大型水库分层期和混合期溶存温室气体空间变化及排放通量

水库作为温室气体的重要来源,对区域气候变化有不可忽略的影响。然而,目前对水库溶存温室气体的空间异质性及垂向特征的认知仍然欠缺。为了揭示水库分层期和混合期溶存温室气体空间特征及排放通量,也为厘清水库温室气体产生和排放的关键过程提供重要支撑。研究选择东北地区大型水库——汤河水库为对象,于2021年7—9月和10月(分别代表水库分层期和混合期)对水库不同位置(坝前、库中和库尾)开展溶存温室气体垂向分层监测。研究结果显示,水库CH₄排放通量变化范围为0.018～0.174 mmol/(m²·d),是大气CH₄的源,空间分布为库尾>库中>坝前;CO₂通量为-4.91～58.77 mmol/(m²·d),除分层期东支库尾,其余点位均表现为大气CO₂的源,空间分布为坝前>库中>库尾。时间上,分层期CH₄排放通量(0.071±0.044 mmol/(m²·d))高于混合期((0.027±0.008) mm...     

藻型湖区氧化亚氮排放特征及其影响因素

湖泊等内陆水体是大气N₂O潜在的重要排放源,也是全球N₂O收支估算的重要组成部分。目前全球湖泊普遍面临富营养化和蓝藻暴发等问题,明晰藻型湖泊N₂O排放强度及其环境影响因子对准确估算湖泊N₂O排放和预测其未来变化至关重要。本研究选择太湖藻型湖区为研究对象,同时选取人为活动影响较小的湖心区作为对比区域,基于2011年8月至2013年8月为期2年的逐月连续观测,探讨藻型湖区N₂O排放特征及其影响因素。结果表明,藻型湖区呈现极强的N₂O排放,其排放通量为(4.88±3.05) mmol/(m²·d),是参考区域(湖心:(2.10±4.31) mmol/(m²·d))的2倍多。此外,在藻型湖区中不同点位N₂O排放差异显著,受河流外源输入影响,近岸区是N₂O的热点排放区,其年均排放通量高达10.93 mmol/(m²·d)。连续观测表明N₂     

三峡水库CO2、CH4通量监测分析研究

自成库以来,三峡水库CO₂、CH₄等温室气体通量较蓄水前发生明显改变。如何科学认识和客观评估三峡水库修建及运行对其CO₂、CH₄等温室气体通量的影响备受关注。本文简要回顾了自2009年以来在三峡水库开展CO₂、CH₄等温室气体通量监测与分析工作,综述认为,现阶段三峡水库温室气体排放以水-气界面扩散释放为主要途径。陆源输入的有机碳是主导三峡水库CO₂、CH₄产生的主要碳源,但在局部区段或时段自源性有机碳的贡献亦十分显著。同蓄水前相比,三峡水库碳排放量呈现为净增加,淹没效应约占水库C净增量的20%,库区内点面源污染负荷并未对CO₂排放的净增量产生显著贡献,阻隔效应和生态系统重建效应对三峡水库碳排放的净增量产生显著贡献。近10年来,监测方法比对、监测点位优化等工作在一定程度上完善了三峡水库温室气体通量监测体系。新方法、新技术的引入也为三峡水库温室气体通量监测分析提供了有利支撑和保障,但复杂水文环境...     

三峡水库典型支流库湾沉积物CH4产生和氧化规律

以三峡水库香溪河库湾为研究对象,采用原位加密采样(2021年5月)和室内培养方法,结合沉积物特性与水环境因子分析,探讨了香溪河库湾沉积物甲烷(CH₄)释放潜力、沉积物-水界面CH₄产生和氧化通量空间分布规律及其影响因素。结果表明:三峡水库泄水期间,香溪河库湾沉积物CH₄释放潜力的变化范围是6.35-2029.37 mg/(kg·d),沉积物-水界面CH₄产生通量和氧化通量的变化范围分别为0.04～0.73、0.03～0.62 mmol/(m²·d);空间上,沉积物CH₄释放潜力、沉积物-水界面CH₄产生及氧化通量在香溪河库湾和各典型横切面(XX02、XX05和XX06)间表现出空间差异性,主要受水深、TOC和温度的影响。垂向上,CH₄产生速率随沉积物深度的增加而减小,表层20 cm沉积物CH₄释放潜力占整柱沉积物的70%,可以用于估算库湾沉积物CH₄释放潜力。此外,沉积...     

巢湖水-气界面N2O通量排放特征及影响因素

湖泊是温室气体氧化亚氮(N₂O)的潜在排放源,但由于自然环境以及人类活动的差异,其N₂O排放规律也存在特殊性和地域性。为探究巢湖N₂O排放通量的时空特征,利用静态暗箱-气相色谱法于2018年3月至2019年12月对巢湖不同区域(东、中、西)N₂O的排放进行观测。结果表明,巢湖水体N₂O年均排放通量为(25.14±55.01)μg/(m²·h),表现为N₂O的“源”,且具有较为明显的时空分布规律。在时间分布上,季节变化趋势呈现“M”形模式,7月出现最小值且表现为N₂O的“汇”((-12.97±16.32)μg/(m²·h)),在6月和8月为峰值,全年最大值出现在8月((68.25±78.05)μg/(m²·h)),极值均出现在夏季。在空间分布上,东、中、西3个湖区N₂O排放通量差异显著(P=0.03),N₂O排放通量最大值((4...     

基于机器学习的水-气界面CO2、CH4扩散通量预测及影响因素分析——以三峡水库为例

传统的水-气界面温室气体通量的监测方法具有诸多局限,对其影响因素的分析也大多基于数学统计层面。对此,本研究提供了一种较为新颖的研究和分析方法——基于机器学习的数据预测和分析。本研究采用2种经典机器学习算法——随机森林(RF)和支持向量机(SVM)和2种深度学习算法——卷积神经网络(CNN)和长短时记忆神经网络(LSTM),通过环境因素预测水库水-气界面CO₂和CH₄扩散通量。此外,采用RF中的特征重要性评估和经典算法决策树(DT),对环境因素和水库温室气体扩散通量的关系进行了全新角度的数据挖掘和分析。结果表明:深度学习算法的预测效果均较好,经典机器学习算法中RF预测效果显著优于SVM。LSTM和RF分别产生了最优的CO₂扩散通量和CH₄扩散通量的预测精度,均方根误差(RMSE)分别为0.424 mmol/(m²·h)和0.140μmol/(m²·h),预测值与实测值的R²分别为0.960和0.758。RF的特征重要性评估表明沉积物因子...     

一种气泡释放过程连续监测方法及其在三峡水库香溪河CH4通量监测的应用

气泡释放是天然水体释放CH₄的主要途径之一,准确量化水体气泡释放量对于辨析其“汇、源”特性至关重要。自然水体释放气泡的不连续性、不确定性使得监测其过程较为困难。本研究针对水体气泡释放监测难题,通过改进倒置漏斗型气泡通量监测装置提出了一种气泡释放过程连续监测方法。本方法测量对象为定长时间监测水域释放气泡的体积,经室内外实验验证,其理论量程为3.6～132 mL/(m²·min),测量结果能够较好的表征10～40 m水深缓流水体气泡体积通量变化特征。运用该方法于2021年6—11月对三峡水库支流香溪河库湾开展CH4气泡通量连续监测,并分析不同环境因子对其产生的影响。结果表明:监测期间,研究水域CH₄气泡通量变化范围为0.02～8.13 mg/(m²·d),且各采样点间CH₄气泡通量呈现较高的时空变异性;CH₄气泡通量与水温、水体pH呈显著正相关关系,与水深及水体电导率呈显著负相关关系。其中,水深可能是决定水体是否通过气泡形式释放CH₄的重...     

CO2浓度升高对稻田CH4和N2O排放的影响——Meta分析

CO₂浓度升高对稻田生态系统碳(C)氮(N)循环具有重要作用,阐明CO₂浓度升高对稻田CH₄和N₂O排放的影响是农业生产应对全球气候变化的重要组成部分.文章采用Meta分析的方法,讨论了不同CO₂浓度升高状况和田间管理措施条件下CO₂浓度升高对稻田CH₄和N₂O排放的影响,结果可为未来气候条件下稻田温室气体减排提供参考.结果表明:整体平均而言,CO₂浓度升高显著增加稻田CH₄排放(增幅为23%,P<0.05),同时显著降低稻田N₂O排放(降幅为22%,P<0.05).CO₂浓度升高对稻田CH₄和N₂O排放的影响程度与CO₂熏气年限和CO₂浓度梯度有关.CO₂熏气年限≥10a时,CO₂浓度升高同时显著降低稻田CH₄和N₂O排放,降幅分别为27%和53%(P<0.05);随CO₂浓度梯度上升,CO₂浓度升高对稻田CH₄排放的促进作用呈现先减弱后增强的趋势,而对稻田N₂O排放的影响则由促进作用变为抑制作用.不同N肥施用量、秸秆还田、水分管理和水稻品种等田间管理措施不同程度地影响稻田CH₄和N₂O排放对CO₂浓度升高的响应.无秸秆和半量秸秆还田时,CO₂浓度升高显著促进稻田CH₄排放(增幅分别为27%和49%,P<0.05),而全量秸秆还田时,CO₂浓度升高对稻田CH₄排放无显著影响(P>0.05);随秸秆还田量的增加,CO₂浓度升高对稻田N₂O排放的抑制作用不断增强.对比持续淹水,间歇灌溉条件下CO₂浓度升高减弱了对稻田CH₄排放的促进作用,却增强了对稻田N₂O排放的抑制作用.未来CO₂浓度升高条件下,建议推广全量秸秆还田和间歇灌溉相结合的稻田管理措施,并辅以优化N肥管理和选育"高产低排"水稻品种等方法,达到最优的"增产减排"效果.此外,有必要进行多尺度、多要素和多方法的综合研究,以期有效降低稻田CH₄和N₂O排放对CO₂浓度升高响应的不确定性.     

江汉平原长湖浮游植物初级生产力的季节性变化及其驱动因子

为探究长江中下游富营养化浅水湖泊的浮游植物初级生产力季节性演替特征及其驱动因子,本研究于2020年4月(春)、8月(夏)、10月(秋)及2021年1月(冬)对湖北长湖浮游植物进行采样调查,同时运用黑白瓶测氧法及VGPM模型估算法分别估算了其浮游植物生产力水平,并探究驱动初级生产力季节性变化的主要环境因子。结果显示,4个季节共鉴定出浮游植物194种,其中绿藻门(95种,49%)和硅藻门(40种,21%)居绝对优势地位;黑白瓶法测得浮游植物水柱总生产力(P_t)季节变化为:夏季((1841.24±345.93) mg C/(m²·d))>秋季((1324.14±208.34) mg C/(m²·d))>春季((847.50±247.72) mg C/(m²·d))>冬季((711.43±133.52) mg C/(m²·d)),其中M2站位在夏季采样时(2424.66 mg C/(m²·d))水柱总生产力最高;在垂直空间上,浮游植物总生产力(G...     

鲜水河—小江断裂带土壤气地球化学特征

在鲜水河—小江断裂带上布设10个测区,每个测区布设4条土壤气测量剖面,共640个测点,跨断层测量了土壤气CO₂、CH₄、H₂、Rn和Hg的浓度,分析了土壤气的空间分布特征及其成因,讨论了土壤气地球化学特征与断层活动的关系。结果表明,(1)鲜水河—小江断裂带土壤气CO₂、CH₄、H₂、Rn和Hg的平均浓度分别为0.4%、12.0 ppm、5.3 ppm、13.53 kBq/m³、11.29 ng/m³;(2)鲜水河断裂炉霍段、安宁河断裂冕宁—西昌段和则木河断裂上高土壤气浓度值表明,历史大地震离逝时间越短、近期小震活动性越强、滑动速率越高的断层,其裂隙发育程度越高,从而导致土壤气浓度也越高;(3)鲜水河断裂雪门坎段和小江断裂北段低土壤气浓度值表明,历史强震离逝越久、现今地震活动性越弱、滑动速率低的断层,其裂隙发育程度越低,从而导致土壤气体浓度也越低。     

2015年4月15日内蒙古阿拉善左旗MS5.8地震前后CH4和CO变化

基于卫星高光谱数据讨论鄂尔多斯西缘CH₄和CO气体背景场特征和2015年4月15日内蒙古阿拉善左旗M_S5.8地震前后气体异常变化。 结果表明, CH₄和CO气体总量在时间上均存在显著的季节变化, 空间分布上受构造地质背景、 地形地貌影响, 高值区位于银川、 吉兰泰、 河套断陷盆地。 2015年4月15日内蒙古阿拉善左旗M_S5.8地震当月, CH₄异常沿鄂尔多斯西缘断裂带呈线性展布, 地震前1周左右, 震中两侧油气田出现CH₄异常, 异常幅度达到6倍标准偏差, 与地震引起附近油气田CH₄逸出增加有关; CO异常空间分布与CH₄基本一致, 时间上滞后CH₄异常1周左右, 持续2周左右后消失。 CH₄和CO关系密切, CO异常部分源自CH₄氧化。     

岩溶湿地表层水体CO2分压时空分布特征及其扩散通量

为揭示岩溶湿地表层水体二氧化碳分压(pCO₂)的时空分布规律及其扩散通量,以我国最大的岩溶湿地贵州威宁草海为研究对象,分别于2019年7月(丰水期)和12月(枯水期)通过网格布点法,系统采集草海表层湿地水体,测定水样理化指标和离子组成,利用PHREEQCI软件计算水体pCO₂,并基于Cole提出的气体扩散模型估算水-气界面二氧化碳(CO₂)的扩散通量.结果表明:草海湿地表层水体丰水期pCO₂的变化范围为0.44~645.65μatm,平均值为(55.94±124.73)μatm;枯水期变化范围为35.48~707.95μatm,平均值为(310.46±173.54)μatm;丰水期水体整体pCO₂低于枯水期,空间上两期水体均呈现东部区域及河流入湖口处pCO₂较高,而中西部区域pCO₂欠饱和的特征.水-气界面CO₂的扩散通量在丰水期变化范围为-43.27~27.16 mmol/(m²·d),平均值(-34.49±12.93)mmol/(m²·d),枯水期变化范围为-33.36~28.15 mmol/(m²·d),平均值(-8.02±15.85)mmol/(m²·d),与其他岩溶湖库相比,水生植物丰富的草海在两个极端水文期CO₂扩散通量相对较低,总体表现为大气CO₂的汇.     

2008年汶川MS8.0地震前后川西含碳气体卫星高光谱特征

2008年汶川地震导致了大量地下含碳气体释放. 本文基于卫星高光谱数据采用差值法获取了汶川地震前后川西地区含碳气体异常的时空分布特征. 结果显示汶川地震前后不同含碳气体异常的时空分布特征不同. 空间分布上,CH₄,CO₂和CO异常分布于震中附近且受断裂控制明显,与热红外异常特征类似;CO和CO₂异常的范围较CH₄大,CO除沿断裂带分布外,在四川盆地也大面积出现. 异常出现时间上,CO₂异常最早,其次为CH₄和CO. 气体来源上,CO₂和CH₄主要来源于地球内部沿断裂带释放,在地球内部还原条件下,CH₄还可由CO₂还原形成;CO异常除了沿断裂带释放和由断裂带释放的CH₄氧化生成外,还由四川盆地渗漏的CH₄氧化生成. 本文结果可用于地震监测预测研究,不仅提供了新的地震前兆观测参数,还为地震热红外异常机制“地球放气温室效应”提供了科学依据,同时对地震引起的地质碳排放研究也有重要意义.      

中国火山温泉气体地球化学特征及其在火山监测中的应用

中国火山温泉主要分布在吉林长白山、云南腾冲和黑龙江五大连池等火山区。这些火山虽然处于休眠状态,但大面积的温泉分布指示着岩浆房存在的可能性。本文总结了前人研究成果,分析了中国主要火山区温泉气体地球化学特征,并探讨了温泉气体在火山监测中的应用。长白山、腾冲和五大连池火山区温泉气体地球化学性质类似,都以CO₂为主要气体,含量在80%以上,最高可达99%以上,其它气体组分包括CH₄、N₂、O₂、SO₂、H₂S、He和H₂等。长白山火山温泉气体中氦同位素比值（3He/4He）最高,约为4—6R_A,CO₂中碳同位素比值（δ13C）为-7.9‰—-1.3‰,CH₄中碳同位素为-48.0‰—-28.7‰;腾冲火山温泉气体氦同位素比值为3—5.5R_A,CO₂中的碳同位素为-6.49‰—-2.07‰,CH₄中碳同位素为-23.5‰—-9.3‰;五大连池火山温泉气体氦同位素比值约为3R_A,CO₂中的碳同位素比值为-9.6‰—-3.1‰,CH₄中碳同位素为-47.2‰—-44.4‰。3个火山区的温泉气体均显示地幔来源的岩浆气体特征,并在上升运移过程中受地壳或古俯冲物质的影响。     

基于MODTRAN模型对高分五号卫星断层逸出气体探测能力的辐射模拟

地下流体监测数据和地表断层调查都显示构造活动强烈期和大地震前后活动断裂带会伴有大量气体逸出。 中国即将发射的高分五号(GF-5)卫星搭载的大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪及全谱段光谱成像仪两个传感器, 主要以大气气体的探测为应用目标。 本文基于两个传感器的参数设置, 使用大气辐射传输模型, 对断层逸出气体中的水汽、 CH₄和CO₂三种气体在大气中的含量变化对卫星传感器的辐射影响进行了仿真模拟, 分析了两个传感器对水汽、 CH₄和CO₂气体异常的探测能力。 结果表明, GF-5卫星两个红外传感器特定的光谱通道对大气水汽、 CH₄和CO₂气体异常变化均有不同程度的敏感性, 可以期待发展具有较高精度的相关气体遥感反演模型, 用于地震的监测及预测。     

怀安盆地北缘断裂东段土壤气体地球化学特征

活动断裂带的土壤气体地球化学测量在活动断裂危险性评价方面起着重要作用。 本文讨论了怀安盆地北缘断裂东段的土壤气体地球化学特征及其构造意义。 我们于2012年7月和2013年6月在怀安盆地北缘断裂东段的羊窖沟以及张家窑两地现场测量了土壤气体组分的浓度和通量。 测量结果表明: ① 断裂带土壤气H₂、 Rn、 CO₂和Hg浓度空间分布曲线呈现双峰模式, 且断裂下盘土壤气的Rn、 CO₂和Hg浓度较上盘的高; H₂、 Rn、 CO₂和Hg浓度平均值分别是4.61 ppm、 4.81 k Bqm^-3、 0.38%和9 ngm^-3; 土壤气Rn和CO₂的通量平均值分别是6718 Bqm^-2d^-1和49.83 gm^-2d^-1; ② 土壤气Rn和CO₂在两个测区脱气强烈, 羊窖沟地区土壤气CO₂、 Rn和Hg浓度平均值以及土壤气Rn和CO₂通量值较张家窑地区高。 这些结果可能是两个测区断裂活动性差异引起的。     

北天山泥火山对2012年6月30日 新源-和静MS6.6地震的响应

2012年6月30日新源-和静M_S6.6地震前后, 北天山泥火山出现了喷溢和地球化学异常变化. 该地震前、 后4天内两次观测了北天山泥火山, 采集了两批温泉和泥火山气体样品, 测定了样品的气体组分和He、 Ne同位素及CH₄、 CO₂的碳同位素组成. 结果表明, 泥火山发生了同震喷发, 气体排放量增加, 温泉和泥火山气体出现了不同程度的微量气体浓度异常, 独山子泥火山震前出现了3He/4He高值异常. 研究结果有利于确定利用泥火山和温泉监测地震活动的方法和指标.      

江西南昌新建—樵舍断裂土壤气Rn、CO2地球化学特征

为研究南昌新建—樵舍断裂土壤气体地球化学特征及构造地球化学背景,采用野外断层土壤气测量方法,于2021年4月和9月开展2期土壤气Rn、CO₂的重复观测,结果发现：(1)土壤气浓度范围：第1期Rn、CO₂的浓度范围分别为2 280—81 408 Bq/m³和0.09%—1.49%,背景值分别为21984Bq/m³和0.53%;第2期Rn、CO₂的浓度范围分别为5 560—97 000 Bq/m³和0.33%—7.05%,背景值分别为30 500 Bq/m³和1.44%。(2)断裂带位置判定：测线上测点2附近土壤气浓度出现高值异常,由于气体在断裂带附近较为富集,判断此处可能为新建—樵舍断裂浅层位置所在。基于2期实测土壤气Rn浓度的断裂活动性评价结果,认为新建—樵舍断裂带现今活动较弱或活动不明显。本研究结果可为研究区土壤气的进一步研究和地质构造活动分析提供地球化学基础资料。     

四种常见湖泊沉积物氮磷通量估算方法对比分析

湖泊沉积物-水界面营养盐释放是研究湖泊环境行为的重点关注对象,但目前对于湖泊通量的估算方法选择缺乏横向定量比较.以南京莫愁湖为研究对象,在冬春夏3季采用静态释放培养法、机械搅拌培养法、流动培养法和间隙水浓度扩散模型法4种常见的湖泊通量培养方法进行氮磷释放对比实验.结果表明,非扩散模型法（静态释放、机械搅拌、流动培养）在冬季存在负通量,随着气温升高,夏季通量估算值为正,且该3种方法通量数值差异不显著.间隙水扩散模型法在三季实验中结果数值无负值,对比非扩散模型组具有显著差异,约低一个数量级.不同方法在培育过程中溶解氧和pH变化差异显著,流动培养法最为稳定.4种方法的通量结果在不同季节变化趋势具有显著相关性,非扩散模型法估算结果作为表观通量值,适用于计算湖泊沉积物营养盐释放总量,其中静态释放法结果稳定性较差,平行组相对标准偏差最高达70%;流动培养法稳定性最好,平行组相对标准偏差最高仅21%.扩散模型法估算结果作为理论释放值,在估算浅水湖泊通量时低于实际释放通量,适于探究深水湖泊沉积物间隙水动态释放过程,有助于分析湖泊沉积物性质.不同培养方法,有其侧重点,根据不同湖泊状况,应选取合适方法进行通量估算.     

华北地区高光谱气体影响因素分析

基于高光谱遥感数据分析CH₄与CO的影响因素,应用于京津冀地区异常性质判定。通过不同地形高光谱气体与水汽、温度、长波辐射、气压等参数进行相关系数计算。发现陆地与海洋具有不同的特性,CH₄与CO呈较强的负相关,且相关系数盆地大于山区大于平原;CH₄与水汽、温度、长波辐射呈负相关,与气压呈正相关,且相关系数平原大于山区大于盆地。分析认为在陆地环境CH₄浓度受水汽、温度、气压等气象因素影响较大,CO因为海洋源的影响,与不同参数相关系数较低。通过RST算法提取近期京津冀地区高光谱气体异常,发现北京西南与河北交界地区在6月有明显的高值异常,通过回归方程检验,认为该异常是气象因素引起的可能性较大,为震情跟踪判定提供了依据。