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筑坝蓄水对水体的碳循环会产生显著影响,而作为温室气体的CO2、CH4是碳循环的重要组成部分,同时藻类大量增殖导致的水华爆发会进一步推进水库碳循环过程。目前内陆水体温室气体碳循环研究中湖泊的CH4收支是最主要的研究对象,而对于水力条件更为复杂的水库研究十分有限,且大多数的研究只停留在了单一界面的CO2、CH4通量变化中。同时只关注不同界面上通量的改变无法获取温室气体所推动的水库碳循环内因,因此需要更深入研究其在水柱中的浓度变化以及消耗情况。本论文以三峡库区夏季汛期运行易出现水华的典型库湾高阳平湖为研究对象,研究此特殊时期下三峡库区典型库湾CO2、CH4浓度变化特点及其不同界面上的通量变化,并对水柱和沉积物中的甲烷氧化过程进行初步探究,为三峡库区典型库湾的汛期提供更合理的碳循环收支依据。本论文的主要研究结论如下:
(1)研究区域纵断面表层水柱CH4浓度明显高于中下层,可能为好氧产甲烷现象;同时表层CO2浓度明显小于中下层,主要是受藻类光合作用影响;平台A点24h的CO2、CH4浓度动态监测发现表层水CH4浓度最高,同时CH4浓度分布与叶绿素a分布情况有一致性。表层水柱CO2浓度由于白天受藻类光合作用的影响明显低于中下层,夜间受藻类呼吸作用又逐渐上升。CH4浓度与温度、DTN浓度、DO浓度、叶绿素a浓度强正相关性(p<0.01)。CO2浓度与叶绿素a浓度呈现强负相关性(p<0.01)。
(2)水-气界面CO2、CH4扩散通量表现为“CH4源,CO2源汇交替”;沉积物-水界面中表层沉积物向水柱不断输送CO2、CH4,从浅水区至湖中心CH4通量呈递增趋势。CH4最大贡献率56.28%位于15m~A点。CO2主要贡献来源是15m以内近岸区域;沉积物-水-气界面CH4气泡通量越靠近深水区域越大。15m以上深水区CH4气泡耗损过半,最大耗损可达64.96%,而近岸区耗损明显下降,最小耗损仅为4.57%;水-气界面CH4日总扩散通量为1.177Kg/d;沉积物-水界面CH4日总扩散通量为0.053Kg/d;沉积物气泡释放为5.702Kg/d,穿过水柱由表层进入大气的气泡释放为2.897Kg/d;气泡未穿过水柱总量为2.805Kg/d。若不考虑水柱的CH4产生与消耗,那么这其中在水柱中的溶解或消耗占比30.8%,因此CH4在水柱中存在动态消耗过程,即好氧甲烷氧化过程。
(3)原位好氧甲烷氧化培养实验中,表层水体DO浓度高,MOB几乎不活动,氧跃层下部微氧环境不再限制MOB的代谢活动。汛期伴随水华爆发时,水柱中CH4浓度水平比水华未全面爆发时高一个数量级,相应的好氧甲烷氧化过程也更加剧烈;原位甲烷氧化潜势培养实验表明,水华未全面爆发时氧跃层和底层拥有较高的甲烷氧化潜力,而中层水体氧化潜力较弱;水华爆发后甲烷氧化潜力底部大于中层,中层大于表层和氧跃层;室内甲烷氧化潜势培养实验发现浅层沉积物中存在着CH4氧化情况,CH4在扩散输入高阳平湖水柱底部之前已经有了一定的消耗。
本论文对三峡水库典型库湾汛期下的温室气体碳循环(结合甲烷氧化过程)进行了初步探索,而更多的复杂水体(例如山区河流)还亟待研究,这其中复杂甲烷氧化过程也需要进一步的探索。
(1)研究区域纵断面表层水柱CH4浓度明显高于中下层,可能为好氧产甲烷现象;同时表层CO2浓度明显小于中下层,主要是受藻类光合作用影响;平台A点24h的CO2、CH4浓度动态监测发现表层水CH4浓度最高,同时CH4浓度分布与叶绿素a分布情况有一致性。表层水柱CO2浓度由于白天受藻类光合作用的影响明显低于中下层,夜间受藻类呼吸作用又逐渐上升。CH4浓度与温度、DTN浓度、DO浓度、叶绿素a浓度强正相关性(p<0.01)。CO2浓度与叶绿素a浓度呈现强负相关性(p<0.01)。
(2)水-气界面CO2、CH4扩散通量表现为“CH4源,CO2源汇交替”;沉积物-水界面中表层沉积物向水柱不断输送CO2、CH4,从浅水区至湖中心CH4通量呈递增趋势。CH4最大贡献率56.28%位于15m~A点。CO2主要贡献来源是15m以内近岸区域;沉积物-水-气界面CH4气泡通量越靠近深水区域越大。15m以上深水区CH4气泡耗损过半,最大耗损可达64.96%,而近岸区耗损明显下降,最小耗损仅为4.57%;水-气界面CH4日总扩散通量为1.177Kg/d;沉积物-水界面CH4日总扩散通量为0.053Kg/d;沉积物气泡释放为5.702Kg/d,穿过水柱由表层进入大气的气泡释放为2.897Kg/d;气泡未穿过水柱总量为2.805Kg/d。若不考虑水柱的CH4产生与消耗,那么这其中在水柱中的溶解或消耗占比30.8%,因此CH4在水柱中存在动态消耗过程,即好氧甲烷氧化过程。
(3)原位好氧甲烷氧化培养实验中,表层水体DO浓度高,MOB几乎不活动,氧跃层下部微氧环境不再限制MOB的代谢活动。汛期伴随水华爆发时,水柱中CH4浓度水平比水华未全面爆发时高一个数量级,相应的好氧甲烷氧化过程也更加剧烈;原位甲烷氧化潜势培养实验表明,水华未全面爆发时氧跃层和底层拥有较高的甲烷氧化潜力,而中层水体氧化潜力较弱;水华爆发后甲烷氧化潜力底部大于中层,中层大于表层和氧跃层;室内甲烷氧化潜势培养实验发现浅层沉积物中存在着CH4氧化情况,CH4在扩散输入高阳平湖水柱底部之前已经有了一定的消耗。
本论文对三峡水库典型库湾汛期下的温室气体碳循环(结合甲烷氧化过程)进行了初步探索,而更多的复杂水体(例如山区河流)还亟待研究,这其中复杂甲烷氧化过程也需要进一步的探索。