大都市区河网体系碳排放研究

发布时间：2020-05-10 10:10

【摘要】：河流生态系统是连接陆地与海洋两大碳汇的重要纽带,同时也向大气排放大量的气态碳(CO2与CH4),构成了全球碳循环的重要功能单元,同时对未来气候变化可能产生不可忽视的影响。随着人类活动不断加剧和大尺度的土地利用改变,河流生态系统的结构与功能受到极大的破坏,水体碳、氮、磷以及其他污染负荷成倍增长,使得河流生态系统向着增强型异养系统方向快速发展,进而增加河流CO2与CH4源汇通量估算的不确定性。作为一种综合的人类活动聚集和土地利用改变的因子,城市化已经成为全球变化研究中,除温室气体排放外,另一个重要的焦点问题。然而,目前对河流碳排放研究仍以评价自然河流碳排放为主,对城市影响下河流碳排放的研究较少。本论文以典型的大都市区—重庆都市区河网为研究对象,开展野外调查与室内分析,系统的研究了大都市区河网CO2与CH4浓度及排放速率的空间格局,初步估算和评价了重庆都市区河网碳排放总量及其生态学意义;选择代表性河流开展了多时间尺度的调查,探讨了大都市区河流碳排放的昼夜、季节、年际动态,并进一步结合水文、地貌以及水环境因子分析了河网CO2与CH4浓度及排放通量空间格局和时间动态的调控因子。主要研究结果和结论如下:(1)为明确大都市区碳排放空间格局及其与城市化的关系,本研究根据重庆都市区土地利用类型及城市功能分区,将研究区域按照城市化梯度划分为5个亚区。进而对各亚区河网水质参数和pCO2进行分析。结果表明,整个河网水体pCO2变化范围为53~16879μatm,平均值为2152±2318μatm,相当于大气平衡CO2分压的5倍多,是大气CO2的潜在排放源。重庆都市区河网水环境参数及pCO2空间格局明显,即沿城市化梯度增加,水环境质量明显变差,pCO2在城市区河流显著高于郊区和快速发展区,是距离城市中心较远的生态保护区和农业生产区河网的2~4倍;河网pCO2空间格局受到季节变化影响显著,秋季与冬季河网pCO2空间变化较大,而春季与夏季分别受水体富营养化和洪水稀释效应影响,pCO2空间变化较小。与世界范围内其他研究去比较,重庆都市区河网水体pCO2总体处于中等偏下水平,但城市区河流pCO2高于大部分亚热带河流。(2)重庆都市区河网水体CH4浓度总体变化范围为0.05~12.79μmol CH4·L-1,对应的饱和度范围为2200%~371700%,平均为0.69±1.00μmol CH4·L-1(饱和度为24200%±38800%),整个河网水体CH4处于高度过饱和状态,河网水体是大气CH4的重要排放源。河网CH4浓度空间格局更加清晰,沿城市化梯度呈等比增加,城市区河流水体CH4浓度是快速发展区和郊区河流的2~4倍,是偏远乡村区河流的6~13倍。将河网CH4浓度空间分布与土地利用类型叠加表明,河网CH4浓度与城市用地类型覆盖区高度重叠,污水排放、低氧环境、高DOC含量等都市区河网CH4浓度空间格局的重要驱动;在与世界其他区域研究对比,重庆都市区河网CH4浓度高于大多数亚热带和温带河流,处于较高水平。(3)本研究从河网水环境因子和河网自然特征两方面进行了河网碳排放空间格局的调控因子。从河流水环境特征看,河网pCO2与水体DO、p H均呈极显著负相关关系,利用pCO2与pH的指数函数关系,推算当pH8.45时,水体呈CO2“汇”,而当水体pH8.45,则为大气CO2“源”;河网pCO2与DOC线性关系不显著,说明原位呼吸代谢可能并非主要CO2输入来源;pCO2与营养盐存在显著的相关关系,但线性回归拟合系数较低。河网CH4浓度与DO、pH均呈极显著负相关关系,而与电导率、DOC、DIC、DTC以及营养盐含量存在极显著的正相关关系,河水水质与CH4浓度关系密切,水质因子能够作为河网CH4浓度的指示性因子;营养盐与河网CH4浓度的回归分析表明,N、P对CH4浓度影响均存在多重作用机制,且当水体营养盐低于一定阈值(TN:2.5 mg·L-1,TP:0.10 mg·L-1),营养盐影响并不显著,而一旦超过该阈值,CH4浓度对营养盐的增加极为敏感。(4)通过分析河流自然特征(流速、流量、河道宽度以及河床底质类型)与水体pCO2和CH4浓度关系,结果表明河流较窄且流速较慢的断面水体可能具有更高的pCO2和CH4浓度;河床底质类型的粒径越小,对应表层水体CO2和CH4浓度越高,淤泥河床采样断面水体pCO2和CH4浓度最高。由于城市污水对CO2和CH4的直接输入以及较高的异养代谢,导致人工河床对应异常高的pCO2和CH4浓度。本研究认为河流自然特征和城市化导致的水污染是决定区域河网碳排放空间格局的主要驱动。(5)基于亨利定律与边界层模型,估算重庆都市区河网水-气界面CO2和CH4排放速率总体范围分别为-60~1329 mol CO2 m-2 yr-1和0.03~7.78 mol CH4 m-2yr-1,平均值分别为163和0.51 mol C m-2 yr-1;初步估算重庆都市区河网水-气界面CO2-C排放量为0.117 Tg·yr-1,CH4-C年排放量为0.633 Gg·yr-1(对全球变暖贡献相当于15.9 Gg CO2-C·yr-1);与重庆都市区森林年碳汇量相比,河网CO2-C和CH4-C总量不容小觑;城市化提高了河网水-气界面碳排放,进而影响区域碳平衡和温室气体排放估算,对全球气候变化产生重要贡献。(6)选择跳蹬河、虎溪河和二圣河作为城市区、城市郊区以及农村区河流代表,开展为期2年的监测。结果表明,三条河流污染梯度明显,跳蹬河高于虎溪河,远高于二圣河;三条河流pCO2季节波动表现均为每年7月~9月(丰水期)出现峰值,11月至次年5月(枯水期)较低,温度、降雨以及富营养化是pCO2季节波动的主要驱动。不同城市区域河流CH4浓度表现不同季节波动规律。虎溪河与跳蹬河CH4浓度表现明显的单峰模式,每年1~3月出现最高值,5月~9月表现为低谷期,随后开始上升,而二圣河CH4浓度没有统一的季节波动规律,这种季节变化的差异主要因为不同河流CH4来源不同,对环境变化响应机制不同。降雨稀释效应可能是城市区和城市郊区河流水体CH4季节变化的重要驱动过程,而对于低污染河流而言,降雨稀释与高温促进的平衡是水体CH4波动较小的可能因子。三条河流水体温度与DO能够较好的解释水体pCO2的季节波动性;温度、pH和TN对跳蹬河、虎溪河中CH4浓度季节变化具有较好的解释能力,而P含量与电导率在二圣河中是较好的预测因子;营养盐在不同污染程度的河流中对水体pCO2与CH4浓度的影响存在限制性,在低污染或中度污染河流中,营养盐水平能够解释部分pCO2与CH4浓度的季节变化,而城市区河流则不表现解释能力。(7)采用静态箱-气相色谱法对跳蹬河、虎溪河和二圣河水-气界面碳排放平昼夜变化进行监测,结果表明,三条河流CO2排放速率均表现为昼间显著低于夜间,但跳蹬河昼夜波动较小,虎溪河和二圣河夏季CO2昼间波动性较大。不同河流尽管昼夜波动相似,但影响的机制有差异,水体呼吸作用与光合作用的平衡动态、水热条件转变是昼夜波动大小的主要机制。三条河流CH4排放的昼夜变化呈现出不同趋势,但最低值都出现在凌晨4~6点,跳蹬河有两个峰值分别出现在上午10点和下午16点,这种波动受到城市污水排放和温度的驱使;虎溪河夏季CH4排放速率峰值出现在中午14,二圣河也呈典型的单峰模式,受温度、水-气温差以及pH等影响显著。由于昼夜变化的干扰,对河流CO2与CH4排放速率的监测时间的选择可能对通量的估算产生较大影响,夏季昼间采样可能低估30~60%的CO2通量,而会高估17~41%左右的CH4通量。城市化对河流碳排放的空间、时间格局的影响显著,是导致目前河流碳排放估算不确定的主要因素。
【图文】：

1 绪 论径流流浮游动物水生昆虫鱼类浮游植物水生植物CO2CH4甲烷氧化吸呼 吸呼体残泄排残、体泄排残、体合光新鲜有机质CH4甲烷氧化菌散扩小分子有机物大气植物传输 扩散 扩散植物传输 扩散 冒泡吸呼散扩

2 研究区域概况2 研究区域概况2.1 自然环境概况2.1.1 地理位置重庆市(28°10′-32°13′N, 105°11′-110°11′E)位于中国西南部、长江上游和三峡库区回水末端，地处经济发达的东部地区和资源丰富的西部地区之间，东接湖北、湖南，西靠四川、北连陕西、南邻贵州（图 2.1），是我国面积最大、人口最多的直辖市。辖区共 26 个区、8 个县、4 个自治县，幅员 8.24 万 km2，，人口 3372 万。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X52;X171

【相似文献】

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 王晓锋;大都市区河网体系碳排放研究[D];重庆大学;2017年

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 陈沙;大河网财经微信公众号问题与对策研究[D];郑州大学;2017年

2 杨丹琦;建成环境中河网水体的海绵效应研究[D];东南大学;2017年

本文编号：2657142