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长江三角洲淡水养殖塘水-气界面CH_4排放动态研究

赵佳玉  
【摘要】:养殖塘作为淡水养殖水体以及内陆小型水体的重要组成部分,是CH4排放的热点。准确评估淡水养殖塘水-气界面CH4通量的时间变化特征及其环境人为控制机制有助于降低当前内陆水体碳平衡估算的不确定性。本研究选取中国淡水养殖塘分布最为集中的长江三角洲区域内----安徽省滁州市全椒县官渡村一处大片养殖塘作为研究对象,基于涡度相关法(Eddy covariance,EC)、通量-梯度法(Flux-gradient,FG)和密闭动态箱式法对养殖塘水-气界面温室气体通量进行原位定点观测,在评价两种微气象学通量观测方法(EC和FG)应用于小型水体温室气体通量观测适用性的基础上,对养殖塘水-气界面CH4通量进行了高频连续观测,明确了 CH4通量的时间变化特征及排放量;分析了气象要素、人工管理因子在不同时间尺度上对CH4通量的控制作用,以及量化了 CH4通量在小型水体碳循环中的占比;评估了小型水体水-气界面碳交换产生的综合温室效应,主要研究结果如下:(1)EC和FG观测方法在小型水体温室气体通量观测中适用性的评价高频信号损失和信号污染是在小型水体应用EC技术的主要挑战。本研究结果表明由于累积频谱损失造成EC观测的三种气体(H2O、CH4和CO2)通量误差分别为8%、18%和14%,在EC架设高度低和CH4分析仪较长的光腔路径综合作用下,CH4通量的累积频谱损失量最高。为满足观测信号源于目标鱼塘,EC具有相对较低的观测高度,但其观测信号依然受到目标区域外其他土地类型气体交换信号的干扰,其中观测的CO2通量受信号污染影响程度最为严重,H2O通量次之,CH4通量受影响最小。FG方法在小型水体应用过程中的主要不确定性来源于气体湍流扩散系数的计算,本研究利用空气动力学模型(Aerodynamic,AE,应用Obukhov稳定度方程校正)、修正后的波文比模型(Modified Bowen-ratio,MBR,使用H2O作为参考气体)以及中性层结下的风廓线模型(Wind profile,WP)计算了目标气体的湍流扩散系数,研究结果表明AE模型与EC观测结果具有最好的一致性和最小的误差。同时,本研究利用野外实测数据验证了 Horst(1999)研究中关于通量贡献源区的理论假设,即基于两层高度廓线模型的通量源区小于基于几何平均高度梯度模型的源区、也小于同样使用几何平均高度的一维EC观测的源区,综合以上分析结果,最适用于小型水体温室气体通量观测的微气象学方法为利用三维超声风速仪结合AE模型计算气体湍流扩散系数,结合高精度的气体分析仪获取目标气体浓度梯度的组合方案。(2)养殖塘水-气界面CH4交换通量多时间尺度变化特征及排放途径基于EC在2016年至2019年对该研究地点养殖塘水-气界面CH4通量的高频连续观测,结果表明观测期间内养殖塘均表现为稳定的CH4排放源,四年排放均值为3.68±2.95 μg m-2s-1,该排放量显著高于国内外多数其他水生生态系统(如自然池塘、湖泊以及水库等)的研究结果。养殖塘水-气界面CH4交换通量无明显的日变化特征,但具有夏季高、冬季低的季节变化和年际变化特征。该养殖塘CH4冒泡排放是CH4排放的主要途径,占总排放的比例约为74%。(3)养殖塘水-气界面CH4交换通量多时间尺度变化特征影响因素不同时间尺度底泥温度是CH4通量以及CH4冒泡通量的主要影响因素,均与CH4通量以及CH4冒泡通量呈现显著的正相关关系;在日尺度上,CH4通量随着空气温度的增加呈指数增加,阈值温度约为15℃,利用温度的变化量在日尺度上可以解释CH4通量约60%的变化;不同时间尺度,CH4通量随着大气压强的增加呈递减趋势。分析干塘、饲料投入量以及增氧措施在不同时间尺度对养殖塘水-气界面CH4交换通量的影响发现,增氧措施实施期间并未显著的增加或抑制养殖塘CH4排放量;干塘初期会显著的增加日尺度CH4排放量值,且同一养殖塘内饲料/肥料投入量相对较高的区域其CH4排放量值也较高;空气温度与饲料有机碳输入量的协同作用是影响养殖塘水-气界面CH4排放量年际变异的主要驱动因素。(4)养殖塘碳循环过程和水-气界面碳交换产生的综合温室效应基于养殖塘碳循环动态分析,养殖塘内有机碳输入源95%以上来自于饲料以及肥料的供应,输出过程主要以水产养殖生物摄取的碳和CH4排放为主。2016年至2019年,该研究地点养殖塘的有效饲料利用率分别为12%、14%、18%以及22%,相对较低的饲料利用率导致输入的大量有机碳以CH4形式排放到大气,其碳输出量,占总含碳气体排放和输入有机碳的比率分别约为80%(±20%)和13%(±4.86%),此结果证明CH4是养殖塘水-气界面碳排放过程的主要贡献因子。除去排出的有机碳,滞留在养殖水体的有机碳大多沉积到水体底泥沉积物中,占有机碳输入的比率在65%以上,表明沉积物含碳量在养殖塘碳循环过程中占有不可忽视的重要地位。2016年至2019年该养殖塘CO2及CH4排放的全球增温潜势平均值为32.5 Mg CO2 eqha-1,其中CH4的平均贡献率约在90%以上。


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