魏浩斌，吳學謙，操滿，傅家楠，賈曉斌，鄧兵，汪福順

（1.上海大學環(huán)境與化學工程學院，上海 200444；

2.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062）

三峽庫區(qū)干流及庫灣支流（朱衣河）夏季CO2分壓及擴散通量

魏浩斌1，吳學謙1，操滿1，傅家楠1，賈曉斌1，鄧兵2，汪福順1

（1.上海大學環(huán)境與化學工程學院，上海 200444；

2.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062）

以三峽庫區(qū)中長江干流及其支流朱衣河作為主要研究對象,于2013年5—7月對該研究區(qū)域干支流的CO2分壓進行了研究,并計算出CO2的擴散通量.研究結果表明,在水體剖面上表層水體CO2分壓最??；隨著水深增加,CO2分壓急劇增大,到達10 m后才保持穩(wěn)定.干支流表層水體CO2分壓的分布和擴散通量差異顯著.5—7月,干流水體表層CO2分壓為220.8～268.0 Pa,CO2擴散通量為51.05 mmol·m-2·d-1；支流水體表層CO2分壓為14.9～190.3 Pa,3個月的CO2擴散通量分別為0.42,-0.12和20.83 mmol·m-2·d-1.研究結果表明,支流釋放的CO2遠小于干流.

三峽庫區(qū)；CO2分壓；CO2擴散通量；朱衣河

CO2是重要的溫室氣體（greenhouse gas，GHG）之一.據歐洲環(huán)境協會和美國環(huán)境協會統(tǒng)計，大氣中CO2占溫室氣體總量的80%～85%［1-2］.化石燃料燃燒產生的CO2一直是溫室氣體的重要來源，為減少化石燃料的使用，水電被認為是一種清潔能源而得到了大規(guī)模推廣［3-4］.但是，近期有研究表明水庫也會向大氣排放大量的CO2.就生產單位電力而言，某些水庫所釋放的溫室氣體總量甚至會大于火力發(fā)電站所釋放的總量［5-9］.

水庫建成后，淹沒區(qū)植被和流域輸入的有機質降解產生了CO2、CH4等溫室氣體，并通過水-氣界面釋放到大氣中.水庫釋放溫室氣體主要通過以下3種途徑：①從水庫較淺的區(qū)域以氣泡形式溢出（化學成分主要為CH4）；②從水庫水-氣界面擴散溢出；③河流下游排放［10］.寒帶和熱帶的水庫被淹沒地區(qū)的土壤有機碳密度較高，如果蓄水后在缺氧的環(huán)境下就會被礦化成CO2和CH4.此外，熱帶地區(qū)的高生物量也向水庫輸送大量有機碳，其降解過程造成了溫室氣體的大量釋放，相關的研究較多［11-12］.相比之下，關于亞熱帶水庫CO2的釋放情況的研究則較少.中國是水庫大國，僅長江流域內修建的水庫就超過48 000個，因此對于水庫的富營養(yǎng)化［13-14］、生態(tài)影響評估和治理方面［15-16］的研究較多，而對于水庫水-氣界面GHG擴散通量的研究則較少.

三峽作為世界級工程一直備受關注.三峽水庫在正常蓄水時（175 m水位），水域面積可達1.084×103km2，總庫容3.93×1010m3，控制流域面積3.8×105km2.本研究從三峽庫區(qū)干、支流轉換過程中溶解CO2分壓及其水-氣擴散通量的變化特征入手，分析夏季（5—7月）三峽庫區(qū)長江干流及支流（朱衣河）對大氣CO2的“源/匯”關系.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

三峽水庫東起湖北省宜昌市，西迄重慶巴縣（東經106?000～111?580，北緯28?010～31?450），三峽庫區(qū)干流水面寬度通常為0.7～1.7 km.朱衣河位于重慶市奉節(jié)縣境內，距三峽大壩約165 km，屬于三峽庫區(qū)中部區(qū)域，其全長為31.4 km，流域面積153.6 km2，年均流量2.92 m3/s.另外，朱衣河位于長江左岸，與干流成60?角匯入長江，其左岸為在建公路大橋，右岸種植了大量臍橙，低水位運行期兩岸河灘裸露，水面寬為300～500 m.

1.2 樣品的采集與分析

2013年5 —7 月對三峽庫區(qū)中部的長江干流和支流（朱衣河）進行了按月走航觀測.如圖1所示，在距河口0.5 km處取點記為ZY01（109?460E，31?010N），距河口3 km處取點記為ZY02（109?430E，31?020N），在長江干流取點CJ01（109?450E，31?N）.從CJ01到ZY02進行走航監(jiān)測，在走航過程中利用自吸泵抽取水面下0.3 m左右水體進行CO2分壓水質參數分析.在定點站位，按5或10 m的間隔，利用潛水泵抽取不同深度的水體.用德國產的CO2傳感器Hydro CTM/CO2對水體進行CO2分壓分析；同時利用YSI水質參數儀（美國哈希公司生產）測定pH值、水溫、溶解氧（dissolved oxygen，DO）、葉綠素a（Chl-a），用濁度儀（OBS）測定水體濁度，分析水體剖面水質參數變化.

圖1 研究區(qū)域和采樣點位Fig.1 Study area and sampling sites

1.3 數據處理

水氣界面的CO2擴散通量主要受以下因素影響：水體和大氣中CO2分壓的差值、溫度、風速和河流流速等.通常，水-氣界面的CO2通量可以通過式（1）計算得到［17］：

式中，F為水-氣界面的擴散通量，F＞0表示水體向大氣中釋放CO2，F＜0表示水體吸收CO2；k為氣體交換系數；pCO2為水體CO2分壓；gassat為大氣CO2分壓（38 Pa）；kH為亨利系數.kH受溫度和鹽度影響，可根據式（2）計算得到

式中，TK為開爾文溫度.

由于氣體交換系數k會受溫度、風速、水體濁度等影響，故可采用式（3）來計算得到［18-20］

式中，Sc為CO2的施密特數，k600表示溫度為20?C、施密特數為600時CO2的標準氣體交換系數，U1為水面上的風速，U10為水面上方10 m處的風速，t為表層水的溫度.

2 結果與討論

2.1 研究區(qū)域水體表層CO2分壓及各項水質參數的變化

觀測結果顯示，在觀測期間朱衣河表層水溫為22.1～28.4?C，由ZY01向ZY02逐漸升高；干流表層水溫為24.7～24.9?C.干流和支流水樣pH值均為8左右，呈堿性；DO濃度為4.9～18.8 mg/L，且均在6月份達到最大值.支流Chl-a濃度大多集中在8～13μg/L，而干流Chl-a濃度則在2.2～4.2μg/L，這主要是由于長江干流水流速度較快，水體滯留時間較短，藻類并未大量繁殖的緣故［21］.朱衣河CO2分壓的變化范圍為17.6～190.3 Pa.7月份，ZY01點的CO2分壓達到190.3 Pa，而ZY02點的CO2分壓只有17.6 Pa.這主要是由于水體CO2受水中生物的光合和呼吸作用共同影響，當水體表面藻類較多時，光合作用消耗了水中的CO2；當水體表面藻類較少時，生物的呼吸作用占了主導［2,22］.這與7月份ZY01、ZY02水體表面Chl-a的濃度相吻合.長江干流CO2分壓集中在220.8～234.6 Pa.如圖2所示，通過分析走航觀測庫區(qū)干流和支流表層水體的CO2分壓情況，發(fā)現干流水體的CO2分壓遠大于支流.

圖2 庫區(qū)干支流表層水體CO2分壓分布Fig.2 Distribution of partial pressure of carbon dioxide in mainstream and tributary surface

2.2 水體參數剖面變化

三峽水庫進入夏季防洪泄水后，會產生水庫水位及干支流水體密度差等變化情況，這將對庫灣支流產生顯著影響.由于庫區(qū)支流受到干流水體回水頂托作用，流速減緩，故水體透明度較高，有利于浮游植物等的生長，使其在深度方向上產生典型的分層現象［23］.根據在ZY01、ZY02進行的水體剖面監(jiān)測結果顯示，pCO2的最小值均出現在水體表面，然后隨著深度增加而迅速增大.在水面5 m以下的位置，pCO2則變得相對穩(wěn)定，整個水體剖面呈現明顯的分層現象（見圖3）.相應地，pH值、DO和葉綠素濃度則是在0～5 m范圍處于較高的數值，5 m以下則迅速下降，10 m以下時變化不大，其趨勢與pCO2的變化趨勢相反，呈負相關關系.在上層水體中，占主導作用的是光合作用，水中的懸浮藻類通過光合作用大量消耗水體中的CO2，并釋放O2，使得DO濃度值增加，pCO2值降低.隨著水體深度的增加，透光度下降，呼吸作用占主導，使得DO濃度值逐漸降低而pCO2濃度值逐漸增大（見圖4），pCO2和DO存在顯著負相關關系.

圖3 水體剖面pCO2分布Fig.3 Distribution of pCO2in water sectional

2.3 水體CO2的擴散通量

庫區(qū)受地形、氣候等因素的影響，風力較小，以無風及微風天氣為主，根據2008—2013年長江三峽工程生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測公報可知，奉節(jié)縣年平均風速在1.5 m/s左右，因此本研究采用1.5 m/s計算CO2的擴散通量FCO2.

圖5表示朱衣河及長江干流在5—7月的CO2擴散通量.圖5中，風速以1.5 m/s作為基準，以0.5和2.5 m/s作為最小和最大風速來計算誤差線.從圖5可以發(fā)現，5—7月長江干流（庫區(qū)）的擴散通量是正值，為45.86～57.89 mmol·m-2·d-1，遠大于大氣水平，向大氣釋放CO2；而朱衣河CO2的擴散通量則呈無規(guī)律變化，其中5月及7月FCO2＞0，向大氣釋放CO2，6月FCO2＜0，則向大氣吸收CO2.可以看出，支流的擴散通量遠小于干流.這主要是由于干流作為向外部輸送的通道，攜帶了大量的有機物，在運輸過程中被降解；另一方面，干流流速快，保持了河流的一維流動特性，而且濁度較大，光合作用較弱，有機物的降解作用較強.

圖4 pCO2和DO的回歸分析Fig.4 Regression analysis between pCO2and DO

根據圖5進一步分析計算得出，5—7月朱衣河向大氣釋放CO2約1.90×106mol；長江干流月擴散通量變化不大，其平均值為51.05 mmol·m-2·d-1，經計算向大氣釋放的CO2約3 632.76×106mol（見表1）.

圖5 干支流水體表面FCO2通量Fig.5 FCO2of surface water from mainstream and tributary

表1 研究區(qū)域干支流CO2釋放量Table 1 Emission of CO2from tributary and mainstream of reservoir

3 結論

通過研究夏季5—7月長江干流及支流朱衣河的CO2分壓、部分水質參數和水面CO2通量，得到如下結論.

（1）夏季，支流與大氣的CO2分壓相差不多，這主要是因為三峽水庫調度的影響，水位維持在最低的防洪界限，流速緩慢，藻類大量繁殖，植物的光合作用消耗了水中的部分CO2，使水體的CO2分壓甚至低于大氣水平.

（2）長江干流攜帶的有機物被降解后，產生了大量的CO2，使水體的CO2分壓遠大于大氣中的CO2分壓，同時干流往往有著較高的流速，加快了CO2的擴散速度，因此表現為“源”.

（3）通過研究發(fā)現，水體中CO2分壓與DO存在顯著的負相關關系，表層光合作用強烈，光合作用強于呼吸作用，使得水體DO濃度較高.庫區(qū)中底層以呼吸作用為主，有機物分解消耗DO，并釋放CO2，增加了CO2分壓.

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Partial pressure and diffusion flux of dissolved carbon dioxide in mainstream and tributary（Zhuyi River）of the Three Gorges Reservoir in summer

WEI Haobin1，WU Xueqian1，CAO Man1，FU Jianan1，JIA Xiaobin1，DENG Bing2，WANG Fushun1
（1.School of Environmental and Chemical Engineering，Shanghai University，Shanghai 200444，China；
2.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research，East China Normal University，Shanghai 200062，China）

The mainstream and tributary of the Three Gorges Reservoir were investigated from May 2013 to July 2013 to understand the distribution of the partial pressure of carbon dioxide.The results show that,along the water column of the tributary（Zhuyi River）,the lowest value of the partial pressure of carbon dioxide appears in surface water,and increases rapidly with depth.Below 10 meters in depth,the partial pressure of carbon dioxide becomes stable.There are significant differences of the partial pressure of carbon dioxide in surface water between mainstream and tributaries.During the period of investigation, the partial pressure of carbon dioxide in the surface water of the mainstream is 220.8～268.0 Pa,with an average CO2emission fluxes of 51.05 mmol·m-2·d-1.The partial pressureof carbon dioxide in the surface water of tributary（Zhuyi River）is 14.9～190.3 Pa.Emission flux of CO2in the three months are 0.42,-0.12 and 20.83 mmol·m-2·d-1.The result indicates that the tributary Zhuyi River emits less CO2than the mainstream.

Three Gorges Reservoir；partial pressure of carbon dioxide；diffusion flux of carbon dioxide；Zhuyi River

X 14

A

1007-2861（2016）04-0497-08

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.011

2015-05-21

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2012ZX07104-001）；國家自然科學基金資助項目（41273128，41473082）

汪福順（1976—），男，教授，博士，研究方向為地球化學.E-mail：fswang@shu.edu.cn