（环境工程专业论文）太湖水—气界面温室气体通量及时空变化特征研究.pdf

太湖水一气界面温室气体通量及时空变化特征研究 摘要 自工业革命以来，由于人类活动和化石燃料的燃烧，使得大气中c 0 2 、c h 4 等温室气体的浓度不断上升。温室气体上升将导致全球气候变暖，并对人类的生 存环境和国民经济的可持续发展带来极为不利的影响。 本文通过对我国第三大淡水湖一太湖的水一气界面温室气体( c 0 2 、c h 4 、 n 2 0 ) 通量的观测来探讨湖泊对大气温室气体的贡献。结果表明，太湖水一气界 面温室气体通量具有一定的规律性。c 0 2 通量：晴天呈现明显的日变化规律， 白天为大气c 0 2 的汇，夜间为大气c 0 2 的源。梅梁湾春季的日平均c 0 2 通量为 - 0 8 1 m 烈m 2 h ) ，夏季为一5 1 2m ( m 2 h ) ，秋季为- 5 2 9m ( m 2 h ) ，冬季为一1 8 1 m ( m 2 - h ) 。东太湖春季日平均c 0 2 通量为1 1 3 6m g ( m 2 h ) ，夏季日平均通量为 - 2 4 5m ( m 2 - h ) 。湖心区的春季日平均通量为5 0 6m ( m 2 - h ) 。同时c 0 2 通量与太 湖水体的水温、p h 值、溶解氧、碱度、叶绿素、风速等明显相关，相关系数达 到o 6 2 以上。通过对梅梁湾和东太湖的c 0 2 通量进行比较，发现藻型湖区梅粱 湾的c 0 2 通量明显低于草型湖区东太湖，即藻型湖区对大气c 0 2 汇的作用大于 草型湖区。甲烷通量：不存在明显的日变化特征，各季节变化差异较大。水草 种类、水质状况、天气条件、季节变化对甲烷排放量的影响较大。在浮叶植物茂 盛的地区( 2 0 0 4 年夏季4 号测点) c 地排放通量较高，最高达到1 0 1 9 6m g ( i l l 2 h ) ， 在沉水植物比较茂盛的东太湖春季甲烷通量平均值为0 5 7 1m ( m 2 m ，藻型湖区 梅梁湾春、夏、秋、冬季平均通量分别为0 0 1 4 m g ( m 2h ) ，0 0 9 2 m g ( m 2 h ) ， o 1 5 m ( m 。h ) ，o 0 4 0 m g ( m2 。”。浮叶植物的c h 4 排放通量较高，沉水植物其次， 藻类的排放通量最小。n 2 0 通量：大气n 2 0 的汇、源作用不稳定，太湖日平 均通量变化范围在0 0 0 2 0 0 6 6m ( m 2 h ) 之间。相比c 0 2 、c i - h 通量而言，草型、 藻型湖泊n 2 0 通量不存在明显区别。 关键词：太湖水一气界面c 0 2 通量c h 4 通量n 2 0 通量 太湖水一气界面温室气体通量及时空变化特征研究 a b s t r a c t s i n c et h ei n d u s t r i a lr e v o l u t i o n ，t h ec o n c e n t r a t i o no ft h eg r e e n h o u s eg a s e ss u c ha s c a r b o n d i o x i d e ( c 0 2 ) 、m e t h a n e ( c h a ) 、n i t r o u so x i d e ( n 2 0 ) i n t h ea t m o s p h e r ew e r e a s c e n d e df o rt h eh u m a n k i n da c t i v i t i e sa n dt h e p e t r i f a c t i o n f u e l b u r n i n g t h i s p h e n o m e n o nw i l lc a u s et h eg l o b ew a r m e ra n dw a r l l e r , i tw i l la l s ob 血培m a n yb a d i n f l u e n c e s t a i h ul a k ei so n eo ft h ef i v el a r g e s tf l e s hw a t e rl a k e si nc h i n a i ti si nt h es o u t ho f t h ed e l t ao ft h ey a n g t z er i v e ra n di ti sa t y p i c a ls h a l l o wl a k ew i t hf l a tb o t t o mi nt h e m i d d l ea n dl o wr e a c h e so ft h ey a n g t z er i v e r i nt h i sp a p e gt h r o u g ho b s e r v i n ga n d a n a l y z i n g t h ec a r b o n d i o x i d e ( c 0 2 ) 、m e t h a n e ( c h a ) 、n i t r o u so x i d e ( n 2 0 ) f l u x e so f t h e w a t e r - a i ri n t e r f a c ei nt h el a k et a i h u ，w ef o u n dt h a t c h a n g e s o ft h o s ef l u x e so f w a t e r - a i ri n t e r f a c eh a v es o m er u l e c a r b o nd i o x i d ef l u x ：t h e r ei sac l e a rd a i l y c h a n g er u l et h a tt h ew a t e ro ft a i h ul a k ei sas i n ko fc a r b o nd i o x i d eo fa i ri nt h e d a y t i m ew h i l ea tn i g h tt h ew a t e ri ss o u r c ei ns u n s h i n ed a y t h ea v e r a g ec 0 2f l u x e so f s p r i n g 、s u m m e r 、a u t u m n 、w i n t e ra r er e s p e c t i v e l y 0 8 1m ( m 2 h ) 、5 1 2m ( m 2 h ) 、 - 5 2 9 m g ( m 2 h ) 、一1 8 1m ( m 2 h ) i ns u n s h i n ed a yi nm e i l i a n gb a y a n di nt h e d o n g t a i h ul a k et h ea v e r a g ec 0 2f l u x e si s 11 3 6 m g ( m 2 h 、i ns p r i n gi nc l o u d yd a y a n d 一2 4 5m ( i 一h ) i ns u m m e ri ns u n s h i n ed a y c 0 2f l u xh a sg o o dr e l a t i o n s h i pw i t h t e m p e r a t u r e 、p h 、d i s s o l v eo x y g e n 、a l k a l i n i t y 、c h l o r o p h y l l 。m e t h a n e ( e l l 4 1f l u x ： t h e r ei s n to b v i o u s d a i l yc h a n g em l e o fe l l af l u x c h 4f l u xi sr e l a t e dt oa q u m i c p l a n t s c a t e g o r y 、w a t e rq u a l i t y 、w e a t h e rc o n d i t i o n 、s e a s o n a la l t e r a t i o n ar u l eh a sb e e nf o u n d t h a tf l u xo f f l o a t - l e a f p l a n ti sb i g g e rt h a n m a c r o p h y t e s ，a n d t h ef l u xo f m a c r o p h y t e si s b i g g e rt h a np h y t o p l a n k t o n n 2 0f l u x ：s o m e t i m et h el a k ei ss o u r c ea n ds o m e t i m e t h el a k ei ss i n k t h e d a i l ya v e r a g en 2 0 f l u xo f t a ! h ul a k ei sb e t w e e n o 0 0 2 m g ( m 2 h 、 a n do ，0 6 6m g ( m 2m k e y w o r d s ：t a i h ul a k e ，w a t e r - a i ri n t e r f a c e ，c a r b o nd i o x i d e ( c 0 2 ) f l u x ，m e t h a n e ( c 1 4 4 ) f l u x ，n i t r o u so x i d e f n 2 0 ) f l u x i i 本论文得到国家自然科学基金重点项目：太湖流域富营养化控制机理 研究( 编号为：5 0 2 3 9 0 3 0 ) 的资助，以及江苏省自然科学基金：太湖 藻类遥感定量模型及暴发机理研究( 编号为：b k 2 0 0 2 0 6 7 ) 的资助。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 年月日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1研究的目的和意义 自工业革命以来，由于人类活动和化石燃料的燃烧，使得大气中c 0 2 、c l - h 等温室气体的浓度不断上升。冰芯测量结果显示，大气温度的变化与大气中c 0 2 含量的变化是同步增长或稍有滞后。工业化前1 8 6 0 年大气中c 0 2 体积分数为 ( 2 8 0 - 士1 0 ) 1 0 一，如今由于工业化及人类活动如森林砍伐等，已增至3 6 0 x 1 0 一，过 去1 0 0 年间全球大气的平均温度也增加了约0 5 0 6 。c ( 邢如楠，2 0 0 0 ) 。据预 测如果温室气体特别是c 0 2 以目前的排放速率持续下去，地球表面的气温则有 可能每l o 年上升0 2 0 c ，1 0 0 年以后的全球平均温度将大约增加2 0 c ( 变异范围 位1 3 5 5 0 c ) 。这种大气温室气体浓度的升高和由此导致的全球气候变暖无疑 是人类活动影响的结果，它不但会引发一系列的环境问题，而且对人类自身的生 存和社会经济的持续发展造成巨大的威胁。 各类生态系统排放( 吸收) 温室气体的源可理解为向大气中释放温室气体的 系统或过程，温室气体的汇则可理解为从大气中清除温室气体、气溶胶或温室气 体前体的系统、过程或机制。温室气体浓度的未来变化、趋势对于预测未来气候 变化及其对社会经济的影响至关重要。因此自2 0 世纪6 0 年代以来，温室气体全 球收支平衡问题( 源与汇) 定量化特别是全球碳循环过程与驱动机制一直是研究 的难点和热点。陆地是人类赖于生存与持续发展的生命支持系统，也是受人类活 动影响最大的区域。自2 0 世纪以来，人类活动的影响在规模上己从陆地系统扩 展到整个地球系统，如大气中温室气体浓度增加、森林锐减、土地退化及生物多 样性丧失等等。特别是人类活动产生的二氧化碳及其它温室气体的浓度急剧上升 和由此导致的增温效应是目前人类面临的最严峻的全球环境变化问题。因此，正 确、客观地评价各类生态系统尤其是陆地生态系统对大气中主要温室气体浓度变 化的贡献及它们的源汇问题是当前全球气候和环境变化研究中的重要内容。 湖泊是内陆水体的自然单元之一，全球湖泊面积虽然只占全球表面积的 o 5 ，约占全球陆地面积的2 4 ，但作为陆地生态系统的重要组成部分，其水 一气界面、水一陆界面、水沉积物界面的温室气体交换，以及其生态系统内部的 太湖水一气界面温室气体通量及时空变化特征研究 循环过程究竟对大气温室气体含量变化的影响还不是十分清楚。特别是5 0 6 0 年代以来，人类活动排入湖泊氮、磷等营养盐的增加，湖泊生产力提高，单位时 间内吸收二氧化碳的量增加，湖泊对大气汇的作用越来越明显，使得研究湖泊温 室气体的排放与吸收具有重要意义。 国外学者对湖泊碳的来源( s c h i m e le t a l ，2 0 0 1 ；r i c h e ye t a l ，1 9 7 8 ) 、h c 0 3 - c 0 3 2 系统平衡( w e t z e l ，2 0 0 1 ；h o p e ，1 9 9 6 ；d i l l o n ，1 9 9 7 ) 、c 0 2 在水表层行为 ( c o l e ，1 9 9 4 ) 、碳与水生生物的关系( g i o r g i o ，1 9 9 9 ) 等方面进行了大量的研 究，并已获得一些较为成熟和令人信服的结论。但是这些工作绝大多数集中于生 产力不高的中小型湖泊、深水湖，生态类型和水文特性也较简单，对人类活动影 响较为复杂的大中型湖泊的研究尚未见文献报道。 我国是世界上拥有浅水湖数量最多的国家之一，生态类型和地理特点一般较 复杂，大多数湖泊的生产力水平和富营养化程度较高( 王苏民，窦鸿身，1 9 9 8 ) ，其 内部的碳循环与水气界面的温室气体交换量的研究极少，不利于认识我国温室气 体总排放与收支的特征。为此，本文通过对我国典型的大型浅水湖泊一太湖不同 生态类型区域水一气界面温室气体通量的重点观测，结合不同气候区域的湖泊如 洞庭湖、鄱阳湖、巢湖、南四湖、滇池、抚仙湖、洱海等湖泊水一气界面温室气 体通量的观测，初步确定我国湖泊的温室气体源汇的作用，为我国未来的能源政 策和农业政策的制定，履行联合国气候变化框架公约提供基础性数据。 1 2国内外湖泊碳循环研究概况 大约4 亿年以前，大气c 0 2 浓度为2 8 0 p p m v 。工业革命以后，随着人类化 石燃料燃烧和滥伐森林等行为的加剧，人类活动导致c 0 2 从岩石、有机体、土 壤、水体中不断地进入大气，使得大气中c 0 2 含量升高，目前大气c 0 2 含量已 达3 6 0 p p m v ( 王明星，1 9 9 9 ) 。c 0 2 浓度的升高可以导致大气气温、海水表面温度 的升高，海水碱度发生变化，从而影响降水和土壤湿度。大气中c 0 2 等温室气 体含量的变化一直是关注的焦点。 众多研究结果表明海洋是大气c 0 2 的主要源( 王明星，1 9 9 9 ) 。在高纬度地区 海水温度较低，海水从大气中吸收c 0 2 ，而在低纬度地区海洋却向大气输入c 0 2 ， 其净通量为4 1 5 1 1 0 ”g a 。同样由水组成的湖泊，虽然其面积远小于海洋，但 第一章绪论 因其位于内陆，与陆地生态系统的物质、能量、信息交换强烈，湖泊生态系统生 产力很高，它与大气c 0 2 量的交换重要程度还需通过深入研究才能确定。 到目前为止，湖泊碳研究内容主要有如下方面： 1 2 1 湖泊水体碳的赋存形态 和氮、磷等元素一样，碳也是参与陆地表层生物地球化学循环最活跃的元素 之一，并且具有众多的形态和赋存状态，于一定的条件下在大气圈、水圈、岩石 圈和生物圈中发生形态转换和化学平衡。因此，湖泊的碳赋存形态在国外一直受 到湖泊研究者的高度关注。作为湖泊营养元素的碳在湖泊水体中的赋存形态主要 包括：碳酸盐系统( c 0 2 、c 0 3 、h c 0 3 一、h 2 c 0 3 ) 、溶解有机碳、生物死亡残 体颗粒碳及生物机体碳等。 k r o g h 和l a n g e 于1 9 3 2 年对丹麦f u r e s 湖颗粒、胶体、溶解物质的研究表 明湖泊中有机碳主要可分为三类：颗粒态、胶体态和溶解态，且溶解态有机碳含 量大于颗粒态和胶体态有机碳的含量。w e t z e l 等对密执根州劳伦斯湖研究结果表 明( w e t z e l ，1 9 9 1 ) 大多数初级生产力较低和初级生产力中等的湖泊，水体中 d o c ：p o c 的值随水深及季节变化较小，一般为1 0 ：1 ，但是随着湖泊营养程度增 加，水体中d o c ：p o c 的值随水深及季节变化发生较大变化，如w k e r g r e e n 湖水 体中d o c ：p o c 的年均值在5 ：l 左右，在藻类及细菌生长繁殖的旺季，比值达1 ：l ， 甚至更小。活体颗粒有机碳占颗粒碳的比例很小。 2 0 世纪5 0 年代以前，人们对碳酸盐系统的研究，主要涉及无机碳在纯溶液 中的行为：大约自6 0 年代起开始探讨碳酸盐系统在实际水体( 海洋、河流和湖 泊等) 中的作用及变化规律，而对湖泊的研究始于2 0 世纪6 0 年代后期( p a r k ， 1 9 6 9 ) 。 据d o w n i n g 等( d o w n i n g ，1 9 9 3 ) 估算，全球范围内总有机碳( t o c ) 约有 0 0 5 1 g t c a ( g 表示x1 0 9 ) 滞留在湖泊中，其中约有o 0 3 5g t c a 是来源于大气 c 0 2 ，贮存在湖泊生物体中的有机碳大约为o 0 3 6g t c a ，沉积于湖泊中的d o c 有o 0 1 5g t c a 。全世界范围内，碳酸盐型湖泊总面积约o 1 8 1 0 6 k r n 2 ，溶解态无 机碳( d i c ) 平均滞留率为1 0 0 9 c m 2 a ；非碳酸盐型湖泊总面积约1 6 x 1 0 6 k n a 2 ， d i c 的平均滞留率只有5 9 c m 2 a 。据估算，全世界湖泊d i c 的总汇达到o 0 2 6 g t c a 。这样，包括有机碳和溶解态无机碳在内的全世界湖泊总碳汇为 太湖水一气界面温室气体通量及时空变化特征研究 o 0 7 7 g t c a ，其中对大气的汇达到o 0 5 3 2g t c a 。由此可见，湖泊对大气c 0 2 浓 度的影响不容忽视。 1 2 2 湖泊水体中碳的含量与生物的关系 溶解c 0 2 和重碳酸根( h c 0 3 一) 形态的无机碳是光合作用及有机质生产的主 要来源。湖水碳酸盐系统中各组分之间在一定的温度和压力之下，维持着动态平 衡。其中c 0 2 和c 0 3 2 一组分可通过气一水界面的逸出，溶入和沉积物一水界面的 化学沉积解离等，而改变着湖体中碳酸盐各组分浓度。 大量的生理学研究证据表明，游离c 0 2 是最容易被藻类或水生植物利用， 一些藻类和沉水植物，只能利用c 0 2 作为碳源。当c 0 2 供应不足而重碳酸根含 量丰沛时，许多藻类和水生维管束植物能够从重碳酸根离子中利用c 0 2 ；而一些 种类则需要h c 0 3 ，不能在仅有c 0 2 的环境下生长( f e l f o l d y , 1 9 6 0 ) ，这些现象表 明，无机碳存在的组分形式和量与初级生产者( 藻类和水生植物等) 的生长有重 要关系。因此开展湖泊水体碳的赋存形态的转化研究一直是湖泊营养物质循环和 生态系统结构和功能变化研究的主要内容。 作为溶解c 0 2 和h c 0 3 的无机碳是天然水体中藻类和大型水生植物光合作 用的碳的主要来源，这种利用是通过由大多数生物体呼吸产生的c 0 2 和入湖水 体和大气中的c 0 2 和h c 0 3 的输入来平衡。在大多数天然水体中，可用于光合作 用的无机碳的数量是充足的，只有在那些软性水体或生产力极高的状态下无机碳 才有可能成为浮游藻类光合作用的限制性因子。 虽然通过流域内陆地植物可以估算合成有机质的数量，但许多湖体有机物质 是在湖体内由浮游藻类、岸边大型水生植物和固着藻类生产而来的( 自生初级生 产力) ，且可以以溶解态和颗粒态形式( 外来初级生产力) 在淡水生态系统中进 行转化。光合作用的复杂生化反应式可通过下面的总氧化还原反应式来概括： 光 6 c 0 2 + 1 2 h 2 0 - - - - - - - - - - - - - - - c 6 h 1 2 0 6 + 6 0 2 + 6 h 2 0 色素受体 因此，浮游生物的代谢状态的变化可以很大，初级生产力的测定可精确地反 映某些种群的速率，但对于整个种群则估算精度较差。然而，原位的测定技术可 间接地估算自然水体在由于光合环境参数( 如c 0 2 、氧浓度和p h 值) 变化下的 4 第一章绪论 光合作用速率。最后，对于那些大到可出现分层的湖泊生态系统自营生产力，可 通过测定生物量长期变化、某些营养物的减少或底层水氧亏损和c 0 2 ( d i c ) 积 聚等来间接估算。 1 2 3 湖泊水体碳来源 湖泊生态系统中碳来源的分析对于湖泊生产力、碳收支平衡及大气与湖泊水 体的交换计算具有十分重要的作用。湖泊生态系统中碳的来源研究一直受到国外 湖泊研究的高度重视，特别是有机碳的研究。 1 9 7 4 年w e t z e l 和o t s u k i 选择了美国密执根卅i 劳伦斯湖进行了这方面的详细 研究( w e t z e l ，1 9 9 1 ) 。该湖有两个入湖河道和一个出湖河道。入湖河道在入湖前 通过与湖相邻的湿地。研究中采集了河道进入湿地和进入湖泊的水样，并进行了 水样溶解有机碳和颗粒有机碳分析，此外还对入湖地下水水样进行分析，开展了 流量观测，探讨不同季节湖泊水体碳来源及形态变化。结果表明河水通过湿地时 水体中溶解有机碳含量明显上升，入湖河流水体颗粒态有机碳含量低于溶解态有 机碳。夏天因降雨小及植物生长旺盛，入湖溶解有机碳量最少，在早春和秋天入 湖量大幅上升。地下水溶解有机碳含量很低，但由于地下水输入水量大，地下水 输入的溶解有机碳是年外源输入量的1 3 。颗粒碳外源输入变化与溶解有机碳变 化相似，外源输入量为溶解有机碳输入量的1 1 0 。输入湖泊的溶解有机碳主要由 腐殖酸及黄色有机酸等组成。由风吹入湖泊的颗粒有机碳可以忽略。 h o p e 等人在研究美国威斯康星州2 7 个湖泊表层水c 0 2 的分压强和溶解有机 碳关系后，得到湖泊水体中的c 0 2 含量与流域和湖泊面积的比值有明显的正相 关关系的结论( h o p e ，k r a t z ，r i e r a , 1 9 9 6 ) ，这说明湖泊中碳主要来源于流域的流 域输入。d i l l o n 等人也认为湖体里的c 0 2 含量与湖泊周围湿地有关( d i l l o n ， m o l o t ，1 9 9 7 ) 。对亚马孙河流域水体无机碳来源的研究显示：亚马孙河碳总通量 至少有4 0 与腐质物质有关( e r t e l ，h e d g e s ，e ta l ，1 9 8 6 ) 。e u g e n i b a r k a n 等人对死海 c 0 2 的演变研究结果认为，水体碳主要来源于洪水带来的重碳酸盐( e u g e n i b a r k a n ， b o a z l u z ，e ta l ，2 0 0 1 ) 。 j o h a n n e s a c b a r t h d e n 等人于1 9 9 4 年1 9 9 6 年对北美五大湖区的河湾进行研 究，结果表明河湾地区的p o c 主要来源于光合作用( s i t u p h o t o s y n t h e s i s ) 和碎屑 沉积物( d e t r i t a l ) ，在水体光合作用强的温暖季节，光合作用产生p o c 占主导地 太湖水一气界面温室气体通量及时空变化特征研究 位，尤其是在离开河口区的开敝湖区( j o h a n n e s ，e ta l ，1 9 9 8 ) 。 1 2 4 水一气界面的气体交换 湖泊水一气界面碳的交换过程涉及c 0 2 、c h 4 、颗粒态有机碳及无机碳的交 换，其中c 0 2 的交换最为重要。c o 在大气中浓度较低，又能与羟基( - o h ) 反 应生成c 0 2 ，因而包括在c 0 2 的流量之内。大气与水体之间c 0 2 的交换量不能 仅由大气与水体之间的c 0 2 分压差决定。当水体中溶解的碳酸下降时，c o s 向水 体的通量会增加；当水体p h 值较高时，通过水一气界面的c 0 2 通量可能超过理 论值。在有大量的无机碳输入的湖泊，水体中的碳将以c 0 2 的形式向大气中扩 散，而成为大气c 0 2 的源( w e t z e l ，l i k e n s ，1 9 9 1 ) 。e u g e n ib a r k a n 等对死海中c 0 2 演变的研究( e u g e n i ，b 0 a z ，：e ta l ，2 0 0 1 ) 也类似结论。 如前面1 2 2 所介绍的，水气界面c 0 2 通量与水体的水生生物特别是水生植 物密切相关，水生植物的呼吸作用、光合作用不但影响水一气界面的c 0 2 通量， 而且对水体碳酸盐系统有很大影响。另外，各个湖泊的水气界面c 0 2 通量与湖 泊水体的碳来源也密切相关，对碳来源较丰富的湖泊，其c 0 2 分压较高，因而 为大气c o s 的源的可能性较大。对碳来源较少的湖泊，其c 0 2 分压相对较低， 因而为大气c 0 2 的汇的可能性较大。近几十年来，由于湖泊富营养化问题越来 越突出，水体中的藻类在生长过程中吸收水体的c 0 2 ，导致湖泊对大气c 0 2 的汇 越来越明显。 1 2 5 湖泊碳循环模型研究 与陆地、海洋中碳循环模型类似，湖泊碳循环模型也同样经历了由简单输入、 输出黑箱模型向同时考虑生物、化学及物理过程的综合动态预测发展的过程。早 期的湖泊碳循环模型大多是静态的碳平衡模型，往往集中在湖泊碳循环的某个环 节或部分( 胡维平等，2 0 0 4 ) 。如w e t z e l 等( w e t z e l ，1 9 7 2 ) 提出的劳伦斯湖碎 屑结构及有机碳通量模型、r i e m a n n 等( r i e m a r m ，1 9 8 6 ) 提出的不同营养水平 的湖泊中碳负荷的模型。2 0 世纪8 0 年代以后，随着微食物网概念模型的建立及 不断完善( p o m e r o y ，1 9 7 4 ) ，许多描述碳在湖泊微食物网各组成中迁移、转化的 模型被提出。此类模型通常根据湖泊生态系统中微食物网的组成，从实测数据分 析微食物网中的碳库分布，通过生物一生物之间的相互作用关系，模拟、预测碳 6 第一章绪论 在湖泊生态系统中碳的迁移、转化一般缺乏机理性的解释，较少考虑湖泊生态系 统对生物群落结构变化的响应，以及此过程对湖泊碳循环的潜在影响。 可以预见，在解决了数据的缺乏与不可靠性问题后，湖泊碳循环模型的时间 和空间分辨率将会逐步提高，可预测和模拟的时间尺度将越来越长，模型将能够 越来越精确地模拟湖泊碳循环过程的每个环节。 1 3 本研究的思路 = 氧化碳( c 0 2 ) 是最重要的温室气体，所以在本论文中，我们着重探讨了 水体与大气之间的c 0 2 气体交换问题，对甲烷和氧化亚氮在水一气界面的交换 问题，我们也进行一定的分析，但并不做详细讨论。通过对长江中下游地区典型 的大型浅水湖泊一太湖的水一气界面温室气体通量的长期定点观测以及日变化 观测，以确定长江中下游地区湖泊的水一气界面温室气体通量的源汇问题。在论 文中着重讨论了春、夏、秋、冬四季的水一气界面温室气体交换的日变化特征和 一些水质因子对湖泊c 0 2 通量的影响。另外通过对全国典型湖泊冬季水气界面 温室气体通量的日变化观测，进而初步估算出我国湖泊的总碳汇或碳源。由于对 甲烷、氧化亚氮通量其机理尚不太明确，所以本论文没有对其深入探讨。图1 1 显示了初步估算我国湖泊碳源或碳汇的总体思路。 图1 一l估算湖泊碳汇的总体思路 太湖水气界面温室气体通垂及时空变化特征研究 第二章研究区域概况 2 1 流域社会经济状况 太湖流域位于长江三角洲，地处长江下游尾闯与钱塘江、杭州湾之间( 图 2 1 ) 。北抵长江，东临东海，南滨钱塘江，西以天目山、茅山等山丘为界，流域 面积3 6 8 9 5 k m 2 ，约占全国土地面积的o 4 。太湖流域行政隶属于江苏、浙江、 安徽和上海三省一市。其中江苏省占5 2 5 ，浙江省面积占3 2 8 ，上海市面积 占1 4 0 ，安徽省面积占不到l 。 图2 - 1 太湖流域地形及水系 2 0 0 0 年底流域内有特大城市上海市、杭州、苏州、无锡；大型城市：常 州、镇江：中等城市1 0 座：江阴、张家港、潮州、嘉兴、溧阳、常熟、昆山、 宜兴、丹阳、吴江：小城市8 座和近3 7 个县( 市) ，是我国经济最发达的地区之 一( 杨桂山，2 0 0 2 ) 。流域2 0 0 0 年底国民经济国内生产总值( g d p ) 占全国1 0 ， 达7 4 9 6 亿元，人均g d p 为全国人均的3 倍多；农业总产值占全国的3 1 ：工 业总产值占全国的1 2 2 ( 图2 2 ) ；财政收入1 3 5 6 5 亿元，占全国的1 5 7 ( 图 第二章研究区域概况 2 3 ) ；2 0 0 0 年全流域人均g d p 为3 0 0 0 美元，为全国的2 5 倍。2 0 0 0 年流域内人 口3 6 8 6 7 1 万人，人口密度9 2 8 人k i n 2 ，约为全国平均的8 倍( 图2 - 4 ) 。近年太 湖地区的人口数量的增加逐渐趋缓，流域相对落后地区的人口增长率稍高，年人 口自然增长率在o 7 左右，平均增长率约为o 4 。根据预测，到2 0 1 0 年太湖 流域g d p 将达到1 7 2 5 2 亿元，工业产值3 5 6 5 6 亿元，农业产值1 3 8 3 亿元，人口 3 8 5 3 万人，分别是现在的2 _ 3 倍、2 6 倍、1 8 倍、1 1 倍。2 0 2 0 年，g d p 将达到 3 1 0 2 7 亿元，是现在的4 1 倍。流域的可持续发展进程将直接影响中国的发展。 据研究，上海市、江苏省、浙江省在全国可持续发展能力分别排序在第1 、5 、6 位，处于全国的前列。上海市将在我国率先实现现代化，时间是2 0 1 5 年，江苏 和浙江分别为2 0 3 3 年和2 0 3 6 年，在全国也处于前列，太湖流域总体实现现代化 的时间将较我国其它地区大为提前。由此可以看出太湖流域在我国社会经济发展 中居举足轻重的地位。 2 0 世纪8 0 年代以来，流域工业化和城市化快速发展，国内总产值和工业产 值1 9 8 0 年到1 9 9 8 增加了1 7 倍，建设用地大量增加，耕地面积一直呈下降的趋 势( 图2 - 5 ) 。高强度的开发和剧烈的结构变动，对环境变化有着十分显著和直接 的影响，使这一地区成为人类活动对环境影响最剧烈、最频繁的地区之一。 图2 - 2 太湖地区的产值 9 太湖水- 气界面温室气体通量及时空变化特征研究 图2 - 3 太湖地区的财政收入 图2 - 4 太湖地区主要年份人口数量 图2 - 5 太湖流域主要年份的粮食产量和耕地面积 1 0 第二章研究区域概况 2 2 湖区气候特征 太湖及其流域属于北亚热带南部向中亚热带北部过渡的东南季风气候区， 四季分明，无霜期长，热量和雨量充沛。湖区日照时数累积年平均值为2 0 0 0 2 2 0 0 h ，年平均太阳辐射总量为4 6 0 5 0 2 k j c m 2 。太湖湖区具有盛夏炎热、隆冬 寒冷的特点。年平均气温为1 5 3 1 6 。0 ，1 月份平均气温为2 5 3 3 ，为全 年最冷月：7 月份平均气温为2 8 1 2 8 70 c ，为全年最热月。气温相差较大，极 端最高气温为3 9 8 ，极端最低气温为一1 4 - 3 。湖区无霜期为2 2 0 2 4 6 天。年 降水量为1 0 0 0 1 4 0 0 m m ，降水年际变化较大，年降水量极值差相比可达一倍以 上。降水总量中，夏季占3 5 4 0 ，春季占2 6 3 1 ，秋季占1 8 2 3 ， 冬季占1 1 1 4 。夏季温暖多雨，盛行东南风，冬季寒冷干燥，盛行西北风。 台风及暴雨对湖区影响颇大，平均一年遭受两次台风影响，其中风力 1 0 级的强 台风平均两年一遇，台风带来的暴风雨雨量一般达5 0 1 0 0m i l l ，大暴风雨雨量 甚至可超过l o o m m 。太湖水量补给主要依赖天然降水，属雨源型湖泊。 2 2 1 气温 年变化 据中国科学院南京地理与湖泊研究所太湖湖泊生态系统研究站( 以下简称 “太湖站”) 的观测资料，2 0 0 0 2 0 0 1 年，太湖站测点的平均气温为1 6 4 7 。c 3 5 3 0 2 5 o2 0 u 晤1 5 矿 1 0 5 图2 - 62 0 0 0 - - 2 0 0 2 太湖地区月平均气温变化曲线 ( 引自中国科学院南京地理与湖泊研究所) 注：2 0 0 2 年i ，2 ，5 ，6 ，1 0 ，1 1 和1 2 月份 的观测资料缺失，其它月份的资料仅作参考。 2 0 0 0 和2 0 0 1 年月平均最高气温均分布于7 月份，分别为2 8 7 7 和2 9 6 7 。c ( 见 太湖水气界面温室气体通量及时空变化特征研究 图2 6 ) ，两年月平均最低气温均分布于1 月份，分别为3 1 l 和4 6 l 。2 0 0 0 年和2 0 0 1 年实测最高日平均气温均分布于7 月2 2 日，为3 2 3 3 、3 2 5 3 ； 最低日平均气温分别分布于1 月2 6 日( 一3 8 3 * ( 2 ) 和1 月1 5 日( - 2 8 14 c ) 。实测年 平均气温与多年平均气温相比略高。2 0 0 0 年与2 0 0 1 年相比，两年的增温和降温 趋势较为一致，即从1 月份到7 月份，气温缓慢增加，从7 月份到1 2 月份，气 温逐渐下降，且降温的速度快于增温的速度。 日变化 太湖湖面气温的日变化较小，实测夏季某日日变幅为7 3 。c 。最高气温分布 于1 4 1 6 时，最低气温分布于日出之前的4 - 6 时。除天气突然变化外，日出之后 开始增温，到1 4 - 1 6 时达到最高，1 6 时后开始降温，降温过程一直持续到第二天 的日出之前，此时为一天之中的最低气温( 见图2 7 ) 。 2 2 2 风 3 0 2 5 2 0 p v 1 5 路 f1 0 5 0 图2 7 太湖夏季某日气温日变化 、风向 太湖地处东南季风气候区，盛行风向：夏季为s s e 、冬季为n n w 。8 - 1 0 月份 常受台风影响。根据太湖站的观测资料( 图2 8 ) ，2 0 0 0 年的风向以e s e 为主， e n e w n w ( 逆时针计) 方向出现的频率较低；2 0 0 1 年e n e 至e s e ( 顺时针计) 风 向出现的频率较高，n e s s e ( 逆时针计) 方向风向出现的频率较低。2 0 0 2 年盛 行风向则为s e ，其它风向出现频率较低。 1 2 第二章研究区域概况 n p 、，一 e 厂 一 夕1 。 ”之 n 全叩 t e 、i s 2 0 0 0 年2 0 0 1 年2 0 0 2 年 图2 - 82 0 0 0 2 0 0 2 年风向频率玫瑰图 注：2 0 0 2 年l ，2 3 ，5 和0 月份的观测资科缺失，故只对4 ，7 ，8 ，9 ，1 0 ，1 1 和1 2 月份的资料进行统计 仅作参考。 、风速 图2 - 9 为2 0 0 0 2 0 0 2 年太湖站月平均风速过程线。从图中可以看出：1 月份 的月平均风速最大，2 0 0 0 年、2 0 0 1 年均超过4 m s ：其它月份相对较小，除2 0 0 1 年1 1 月外，都介于3 - 4 m s 。月平均风速年际变化较小。2 0 0 0 年年平均风速为 3 7m s ，月平均风速最大为4 5m s ( 1 月份) ，最小为3 2m s ( 6 月份和1 0 月份) ，最大日平均风速为8 8 m s ( 1 1 月2 2 日) 。2 0 0 1 年年平均风速为3 5 6 m s ， 月平均风速最大为4 1 6m s ( 1 月份) ，最小为2 6 5 m s ( 1 1 月份) ，最大日平均 风速为8 2 4m s ( 1 2 月2 1 日) 。 2 0 0 0 年- 2 0 0 1 年_ - 2 0 0 2 年 慕 、7 5 - ：厂；7 4 一潜专歹z ： 、- ， 12 34567 月份 图2 - 9 太湖站2 0 0 0 2 0 0 2 年月平均风速过程线 注：2 0 0 2 年1 ，2 ，3 ，5 和6 月份的观测资料缺失，其它月份的资料仅作参考。 2 2 3 降雨量 根据桃核站的资料，2 0 0 0 2 0 0 2 年月降雨量变化过程见图2 一l o 。与多年平 5 4 3 2 l 0 s 哪) 艘医 太湖水气界面温室气体通量及时空变化特征研究 均降雨量相比，2 0 0 0 年的降雨量偏低，年降雨量为8 7 9 6 毫米。最大月降雨量 分布于5 月份，1 和1 2 月月降雨量较低，其它月份月降雨量基本介于5 0 毫米和 1 0 0 毫米之间。2 0 0 0 年太湖流域入汛前后，天气晴朗，5 月上旬流域降雨量仅为 1 8 6 毫米，5 月中旬降雨量更少，为5 9 毫米。随着副热带高压西伸加强，暖湿 气流活跃，5 月2 5 日全流域普降暴雨，5 月下旬和6 月上旬全流域降雨量分别为 1 1 1 0 毫米和8 4 5 毫米，占汛期总雨量的2 0 和1 5 。6 月1 9 日太湖流域进入 梅雨期，但降雨较少，梅雨量仅为6 9 6 毫米，只有常年的三成左右。7 月3 日出 梅，进入盛夏高温天气。8 月份以后，浙闽沿海地区台风频繁登陆，太湖流域东 南部沿海受其影响，普遍出现风暴潮增水。 2 0 0 1 年降雨量为1 0 9 9 0 0 毫米，月降雨量的年际分布极不均匀，梅雨期间 雨量充沛，最大月降雨量超过3 0 0 毫米，分布在8 月份，但9 月份降雨量低于 5 0 毫米。2 0 0 1 年太湖流域1 月份降水较多，为1 3 9 毫米( 占全年降水量的1 1 9 ) 。 2 - 5 月份天气晴朗，降水很少。6 月3 日太湖流域进入梅雨期，6 月2 6 日出梅， 出入梅时间均偏早，梅雨量为2 9 1 4 毫米( 占全年降水量的2 5 o ) ，约是2 0 0 0 年 的4 倍。随着副热带高压北移，全流域进入炎热高温的天气。8 月份，浙闽沿海 地区台风登陆频繁，太湖流域受其影响，普降暴雨，月降雨量高达3 1 2 6 毫米( 占 全年降水量的2 6 8 ) 。8 月份以后，天气晴好，降雨减少。 与2 0 0 0 、2 0 0 1 年相比，2 0 0 2 年降雨量较多，为1 2 8 3 毫米，降雨主要分布 在4 7 月份，最大降雨量达2 3 0 毫米，分布在5 、6 月份。2 0 0 2 年l 一4 月份， 太湖流域降水逐月增加，进入汛期，降雨明显增多，5 月份和6 月份降雨量分别 为2 3 4 5 毫米和2 3 8 7 毫米，分别占全年降水量的1 8 3 和1 8 6 。7 1 1 月份， 降雨量逐渐下降，1 2 月份降水较多。 + 2 0 0 2 年+ 2 0 0 1 年+ 2 0 0 0 年 八 ，7 弋 。、 ，一产 矿n l - 一丝一 7 一y 一、11 孑耳亨弋 23456t891 01 1 月份 图2 - 1 02 0 0 0 2 0 0 2 年月降雨量变化过程图 曲 叩 曲 帅 蛐 o i v 韫窿进譬 第二章研究区域概况 近十年，太湖流域汛期降雨少于多年平均值的年份有1 9 9 2 、1 9 9 4 、1 9 9 7 、 1 9 9 8 和2 0 0 0 年。2 0 0 0 年汛期降雨量5 5 1 毫米，6 月1 9 日入梅，7 月3 日出梅， 梅雨期为1 4 天，梅雨量仅为7 0 毫米，明显偏少。1 9 9 2 年汛期降雨量5 2 4 毫米， 为2 0 0 0 年汛期雨量的9 5 3 ，6 月2 1 日入梅，7 月1 2 日出梅，出入梅时间均比 2 0 0 0 年晚，梅雨期比2 0 0 0 年多7 天，但梅雨量仅比2 0 0 0 年多5 毫米。1 9 9 4 年 是9 0 年代降雨量最少的一年，汛期降雨量仅4 7 5 毫米，为2 0 0 0 年汛期雨量的 8 6 3 ，6 月8 日入梅，6 月2 1 日出梅，出入梅时间均偏早，梅雨期天数与2 0 0 0 年相当，但梅雨量是2 0 0 0 年的2 倍多。1 9 9 7 年汛期降雨量5 9 3 毫米，比2 0 0 0 年汛期雨量多4 3 毫米，6 月2 1 日入梅，7 月1 8 日