上海市河網(wǎng)水體溶存氧化亞氮和甲烷的時(shí)空分布及排放通量.pdf

1、氧化亞氮(N2O)和甲烷(CH4)是大氣中重要的溫室氣體，其對(duì)未來全球氣候變化可能會(huì)產(chǎn)生巨大的直接和間接影響，然而目前全球N2O、CH4源匯通量清單中還存在很大不確定性。隨著全球范圍內(nèi)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，人類的生存與發(fā)展極大地影響了全球的碳、氮循環(huán)，使得河流生態(tài)系統(tǒng)碳、氮負(fù)荷加倍增長，河流富營養(yǎng)化和黑臭等水質(zhì)污染現(xiàn)象頻發(fā)，增加了河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生和排放N2O、CH4的潛能。
　　 在國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目：“長江三角洲河網(wǎng)

2、水體氧化亞氮產(chǎn)生機(jī)制及其排放通量”和國家重大水專項(xiàng)課題：“城市黑臭河道外源阻斷、工程修復(fù)與原位多級(jí)生態(tài)凈化關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”等的支持下，本論文選取上海市河網(wǎng)作為研究對(duì)象，運(yùn)用環(huán)境地球化學(xué)、生物地球化學(xué)、自然地理學(xué)等多學(xué)科綜合研究手段，采用野外采樣與實(shí)驗(yàn)室分析相結(jié)合、現(xiàn)場試驗(yàn)與室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究上海市河網(wǎng)水體溶存N2O、CH4濃度和飽和度的時(shí)空變化特征，探討環(huán)境因子的控制作用和影響，采集市區(qū)(SQ)和郊區(qū)(QP)典型河流

3、河底沉積物來考察N2O、CH4在沉積物-界面的產(chǎn)生與釋放，并最終初步估算出上海市河網(wǎng)水-氣界面N2O、CH4排放總量。主要結(jié)論包括以下幾個(gè)方面：
　　 (1)河網(wǎng)水體N2O和CH4濃度的總體變化范圍分別在0.26±0.01～89.91±45.50μg N·L-1和0.74±0.64～1367.68±186.69μg C·L-1之間，溶解飽和度的變化范圍分別在108.74±5.75～21355.11±10808.41％和95.95

4、±49.70～64704.78±13886.65％之間，總體均處于飽和至高度過飽和狀態(tài)；2月和4月水中N2O和CH4濃度及飽和度顯著高于其他月份；河網(wǎng)內(nèi)水中N2O和CH4濃度及飽和度的高值均出現(xiàn)在SQ、BS、JD等市區(qū)或工業(yè)集中區(qū)域。
　　 (2)水體中N2O和CH4濃度之間存在顯著的正相關(guān)；N2O和CH4均分別與水溫、氣溫、pH值、ORP和DO含量存在顯著負(fù)相關(guān)，而與NH4+-N、TP、DOC和DIC存在顯著正相關(guān)；N2O與N

5、H4+-N濃度在各個(gè)DO含量范圍內(nèi)整體存在一致的正相關(guān)關(guān)系，其關(guān)系可用回歸方程：y=0.713015*e0.298754*x(R2=0.430，P<0.001)來描述，而NO3--N與N2O濃度僅在DO含量處于0～1.2 mg·L-1范圍時(shí)N2O濃度隨著NO3--N濃度的增加顯著升高。
　　 (3)CART模型分類結(jié)果表明，NH4+-N、水溫、DO、NO3--N、TP和pH是水中N2O濃度的主要分類因子，而NH4+-N、NO3-

6、-N、DO、ORP和SO42-是CH4濃度的主要分類因子。CART模型在水質(zhì)較差、N2O、CH4濃度較高區(qū)域?qū)2O、CH4濃度的分類預(yù)測效果較好。GAM模型對(duì)水中N2O總偏差解釋率為72.31％，其中NH4+-N貢獻(xiàn)率達(dá)42.99％，表層水體環(huán)境因子通過GAM模型擬合后對(duì)水中N2O濃度的整體擬合效果較好；GAM模型對(duì)CH4濃度總偏差解釋率為51.20％，預(yù)測效果總體較差。GAM模型在郊區(qū)水體較清潔區(qū)域可以得到較好的預(yù)測效果。
　

7、　 (4)QP和SQ水體內(nèi)部N2O產(chǎn)生速率分別為0.10±0.67和0.97±0.65 ng N·h-1，遠(yuǎn)低于QP和SQ沉積物-水界面N2O釋放速率的3.86±1.93和12.49±6.25 ngN·h-1；兩地沉積物-水界面CH4釋放速率分別為0.079±0.0084和7.04±0.48μgC·h-1，上覆水體的氧化作用使得兩地水體內(nèi)部CH4產(chǎn)生速率極低；沉積物是兩地表層水體N2O和CH4的主要來源；QP和SQ沉積物-水界面N2O

8、和CH4的釋放通量分別為4.02±2.01和13.01±6.51μg N·m-2·h-1以及83.66±11.22和7335.48±495.79μg C·m-2·h-1，沉積物-水界面N2O和CH4釋放通量的較大差異是造成表層水體N2O和CH4濃度空間分異的主要原因之一。
　　 (5)富氧狀態(tài)下QP和SQ沉積物的耗氧量均大于貧氧狀態(tài)；由于沉積物中有機(jī)碳含量較高，SQ沉積物在富氧和貧氧狀態(tài)下的耗氧量均高于QP沉積物，使得上覆水體總

9、體處于缺氧狀態(tài)；添加了NH4+-N或NH4+-N/NO3--N條件下，QP和SQ沉積物耗氧量明顯增加，且隨物質(zhì)添加梯度出現(xiàn)上升趨勢(shì)；上覆水體中的NH4+-N擴(kuò)散進(jìn)入沉積物表層加快了硝化反應(yīng)速率可能是沉積物-水界面DO消耗加速的主要原因。
　　 (6)貧氧條件下QP和SQ沉積物-水界面N2O的釋放通量總體高于富氧狀態(tài)；添加NH4+-N和NH4+-N/NO3--N顯著增加了QP和SQ沉積物-水界面N2O釋放通量，其中尤以SQ沉積物更

10、為顯著，上覆水體中的DO和NH4+-N濃度是影響沉積物-水界面N2O釋放最為主要的因素；而上覆水體DO濃度是唯一顯著影響QP和SQ沉積物-水界面CH4釋放的決定性因素。
　　 (7)自然條件下QP和SQ表層0～1cm沉積物孔隙水N2O濃度分別在1.02±0.64～2.04±1.45和2.23±0.85～3.40±1.07μg N·L-1之間，高于兩地原位表層水體中的N2O濃度；貧氧狀態(tài)以及NH4+-N和NH4+-N/NO3--N

11、添加明顯促進(jìn)了表層0～1cm內(nèi)孔隙水中N2O的產(chǎn)生；在上覆水體較高的NH4+-N濃度和較低的DO濃度條件下，沉積物表層的硝化作用是N2O的主要產(chǎn)生機(jī)制。自然條件下QP和SQ表層0～1cm沉積物孔隙水CH4濃度分別在49.48±12.94～54.14±21.48和6941.25±2647.55～7465.17±1234.68μg C·L-1；沉積物表層0～1 cm內(nèi)氧化作用顯著降低了孔隙水CH4濃度；QP和SQ沉積物中極高的有機(jī)碳含量使得

12、NO3--N和SO42-添加對(duì)CH4的抑制作用并不明顯，并使沉積物成為水體中CH4的主要來源。
　　 (8)河網(wǎng)水-氣界N2O和CH4排放通量的總體變化范圍分別在0.05±0.003～48.12±6.42 mg N·h-1·m-2和-0.04±0.01～579.25±86.20 mg N·h-1·m-2之間，河網(wǎng)水體總體是大氣N2O和CH4的源；較高的水溫條件對(duì)水體N2O和CH4排放存在一定的促進(jìn)作用；SQ、BS和JD等市中心區(qū)

13、域以及工業(yè)生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)水體N2O和CH4排放通量顯著較高；河網(wǎng)水體N2O排放通量略低于長江口海域水體N2O排放通量，而CH4排放通量與典型濕地生態(tài)系統(tǒng)CH4排放水平相當(dāng)。
　　 (9)上海市河網(wǎng)水體N2O、CH4的年排放總量分別為7.23 Gg N·yr-1和58.22Gg C·yr-1；上海市河網(wǎng)水體N2O年排放總量可占全球河流水體N2O排放估算量的0.66％，現(xiàn)今對(duì)全球河流N2O源效應(yīng)的認(rèn)識(shí)可能存在較大誤差；上海市河網(wǎng)水體CH