大都市區(qū)河網(wǎng)體系碳排放研究.pdf

1、河流生態(tài)系統(tǒng)是連接陸地與海洋兩大碳匯的重要紐帶，同時(shí)也向大氣排放大量的氣態(tài)碳（CO2與CH4），構(gòu)成了全球碳循環(huán)的重要功能單元，同時(shí)對(duì)未來(lái)氣候變化可能產(chǎn)生不可忽視的影響。隨著人類活動(dòng)不斷加劇和大尺度的土地利用改變，河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能受到極大的破壞，水體碳、氮、磷以及其他污染負(fù)荷成倍增長(zhǎng)，使得河流生態(tài)系統(tǒng)向著增強(qiáng)型異養(yǎng)系統(tǒng)方向快速發(fā)展，進(jìn)而增加河流CO2與CH4源匯通量估算的不確定性。作為一種綜合的人類活動(dòng)聚集和土地利用改變的因子，

2、城市化已經(jīng)成為全球變化研究中，除溫室氣體排放外，另一個(gè)重要的焦點(diǎn)問(wèn)題。然而，目前對(duì)河流碳排放研究仍以評(píng)價(jià)自然河流碳排放為主，對(duì)城市影響下河流碳排放的研究較少。本論文以典型的大都市區(qū)—重慶都市區(qū)河網(wǎng)為研究對(duì)象，開(kāi)展野外調(diào)查與室內(nèi)分析，系統(tǒng)的研究了大都市區(qū)河網(wǎng)CO2與CH4濃度及排放速率的空間格局，初步估算和評(píng)價(jià)了重慶都市區(qū)河網(wǎng)碳排放總量及其生態(tài)學(xué)意義；選擇代表性河流開(kāi)展了多時(shí)間尺度的調(diào)查，探討了大都市區(qū)河流碳排放的晝夜、季節(jié)、年際動(dòng)態(tài)，并

3、進(jìn)一步結(jié)合水文、地貌以及水環(huán)境因子分析了河網(wǎng)CO2與CH4濃度及排放通量空間格局和時(shí)間動(dòng)態(tài)的調(diào)控因子。主要研究結(jié)果和結(jié)論如下：
　?。?）為明確大都市區(qū)碳排放空間格局及其與城市化的關(guān)系，本研究根據(jù)重慶都市區(qū)土地利用類型及城市功能分區(qū)，將研究區(qū)域按照城市化梯度劃分為5個(gè)亞區(qū)。進(jìn)而對(duì)各亞區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)和pCO2進(jìn)行分析。結(jié)果表明，整個(gè)河網(wǎng)水體pCO2變化范圍為53～16879μatm，平均值為2152±2318μatm，相當(dāng)于大氣平衡

4、CO2分壓的5倍多，是大氣 CO2的潛在排放源。重慶都市區(qū)河網(wǎng)水環(huán)境參數(shù)及pCO2空間格局明顯，即沿城市化梯度增加，水環(huán)境質(zhì)量明顯變差，pCO2在城市區(qū)河流顯著高于郊區(qū)和快速發(fā)展區(qū)，是距離城市中心較遠(yuǎn)的生態(tài)保護(hù)區(qū)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)河網(wǎng)的2～4倍；河網(wǎng)pCO2空間格局受到季節(jié)變化影響顯著，秋季與冬季河網(wǎng)pCO2空間變化較大，而春季與夏季分別受水體富營(yíng)養(yǎng)化和洪水稀釋效應(yīng)影響，pCO2空間變化較小。與世界范圍內(nèi)其他研究去比較，重慶都市區(qū)河網(wǎng)水體pC

5、O2總體處于中等偏下水平，但城市區(qū)河流pCO2高于大部分亞熱帶河流。
　?。?）重慶都市區(qū)河網(wǎng)水體CH4濃度總體變化范圍為0.05～12.79μmol CH4·L-1，對(duì)應(yīng)的飽和度范圍為2200％～371700%，平均為0.69±1.00μmol CH4·L-1（飽和度為24200%±38800%），整個(gè)河網(wǎng)水體CH4處于高度過(guò)飽和狀態(tài)，河網(wǎng)水體是大氣CH4的重要排放源。河網(wǎng)CH4濃度空間格局更加清晰，沿城市化梯度呈等比增加，城市

6、區(qū)河流水體CH4濃度是快速發(fā)展區(qū)和郊區(qū)河流的2~4倍，是偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村區(qū)河流的6～13倍。將河網(wǎng)CH4濃度空間分布與土地利用類型疊加表明，河網(wǎng)CH4濃度與城市用地類型覆蓋區(qū)高度重疊，污水排放、低氧環(huán)境、高DOC含量等都市區(qū)河網(wǎng)CH4濃度空間格局的重要驅(qū)動(dòng)；在與世界其他區(qū)域研究對(duì)比，重慶都市區(qū)河網(wǎng)CH4濃度高于大多數(shù)亞熱帶和溫帶河流，處于較高水平。
　?。?）本研究從河網(wǎng)水環(huán)境因子和河網(wǎng)自然特征兩方面進(jìn)行了河網(wǎng)碳排放空間格局的調(diào)控因子。從

7、河流水環(huán)境特征看，河網(wǎng)pCO2與水體DO、pH均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，利用pCO2與pH的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，推算當(dāng)pH>8.45時(shí)，水體呈CO2“匯”，而當(dāng)水體pH<8.45，則為大氣CO2“源”；河網(wǎng)pCO2與DOC線性關(guān)系不顯著，說(shuō)明原位呼吸代謝可能并非主要CO2輸入來(lái)源；pCO2與營(yíng)養(yǎng)鹽存在顯著的相關(guān)關(guān)系，但線性回歸擬合系數(shù)較低。河網(wǎng)CH4濃度與DO、pH均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與電導(dǎo)率、DOC、DIC、DTC以及營(yíng)養(yǎng)鹽含量存在極顯著的

8、正相關(guān)關(guān)系，河水水質(zhì)與CH4濃度關(guān)系密切，水質(zhì)因子能夠作為河網(wǎng)CH4濃度的指示性因子；營(yíng)養(yǎng)鹽與河網(wǎng)CH4濃度的回歸分析表明，N、P對(duì)CH4濃度影響均存在多重作用機(jī)制，且當(dāng)水體營(yíng)養(yǎng)鹽低于一定閾值（TN：2.5mg·L-1，TP：0.10mg·L-1），營(yíng)養(yǎng)鹽影響并不顯著，而一旦超過(guò)該閾值，CH4濃度對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的增加極為敏感。
　?。?）通過(guò)分析河流自然特征（流速、流量、河道寬度以及河床底質(zhì)類型）與水體pCO2和CH4濃度關(guān)系，結(jié)果表明

9、河流較窄且流速較慢的斷面水體可能具有更高的pCO2和CH4濃度；河床底質(zhì)類型的粒徑越小，對(duì)應(yīng)表層水體CO2和CH4濃度越高，淤泥河床采樣斷面水體pCO2和CH4濃度最高。由于城市污水對(duì)CO2和CH4的直接輸入以及較高的異養(yǎng)代謝，導(dǎo)致人工河床對(duì)應(yīng)異常高的pCO2和CH4濃度。本研究認(rèn)為河流自然特征和城市化導(dǎo)致的水污染是決定區(qū)域河網(wǎng)碳排放空間格局的主要驅(qū)動(dòng)。
　?。?）基于亨利定律與邊界層模型，估算重慶都市區(qū)河網(wǎng)水-氣界面CO2和CH

10、4排放速率總體范圍分別為-60～1329mol CO2m-2yr-1和0.03～7.78mol CH4m-2yr-1，平均值分別為163和0.51mol C m-2yr-1；初步估算重慶都市區(qū)河網(wǎng)水-氣界面CO2-C排放量為0.117Tg·yr-1，CH4-C年排放量為0.633Gg·yr-1(對(duì)全球變暖貢獻(xiàn)相當(dāng)于15.9Gg CO2-C·yr-1)；與重慶都市區(qū)森林年碳匯量相比，河網(wǎng)CO2-C和CH4-C總量不容小覷；城市化提高了河網(wǎng)

11、水-氣界面碳排放，進(jìn)而影響區(qū)域碳平衡和溫室氣體排放估算，對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生重要貢獻(xiàn)。
　?。?）選擇跳蹬河、虎溪河和二圣河作為城市區(qū)、城市郊區(qū)以及農(nóng)村區(qū)河流代表，開(kāi)展為期2年的監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，三條河流污染梯度明顯，跳蹬河高于虎溪河，遠(yuǎn)高于二圣河；三條河流pCO2季節(jié)波動(dòng)表現(xiàn)均為每年7月～9月（豐水期）出現(xiàn)峰值，11月至次年5月（枯水期）較低，溫度、降雨以及富營(yíng)養(yǎng)化是pCO2季節(jié)波動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)。不同城市區(qū)域河流CH4濃度表現(xiàn)不同季節(jié)

12、波動(dòng)規(guī)律?；⑾优c跳蹬河CH4濃度表現(xiàn)明顯的單峰模式，每年1～3月出現(xiàn)最高值，5月～9月表現(xiàn)為低谷期，隨后開(kāi)始上升，而二圣河CH4濃度沒(méi)有統(tǒng)一的季節(jié)波動(dòng)規(guī)律，這種季節(jié)變化的差異主要因?yàn)椴煌恿鰿H4來(lái)源不同，對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)機(jī)制不同。降雨稀釋效應(yīng)可能是城市區(qū)和城市郊區(qū)河流水體CH4季節(jié)變化的重要驅(qū)動(dòng)過(guò)程，而對(duì)于低污染河流而言，降雨稀釋與高溫促進(jìn)的平衡是水體CH4波動(dòng)較小的可能因子。三條河流水體溫度與DO能夠較好的解釋水體pCO2的季節(jié)波動(dòng)

13、性；溫度、pH和TN對(duì)跳蹬河、虎溪河中CH4濃度季節(jié)變化具有較好的解釋能力，而P含量與電導(dǎo)率在二圣河中是較好的預(yù)測(cè)因子；營(yíng)養(yǎng)鹽在不同污染程度的河流中對(duì)水體pCO2與CH4濃度的影響存在限制性，在低污染或中度污染河流中，營(yíng)養(yǎng)鹽水平能夠解釋部分pCO2與CH4濃度的季節(jié)變化，而城市區(qū)河流則不表現(xiàn)解釋能力。
　　（7）采用靜態(tài)箱-氣相色譜法對(duì)跳蹬河、虎溪河和二圣河水-氣界面碳排放平晝夜變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，三條河流CO2排放速率均表現(xiàn)

14、為晝間顯著低于夜間，但跳蹬河晝夜波動(dòng)較小，虎溪河和二圣河夏季CO2晝間波動(dòng)性較大。不同河流盡管晝夜波動(dòng)相似，但影響的機(jī)制有差異，水體呼吸作用與光合作用的平衡動(dòng)態(tài)、水熱條件轉(zhuǎn)變是晝夜波動(dòng)大小的主要機(jī)制。三條河流 CH4排放的晝夜變化呈現(xiàn)出不同趨勢(shì)，但最低值都出現(xiàn)在凌晨4～6點(diǎn)，跳蹬河有兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在上午10點(diǎn)和下午16點(diǎn)，這種波動(dòng)受到城市污水排放和溫度的驅(qū)使；虎溪河夏季CH4排放速率峰值出現(xiàn)在中午14，二圣河也呈典型的單峰模式，受溫度