三峡水库澎溪河消落区土-气界面CO2和CH4通量初探

水库近岸湿地(消落区)温室气体(CO₂、CH₄)产汇是水库温室气体效应问题的重要组成部分.本文以三峡水库支流澎溪河的白家溪、养鹿两处大面积消落区为研究对象,于2010年6 9月水库低水位运行期间,对近岸消落区土-气界面CO₂、CH₄通量进行监测.白家溪消落区土-气界面CO₂通量均值为12.38±2.42 mmol/(m²·h);CH₄通量均值为0.0112±0.0064 mmol/(m²·h).养鹿消落区CO₂、CH₄通量均值分别为10.54±5.17、0.14±0.16 mmol/(m²·h).总体上,6 9月土-气界面CO₂通量呈增加趋势,而CH₄通量水平呈现显著的递减趋势.消落区土地出露后植被恢复,在一定程度上促进了土壤有机质含量的增加,使得6 9月CO₂释放通量的总体趋势有所增加.消落区退耕后,其甲烷氧化菌的活性得到恢复,加之在土地出露曝晒过程中土壤透气性增强,使得消落区土壤对大气中CH₄吸收氧化潜势增强.尽管如此,仍需进一步的研究以明晰消落区土-气界面CO₂、CH₄产汇的主要影响因素.     

河流水-气界面CO2脱气时间尺度变化研究进展

河流作为连接陆地和海洋碳库之间的通道,是全球内陆水体碳排放最主要的载体,在全球碳循环中发挥着至关重要的作用。全球河流水-气界面二氧化碳（CO₂）脱气显著的时间异质性特征研究有助于深入理解其碳循环过程与机制,也为准确评估碳通量以及完善碳循环模型提供了科学支撑。本文系统梳理了国内外的相关研究成果,总结了目前河流CO₂脱气通量在昼夜、季节以及多年尺度上的动态变化及其影响因素,指出其昼夜变化与季节变化存在一定的周期性,并对不同空间尺度上CO₂脱气通量的时间差异进行讨论。同时分析当前研究中的不足,认为缺乏河流二氧化碳分压（pCO₂）与CO₂脱气系数（k）高分辨率且长期连续的直接测量,限制了河流CO₂脱气通量时间尺度变化的周期性及相互之间关系的厘定,使得气候变化与人类活动对河流CO₂脱气时间动态的影响仍然难以量化与预测。最后,根据目前存在的问题,展望了未来的研究重点,为全球河流水-气界面碳循环过程与机制、模型研究提供新的思路与方向,以及可以更准确地评估和预测未来河流碳排放的变化趋势。     

三峡水库澎溪河水-气界面CO2、CH4扩散通量昼夜动态初探

三峡水库温室气体效应近年来备受关注.为揭示三峡水库典型支流澎溪河水-气界面CO₂和CH₄通量的昼夜动态规律,明晰短时间尺度下该水域温室气体释放的影响因素,在2010年6月至2011年5月的一个完整水文周年内,选择4个具有代表性的时段(2010年8、11月和2011年2、5月)对澎溪河高阳平湖水域开展昼夜跟踪观测.结果表明:2010年8、11月和2011年2、5月4次采样的CO₂日总通量值分别为-8.34、73.94、28.13和-20.12 mmol/(m²·d),相应的CH₄日总通量值分别为2.22、0.11、0.32和7.16 mmol/(m²·d),不同时期昼夜变化明显.研究水域CO₂和CH₄通量过程不具同步性:CO₂昼夜通量变化可能更显著地受到水柱光合/呼吸过程的影响,但瞬时气象过程(水汽温差、瞬时风速等)在高水位时期亦可对CO₂通量产生显著影响;CH₄昼夜通量变化与水温条件改变更为密切.     

亚热带城市湖泊与河流CO2气体通量特征及其影响因素

湖泊、河流等内陆水体是连接陆地生态系统和海洋的“长程碳环路”的重要节点,也是温室气体二氧化碳(CO₂)排放源,在调节陆地、海洋间的碳迁移转换中发挥着重要作用。相对于自然水体,城市水体因面积小、水深浅且受监测方法限制,水-气界面碳通量经常被忽略。为探讨我国亚热带城市水体温室气体排放特征,本研究以湖南省长沙市典型城市水体,包括洋湖、西湖、松雅湖、月湖4个湖泊和湘江长沙段为研究对象,分别于2022年4和10月采用光化学反馈-腔增强吸收光谱法(OF-CEAS)和扩散模型法对水-气界面CO₂通量进行对比测定。结果表明,长沙城市湖泊与河流春季为CO₂排放源,秋季为吸收汇,河流水-气界面CO₂通量呈显著季节差异。河湖之间CO₂通量在春季表现为显著差异,秋季差异不显著。CO₂通量与水体溶解氧、水体总氮浓度等呈显著正相关。2种方法的CO₂通量对比测定在湖泊上显著相关,但对河流而言相关性不显著。研究揭示的城市湖泊与河流CO₂气体的排放特征有利于深入探究城市水体碳的迁移转化,可对全面了解全球气候变化过程和河湖湿地温室气体减排和调控提供科学支撑。     

典型农业流域不同类型池塘水体CO2排放特征

内陆水体是大气CO₂收支估算的重要组成部分。农业流域分布着大量池塘景观水体,且具备蓄洪抗旱、消纳污染、水产养殖等多种功能。但是,农业流域不同功能的小型池塘CO₂排放特征尚不清楚。本研究以极具农业流域代表性的烔炀河流域为研究对象,选取流域中用于水产养殖(养殖塘)、生活污水承纳(村塘)、农业灌溉(农塘)、蓄水(水塘)的4个功能不同的景观池塘,基于为期1年的野外实地观测,以明确农业流域小型池塘CO₂排放特征。结果表明,不同功能池塘水体CO₂排放差异显著,受养殖活动、生活污水输入和农田灌溉等人类活动影响,养殖塘((80.37±100.39) mmol/(m²·d))、村塘((48.69±65.89) mmol/(m²·d))和农塘((13.50±15.81) mmol/(m²·d))是大气CO₂的热点排放源,其CO₂排放通量分别是自然蓄水塘((4.52±23.26) mmol/(m²·d))的18、11和3倍。统计分析也表明,该流域池塘CO₂排放变化总体上受溶解氧、营养盐等因素驱动。4个不同景观池塘CO₂排放通量全年均值为(37.31±67.47) mmol/(m²·d),是不容忽视的CO₂排放源,其中养殖塘和村塘具有较高的CO₂排放潜力,在未来研究中需要重点关注。     

蓄水初期三峡水库草堂河水-气界面CO2和CH4通量日变化特征及其影响因素

为查明三峡水库蓄水初期典型支流水-气界面CO_2和CH_4通量的日变化特征,采用LGR在线分析仪-通量箱法,于2015年9月初在库腹一级支流草堂河回水区开展连续24 h的定位观测.结果表明,24 h监测期内,支流库湾水-气界面CO_2通量变幅为-81.642~180.991 mg/(m~2·h),呈"昼吸夜放"特征,均值为17.346 mg/(m~2·h),总体为释放特征;CH_4全天均表现为释放状态,释放通量均值为0.064 mg/(m~2·h),呈"昼弱夜强"变化.相关分析结果表明,CH_4和CO_2释放通量与风速呈正相关,与表层水温、溶解氧浓度、叶绿素a浓度呈负相关,说明风速物理扰动、浮游植物光合作用是控制草堂河水-气界面气体通量最重要的环境因素.同时,干-支流相互作用形成的特殊水环境(如异重流、水温分层)也与水-气界面温室气体通量过程密切相关,但是其作用机制更为复杂,应开展进一步系统观测和深入研究.     

基于人工神经网络的ChinaFLUX 观测站CO2模拟研究通量*

涡度相关技术的发展, 为准确获取区域尺度的CO₂通量分布格局提供了数据基础. 但由于涡度相关技术自身的局限性, 需要利用模型模拟作为获取区域CO₂通量的重要手段. 可是CO₂通量和其他微气象变量之间的非线性关系给模拟CO₂通量的时空动态变化带来了一定的困难.人工神经网络模型为模拟CO₂通量与其他微气象变量的非线性关系提供了一种新的手段. 在ChinaFLUX三个不同类型(农田、森林、草地)生态系统中, 基于2003年6~8月的半小时涡度相关观测数据, 采用BP人工神经网络模型, 以能量通量(净辐射、潜热、显热和土壤热通量)以及温度(空气温度、土壤温度)和表层土壤水分作为输入变量, 模拟了CO₂通量的动态变化. 结果表明, 人工神经网络模型具有较好的模拟结果, 其R2系数在0.75与0.866之间.RMSE在0.008 ?mol/m²与0.012 ?mol/m²之间, MAE在1.38 ?mol/m²与3.60 ?mol/m²之间, 其中农田和森林生态系统的模拟精度略高于草地生态系统.其次, 通过比较土壤水分要素是否参与模拟的结果表明, 在生长季期间, 不存在土壤水分胁迫的情况下, 土壤水分的参与并不能显著提供模型模拟的精度. 最后, 应用连接权重方法进行了神经网络模型不同输入变量的重要性分析, 指出神经网络模型不完全是一个黑箱模型, 也可以有效地揭示出某些机理性现象.该研究证明, 神经网络模型不仅可以有效地模拟CO₂通量, 也可以揭示出一些机理现象, 为通过涡度相关观测与遥感反演技术的集成途径, 利用已获取的区域尺度能量通量数据, 模拟分析区域尺度的CO₂通量分布格局提供了一种有效的方法.     

水-气界面CO_2通量监测的静态箱法与薄边界层模型估算法比较

模型估算法与静态箱法是水-气界面气体通量监测的主要方法,因原理不同监测结果通常存在一定差异.目前对引起上述差异的主要环境因素仍不清晰.本研究使用自行设计的静态箱对三峡支流澎溪河水-气界面CO2通量进行监测,并与同步开展的CO2通量薄边界层模型估算法结果相比较,探讨该水域引起这两种监测方法结果产生差异的主要环境因素.结果表明,瞬时风速、水汽温差及水深均会对静态箱法及模型估算法的监测结果产生影响.风速越强、水汽温差越大、水深越大,这两种方法监测结果的差异就越小;而水域面积对两种方法的差异没有影响.比较发现,两种方法所获通量数据呈显著正相关,但静态箱法所获通量数据离散性显著高于薄边界层模型估算法.从方法的稳定性角度,在峡谷河道型水库水体温室气体监测中薄边界层模型估算法可能更为适宜.     

北冰洋考察区海-气CO2的分布特征和通量研究

利用中国首次北极科学考察中走航观测所获得的北冰洋考察区海-气CO₂分压及相关资料, 分析研究了考察区夏季大气和表层海水中CO₂分压的分布特征, 首次用实测的海-气CO₂资料于多种方法估算了考察区夏季海-气CO₂的通量. 结果表明考察区夏季大气中CO₂分压(Pa)的测值范围在(352~370)×10-6 CO₂·Air-1(单位下同)之间, 平均为358, 平面上具有波因特来的北部海域较高, 其余海域分布较均匀的分布特征; 夏季表层海水中CO₂分压(Pw)测值在98~580之间, 极值之差竟达472, 平均值为242, 比相应的分压(Pa)低116, 呈现西低东高、北低南高的平面分布特征, 并与研究区浮游生物、冰况、水温和环流状况有密切关系. 估算结果表明, 各种计算方法所估算出的碳通量F的平面分布趋势相似, 除考察区东部海域为大气CO₂的弱源区外, 大部分海域都为大气CO2的汇区或强汇区, 但它们的值却有较大差异, 平均值在6.57(Liss法)至26.32 mg CO₂·m^-2·h^-1(¹⁴C法)之间, 最大与最小值之间相差约4倍, 大约分别是全球平均值的2~10倍; 若以Wannikhof系数估算, 本海域的平均碳通量则是Takahashi, Feely等人在本海域模拟估算值的2倍左右.     

三峡水库澎溪河CO2、CH4气泡释放通量初探

气泡释放是天然水体中水-气交换的重要途径之一.采用改进的倒置漏斗型气泡通量监测装置于2012年3-8月期间对三峡支流澎溪河高阳平湖库湾水域进行气泡释放通量的监测研究.研究期间,研究水域CH4气泡释放通量变化范围为0.01 ～ 23288.64 μmol/(m2·d);CO2气泡释放通量变化范围为0～799.89 μmol/(m2·d).不同常规采样点CH4、CO2气泡释放通量均呈现出高度的时空异质性特征.但CH4气泡释放通量显著高于CO2气泡释放通量,且二者释放过程具有同步性.同国外已有水库监测结果相比,澎溪河回水区高阳平湖库湾水域CH4、CO2气泡释放通量位于中等水平.CH4气泡释放通量约为同期CH4扩散通量的0～ 1893.90％,超量释放下CH4气泡释放通量可达同水域CH4扩散通量的6270.5％±390.0％.CO2气泡释放通量仅占同期扩散通量绝对值的0～ 21.74‰,超量释放下,CO2气泡释放通量亦仅为同期扩散通量绝对值的40.33‰ ±0.93‰.CH4气泡释放通量在支流库湾水域对总通量的贡献不可忽视.     

基于不同模型的河口区水产养殖塘水-气界面CH4气体传输速率及扩散通量研究

模型估算法是水-气界面甲烷（CH₄）通量监测的主要方法.本研究选择6种不同的参数化模型方法估算了2015年6、8和10月两个亚热带河口养殖塘水-气界面CH₄传输速率（k_x）及其扩散通量,探讨了河口养殖塘k_x及CH₄扩散通量的变化特征和影响因子.结果表明：研究期间,不同模型估算下的k_x及其扩散通量均值在闽江河口养殖塘变化范围分别为1.60±0.75~6.29±1.30 cm/h和9.19±2.67~30.64±6.28 μmol/（m²·h）,在九龙江河口养殖塘的变化范围分别为0.89±0.19~6.07±0.61 cm/h和3.18±0.48~21.03±2.13 μmol/（m²·h）;k_x及其扩散通量在两个河口区均呈现随时间推移而升高的特征;整个养殖期间,养殖塘水-气界面平均CH₄传输速率k_x呈现闽江河口略高于九龙江河口（P>0.05）,但水-气界面平均CH₄扩散通量呈现闽江河口显著高于九龙江河口的特征（P<0.05）;风速、水体溶解CH₄浓度和盐度是调控河口区养殖塘水-气界面CH₄扩散通量变化的重要因子;不同模型估算出的河口养殖塘水-气界面CH₄传输速率k_x存在差异,表明模型估算法获得的水-气界面CH₄扩散通量存在一定的不确定性.     

Multi-scale modeling of CO2 dispersion leaked from seafloor off the Japanese coast

A numerical simulation was conducted to predict the change of pCO₂ in the ocean caused by CO₂ leaked from an underground aquifer, in which CO₂ is purposefully stored. The target space of the present model was the ocean above the seafloor. The behavior of CO₂ bubbles, their dissolution, and the advection-diffusion of dissolved CO₂ were numerically simulated. Here, two cases for the leakage rate were studied: an extreme case, 94,600 t/y, which assumed that a large fault accidentally connects the CO₂ reservoir and the seafloor; and a reasonable case, 3800 t/y, based on the seepage rate of an existing EOR site. In the extreme case, the calculated increase in ΔpCO₂ experienced by floating organisms was less than 300 ppm, while that for immobile organisms directly over the fault surface periodically exceeded 1000 ppm, if momentarily. In the reasonable case, the calculated ΔpCO₂ and pH were within the range of natural fluctuation.     

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...     

Variations of near-surface atmospheric CO2 and H2O concentrations during summer on Muztagata

Expeditions during the summers of 2002 and 2003 implemented continuous monitoring of near-surface (2 m height) atmospheric CO₂ and H₂O concentrations at the 4500 m elevation on Muztagata. The resultant data sets reveal a slight decrease of CO₂ concentrations (of about 5 μmol·mol^-1) and changes in the diurnal variations from the end of June to the middle August. The daily maximum CO₂ concentrations occur between 02:30-05:30 AM (local time) and the minimum levels occur between 12:00-15:30 PM. The atmospheric CO₂ concentrations in the summer of 2002 were around 5 μmol·mol^-1 lower than those during the same period of 2003, whereas the diurnal amplitude was higher. In contrast, we found that the daily mean atmospheric H₂O content in 2003 was much lower than that in 2002 and there exists a striking negative correlation between CO₂ and H₂O concentrations. We therefore suggest that the near-surface atmospheric CO₂ concentration is affected not only by photosynthesis and respiration, but also by the air H₂O content in the glaciated region around Muztagata.