唐 晨,楊 平,3*,展鵬飛,何清華,趙光輝,YANG Hong,李 玲,徐 錦,仝 川,3**（.濕潤(rùn)亞熱帶生態(tài)-地理過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 福州 30007；.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,福建 福州 30007；3.福建師范大學(xué),亞熱帶濕地研究中心,福建 福州 30007；.衡陽(yáng)師范學(xué)院城市與旅游學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 00；.Department of Geography and Environmental Science,University of Reading,Reading,RG6 6AB,UK）

氧化亞氮（N2O）是一種能長(zhǎng)期存在的強(qiáng)效痕量溫室氣體,其對(duì)全球氣候變暖和臭氧層破壞有著突出貢獻(xiàn)[1-2].自工業(yè)革命以來(lái),大氣中N2O濃度已增加23%[3].因此近年來(lái),水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)作為大氣庫(kù) N2O的一個(gè)重要排放源而備受關(guān)注[4-6].

對(duì)于水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)水－氣界面N2O通量的觀測(cè),多數(shù)研究采用懸浮箱方法[7-12]在野外進(jìn)行直接測(cè)定[13-15],懸浮箱法具有原理簡(jiǎn)單、操作便捷、可控制程度高、測(cè)量精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)[16-17].然而,懸浮箱方法存在勞動(dòng)成本過(guò)大、耗時(shí)過(guò)多和手動(dòng)誤差高等缺點(diǎn),更多適用于小區(qū)域水面的短期觀測(cè),并不適合應(yīng)用于跨區(qū)域間的大空間尺度水體 N2O通量的估算.相比之下,擴(kuò)散模型法具有收集樣品步驟簡(jiǎn)便、測(cè)定區(qū)域廣闊、勞動(dòng)成本及耗時(shí)小等優(yōu)點(diǎn),是應(yīng)用于跨區(qū)域間大尺度水體 N2O排放通量估算較為理想測(cè)量方法.擴(kuò)散模型法的主要工作原理是通過(guò)測(cè)定采樣點(diǎn)水樣和空氣樣品中溶存 N2O濃度,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速、水溫等參數(shù)并結(jié)合Henry定律來(lái)計(jì)算野外環(huán)境下的水體實(shí)際溶存 N2O濃度,運(yùn)用水－氣界面氣體分子擴(kuò)散模型來(lái)估算N2O排放通量[18-19].

綜合對(duì)比上述兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)可知,盡管擴(kuò)散模型法具有應(yīng)用于跨區(qū)域間大尺度養(yǎng)殖系統(tǒng)（如水產(chǎn)養(yǎng)殖塘）水體溫室氣體排放通量測(cè)定潛在優(yōu)勢(shì),但該種方法和懸浮箱法的測(cè)定結(jié)果是否存在可比性知之甚少.此外,鮮有研究將現(xiàn)有常用的幾種擴(kuò)散模型法和懸浮箱法同時(shí)應(yīng)用于養(yǎng)殖系統(tǒng) N2O等溫室氣體排放通量的估算,進(jìn)而來(lái)探討可替代懸浮箱法測(cè)定技術(shù)的擴(kuò)散模型法.據(jù)此,本文同時(shí)采用懸浮箱和6種擴(kuò)散模型法對(duì)閩江河口區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖塘養(yǎng)殖期間水－氣界面 N2O排放通量進(jìn)行同步觀測(cè),旨在評(píng)價(jià)其觀測(cè)結(jié)果的差異性或可比性.研究結(jié)果可為今后開展大尺度背景下的河口區(qū)養(yǎng)殖塘 N2O排放通量觀測(cè)研究時(shí),選擇可替代懸浮箱法的擴(kuò)散模型法提供一定科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于福建省閩江河口區(qū)鱔魚灘濕地（26°00′36″～26°03′42″N,119°34′12″～119°40′40″E）,該濕地面積為 3120hm2,屬中亞熱帶與南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候的過(guò)渡地帶.該區(qū)域多年平均氣溫和降水量分別為 19.7℃和 1346mm[20],氣候溫暖濕潤(rùn).濕地外圍主要由沙灘和泥灘組成,優(yōu)勢(shì)濕地植物主要有土著種蘆葦（Phragmites australis）、短葉茳芏（Cyperus malaccensis）以及大面積的外來(lái)入侵種互花米草（Spartina alterniflora）.2012年當(dāng)?shù)卣饕谥卫砘セ撞?同時(shí)兼顧鳥類棲息地和覓食地的目的,將一些潮汐沼澤濕地圍墾為陸基水產(chǎn)養(yǎng)殖塘[21].這些養(yǎng)殖塘一般于5月底～6月初投放蝦苗或魚苗,至10月中下旬魚蝦被全部捕獲,接著進(jìn)入排水曬塘管理階段[22].

1.2 實(shí)驗(yàn)樣地概況

在研究區(qū)域隨機(jī)選取3個(gè)養(yǎng)蝦塘作為本研究實(shí)驗(yàn)觀測(cè)樣地（圖1）.選取的蝦塘面積介于1.25～1.4hm2,蝦的品種為南美白對(duì)蝦（Litopenaeus vannamei）,養(yǎng)殖密度介于 214.3～216尾/m2.池塘養(yǎng)殖水主要來(lái)源于河口潮水和大氣降水[22],水深介于 0.7～1.5m,水體鹽度介于（1.89‰±0.30‰）～（7.02‰± 1.13‰）.養(yǎng)殖期間,每天 07:00～08:00和 16:00～17:00向池塘投喂人工配合飼料,投喂量根據(jù)對(duì)蝦生長(zhǎng)階段及攝食情況來(lái)設(shè)定[22].在每個(gè)養(yǎng)蝦塘從塘岸向塘中心方向布設(shè)一條樣帶,樣帶上設(shè)定 5個(gè)點(diǎn),用于氣樣、水樣采集及環(huán)境指標(biāo)觀測(cè).為方便樣品采集以及避免采樣過(guò)程中對(duì)水體的擾動(dòng),每個(gè)池塘需搭建一座長(zhǎng)×寬為10m × 1m的木質(zhì)棧橋.

圖1 研究區(qū)域及采樣養(yǎng)殖塘位置示意Fig.1 Sketch of study area and the sampling aquaculture ponds in the Min River Estuary

1.3 表層水體溶存N2O濃度的測(cè)試分析

鑒于養(yǎng)殖塘水深較淺,水體混合較好,其溶解性N2O濃度隨水深變化不顯著的情況,本研究對(duì)選取的養(yǎng)殖塘進(jìn)行每月 2～3次表層（15cm 深）水樣采集,共完成 15次樣品采集活動(dòng).利用頂空平衡-氣相色譜法完成對(duì)水體 N2O溶存濃度的測(cè)定分析[19,23].具體操作步驟如下:①在野外,用氣密性注射器采集 55mL水樣并立刻注入到氣密性較好的 55mL頂空瓶中;②在室內(nèi),用氣密性注射器向頂空瓶注入 20mL的高純氮?dú)猓∟2）（＞99.999%）,并用另一支氣密性注射器從頂空瓶中抽出等體積水樣;③在室溫環(huán)境下,將頂空瓶放置于震蕩器上劇烈振蕩 25min,振蕩后的頂空瓶放置于黑暗處?kù)o置15min;④待瓶?jī)?nèi)氣-液兩相達(dá)到平衡,用氣密性注射器從頂空瓶中抽取5mL頂部空間氣體,將其注入到 GC-2014氣相色譜儀（島津,Japan）測(cè)定 N2O濃度.水體溶解N2O濃度根據(jù)野外采樣時(shí)的水溫、鹽度和頂空瓶頂部空間N2O濃度計(jì)算獲得,詳細(xì)計(jì)算方法參見Wang等[24]和楊平等[25]研究報(bào)道.

1.4 擴(kuò)散模型法測(cè)定水-氣界面N2O通量

水-氣界面 N2O擴(kuò)散通量（FD）的計(jì)算采用薄邊界層擴(kuò)散模型法（TBL）[19,23-24],其計(jì)算公式為:

式中:FD為水-氣界面 N2O 擴(kuò)散通量,μg/（m2·h）;kx為N2O氣體傳輸速率,cm/h;CWater為表層水體N2O溶存濃度,μmol/L;CEq為野外原位環(huán)境下大氣 N2O氣體在水中的飽和濃度μmol/L.

氣體傳輸速率kx是擴(kuò)散模型法估算FD的重要參數(shù).本文對(duì)kx的估算,考慮以下6種常用的數(shù)學(xué)模型經(jīng)驗(yàn)公式:①“DMLM86模型”來(lái)自 Liss等[26]報(bào)道,見式（2）;②“DMW92a模型”來(lái)自 Wanninkhof[27]報(bào)道,見式（3）;③“DMRC01模型”來(lái)自 Raymond等[28]報(bào)道,見式（4）;④“DMCL98模型”來(lái)自 Cole 等[29]報(bào)道,見式（5）;⑤“DMMY95模型”來(lái)自 Macintyre 等[30]報(bào)道,見式（6）;⑥“DMCW03模型”來(lái)自 Crusius等[31]報(bào)道,見式（7）.

式中:U10為養(yǎng)殖塘水面上方10m高處的風(fēng)速,m/s;SC為t℃下N2O氣體的施密特（Schmidt）常數(shù);x為風(fēng)速相關(guān)系數(shù),取 1/2,式（2）中,若 0＜U10≤3.6 時(shí),x取 2/3.U10和SC可分別通過(guò)式（8）[32-33]和式（9）[27]計(jì)算獲得:

式中:z為測(cè)量風(fēng)速時(shí)的高度,m;Uz為 z高度風(fēng)速大小,m/s;Cd10為10m時(shí)的阻力系數(shù)（取0.0013）;k為Von Karman 常數(shù)（取 0.41）.

1.5 懸浮箱法測(cè)定水-氣界面N2O通量

采用懸浮箱+氣相色譜法對(duì)養(yǎng)蝦塘養(yǎng)殖期間水－氣界面 N2O通量進(jìn)行直接測(cè)定.懸浮箱主體由塑料材質(zhì)構(gòu)成,且箱體表面包有鋁箔氣泡膜;為增加箱體的穩(wěn)定性及增大浮力,箱內(nèi)周邊貼有塑料泡沫;為平衡箱體內(nèi)外壓力,在箱上需安裝一個(gè)通風(fēng)管,側(cè)面有氣體采樣口.根據(jù)《淡水水庫(kù)溫室氣體監(jiān)測(cè)導(dǎo)則》建議,氣樣采集前,先將箱口朝上,使得箱內(nèi)充滿空氣;正式采樣時(shí),將采樣箱箱口倒置在水面上.在45min內(nèi),每間隔15min用60mL帶有三通閥的注射器從箱內(nèi)抽取氣體 50mL,共抽取4次,將抽取的氣樣立刻注射到100mL鋁箔采樣袋（大連德霖氣體包裝有限公司）中,遮光保存運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室.采集袋內(nèi)的氣樣在48h內(nèi)運(yùn)用GC-2014氣相色譜儀（島津,Japan）完成 N2O 濃度的測(cè)定分析.通過(guò)下列公式計(jì)算水-氣界面的N2O交換通量:

式中:FCs為懸浮箱技術(shù)測(cè)定的水-氣界面N2O擴(kuò)散通量,μg/（m2·h）;ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下 N2O 氣體密度,mg/m3;V為懸浮箱箱內(nèi)空氣體積,m3;A為懸浮箱底部覆蓋面積,m2;P和P0分別為采樣點(diǎn)處的氣壓（hPa）和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣壓（1013.25hPa）;T和T0分別為懸浮箱箱內(nèi)的絕對(duì)溫度（K）和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣絕對(duì)溫度（273.15K）;dc/dt為箱內(nèi)N2O氣體濃度隨單位時(shí)間的變化斜率.

1.6 環(huán)境變量觀測(cè)與分析

與氣樣采集同步,利用 Sea-Bird II型采水器（Sea-bird Electronics,USA）采集每個(gè)樣點(diǎn)表層 15cm深度的水樣,并將水樣分裝到100mL白色聚乙烯塑料瓶.待水樣裝滿樣品瓶后,立刻向每個(gè)水樣瓶注入0.2mL的飽和 HgCl2溶液,用于抑制水樣中微生物的活性[34-35].采集的水樣放置于保溫箱中,低溫遮光保存.在實(shí)驗(yàn)室,用孔徑為 0.45μm 玻璃纖維濾膜過(guò)濾水樣.過(guò)濾后的水樣采用流動(dòng)注射分析儀（SKALAR San++,Netherlands）測(cè)定其NO3--N和NH4+-N濃度.

采用便攜式氣象儀（Kestrel-3500,USA）原位測(cè)定距養(yǎng)殖塘水面以上 1.5m高度的氣溫、氣壓、風(fēng)速等指標(biāo).采用 IQ150便攜式 pH/水溫計(jì)（IQ Scientific Instruments,USA）測(cè)定表層15cm深度水體pH值和溫度.利用多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀（550A YSI,USA）和便攜式鹽度計(jì)（Eutech Instruments SALT 6+,USA）分別測(cè)定表層 15cm 深度的水體溶解氧（DO）濃度和鹽度.

1.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用 SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件包中單因素方差（One-Way ANOVA）分析法中的 LSD 法（Least Significant Difference test）檢驗(yàn)不同擴(kuò)散模型方法下的N2O氣體傳輸速率kx、擴(kuò)散模型法與懸浮箱法測(cè)得的水－氣界面N2O擴(kuò)散通量差異性.以P＜0.05作為差異性達(dá)到顯著水平.使用SPSS 17.0中的Pearson相關(guān)分析法統(tǒng)計(jì)分析（1）水－氣界面 N2O擴(kuò)散通量與環(huán)境參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系;（2）懸浮箱法與不同擴(kuò)散模型法測(cè)得的水－氣界面N2O擴(kuò)散通量間的相關(guān)關(guān)系.以P＜0.05作為顯著相關(guān),P＜0.01作為極顯著相關(guān).文中所有原始數(shù)據(jù)處理和圖制作分別采用Excel 2003和OriginPro 7.5來(lái)完成,文中誤差線均為標(biāo)準(zhǔn)誤.參考姚驍?shù)萚36]研究報(bào)道,本研究通過(guò)懸浮箱法（FCs）與不同擴(kuò)散模型法（DMx）測(cè)得的水－氣界面N2O擴(kuò)散通量的比值α來(lái)表征兩種方法測(cè)定結(jié)果的差異性,其計(jì)算公式為:

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象參數(shù)和水體溶存N2O濃度變化特征

如圖2,研究期間,氣溫、氣壓和U10變化范圍分別介于（20.4±0.1）～（32.8±0.4）℃、（998.7±0.2）～（1018.6±0.2）hPa 和（1.3±0.2）～（3.9±0.2）m/s,平均值分別為（20.4±0.1）℃、（1007.1±1.4）hPa 和（2.3±0.2）m/s.較高的氣溫和氣壓分別出現(xiàn)養(yǎng)殖中期（8～9月）和后期（10～11月）,但風(fēng)速季節(jié)變化規(guī)律不明顯.養(yǎng)殖塘表層水體溶存 N2O濃度在養(yǎng)殖期間的變化范圍介于（5.1±0.1）～（17.1±3.5）nmol/L,均值為（9.1±0.8）nmol/L,顯著較高的濃度值呈現(xiàn)在9月下旬～11月中旬.

圖2 閩江口養(yǎng)殖塘養(yǎng)殖期間主要?dú)庀髤?shù)及表層水體溶存N2O濃度的變化特征Fig.2 Temporal variation in meteorological parameter and dissolved N2O concentration from the aquaculture ponds in the Min River Estuary during the aquaculture period

2.2 不同擴(kuò)散模型方法下的N2O氣體傳輸速率kx

圖3為6種擴(kuò)散模型法測(cè)得的養(yǎng)殖塘養(yǎng)殖期間水－氣界面N2O傳輸速率kx時(shí)間變化特征.與風(fēng)速變化特征相似,kx隨時(shí)間變化呈現(xiàn)出較大的波動(dòng)性,季節(jié)變化規(guī)律不顯著.研究期間,模型 DMLM86、DMW92a、DMRC01、DMCL98、DMMY95和 DMCW03 測(cè)得的 kx變化范圍分別介于（0.24±0.01）～（0.86±0.05）、（0.95±0.09）～（7.43±0.83）、（3.12±0.08）～（9.21±0.73）、（2.34±0.04）～（5.66±0.27）、（0.89±0.07）～（5.87±0.55）和（0.73±0.06）～（6.12±0.74）cm/h（圖 3）.不同擴(kuò)散模型法測(cè)得的kx按大小排序呈現(xiàn)以下特征:kRC01＞ kCL98＞kW92a＞ kMY95＞ kCW03＞ kLM86（表 1）.六種模型中,模型RC01測(cè)得的kx為其它5種模型kx的1.4～11.0倍.

圖3 閩江口養(yǎng)殖塘養(yǎng)殖期間水－氣界面N2O氣體傳輸速率kx的變化特征Fig.3 Temporal variation in N2O transfer velocities from the aquaculture ponds in the Min River Estuary during the aquaculture period

表1 不同擴(kuò)散模型法獲得的養(yǎng)殖塘養(yǎng)殖期間水－氣界面N2O氣體傳輸速率kx及其擴(kuò)散通量比較Table 1 Comparison of gas transfer velocity（kx）and diffusion flux of N2O across the water-atmosphere interface from aquaculture ponds based on different diffusion model methods

2.3 擴(kuò)散模型法和懸浮箱法測(cè)定的水—?dú)饨缑鍺2O擴(kuò)散通量

圖 4為擴(kuò)散模型法和懸浮箱法測(cè)得的養(yǎng)殖塘養(yǎng)殖期間水－氣界面N2O擴(kuò)散通量時(shí)間變化特征.兩種方法測(cè)得的養(yǎng)殖塘水－氣界面 N2O擴(kuò)散通量時(shí)間變化特征具有較好的一致性,均呈現(xiàn)出隨時(shí)間推移“增加-降低-增加-降低”的雙峰變化特征.研究期間,模型 DMLM86、DMW92a、DMRC01、DMCL98、DMMY95、DMCW03和懸浮箱法測(cè)得的 N2O擴(kuò)散通量變化范圍分別介于（0.38±0.05）～（1.50±0.43）、（1.91±0.30）～（10.48± 2.52）、（4.32±0.49）～（20.63±5.63）、（3.16±0.35）～（18.44±5.01）、（1.71±0.25）～（8.21±1.97）、（1.47±0.22）～（8.35±2.01）,（2.77±0.52）～（17.23±2.27）μg/（m2·h）.在結(jié)果上,不同擴(kuò)散模型法之間測(cè)得的水－氣界面N2O擴(kuò)散通量存在差異性,其擴(kuò)散通量按大小排序呈現(xiàn)以下特征:模型DMRC01＞模型 DMCL98＞模型 DMW92a＞模型 DMMY95＞模型 DMCW03＞模型 LM86（表 1）.懸浮箱法與擴(kuò)散模型法測(cè)得的 N2O擴(kuò)散通量亦存在一定差異性,表現(xiàn)為懸浮箱法測(cè)得的養(yǎng)殖塘 N2O平均通量為（6.63±0.96）μg/（m2·h）,略低于模型 RC01 的估算值,但高于其他5種模型的估算值（表1）.

圖4 擴(kuò)散模型法與懸浮箱法測(cè)定養(yǎng)殖塘養(yǎng)殖期間水-氣界面N2O交換通量的變化特征Fig.4 Temporal variation in N2O diffusive fluxes measured with the floating chamber method and the gas transfer velocity model methods during the aquaculture period from the aquaculture shrimp ponds in the Min River Estuary

如圖5所示,研究期間,懸浮箱法與模型DMLM86、DMW92a、DMRC01、DMCL98、DMMY95、DMCW03法測(cè)得的N2O擴(kuò)散通量比值α的范圍分別介于0.25～ 244.42、0.04～61.99、0.02～23.91、0.02～16.33、0.05～53.87 和0.05～63.66,均值分別為 13.65、3.69、1.19、1.62、3.57和3.88.從圖5可知,懸浮箱法與模型LM86、W92a、RC01、CL98、MY95、CW03法測(cè)得的N2O擴(kuò)散通量比值α落在0～2范圍內(nèi)的樣本數(shù)占總樣本數(shù)的比例分別為3.6%、68.0%、89.3%、81.8%、60.4%和48.9%,表明懸浮箱法與模型RC01法這兩種方法測(cè)得的N2O擴(kuò)散通量變幅較其他模型法相比變幅小.

圖5 懸浮箱法與不同擴(kuò)散模型法測(cè)得的養(yǎng)殖塘水－氣界面N2O擴(kuò)散通量的比值α頻次分布圖（n=225）Fig.5 Frequency distribution of α at the aquaculture shrimp ponds during the aquaculture period（n=225）

2.4 風(fēng)速和溫度對(duì)不同方法監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響

研究期間,U10變化范圍介于 1.3～3.9m/s（圖 2c）,將 α 值按 U10的變化分為＜1.5m/s、1.5～3.0m/s和＞3.0m/s三組數(shù)據(jù)（圖6）.通過(guò)非參數(shù)檢驗(yàn)K個(gè)獨(dú)立樣本法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)分析,風(fēng)速對(duì) α值影響顯著（P＜0.05;圖6）,呈現(xiàn)出隨著風(fēng)速增大α值顯著下降的趨勢(shì)（圖 6）.此外,由圖 5 亦可知,U10＜1.5m/s和 U10介于 1.5～3.0m/s之間時(shí),α值的分布較為分散;而當(dāng)U10＞3.0m/s時(shí),α值的分布較為集中.

圖6 風(fēng)速對(duì)不同方法監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖塘養(yǎng)殖期間水－氣界面N2O交換通量的影響Fig.6 Influence of wind speed on N2O diffusive flux measured with the floating chamber method and the gas transfer velocity model methods from the aquaculture shrimp ponds in the Min River Estuary during the aquaculture period

研究期間,現(xiàn)場(chǎng)表層水汽溫差變化范圍介于-4.1～3.0 ℃,將其按＜-2℃、-2～0℃和＞0℃分為 3 組.檢驗(yàn)分析表明,現(xiàn)場(chǎng)表層水汽溫差對(duì) α值亦會(huì)造成影響,絕大數(shù)情況下 α值在水汽溫差介于-2～0℃時(shí)最小且分布趨于集中;而在水汽溫差＞0℃時(shí) α值最大且分布較分散（圖7）.

圖7 溫度對(duì)不同方法監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖塘養(yǎng)殖期間水－氣界面N2O交換通量的影響Fig.7 Influence of temperature on N2O diffusive flux measured with the floating chamber method and the gas transfer velocity model methods from the aquaculture shrimp ponds in the Min River Estuary during the aquaculture period

2.5 水—?dú)饨缑鍺2O擴(kuò)散通量與水環(huán)境變量的關(guān)系

Pearson相關(guān)分析結(jié)果顯示,箱法與擴(kuò)散模型法測(cè)得的養(yǎng)殖塘水—?dú)饨缑鍺2O擴(kuò)散通量分別與水體溫度、N-NO3-和 N-NH4+濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05或P＜0.01,表2）,與水體DO濃度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05,表 2）.回歸擬合方程結(jié)果顯示,兩種方法測(cè)得的養(yǎng)殖塘水—?dú)饨缑鍺2O擴(kuò)散通量分別與水體溫度表現(xiàn)二階多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系（表 2）,與水體N-NO3-和 N-NH4+濃度呈線性函數(shù)關(guān)系（表 2）,與水體DO濃度呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系（表2）.

表2 河口區(qū)養(yǎng)殖塘水體溫度、N-NO3-、N-NH4+、DO與水－氣界面N2O擴(kuò)散通量的相關(guān)性分析Table 2 Statistical analysis between the water temperature and the N2O fluxes across the water-air interface at the aquaculture shrimp ponds in the Min River Estuary during the aquaculture period

3 討論

3.1 不同擴(kuò)散模型法測(cè)定的養(yǎng)殖塘水-氣界面N2O通量比較

不同擴(kuò)散模型法的算法雖存在差異,但已有諸多的研究者將它們用于估算同一研究對(duì)象（湖泊、水庫(kù)、河流或海洋）水－氣界面CO2或CH4通量[37-41].對(duì)于水-氣界面 N2O通量的估算亦有相關(guān)研究報(bào)道[19,42-44],但仍較薄弱,且不同擴(kuò)散模型估算出的水體N2O擴(kuò)散通量存在較大差異.本文通過(guò)對(duì)6種模型的估算結(jié)果比較,發(fā)現(xiàn)模型DMLM86估算的通量值最低,模型 RC01估算的通量值最高,其他 4種模型（DMCL98、DMW92a、DMMY95和 DMCW03）估算出的通量處于前2種模型之間（表1）.具體而言,應(yīng)用模型RC01和CL98估算出的養(yǎng)殖塘水－氣界面N2O平均釋放通量分別大致是模型DMLM86的11.7倍和8.7倍,模型 DMWan92a、DMMY95與 DMCW03估算的平均通量大致是模型 LM86的 4～6倍.這些結(jié)果表明,不同擴(kuò)散模型法在估算河口區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖塘水－氣界面N2O通量大小時(shí)亦存在不一致性.

根據(jù)式（1）可知,上述 6種擴(kuò)散模型法估算水－氣界面氣體排放通量的關(guān)鍵步驟之一是測(cè)定氣體傳輸速率kx通常這些模型中kx估算是基于特定水體環(huán)境的風(fēng)況條件[44].例如,模型 DMCL98、DMMY95與DMCW03中 kx主要是基于面積較大、水深較深的湖泊環(huán)境條件建立起來(lái)的;模型DMRC01是在研究不同河流、河口時(shí)提出的一個(gè)依賴于風(fēng)速和Sc（水的動(dòng)力粘度）的 kx估算模型;模型 DMW92a是依據(jù)核試驗(yàn)釋放的碳－14和自然碳－14向海洋水體環(huán)境中的長(zhǎng)期輸入速率提出的由 Sc和風(fēng)速估算kx的擴(kuò)散模型.這些擴(kuò)散模型往往適合應(yīng)用于與模型開發(fā)時(shí)相似的環(huán)境,但這樣的實(shí)驗(yàn)環(huán)境并不能很好代表不同地區(qū)或不同氣候、水文條件下的其他水體環(huán)境狀況[19,25].此外,這些模型忽視了水體流速、水域形態(tài)、太陽(yáng)輻射等因素對(duì)氣體傳輸速率 kx變化的影響[41,44-45].相關(guān)研究表明,太陽(yáng)輻射等外力作用誘發(fā)的水體對(duì)流混合可通過(guò)改變水體溶解氣體在垂直方向的輸送力度來(lái)影響 kx[46-48].因此,擴(kuò)散模型在特定環(huán)境條件開發(fā)過(guò)程中固有的技術(shù)缺陷是造成不同模型法在估算同一研究對(duì)象水－氣界面溫室氣體排放通量時(shí)存在較大差異性的主要原因[44].如何構(gòu)建出一個(gè)適宜性廣泛、與實(shí)際情況相符的多參數(shù)化擴(kuò)散模型來(lái)精確估算水－氣界面溫室氣體排放通量是今后相關(guān)研究的重要內(nèi)容.

3.2 擴(kuò)散模型法與懸浮箱法測(cè)定的養(yǎng)殖塘水－氣界面N2O通量比較

已有文獻(xiàn)報(bào)道,懸浮箱法測(cè)得的水-氣界面溫室氣體通量通常要高于擴(kuò)散模型法[13-14,38,49-50].本研究發(fā)現(xiàn),模型DMRC01獲得的N2O通量比浮箱法略偏高,其余5個(gè)擴(kuò)散模型估算的結(jié)果均比浮箱法測(cè)得的值偏低（圖4）.具體而言,模型RC01估算的N2O通量是懸浮箱法的 1.1 倍,模型 DMLM86、DMW92a、DMCL98、DMMY95和 DMCW03估算的通量值分別為懸浮箱法測(cè)定值的14%、78%、95%、68%和63%（表1）.這些結(jié)果表明,僅通過(guò)某一個(gè)模型來(lái)估算河口區(qū)養(yǎng)殖塘水－氣界面 N2O擴(kuò)散通量可能會(huì)高估或低估該種水體環(huán)境N2O的實(shí)際排放量.

由圖 8頻數(shù)分布可知,對(duì)于模型 DMLM86、DMW92a、DMRC01、DMCL98、DMMY95和 DMCW03 分別有 90%、78%、84%、85%、77%和 78%的數(shù)據(jù)所在的范圍是 0.2～ 1.2、0.1～4.9、2.0～12.0、1.0～7.0、0.5～4.0、0.5～4.0μg/（m2·h）,84%的 FCs通量數(shù)據(jù)落在1.2～7.5μg/（m2·h）范圍.該結(jié)果表明,相比模型 DMRC01和DMCL98,其他4種模型法和浮箱法測(cè)得的養(yǎng)殖塘水－氣界面 N2O擴(kuò)散通量偏差較大,且偏差分布范圍較分散.此外,相關(guān)分析結(jié)果顯示（圖 9）,相比其它擴(kuò)散模型法,懸浮箱法與模型DMRC01測(cè)得的N2O排放通量間的相關(guān)性系數(shù)r2最高.

圖8 擴(kuò)散模型法和懸浮箱法測(cè)定養(yǎng)殖塘養(yǎng)殖期間水-氣界面N2O交換通量的頻次分布圖（n=225）Fig.8 Frequency distribution of N2O fluxes from the measurements with the FC method and TBL model methods at the aquaculture shrimp ponds in the Min River Estuary during the aquaculture period（n=225）

圖9 擴(kuò)散模型法和懸浮箱法測(cè)定N2O通量的對(duì)比Fig.9 Comparison of N2O fluxes measured with the FC method and TBL model methods

值得一提的是,雖然懸浮箱法與不同擴(kuò)散模型法在測(cè)定河口區(qū)養(yǎng)殖塘水－氣界面 N2O排放通量的數(shù)值大小上存在差異,但是兩種方法在反映河口區(qū)養(yǎng)殖塘水－氣界面 N2O排放時(shí)間變化規(guī)律性上具有較好的一致性（圖4）.這一點(diǎn)可以從表2加以驗(yàn)證.由表2可見,無(wú)論是箱法還是不同的擴(kuò)散模型法,其測(cè)得的水－氣界面N2O均與N2O產(chǎn)生過(guò)程密切相關(guān)的主要水環(huán)境因素顯著相關(guān).具體而言,兩種方法測(cè)得的通量值均與水體溫度呈現(xiàn)出二階多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系（R2=0.08～0.27,P＜0.05,表2）,與水體N-NO3-和N-NH4+濃度呈現(xiàn)線性函數(shù)關(guān)系（R2=0.29～0.75,P＜0.01,表 3;R2=0.36～0.54,P＜0.01;表 2）,與水體DO濃度呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系（R2=0.11～0.22,P＜0.05,表2）.

盡管兩個(gè)方法所獲得的通量數(shù)據(jù)呈顯著正相關(guān)（圖 9）,但懸浮箱法所獲得的通量數(shù)據(jù)離散性要高于絕大多數(shù)模型估算法（圖8）.由圖6和圖7可知,瞬時(shí)風(fēng)速和水汽溫差均對(duì)兩種方法獲得的通量比值 α影響顯著.總體趨勢(shì)是當(dāng)水汽溫差介于-2～0℃時(shí),隨風(fēng)速增加,兩種方法差異逐漸減少,離散性亦逐漸降低.這一結(jié)果說(shuō)明,在風(fēng)速加大的環(huán)境條件下,懸浮箱法和擴(kuò)散模型估算法測(cè)得的養(yǎng)殖塘水－氣界面N2O通量趨于一致.但在風(fēng)速相對(duì)較小環(huán)境條件下,兩種方法測(cè)得的N2O通量離散性較大,不確定性較高,可比性較差.這一研究結(jié)果與姚驍?shù)萚36]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)澎溪河的研究報(bào)道相似.究其原因,主要與懸浮箱自身密閉效應(yīng)對(duì)通量觀測(cè)過(guò)程產(chǎn)生干擾有關(guān)[13,45,51].該干擾容易減弱氣體的空間變化,造成諸多不確定因素,包括擾動(dòng)水體改變氣體濃度梯度、空氣壓力梯度、物質(zhì)流動(dòng)等;而擴(kuò)散模型估算法并不受這些干擾影響[36].

盡管擴(kuò)散模型法與懸浮箱法因原理及誤差來(lái)源不同所獲得的河口區(qū)養(yǎng)殖塘水－氣界面 N2O擴(kuò)散通量存在一定差異,但這兩種方法仍是目前水體溫室氣體監(jiān)測(cè)研究普遍采用的監(jiān)測(cè)方法.基于各種擴(kuò)散模型開發(fā)的環(huán)境條件、箱法技術(shù)與不同模型方法估算的N2O通量比較結(jié)果、河口區(qū)養(yǎng)殖塘所處環(huán)境特點(diǎn)（水淺、面積小以及風(fēng)速易變性和不確定性）,本研究初步認(rèn)為模型 DMRC01與懸浮箱法所獲得的養(yǎng)殖塘水－氣界面 N2O通量具有較好的可比性.因此,模型DMRC01可考慮作為今后開展我國(guó)東南沿海河口區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖塘 N2O通量大尺度估算研究時(shí)替代懸浮箱法的技術(shù).

4 結(jié)論

4.1 河口區(qū)養(yǎng)殖塘養(yǎng)殖期間水-氣界面N2O排放通量大小隨時(shí)間推移呈現(xiàn)出“增加-降低-增加-降低”的雙峰變化特征.

4.2 不同擴(kuò)散模型法估算出的養(yǎng)殖塘水－氣界面N2O擴(kuò)散通量存在差異性,其通量按大小排序呈現(xiàn)以下特征:模型 DMRC01＞模型DMCL98＞模型 DMW92a＞模型DMMY95＞模型DMCW03＞模型DMLM86.

4.3 相比其他幾種模型方法（DMLM86、DMW92a、DMCL98、DMMY95和 DMCW03）,模型 RC01與懸浮箱法測(cè)得的養(yǎng)殖塘水－氣界面 N2O通量相關(guān)性系數(shù)最高.