大都市區(qū)河網體系碳排放研究.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，同時也向大氣排放大量的氣態(tài)碳（CO2與CH4），構成了全球碳循環(huán)的重要功能單元，同時對未來氣候變化可能產生不可忽視的影響。隨著人類活動不斷加劇和大尺度的土地利用改變，河流生態(tài)系統(tǒng)的結構與功能受到極大的破壞，水體碳、氮、磷以及其他污染負荷成倍增長，使得河流生態(tài)系統(tǒng)向著增強型異養(yǎng)系統(tǒng)方向快速發(fā)展，進而增加河流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聚集和土地利用改變的因子，

2、城市化已經成為全球變化研究中，除溫室氣體排放外，另一個重要的焦點問題。然而，目前對河流碳排放研究仍以評價自然河流碳排放為主，對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)河網為研究對象，開展野外調查與室內分析，系統(tǒng)的研究了大都市區(qū)河網CO2與CH4濃度及排放速率的空間格局，初步估算和評價了重慶都市區(qū)河網碳排放總量及其生態(tài)學意義；選擇代表性河流開展了多時間尺度的調查，探討了大都市區(qū)河流碳排放的晝夜、季節(jié)、年際動態(tài)，并

3、進一步結合水文、地貌以及水環(huán)境因子分析了河網CO2與CH4濃度及排放通量空間格局和時間動態(tài)的調控因子。主要研究結果和結論如下：
　?。?）為明確大都市區(qū)碳排放空間格局及其與城市化的關系，本研究根據重慶都市區(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個亞區(qū)。進而對各亞區(qū)河網水質參數(shù)和pCO2進行分析。結果表明，整個河網水體pCO2變化范圍為53～16879μatm，平均值為2152±2318μatm，相當于大氣平衡

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的生態(tài)保護區(qū)和農業(yè)生產區(qū)河網的2～4倍；河網pCO2空間格局受到季節(jié)變化影響顯著，秋季與冬季河網pCO2空間變化較大，而春季與夏季分別受水體富營養(yǎng)化和洪水稀釋效應影響，pCO2空間變化較小。與世界范圍內其他研究去比較，重慶都市區(qū)河網水體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。
　　（2）重慶都市區(qū)河網水體CH4濃度總體變化范圍為0.05～12.79μmol CH4·L-1，對應的飽和度范圍為2200％～371700%，平均為0.69±1.00μmol CH4·L-1（飽和度為24200%±38800%），整個河網水體CH4處于高度過飽和狀態(tài)，河網水體是大氣CH4的重要排放源。河網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，是偏遠鄉(xiāng)村區(qū)河流的6～13倍。將河網CH4濃度空間分布與土地利用類型疊加表明，河網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CH4濃度空間格局的重要驅動；在與世界其他區(qū)域研究對比，重慶都市區(qū)河網CH4濃度高于大多數(shù)亞熱帶和溫帶河流，處于較高水平。
　?。?）本研究從河網水環(huán)境因子和河網自然特征兩方面進行了河網碳排放空間格局的調控因子。從

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

8、正相關關系，河水水質與CH4濃度關系密切，水質因子能夠作為河網CH4濃度的指示性因子；營養(yǎng)鹽與河網CH4濃度的回歸分析表明，N、P對CH4濃度影響均存在多重作用機制，且當水體營養(yǎng)鹽低于一定閾值（TN：2.5mg·L-1，TP：0.10mg·L-1），營養(yǎng)鹽影響并不顯著，而一旦超過該閾值，CH4濃度對營養(yǎng)鹽的增加極為敏感。
　　（4）通過分析河流自然特征（流速、流量、河道寬度以及河床底質類型）與水體pCO2和CH4濃度關系，結果表明

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；河床底質類型的粒徑越小，對應表層水體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CO2和CH4的直接輸入以及較高的異養(yǎng)代謝，導致人工河床對應異常高的pCO2和CH4濃度。本研究認為河流自然特征和城市化導致的水污染是決定區(qū)域河網碳排放空間格局的主要驅動。
　?。?）基于亨利定律與邊界層模型，估算重慶都市區(qū)河網水-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(對全球變暖貢獻相當于15.9Gg CO2-C·yr-1)；與重慶都市區(qū)森林年碳匯量相比，河網CO2-C和CH4-C總量不容小覷；城市化提高了河網

11、水-氣界面碳排放，進而影響區(qū)域碳平衡和溫室氣體排放估算，對全球氣候變化產生重要貢獻。
　?。?）選擇跳蹬河、虎溪河和二圣河作為城市區(qū)、城市郊區(qū)以及農村區(qū)河流代表，開展為期2年的監(jiān)測。結果表明，三條河流污染梯度明顯，跳蹬河高于虎溪河，遠高于二圣河；三條河流pCO2季節(jié)波動表現(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、降雨以及富營養(yǎng)化是pCO2季節(jié)波動的主要驅動。不同城市區(qū)域河流CH4濃度表現(xiàn)不同季節(jié)

12、波動規(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，隨后開始上升，而二圣河CH4濃度沒有統(tǒng)一的季節(jié)波動規(guī)律，這種季節(jié)變化的差異主要因為不同河流CH4來源不同，對環(huán)境變化響應機制不同。降雨稀釋效應可能是城市區(qū)和城市郊區(qū)河流水體CH4季節(jié)變化的重要驅動過程，而對于低污染河流而言，降雨稀釋與高溫促進的平衡是水體CH4波動較小的可能因子。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

13、性；溫度、pH和TN對跳蹬河、虎溪河中CH4濃度季節(jié)變化具有較好的解釋能力，而P含量與電導率在二圣河中是較好的預測因子；營養(yǎng)鹽在不同污染程度的河流中對水體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。
　?。?）采用靜態(tài)箱-氣相色譜法對跳蹬河、虎溪河和二圣河水-氣界面碳排放平晝夜變化進行監(jiān)測，結果表明，三條河流CO2排放速率均表現(xiàn)

14、為晝間顯著低于夜間，但跳蹬河晝夜波動較小，虎溪河和二圣河夏季CO2晝間波動性較大。不同河流盡管晝夜波動相似，但影響的機制有差異，水體呼吸作用與光合作用的平衡動態(tài)、水熱條件轉變是晝夜波動大小的主要機制。三條河流 CH4排放的晝夜變化呈現(xiàn)出不同趨勢，但最低值都出現(xiàn)在凌晨4～6點，跳蹬河有兩個峰值分別出現(xiàn)在上午10點和下午16點，這種波動受到城市污水排放和溫度的驅使；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