宋紅麗，劉興土*，文波龍

黃河三角洲養(yǎng)殖塘水-氣界面CO2、CH4和N2O通量特征

宋紅麗1,2，劉興土2*，文波龍2

1. 山東省水土保持與環(huán)境保育重點實驗室//臨沂大學資源環(huán)境學院，山東 臨沂 276005；
2. 中國科學院濕地生態(tài)與環(huán)境重點實驗室//中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長春130102

隨著經(jīng)濟的增長和人口的增加，沿海地區(qū)養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展，故養(yǎng)殖區(qū)水-氣界面的CO2、CH4和N2O交換通量對大氣中溫室氣體濃度的影響不容忽視。以黃河三角洲神仙溝（樁11）南部的養(yǎng)蝦塘為研究對象，于2013年6月—2014年4月，采用漂浮箱-氣相色譜法對養(yǎng)殖塘白天水-氣界面CO2、CH4和N2O通量進行觀測，并同步測定養(yǎng)殖塘部分環(huán)境因子。結果表明，黃河三角洲養(yǎng)殖塘 CO2、CH4和 N2O 的通量范圍分別為-71.1403～7.2786、-0.0058～0.0165、-0.0020～0.0079 mg?m-2?h-1，均值分別為-36.3475、0.0059、0.0027 mg?m-2?h-1，整體上表現(xiàn)為從大氣吸收CO2的匯和向大氣排放CH4和N2O的源。養(yǎng)殖塘溫室氣體通量存在明顯的季節(jié)變化特征，在溫度較高的夏秋季，CH4和N2O排放通量較大。相關性分析結果表明，溫度、鹽度、SO42-、Cl-和磷水平對養(yǎng)殖塘溫室氣體具有一定的影響，且鹽度與N2O通量、SO42-濃度與CO2通量之間的相關性達到顯著水平。黃河三角洲養(yǎng)殖塘溫室氣體通量與自然水體和其他地區(qū)養(yǎng)殖塘存在較大差異，其中，地理位置的差異、養(yǎng)殖方式、殺菌劑的使用等環(huán)境因子和人為因素的作用顯著。此外，養(yǎng)殖塘作為受人為干擾嚴重的水體，表現(xiàn)為多因子共同作用的結果，這一結論還有待于進一步的研究。研究結果對于綜合評價水產(chǎn)養(yǎng)殖對區(qū)域氣候變化的影響，深化人類活動對全球變暖的影響認識具有一定意義。

黃河三角洲；水-氣界面；CH4；CO2；N2O

濱海濕地是由陸地、海洋和大氣等多系統(tǒng)交互作用形成的動態(tài)平衡系統(tǒng)，具有高度的動態(tài)特征，是脆弱的生態(tài)敏感區(qū)，任何對生態(tài)系統(tǒng)和自然環(huán)境的干擾都會對其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。隨著經(jīng)濟的增長和人口的增加，人類對濱海濕地的圍墾和開發(fā)強度越來越大。其中，灘涂養(yǎng)殖是濱海濕地開發(fā)利用的重要方式之一。近年來，海洋魚類等資源的嚴重下降，為水產(chǎn)養(yǎng)殖注入新的動力。自 1970年起，隨著世界對魚類產(chǎn)品需求的劇增，養(yǎng)殖業(yè)以每年8.7%的速率高速增長，尤其是中國（Williams et al.，2010）。目前全球沿海地區(qū)養(yǎng)殖魚類和貝類的產(chǎn)量比過去15年增加了1倍（Naylor et al.，2000）。據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織數(shù)據(jù)顯示，目前世界淡水養(yǎng)殖塘和海水養(yǎng)殖塘面積分別高達 87500 km2和23330 km2（Verdegem et al.，2009）。

此外，近年來以CH4、CO2和N2O濃度增加為主題的全球變暖問題是全世界關注的主要環(huán)境問題之一。自工業(yè)化以來，全球大氣CO2、CH4和N2O濃度持續(xù)增加，2012年，全球大氣 CO2、CH4和N2O 體積分數(shù)分別為 393.1 μL·L-1、1819 nL·L-1和325.1 nL·L-1，分別比工業(yè)化前增加 41%、160%和20%（IPCC，2013）。因此，減少溫室氣體的排放已成為當務之急。中國海岸線長達 18000 km，具有眾多的河口、海灣、島嶼、淺海和灘涂濕地，為沿海養(yǎng)殖提供了優(yōu)良的場所，這些區(qū)域海洋漁場面積高達 8.2×107hm2，其中淺海和灘涂面積為1.33×107hm2，故養(yǎng)殖區(qū)水-氣界面的 CH4、CO2和N2O交換通量對于大氣中溫室氣體濃度的影響不容忽視（楊平等，2013）。

黃河三角洲位于渤海灣南岸和萊州灣西岸，由黃河攜帶大量泥沙填充渤海淤積而成，為中國最大的三角洲，也是中國溫帶最廣闊、最完整和最年輕的濕地。黃河三角洲地區(qū)主要的圍墾利用類型包括水庫港口建設、養(yǎng)殖、鹽田以及農(nóng)業(yè)。陳建等（2011）研究發(fā)現(xiàn)，1976—2008年，現(xiàn)代黃河三角洲人工濕地總面積增加了70.7倍，增加面積約為4.2×104hm2，與該區(qū)域鹽田及魚塘等人工濕地的不斷增多有關。目前，關于黃河三角洲溫室氣體排放的研究僅在自然濕地區(qū)中開展（王玲玲等，2011；Sun et al.，2013），而關于黃河三角洲潮灘濕地遭受人類圍墾后形成的水產(chǎn)養(yǎng)殖塘溫室氣體通量的研究還未見報道。為此，于2013年6月—2014年4月對黃河三角洲養(yǎng)殖塘CH4、CO2和 N2O通量特征及影響因素進行了初步研究。研究結果對了解水體溫室排放特征，綜合評價水產(chǎn)養(yǎng)殖對區(qū)域氣候變化的影響，深化人類活動對全球變暖的影響認識具有一定意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河三角洲屬暖溫帶季風性氣候，具有明顯的大陸性季風氣候特點，雨熱同期，四季分明，冷熱干濕界限極為明顯。春季干旱多風，常有春旱；夏季炎熱多雨，高溫高濕，時有臺風侵襲。該區(qū)平均氣溫為12.1 ℃，年平均降水量為551.6 mm，70%的江水集中于7月和8月。試驗所在地神仙溝（樁11）位于現(xiàn)黃河口北側約30 km處，在1953—1960年的黃河入?？诟浇?。1976年黃河由三角洲北部的釣口流路改為目前的清水溝流路入海。廢棄神仙溝-釣口三角洲葉瓣位于現(xiàn)代黃河三角洲的北部。1976年黃河尾閭改道后，神仙溝-釣口三角洲葉瓣由原來快速向?？谟龠M轉為向陸蝕退，嚴重威脅勝利油田的生產(chǎn)（王厚杰等，2010）。因此，目前神仙溝流路區(qū)主要為防止蝕退的人工海堤。此區(qū)域受人類活動干擾嚴重，除存在大量的油田外，鹽田和養(yǎng)殖塘隨處可見。研究所用養(yǎng)殖塘為海水養(yǎng)蝦塘，通過水閘與大海連通，便于及時補充水分，調節(jié)養(yǎng)殖塘鹽度，養(yǎng)殖密度約為7.5 ind·m-2。全池投撒飼料，初期每天投喂2～3次，后期每天投喂不少于3次，飼料日投放量控制在蝦體重的3%～5%。

1.2 氣體樣品采集與分析

分別于2013年6月、8月、10月、12月和次年2月、4月采用浮箱-氣相色譜法采集黃河三角洲養(yǎng)殖塘CH4、CO2和N2O氣體。采樣箱由PVC管制成（直徑30 cm，高50 cm的圓筒），箱體四周及頂部用保溫層包裹以確保樣品采集過程中箱內(nèi)的溫度變化不大。外圍裝有漂浮裝置和平衡裝置以使采樣箱能穩(wěn)定地浮在水面上。采樣箱內(nèi)部裝有監(jiān)測箱內(nèi)溫度的傳感器、采氣用的硅膠管和三通閥及混合箱內(nèi)氣體的小風扇。同時，采樣時為了確保箱內(nèi)空氣與外界隔絕，需將采樣箱置于水面，使箱口浸入水中，浸入深度需根據(jù)采樣時的風浪狀況來定。采樣點設在養(yǎng)殖塘的中間，將采樣箱固定于小木船上，3個重復等間距直線排列。選擇風速較小的晴天，于上午8:00開始，每隔2 h采集1次樣品，即分別在8:00、10:00、12:00、14:00、16:00進行氣體采集。樣品采集采用50 mL注射器，在60 min時間段內(nèi)每隔 20 min采集1次樣品，所采集的氣體樣品裝于250 mL氣袋中（大連德霖氣體包裝有限公司）。樣品采集后36 h內(nèi)，在實驗室用Agilent 7890氣象色譜儀分析CH4、CO2和N2O氣體濃度。

1.3 水樣及環(huán)境因子的測定

采集氣體樣品的同時，監(jiān)測氣溫以及水溫的變化情況，同時采集采樣箱體周圍表層（0～10 cm）水樣，裝入500 mL聚乙烯瓶中帶回實驗室立即進行測定。水質鹽分、總磷、陰離子（SO42-、Cl-）分別采用稱重法、鉬酸銨分光光度法、離子色譜法測定。

1.4 通量計算

水-氣界面 CH4、CO2和 N2O排放通量采用以下計算公式：

式中，J 為氣體通量（mg?m-2?h-1），dc/dt為采樣時氣體體積分數(shù)隨時間變化的回歸曲線斜率，M 為被測氣體摩爾質量（g?mol-1），P為采樣點氣壓（Pa），T為采樣時絕對溫度（K），A為采樣箱覆蓋面積，V為箱內(nèi)空氣體積，V0、P0、T0分別為標準狀態(tài)下的氣體摩爾體積（mL?mol-1）、空氣氣壓（1013.25 hPa）和絕對溫度（273.15 K）。浮箱內(nèi)的氣體濃度變化率通過對每次采集的3個氣樣所測的各氣體含量進行線性回歸分析獲得，測量的濃度數(shù)據(jù)只有在線性回歸系數(shù)R2＞0.90時才視為有效。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Origin 8.0和SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進行作圖、計算、相關分析和線性擬合分析。

2 結果與分析

2.1 CH4、CO2和N2O通量月變化特征

2013年6月—次年4月，黃河三角洲養(yǎng)殖塘CO2通量范圍為-71.1403～7.2786 mg?m-2?h-1（圖 1a），均值為-36.3475 mg?m-2?h-1，整體表現(xiàn)為吸收 CO2的匯。其中，2013年6月、8月、10月、12月及次年2月CO2的通量分別為-3.9585、-71.1404、-19.972、-62.8925 和-67.4000 mg?m-2?h-1，均表現(xiàn)為從大氣中吸收CO2，且吸收峰出現(xiàn)在8月。僅2014年4月表現(xiàn)為排放 CO2的源，月均通量為 7.2786 mg?m-2?h-1。

圖1 黃河三角洲養(yǎng)殖塘水-氣界面CO2通量月變化（a）和季節(jié)變化（b）特征Fig. 1 Monthly variation (a) and seasonal variation (b) of CO2fluxes at water-air interface of aquaculture pond in the Yellow River estuary

2013年6月—次年4月，黃河三角洲養(yǎng)殖塘CH4通量范圍為-0.0058～0.0165 mg?m-2?h-1（圖 2a），年均值為 0.0059 mg?m-2?h-1，整體上表現(xiàn)為排放 CH4的源。6月和 12月 CH4通量分別為-0.0028 mg?m-2?h-1，-0.0058 mg?m-2?h-1，表現(xiàn)為從大氣中吸收CH4的匯，且吸收峰出現(xiàn)在12月。2013年8月、10月及次年2月和4月CH4通量分別為0.0057、0.165、0.0067 和 0.0150 mg?m-2?h-1，表現(xiàn)為排放CH4的源，且排放峰出現(xiàn)在10月。

2013年6月—次年4月，黃河三角洲養(yǎng)殖塘N2O通量范圍為-0.0020～0.0079 mg?m-2?h-1（圖 3a），均值為0.0027 mg?m-2?h-1，整體上表現(xiàn)為排放N2O的源。2013年6—12月N2O排放特征呈先增加后減少的趨勢，排放峰出現(xiàn)在 8月，通量值分別為 0.0029、0.0079、0.0051 和 0.0018 mg?m-2?h-1。次年 2 月和 4月 N2O 通量值分別為-0.0020 mg?m-2?h-1和 0.0006 mg?m-2?h-1，表現(xiàn)為N2O弱吸收匯和排放源。

2.2 CH4、CO2和N2O通量季節(jié)變化特征

圖2 黃河三角洲養(yǎng)殖塘水-氣界面CH4通量月變化（a）和季節(jié)變化（b）特征Fig. 2 Monthly variation (a) and seasonal variation (b) of CH4fluxes at water-air interface of aquaculture pond in the Yellow River estuary

圖3 黃河三角洲養(yǎng)殖塘水-氣界面N2O通量月變化（a）和季節(jié)變化（b）特征Fig. 3 Monthly variation (a) and seasonal variation (b) of N2O fluxes at water-air interface of aquaculture pond in the Yellow River estuary

黃河三角洲養(yǎng)殖塘水-氣界面CH4、CO2和N2O具有顯著季節(jié)變化特征（圖1b、圖2b、圖3b）。具體而言，春、夏、秋、冬4個季節(jié)CO2通量的均值分別為-37.55、-19.97、-65.15 和 7.28 mg?m-2?h-1，除冬季表現(xiàn)為向大氣排放CO2的源，其余3個季節(jié)均表現(xiàn)為從大氣中吸收CO2的匯，吸收峰出現(xiàn)在冬季。CH44個季節(jié)通量的均值分別為0.0015、0.0165、0.0005 和 0.0150 mg?m-2?h-1，均表現(xiàn)為向大氣中排放CH4的源，排放峰出現(xiàn)在秋季，最小值出現(xiàn)在冬季。冬季黃河三角洲養(yǎng)殖塘表現(xiàn)為從大氣中吸收N2O的弱匯，而夏季和秋季則為向大氣中排放N2O的強源，春季則為弱源，4個季節(jié)N2O通量的均值分別為-0.0001、0.0054、0.0051 和 0.0006 mg?m-2?h-1。

2.3 環(huán)境因子

觀測時間段內(nèi)氣溫和水溫具有明顯的季節(jié)變化特征（圖4），呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。氣溫的變化范圍為(8.67±1.83)～(26.60±0.56) ℃，最低溫和最高溫分別出現(xiàn)在12月和6月。10 cm和20 cm水溫的變化范圍分別為(2.42±0.56)～(26.90± 0.35) ℃、(3.34±0.51)～(26.87±0.33) ℃。與氣溫的變化相似，最低溫和最高溫也分別出現(xiàn)在12月和6月。養(yǎng)殖塘SO42-質量濃度變化范圍為2.95～3.97 g?L-1（表1），不同月份之間含量存在波動。Cl-的變化趨勢與SO42-基本一致，變化范圍為 19.84～35.68 g?L-1。總磷含量呈現(xiàn)“增加—減小—增加”的趨勢，最大值出現(xiàn)在 4月（0.452 mg?L-1）。鹽度變化范圍為23.10‰～57.56‰，最大值出現(xiàn)在4月。

圖4 黃河三角洲養(yǎng)殖塘氣溫和水溫季節(jié)變化特征Fig. 4 Seasonal variations of air temperature and water temperature in the Yellow River estuary

相關分析結果表明，養(yǎng)殖塘水-氣界面CO2通量與水體 SO42-質量濃度之間存在顯著正相關關系（r=0.829，P=0.042）（表2），與氣溫、水溫和總磷則表現(xiàn)為正相關，但均未達到顯著水平。N2O通量與氣溫、水溫之間存在正相關性，與鹽度、SO42-、Cl-、總磷之間存在負相關性，且與鹽度之間的相關性達到了顯著水平（r=-0.886，P=0.019）。CH4通量與所檢測的環(huán)境因子之間均存在正相關，但均未達到顯著水平。此外，通過對CO2、CH4和N2O通量與環(huán)境因子（氣溫、水溫、鹽度、SO42-濃度、Cl-濃度和總磷含量）進行二次線性擬合，結果表明，黃河三角洲養(yǎng)殖塘水-氣界面 CO2通量與氣溫和水體 SO42-濃度、CH4通量與水體鹽度存在較好的線性擬合關系，擬合方程分別為：Y=17.379+0.0448X1+4.4560X2（ R2=-0.657）、 Y=3.7603+0.02326X1+0.00021X2（R2=0.69759）和 Y=35.78062-0.15368X1+0.02529X2（R2=-0.63091）。

2.4 相關研究結果的對比分析

黃河三角洲養(yǎng)殖塘CO2、CH4、N2O通量均值分別為-36.3475、0.0059、0.0027 mg?m-2?h-1（圖 1，圖2，圖3），通過與已有研究的對比可以發(fā)現(xiàn)（表3）：（1）黃河三角洲養(yǎng)殖塘CO2排放通量小于其他水體，南極莫愁湖（-70.8 mg?m-2?h-1）和團結湖（-36.9 mg?m-2?h-1）除外；（2）養(yǎng)殖塘水-氣界面 CO2和 CH4排放通量高于自然水體，如在同一地區(qū)，江蘇省中國水產(chǎn)科學研究院大宗淡水魚養(yǎng)殖試驗池塘 CO2（81.21 mg?m-2?h-1）和 CH4（1.86 mg?m-2?h-1）高于太湖CO2（35.145 mg?m-2?h-1）和CH4（0.095 mg?m-2?h-1）通量；（3）不同養(yǎng)殖塘水-氣界面溫室氣體排放通量存在差異性。

3 討論

3.1 CO2、CH4和N2O通量的時空變化特征

黃河三角洲養(yǎng)殖塘溫室氣體通量存在明顯的月變化和季節(jié)變化特征（圖1，圖2，圖3），8—12月從大氣中吸收CO2，溫度相對較高的6—10月出現(xiàn) N2O排放通量的高峰期，與已有研究結果相似（Duan et al.，2005；Xing et al.，2006；楊平等，2013）。楊平等（2013）對閩江河口魚蝦混養(yǎng)塘溫室氣體監(jiān)測結果顯示，養(yǎng)殖塘溫室氣體通量具有明顯的季節(jié)變化，表現(xiàn)為在溫度相對高的月份（9—11月）出現(xiàn)CO2、CH4及N2O排放通量的高峰期，在溫度相對低的月份（12月—次年1月）出現(xiàn)3種溫室氣體排放通量的低谷。呂迎春等（2007）認為葉綠素 a（Chl a）含量可能是富營養(yǎng)湖泊（水庫）CO2季節(jié)變化的顯著特征之一，夏季浮游植物生長旺盛，Chl a含量最高，因此浮游植物通過光合作用吸收大氣中CO2，從而使水體中CO2欠飽和，成為大氣CO2的匯；而冬季則為向大氣中排放CO2的源。呂東珂（2009）對泥河水庫水-氣界面CO2通量的研究發(fā)現(xiàn)，影響CO2季節(jié)變化的主要因素有溫度、水生植物、水位以及天氣情況，從季節(jié)尺度上看，溫度與通量之間存在一定的正相關性，即溫度越高，通量越高，溫度越低，通量就越低。CH4排放通量的季節(jié)變化除了與湖泊的植被和水深相關外，還與湖底淤泥的溫度和光照強度密切相關（Duan et al.，2005）。

表1 黃河三角洲養(yǎng)殖塘水質變化特征Table 1 Variations of water quality in the aquaculture pond in the Yellow River estuary

表2 黃河三角洲養(yǎng)殖塘水-氣界面溫室氣體通量與環(huán)境因子間的Sperman相關性分析Table 2 Sperman's correlation coefficient between greenhouse gases fluxes and environment factors in the aquaculture pond in the Yellow River estuary

表3 已有研究結果的對比分析Table 3 Comparative analysis of existing research results

本研究中養(yǎng)殖塘12月為從大氣中吸收CH4的匯，主要原因在溫度較低的月份，養(yǎng)殖塘中對蝦的生命活動趨緩，對浮游植物的捕食強度降低，從而使得水體浮游植物光合作用釋放的氧含量增多，水體變成好氧環(huán)境，不利于CH4的產(chǎn)生。值得注意的是，在溫度較高的6月，養(yǎng)殖塘也表現(xiàn)為從大氣中吸收CH4的匯，究其原因在于黃河三角洲對蝦放養(yǎng)的最佳月份為5月中下旬，對蝦放養(yǎng)時需在養(yǎng)殖塘灌入大量海水，對養(yǎng)殖塘的擾動較大，加之蝦的投入也會對養(yǎng)殖塘造成擾動，從而增大水體氧含量。本研究6月溫室氣體的采樣在上旬，此時水體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，從而表現(xiàn)為吸收CH4的匯。黃河三角洲養(yǎng)殖塘春夏秋三季為排放N2O的源，僅冬季為從大氣中吸收N2O的弱匯，主要與冬季水體鹽度較高有關。相關分析結果表明，N2O通量與水體鹽分存在極顯著負相關關系，冬季高鹽分含量抑制了N2O的產(chǎn)生。此外，溫度對微生物硝化作用和反硝化作用也具有較大影響，溫度相對較低的2月為從大氣中吸收N2O的匯，4月則為N2O弱源。養(yǎng)殖塘為人為干擾嚴重的水體，在養(yǎng)殖過程中會人為添加各種外源物質，如飼料等，此外養(yǎng)殖塘中不存在大型沉水、挺水植被，故養(yǎng)殖塘水-氣界面溫室氣體排放的季節(jié)變化與上述自然水體（如水庫、湖泊）溫室氣體排放通量的季節(jié)變化存在一定的差異性。與上述研究不同的是，本研究中CO2通量雖與氣溫和水溫均存在正相關性，但均未達到顯著水平（表2），究其原因可能在于養(yǎng)殖塘受人為干擾嚴重，影響溫室氣體季節(jié)變化的因素與自然水體發(fā)生較大的變化。

水-氣界面溫室氣體排放通量存在明顯的空間變化（表3），主要表現(xiàn)在兩個方面，一是不同地點的養(yǎng)殖塘溫室氣體排放通量存在差異性，其原因在于區(qū)域地理位置、采樣方式、管理方式、養(yǎng)殖類型等方面具有差異性。地理位置的差異導致養(yǎng)殖塘水熱條件不同，尤其是溫度影響?zhàn)B殖塘微生物的活性，從而對溫室氣體排放產(chǎn)生影響。不同實驗過程采集溫室氣體的時間間隔和方式存在一定的差異性。本研究中，黃河三角洲養(yǎng)殖塘水-氣界面 CO2和CH4通量明顯小于其他養(yǎng)殖塘，可能原因在于受光合作用和呼吸作用的影響，水氣界面的交換都有明顯的日變化，一般白天是大氣的匯，夜晚是大氣的源（李香華等，2005；嵇曉燕等，2006），受實驗條件的限制，本研究中僅監(jiān)測了白天水-氣界面的溫室氣體，導致CO2和CH4通量明顯小于其他養(yǎng)殖塘。養(yǎng)殖塘管理方式對溫室氣體通量的影響也較大，特別是飼養(yǎng)方式、殺菌劑的使用，肖啟濤（2014）研究殺菌劑（CuSO4和HgCl2）添加對湖泊水體CO2、CH4、N2O濃度的影響發(fā)現(xiàn)，殺菌劑的添加能降低水體 pH，增加游離無機碳的濃度，顯著增加水體CO2的濃度；Chen et al.（2016）研究發(fā)現(xiàn)，喂食的養(yǎng)殖塘從大氣中吸收CO2，而不喂食的養(yǎng)殖塘則向大氣中排放CO2，可能原因在于高水平的營養(yǎng)物質的輸入，使得浮游植物大量繁殖，從而導致從大氣中吸收CO2，排出O2。尤其是人工復合餌料進行水產(chǎn)養(yǎng)殖時，1 kg魚的產(chǎn)出需要消耗70 g氮和800 g有機物，且這些氮和有機物的利用率很低，其中80%會通過魚類的排泄進入養(yǎng)殖水體及底泥中，造成養(yǎng)殖水體碳、氮負荷的大量增加（劉浩等，2011），從而對養(yǎng)殖塘溫室氣體的排放產(chǎn)生顯著的影響。目前，可以養(yǎng)殖的海鮮類型豐富，包括魚類、蝦類、蟹類、貝類等，不同的養(yǎng)殖類型對水質和養(yǎng)殖方式的要求不同，導致溫室氣體排放的不同。二是養(yǎng)殖塘和自然水體溫室氣體排放量不同。綜上所示，養(yǎng)殖塘由于需要人為活動的干預，包括飼料的添加、殺菌劑的使用等，使得養(yǎng)殖塘水質條件（溶解氧、可溶性有機物、酸堿度、氧化還原電位等）存在很大差異性，特別是常年進行養(yǎng)殖活動的養(yǎng)殖塘，底泥的理化性質會發(fā)生很大的變化，導致養(yǎng)殖塘和自然水體的水-氣界面溫室氣體的排放存在較大的差異性。

3.2 CO2、CH4和N2O通量與環(huán)境因子的關系

3.2.1 與溫度的關系

總體而言，影響水-氣界面溫室氣體排放的溫度因子包括氣溫和水溫兩大方面，氣溫受太陽輻射等因素的影響，晝夜變化幅度較大；而水體由于比熱較大，水溫24 h內(nèi)的變化較小，但水溫受氣溫影響比較明顯。溫度對水-氣界面溫室氣體排放的影響主要體現(xiàn)在以下3個方面：第一，溫度是影響氣體在水體中的溶解度的重要因素，在大氣壓一定的情況下，氣體在水中的溶解度與溫度呈反比，溫度升高，溶解度降低，氣體從水面逸出；溫度降低，溶解度增加，氣體從大氣中進入水體（趙小杰等，2008），這也是熱帶地區(qū)，如閩江河口區(qū)養(yǎng)殖塘溫室氣體排放高于本研究結果的一個原因（表3）。第二，溫度通過影響水體中水生生物的生長、繁殖以及水體中物質的分解、水生植物的光合作用及微生物活性間接影響水體中溫室氣體產(chǎn)生的過程和速率（蘭晶，2015）。水溫升高，水生生物活性增強，有利于水生生物的光合作用，加強對CO2的吸收，本研究黃河三角洲養(yǎng)殖塘表現(xiàn)為CO2的匯，部分原因在于樣品的采集僅在溫度相對較高的白天進行；CH4是在嚴格厭氧條件下由產(chǎn)甲烷菌作用于產(chǎn)甲烷底物的結果，研究表明產(chǎn)甲烷菌發(fā)揮作用的最適宜溫度為25～30 ℃（Dunfield et al.，1993），環(huán)境中=溫度的改變會對產(chǎn)甲烷菌活性產(chǎn)生影響，從而影響水-氣界面 CH4的通量。第三，水溫影響氣泡的形成。水-氣界面溫室氣體自然排放包括擴散和氣泡兩種方式（趙小杰等，2008）。Louis et al.（2000）認為，水溫較高的沉積物中積累的甲烷量大于擴散到水中的量，導致甲烷過飽和而形成氣泡，尤其是在淺水區(qū)，氣泡對氣體的傳輸是不容忽視的。Huttunen et al.（2003）對芬蘭北部水庫和湖泊溫室氣體通量特征的研究發(fā)現(xiàn)，淺水地區(qū)甲烷氣泡的排放通量比水面擴散排放量高。

綜上所述，溫度對水-氣界面溫室氣體的排放通量有較大的影響，在本研究中，氣溫和水溫與CO2、CH4和N2O通量均呈正相關關系，但均未達到顯著水平（表2），可能原因在于養(yǎng)殖塘受人為活動干擾較大，與自然水體相比，影響溫室氣體排放的因素較為復雜，是多因素綜合作用的結果。

3.2.2 與鹽度、SO42-和 Cl-的關系

本研究中，黃河三角洲養(yǎng)殖塘為海水養(yǎng)殖，其中養(yǎng)殖塘鹽度、水體中SO42-和Cl-濃度范圍分別為23.10～57.56‰、2.95～3.97 g?L-1和 19.84～35.68 g?L-1（表1）。相關分析結果表明，CO2和CH4與鹽度、SO42-和 Cl-存在正相關關系，且 CO2通量與 SO42-相關關系達到顯著水平（r=0.829，P=0.042）；N2O與鹽度、SO42-和Cl-均存在負相關關系，且N2O與Cl-濃度相關關系達到顯著水平（r=-0.886，P=0.019）（表2）。N2O氣體是硝化和反硝化過程作用的結果，鹽分會直接影響硝化和反硝化速率，從而減少N2O的產(chǎn)生（Rysgaard et al.，1993），與本研究中N2O與鹽度、SO42-和 Cl-均存在負相關關系的結果相一致。Bemhard et al.（2005，2007）的研究發(fā)現(xiàn)硝化潛力存在個鹽度的最適值，在海水鹽度下其速率會顯著下降，本研究養(yǎng)殖塘為海水養(yǎng)殖，更加驗證了鹽度與水-氣界面N2O通量存在負相關關系的結論。此外，鹽分對水-氣界面 CO2和 CH4通量也存在一定的影響，王純（2015）模擬鹽水入侵對閩江口淡水濕地溫室氣體產(chǎn)生與排放的影響時，發(fā)現(xiàn)低濃度的鹽度作用下，鹽水入侵對二氧化碳產(chǎn)生具有一定的促進作用，但未達到顯著水平，與本研究中CO2與鹽度之間存在正相關關系，但未達到顯著水平的結果相一致。SO42-是一種重要的電子受體，可通過與甲烷產(chǎn)生菌競爭底物、提高甲烷產(chǎn)生環(huán)境的氧化還原條件，其還原過程中形成的硫化氨對甲烷產(chǎn)生菌的毒害作用等抑制了甲烷產(chǎn)生過程（王維奇等，2008）。相關研究也驗證SO42-與CH4之間存在負相關關系（楊平等，2015），但在本研究中，相關分析結果表明，SO42-與CH4之間存在正相關關系，但未達到顯著水平，其可能原因在于黃河三角洲養(yǎng)殖塘底泥中具有豐富的電子受體，在此情況下，SO42-與甲烷產(chǎn)生菌爭奪電子受體的競爭關系便不成立。此時，電子受體豐富，CO2氣體將成為主要的碳分解產(chǎn)物（Beal et al.，2009）；且硫酸鹽在土壤（底泥）呼吸中發(fā)揮著重要的作用，硫酸鹽還原與CO2產(chǎn)生的比率是 1∶2 （Vandernat et al.，1998；Chambers et al.，2011）。3.2.3 磷營養(yǎng)水平

在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，水體會接納含有大量碳、氮的飼料及其他物質，這就強烈影響了水體中的碳、氮循環(huán)。Huttunen et al.（2002）的研究表明，如果有長期可利用的氮和磷供給，水體中碳循環(huán)以及初級生產(chǎn)可保證數(shù)十年甲烷和二氧化碳的大量排放。目前針對水體中溶解有機碳和氮含量對水-氣界面溫室氣體影響的研究已有報道，王鈺祺等（2011）對泥河水庫水-氣界面CO2通量特征的研究發(fā)現(xiàn)，CO2通量與溶解有機碳存在著正相關性；李紅麗等（2012）對玉渡山水庫生長季溫室氣體排放特征的影響研究發(fā)現(xiàn)，CO2和N2O通量與水體總氮呈顯著正相關，CH4通量與水體總氮和水體銨態(tài)氮呈顯著負相關。楊平等（2013）對閩江河口養(yǎng)殖塘水-氣界面溫室氣體的研究發(fā)現(xiàn)，CO2、CH4和N2O通量與TN均存在顯著正相關關系。針對水體磷營養(yǎng)水平對水-氣界面溫室氣體排放通量的研究還鮮有報道，為此本研究分析了水體總磷水平對黃河三角洲養(yǎng)殖塘溫室氣體的影響，發(fā)現(xiàn)總磷與 CO2和CH4通量存在正相關關系，與N2O存在負相關關系，但均未達到顯著水平（表2）。磷作為水體中生物的必需營養(yǎng)元素，支持著生物初級生產(chǎn)，從而間接影響溫室氣體的排放。

此外，水位、含氧量、水體pH、水面風速等因素均會影響水-氣界溫室氣體通量（程炳紅等，2012；趙小杰等，2008），尤其是養(yǎng)殖塘作為人為活動干擾較大的水體類型，影響其溫室氣體排放的影響往往是多因素共同作用的結果。由于野外試驗的難操作性及樣品的保存問題，本研究未對上述影響因子進行交互作用分析，將在下一步試驗中加強。

4 結論

利用靜態(tài)箱-氣象色譜法對黃河三角洲養(yǎng)殖塘水-氣界面CO2、CH4和N2O通量特征進行了研究，結果表明：（1）養(yǎng)殖塘水-氣界面CO2、CH4和N2O通量具有明顯的月變化和季節(jié)變化，整體上表現(xiàn)為從大氣中吸收CO2的匯和向大氣中排放CH4和N2O的源；（2）養(yǎng)殖塘為受人為活動干擾嚴重的濕地類型，影響其溫室氣體排放的因子，表現(xiàn)為多因子共同作用的結果，單個因素對溫室氣體排放的影響并不顯著，僅鹽度與N2O通量、SO42-與CO2通量之間的相關性達到顯著水平；（3）黃河三角洲CO2、CH4和N2O通量與自然水體和其他養(yǎng)殖塘相比存在一定的差異性，可能與地理位置的差異性、養(yǎng)殖方式以及采樣方式等因素有關。

BEAL E J, HOUSE C H, ORPHAN V J. 2009. Manganese- and iron-dependent marine methane oxidation [J]. Science, 325(5937):184-187.

BEMHARD A E, DONN T, GIBLIN A E, et al. 2005. Loss of diversity of ammonia-oxidizing bacteria correlates with increasing salinity in an estuary system [J]. Environmental Microbiology, 7(9): 1289-1297.

BEMHARD A E, TUCKER J, GIBLIN A E, et al. 2007. Functionally distinct communities of ammonia-oxidizing bacteria along an estuarine salinity gradient [J]. Environmental Microbiology, 9(6): 1439-1447.

CHAMBERS L G, REDDY K R, OSBORNE T Z. 2011. Short-term response of carbon cycling to salinity pulses in a freshwater wetland[J]. Soil Science Society of America Journal, 75(5): 2000-2007.

CHEN Y, DONG S, WANG Z, et al. 2015. Variations in CO2fluxes from grass carp Ctenopharyngodon idella aquaculture polyculture ponds [J].Aquaculture Environment Interactions, 8: 31-40.

CHEN Y, DONG S, WANG F, et al. 2016. Carbon dioxide and methane fluxes from feeding and no-feeding mariculture ponds [J].Environmental Pollution, 212: 489-497.

DIEM T, KOCH S, SCHWARZENBACH S, et al. 2008. Greenhouse gas emissions (CO2, CH4and N2O) from perialpine and alpine hydropower reservoirs [J]. Biogeosciences Discussions, 5(5): 3699-3736.

DUAN X, WANG X, MU Y, et al. 2005. Seasonal and diurnal variations in methane emissions from Wuliangsu Lake in arid regions of China [J].Atmospheric Environment, 39(25): 4479-4487.

DUNFIELD P, DOMONT R, MOORE T R. 1993. Methane production and consumption in temperate and subarctic peat soils: response to temperature and pH [J]. Soil Biology and Biochemistry, 25(3): 321-326.

HUTTUNEN J T, ALM J, LIIKANEN A, et al. 2003. Fluxes of methane,carbon dioxide and nitrous oxide in boreal lakes and potential anthropogenic effects on the aquatic greenhouse gas emissions [J].Chemosphere, 52(3): 609-621.

HUTTUNEN J T, VAISANEN T S, HELLSTEN S K, et al. 2002. Fluxes of CH4, CO2, and N2O in hydroelectric reservoirs Lokka and Porttipahta in the northern boreal zone in Finland [J]. Global Biogeochemical Cycles, 16(1): 3-17.

IPCC. 2013. Climate change 2013: the physical science basis[R].Contribution of working group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change.

LOUIS V L S, KELLY C A, DUCHEMIN E, et al. 2000. Reservoir surfaces as sources of greenhouse gases to the atmosphere: A global estimate[J]. Bioscience, 50(9): 766-775.

NAYLOR R L, GOLDBURG R J, PRIMAVERA J H, et al. 2000. Effect of aquaculture on world fish supplies [J]. Nature, 405(6790): 1017-1024.

REPO M E, HUTTUNEN J T, NAUMOV A V, et al. 2007. Release of CO2and CH4from small wetland lakes in western Siberia [J]. Tellus B,59(5): 788-796.

RYSGAARD S, RISGAARD-PETERSEN N, NIELSEN L P, et al. 1993.Nitrification and denitrification in lake and estuarine sediments measured by the15N dilution technique and isotope pairing [J]. Applied and Environmental Microbiology, 59(7): 2093-2098.

SUN Z G, WANG L L, TIAN H Q, et al. 2013. Fluxes of nitrous oxide and methane in different coastal Suaeda salsa marshes of the Yellow River estuary, China [J]. Chemosphere, 90(2): 856-865.

VERDEGEM M C J, BOSMA R H. 2009. Water withdrawal for brackish and inland aquaculture, and options to produce more fish in ponds with present water use [J]. Water Policy, 11(S1): 52-68.

VANDERNAT F J, MIDDELBURG J J, 1998. Seasonal variation in methane oxidation by the rhizosphere of Phragmites australis and Scirpus lacustris [J]. Aquatic Botany, 61(2): 95-110.

WILLIAMS J, CRUTZEN P J. 2010. Nitrous oxide from aquaculture [J].Nature Geoscience, 3(3): 143-143.

XING Y P, XIE P, YANG H, et al. 2006. The change of gaseous carbon fluxes following the switch of dominant producers from macrophytes to algae in a shallow subtropical lake of China [J]. Atmospheric Environment, 40(40): 8034-8043.

XING Y, XIE P, YANG H, et al. 2005. Methane and carbon dioxide fluxes from a shallow hypereutrophic subtropical Lake in China [J].Atmospheric Environment, 39(30): 5532-5540.

ZHU R, LIU Y, XU H, et al. 2010. Carbon dioxide and methane fluxes in the littoral zones of two lakes, east Antarctica [J]. Atmospheric Environment, 44(3): 304-311.

陳建, 王世巖, 毛戰(zhàn)坡. 2011. 1976—2008年黃河三角洲濕地變化的遙感監(jiān)測[J]. 地理科學進展, 30(5): 585-592.

程炳紅, 郝慶菊, 江長勝. 2012. 水庫溫室氣體排放及其影響因素研究進展[J]. 濕地科學, 10(1): 121-128.

嵇曉燕, 崔廣柏, 楊龍元, 等. 2006. 太湖水-氣界面 CO2交換通量觀測研究[J]. 環(huán)境科學, 27(8): 1479-1486.

蘭晶. 2015. 養(yǎng)殖塘水體溫室氣體的溶存與排放及其影響因素研究[D].武漢: 華中農(nóng)業(yè)大學.

李紅麗, 楊萌, 張明祥, 等. 2012. 玉渡山水庫生長季溫室氣體排放特征及其影響因素[J]. 生態(tài)學雜志, 31(2): 406-412.

李香華, 胡維平, 楊龍元, 等. 2005. 太湖梅梁灣冬季水-氣界面二氧化碳通量日變化觀測研究[J]. 生態(tài)學雜志, 24(12): 1425-1429.

劉浩, 董瑩, 田玲玲. 2011. 湖北省湖泊水產(chǎn)養(yǎng)殖對湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的影響[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學, 50(9): 1790-1792

呂迎春, 劉叢強, 王仕祿, 等. 2007. 貴州喀斯特水庫紅楓湖、百花湖p(CO2)季節(jié)變化研究[J]. 環(huán)境科學, 28(12): 2674-2681.

呂東珂. 2009. 泥河水庫水-氣界面CO2通量研究[D]. 哈爾濱: 東北林業(yè)大學.

王純, 2015. 模擬鹽水入侵對閩江口淡水濕地溫室氣體產(chǎn)生與排放的影響[D]. 福州: 福建師范大學.

王厚杰, 原曉軍, 王燕, 等. 2010. 現(xiàn)代黃河三角洲廢棄神仙溝-釣口葉瓣的演化及其動力機制[J]. 泥沙研究, (4): 51-60.

王鈺祺, 呂東珂. 2011. 泥河水庫秋季水-氣界面CO2通量日變化特征及影響因子分析[J]. 森林工程, 27(2): 19-22.

王玲玲, 孫志高, 牟曉杰, 等. 2011. 黃河口濱岸潮灘濕地 CO2、CH4和N2O通量特征初步研究[J]. 草業(yè)學報, 20(3): 51-61.

王維奇, 曾從盛, 仝川. 2008. 閩江口蘆葦濕地土壤甲烷產(chǎn)生與氧化能力研究[J]. 濕地科學, 6(1):60-68.

肖啟濤. 2014. 太湖水-氣界面溫室氣體 (CO2、CH4、N2O) 通量研究[D].南京: 南京信息工程大學.

楊平, 張子川, 杜威寧, 等. 2015. 河口鹽地梯度下短葉茳芏沼澤濕地土壤間隙水溶性甲烷時空特征[J]. 環(huán)境科學, 36(10): 3633-3640.

楊平, 仝川, 何清華, 等. 2013. 閩江口魚蝦混養(yǎng)塘水-氣界面溫室氣體通量及主要影響因子[J]. 環(huán)境科學學報, 33(5): 1493-1503.

趙小杰, 趙同謙, 鄭華, 等. 2008. 水庫溫室氣體排放及其影響因素[J].環(huán)境科學, 29(8): 2377-2384.

趙炎, 曾源, 吳炳方, 等. 2011. 三峽水庫香溪河支流水域溫室氣體排放通量觀測[J]. 水科學進展, 22(4): 546-553.

朱林, 車軒, 劉晃, 等. 2016. 團頭魴池塘養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)曬塘階段溫室氣體排放通量分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 32(3): 210-215.

Abstract: With the growth of economics population, the aquaculture industry in coastal areas developed rapidly. Therefore, the influence of CO2, CH4and N2O fluxes from aquaculture areas can not be ignored. In this study, variations of CO2, CH4and N2O fluxes at water-air interface in the daytime were determined using a floating chamber- gas chromatography method in shrimp pond from June 2013 to April 2014 in the Yellow River estuary. Meanwhile, some of environmental factors were also measured. The results showed that the ranges of CO2, CH4and N2O fluxes were -71.1403～7.2786, -0.0058～0.0165, -0.0020～0.0079 mg?m-2?h-1,and the mean values were -36.3475, 0.0059, 0.0027 mg?m-2?h-1, respectively, indicating that the culture pond acted as an emission of CH4and N2O and consumption of CO2. Seasonal variations of greenhouse gases from culture pond were observed, the fluxes of CH4and N2O were large at high temperature. Correlation analysis results showed that temperature, salinity, SO42-, Cl-concentration and phosphorus had a certain influence on greenhouse gases fluxes, and the correlation between salinity and N2O flux, and SO42-and CO2flux reached significant level. The greenhouse gas fluxes of the Yellow River delta aquaculture pond were different from that of natural water and other aquaculture ponds, which might due to geographical differences, breeding way, use of fungicides and so on.In addition, culture pond was seriously affected by anthropogenic activities, and the greenhouse gases emission were complicated and might be controlled by the interactions of multiple controlling factors, which needed further research. The results of this study have certain significance for the comprehensive evaluation of the impacts of aquaculture influence on regional climate change, and deepening the impact of human activities on global warming.

Key words: Yellow River estuary; water-air interface; CH4; CO2; N2O

Greenhouse Gases Fluxes at Water-Air Interface of Aquaculture Ponds in the Yellow River Estuary

SONG Hongli1,2, LIU Xingtu1, WEN Bolong1

1. Shandong Provincial Key Laboratory of Water and Soil Conservation and Environmental Protection, Linyi University, College of Resources and Environment, Linyi 276005, China;2. Key Laboratory of Wetland Ecology and Environment, Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences,Changchun 130102, China

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.09.014

X14; X16

A

1674-5906（2017）09-1554-08

宋紅麗, 劉興土, 文波龍. 2017. 黃河三角洲養(yǎng)殖塘水-氣界面CO2、CH4和N2O通量特征[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 26(9):1554-1561.

SONG Hongli, LIU Xingtu, WEN Bolong. 2017. Greenhouse gases fluxes at water-air interface of aquaculture ponds in the Yellow River Estuary [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(9): 1554-1561.

國家重大科學研究計劃項目（2012CD956100）；國家青年基金項目（41601086）；山東省自然科學基金博士項目（ZR2016DB05）

宋紅麗（1986年生），女，講師，主要從事濕地生態(tài)方面研究。E-mail: songhongli@lyu.edu.cn*通信作者。E-mail: lxtmxh@163.com

2017-03-27