上海市主要河流水-气界面温室气体通量及影响因素研究

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大气中温室气体浓度的增加导致出现以变暖为特征的全球气候变化引起了人们的广泛关注。人为活动导致的河流生态系统中碳氮负荷增加,成为了大气温室气体的重要来源。本文以上海市为例,选取一些代表性河流,通过野外采样调查,分析上海市河流水体CO2、CH4和N20溶存浓度,进而计算河流水-气界面CO2、CH4和N20通量大小并分析控制因子,在此基础上估算上海市河流温室气体增温潜势(GWP)及排放潜力,为河流生态系统温室气体排放估算及对全球温室气体贡献提供一定的参考。本文主要结果如下:(1)冬季上海市河流水体CO2、CH4和N20浓度范围分别是116.28±7.94~325.91±19.7lμmol·L-1、0.65±0.17~10.94±2.15μmol·L-1和 322.87±40.61~918.778±101.55nmol·L-1;夏季河流水体CO2、CH4和N2O浓度范围分别是13.66±1.61~196.75±4.22μmol·L、0.06±0.00~17.50±0.87 μmol·L-1 和97.19±8.22~1476.53±109.1 5nmol·L-1。河流水体中CO2溶存浓度有着较明显的时间变化,即冬季高、夏季低,CH4和N2O浓度无明显时间变化特征。水体C02和CH4浓度在空间分布上表现为中心城区大于郊区。(2)上海市河流水体温室气体浓度受空气湿度、水温、NO3-和NH4+浓度、Eh、pH和DO影响。空气相对湿度在冬季与水体N20浓度、夏季与水体CO2浓度极显著负相关。水温在夏季与水体N2O浓度负相关性显著。水质因因子中,水体中NO3-浓度在冬季与CH4浓度呈极显著正相关性,NH4+浓度在冬季与水体CO2、夏季与水体C02和CH4浓度分别呈显著、极显著正相关关系。Eh在冬季与水体CO2浓度呈极显著负相关关系。pH值与水体CO2浓度相关性显著。DO仅在冬季与水体CO2浓度显著负相关。(3)冬季上海市河流水-气界面CO2、CH4和N20平均通量范围分别是21.24±0.24~144.73±17.83 mmol.m-2·h-1、10.33±41~94±14.06μmol·m-2·h-1 和 6.54±1.42~41.93±1.30μmol·m-2·h-1;夏季河流水-气界面CO2、CH4和N2O通量范围分别是2.06±0.93~134.61±1.63 mmol·m-2·h-1、0.30±0.01~111.23±5.56μmol·m-2-h·1-和7.42±0.63~77.28±5.71μmol·m-2·h-1。河流总体上是大气温室气体的源。时间变化上,河流水-气界面CO2通量表现为冬季高夏季低,CH4通量无显著季节变化,N2O通量夏季高于冬季。空间分布特征表现为:①冬季河流水-气界面CO2通量在宝山区、中心城区以及浦东新区北相对较低,松江区和闵行区相对较高;夏季河流水-气界面CO2通量总体上呈现为中心城区、宝山区较高,其余各地区水-气界面CO2通量处于中低水平。②水-气界面CH4通量仅在夏季中心城区和宝山区处出现最大值,其余各处冬夏季CH4通量均处于低水平。③水-气界面N2O通量冬季在松江、闵行、金山和奉贤处较高,夏季在金山区较高。(4)上海市河流水-气界面CO2、CH4和N2O排放通量受风速、空气湿度和温度、水体气温、水温、NOO3-、NH4+、Eh和pH影响。不同季节主要的影响因子不同。气象因子中,风速在冬季与河流水-气界面CO2、CH4和N2O排放通量均呈极显著正相关性,夏季与水-气界面CH4和N2O通量分别呈显著、极显著正相关关系。空气相对湿度在夏季与水-气界面CO2通量呈极显著负相关关系。气温在冬季与水-气界面CO2和N2O通量相关性显著。水温在冬季与河流水-气界面CO2通量呈极显著负相关。水质因子中,冬季水体NO3-浓度和Eh与水-气界面CO排放通量相关性显著。夏季水体NH4+浓度和pH与水-气界面C02通量显著相关性;水体NH4+浓度和水-气界面间CH4通量正相关性显著。(5)河道等级对水-气界面CO2、CH4和N2O通量没有明显的影响。河道水质污染状况对河流水-气界面CO2、CH4和N2O通量具有明显的影响,劣于V类河流水-气界面温室气体通量值大于Ⅲ类河流,总体上说明河流污染程度越严重,水体温室气体排放越大。(6)以100年时间尺度为计,上海市河流温室气体增温潜势为18738.92 gCO2·m-2·a-1,其中CO2增温潜势贡献最大;上海市河流水体N2O排放系数为0.0373。水-气界面C02和CH4通量呈现河流>水库>湖泊,N2O通量河流>湖泊。河流、湖泊和水库水-气界面总碳通量呈现出河流>水库>湖泊,总氮通量河流>湖泊,3种水体中碳的输出均以CO2形态为主。
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