2的報道.王祖桂［30］、張龍軍等［31］對黃河、長江主干流的觀測結(jié)果表明:秋季黃河干流水體pCO2為790～1600 μatm，而長江干流水體全年 pCO2為860～1600 μatm;有學(xué)者對云貴高原地區(qū)的湖泊和水庫等水環(huán)境中pCO2進行數(shù)年研究發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)除夏季外其它季節(jié)水體CO2均過飽和［5，12-13］(表3).然而本研究結(jié)果表明，夏季高陽平湖表層水體(＜1 m)晝夜溶解態(tài)CO2是欠飽和的，主要是由于浮游植物生長較旺盛(表層水體葉綠素a濃度約為20 μg/L)，白天光合作用吸收CO2，使表層水體pCO2小于大氣平均值;而夜晚微生物和藻類呼吸作用所釋放的CO2在水中未達(dá)飽和.這與Maberly等1996年對英國Cumbria的一個生產(chǎn)型湖泊(Esthwaite Water)8月份表層水體pCO2的監(jiān)測結(jié)果相似［6］.但其具體原因還有待進一步研究分析.

表3 世界各地區(qū)表層水體pCO2及CO2交換通量*Tab.3 The pCO2and exchange flux of CO2in the surface water in the world

3.3 水氣界面CO2擴散通量

水氣界面CO2交換通量受以下幾個因素的影響:1)表層水體與水面上大氣中CO2的分壓差;2)氣體交換系數(shù)，而氣體交換系數(shù)又受流速、風(fēng)速、溫度等因素影響.對于淡水水體，假設(shè)化學(xué)離子強度為1，則水-氣界面CO2交換通量(正為釋放、負(fù)為吸收)為［32］:

式中，U10為水面上方10 m風(fēng)速(m/s);k600為SF6氣體的交換系數(shù)(cm/h).當(dāng)風(fēng)速小于3 m/s時，kCO2為 :

式中，Sc是t℃下CO2的Schmidt常數(shù)，對淡水而言，按下式進行計算:

圖3 高陽平湖水-氣界面CO2通量日變化Fig.3 Diurnal variations of the CO2flux at the water-air interface of Gaoyang backwater area

觀測當(dāng)日從中國氣象站獲得的風(fēng)速數(shù)據(jù)(日平均風(fēng)速均0.85 m/s)，并以379 μatm作為當(dāng)日平均大氣CO2分壓，計算得出的CO2通量在四個時段均為負(fù)值(圖3)，說明當(dāng)日高陽平湖24 h均為大氣CO2的匯，這與 Maberly對 Esthwaite Water湖8月計算得出的通量結(jié)果相似［6］.受浮游植物光合作用的影響，四個時段中15:00對大氣CO2的吸收最為強烈，為 -0.33 mmol/(m2·h);夜晚吸收量降低，到次日3:00僅有 -0.17 mmol/(m2·h)(圖3).與世界其它水體相比，高陽平湖日吸收量較大，這與觀測的時間尺度有關(guān)(表3).而要得到其水氣界面CO2年通量，需要今后進一步的觀測.

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Diurnal variation characteristics of pCO2in the summer water column of Gaoyang backwater area in Pengxi River，Three Gorges Reservoir

GUO Jinsong1，JIANG Tao1，LI Zhe1，CHEN Yongbo2＆ SUN Zhiyu2
(1:Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region's Eco-Environment，Chongqing University，Chongqing 400030，P.R.China)
(2:China Three Gorges Corporation，Yichang 443000，P.R.China)

Partial pressure of CO2(pCO2)in water column was an importamt indicator for the geochemical characteristics of carbon.Diel samples for pCO2and other environmental factors，i.e.pH，DO and water temperature，was taken from Gaoyang backwater area in the Pengxi(Xiaojiang)River，Three Gorges Reservoir in every 6 h.Results showed that in stable metaliminon，vertical pCO2increased along with the water depth.Mean value of the pCO2at 0.5 m depth was 152 ±71 μatm，while that of pCO2at 10.0 m depth was 4568 ±1089 μatm.Significant negative correlations between pCO2and pH，DO，water temperature were detected，indicating metabolism of microbial and planktonic community and penetrative convection were impacted by water temperature that regulated the distribution of pCO2.Estimation of the water-air flux of CO2indicated that the general characteristic of carbon sink in the Gaoyang backwater area was obvious.A maximum sink flux of-0.33 mmol/(m2·h)was detected in 15:00 while a minimum sink flux of-0.17 mmol/(m2·h)was also detected in 3:00 of the next day.

Partial pressure of CO2;spatio-temperal distribution;water column stratification;water-air flux;Pengxi River;Three Gorges Reservoir;Gaoyang backwater area

＊ 國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“973”項目(2010CB955904-04)、中國長江三峽集團公司科研項目(CT-09-08-03)、國家自然科學(xué)基金青年基金項目(51009155)和國家水體污染控制與治理科技重大專項項目(2009ZX07104)聯(lián)合資助.2011-04-15 收稿;2011-07-15 收修改稿.郭勁松，男，1963 年生，教授;E-mail:guo0768@126.com.

＊＊ 通信作者;E-mail:ZheLi81@sina.com.