太湖及玄武湖甲烷气体产生、释放及影响机制研究

发布时间：2020-09-25 21:40

　　湖泊等湿地系统是大气甲烷的主要自然释放源。受人类活动的影响,外源营养物质的输入导致湖泊出现不同程度的富营养化。富营养化不仅改变营养物质的循环、引起藻类爆发和沉积物中有机物的累积、还导致厌氧环境的形成及加剧甲烷的释放。我国湖泊大都属于浅水湖泊,目前都遭受到不同程度的富营养化。近年来,我国对这些湖泊进行了综合治理,除削减外源营养物质输入外,还进行了蓝藻打捞及生态清淤等工程。目前对湖泊底泥、水、气介质中甲烷产生及释放整体机制的研究还不清楚,尤其是在上述工程治理的背景下更是缺乏系统的研究。本研究以流域性富营养化浅水湖泊太湖和城市浅水湖泊玄武湖为研究对象,从多角度分析了甲烷的水-气界面交换通量及甲烷在空气、水体及沉积物中的含量,探讨了环境工程手段、水体(沉积物)理化性质和生物因素对水体中甲烷含量和分布的影响,主要包括以下内容：对太湖和玄武湖湖面空气中甲烷浓度进行了分析,发现太湖不同区域空气中甲烷含量的差异性比玄武湖的要大,玄武湖上空甲烷浓度的平均含量比太湖表面空气中甲烷含量要高。太湖清淤区域的甲烷空气浓度要比未清淤区域的显著较低,太湖北部未清淤区域较东南部未清淤区域甲烷空气浓度略高。甲烷在水-气界面的交换通量与季节变化有关,其中冬季和春季的通量低于夏季和秋季。沉积物的分布和厚度对上覆水体中甲烷的垂向分布浓度变化有影响,沉积物含量多的地方呈现梯度效应,且含量通常比无沉积物区的要高。对太湖和玄武湖水体中各项理化指标变化与表层水体中甲烷含量间的关系进行主成分分析,甲烷在太湖上覆水体中与氮组分相关性大,而在玄武湖上覆水体中与磷组分相关性大,说明水体中甲烷的含量变化在两种湖泊中的影响机制有所差异。另外太湖水体的pH、溶解氧、总有机碳和藻类等指标对同一组分具有较大的贡献,并且指标间能够进行合理解释,表明主成分分析法的结果具有较高的可靠性,而甲烷的含量与其他指标的变化间存在差异,表明水体中甲烷的含量受多种因素的影响。本研究对表层沉积物中的甲烷含量及多种理化指标进行了分析,发现两个湖泊的表层沉积物的粒径、pH、总氮和含水率等指标变化不大；主成分分析结果显示两个湖泊中甲烷的含量与其他指标间的关系有一定的差异。对表层沉积物中总氮、氨氮、总磷、正磷酸盐和金属离子如Mn、Zn、Fe、Ni、Cu和Mg等指标进行了主成分分析,发现这些指标中玄武湖表层沉积物间隙水各指标总体分为三个组分,氨、正磷酸盐、镍和甲烷主要在第二组分上、铁和水-气界面间甲烷通量在第三组分上；太湖的各指标中,Mn、Mg和甲烷主要在在第二组分,Ni和水-气界面甲烷通量主要在第三组分。对垂向沉积物中甲烷和理化指标进行了分析,结果表明甲烷浓度在表层(0-6cm)比深层(6-21cm)的明显要低。pH值、TP、TN和OM等指标也随着深度变化有所降低。主成分分析结果显示,玄武湖的水分含量、pH值、总氮和总有机质含量主要在第一组分上,而甲烷和总磷主要在第二组分上；然而太湖的各个指标间均在同一组分上。玄武湖沉积物中过氧化氢酶的活性在表层低于底层,而在太湖沉积物中则表现出先升高后降低的趋势,其底层沉积物的活性显著低于表层；纤维素酶的活性在玄武湖和太湖梅梁湾的沉积物中变化趋势相同,都呈下降趋势；玄武湖沉积物中蔗糖酶的活性在3-6cm处最高,其他层间变化不大,而太湖沉积物中蔗糖酶的活性呈现下降趋势；玄武湖沉积物中脲酶的活性在垂直方向上变化不大,而在太湖沉积物中其活性在垂直方向上在增加,但增加的趋势在统计学上差异不大。玄武湖沉积物中细菌的16S rRNA基因的拷贝数在2.44-15.86x109g-1干重沉积物之内,而太湖梅梁湾的细菌16S rRNA基因的拷贝数在不同沉积物内变化相对较大；玄武湖古细菌的16S rRNA基因拷贝数在4.84-17.71×108之内,而太湖沉积物中古细菌的16S rRNA基因拷贝数变化在0.11×108-17.44×108拷贝数每克沉积物湿重内。甲烷菌甲烷杆菌目Methanobacteriales, MBT),甲烷微菌目Methanomicrobiales, MMB)和甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales, MSL)属及甲烷八叠球菌属(Methanosarcinaceae)和甲烷鬃菌科(Methanosaetaceae)种的甲烷菌在玄武湖和太湖沉积物中各层中得到检出,并且MMB和MSL的丰度通常高于MBT的丰度。甲基辅酶M还原酶alpha亚基(mrcA)基因在玄武湖和太湖沉积物中都有分布,但是在玄武湖垂向沉积物的0-3cm处和太湖垂向沉积物的0-6cm处该基因低于检出限。通过利用基因文库构建技术克隆了2个mrcA基因,与Genbank中已有基因具有很高的相似性。拟合估算太湖甲烷释放量为2.28万吨/年,太湖流域主要湖泊甲烷释放量为2.64万吨/年,江苏省主要湖泊甲烷量释放为5.52万吨/年,江苏省淡水水域甲烷释放量为16.3万吨/年：太湖甲烷年释放量占目前已普查全省甲烷释放量的1.8%,全省主要湖泊甲烷年释放量占4.3%,全省淡水水域甲烷释放量占12.75%。太湖生态清淤工程对清淤区域空气甲烷浓度的影响显著,清淤区域比未清淤区域空气甲烷浓度均值浓度削减了23.3%。近五年来太湖流域生态清淤工程从流域湖泊、河道水体中削减甲烷含量约157.36万吨,约占我省2010年甲烷释放量的123%；其中太湖湖体生态清淤工程削减甲烷含量约52.2万吨,对削减流域水体内源甲烷含量,减少江苏省温室气体排放贡献显著。研究工作对将江苏省湖泊水体甲烷释放纳入IPCC温室气体排放清单,核算生态清淤工程对水体内源甲烷含量的削减贡献,引入温室气体减排交易资金,具有前瞻性意义。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2012
【中图分类】：X524
【部分图文】：

玄武湖,太湖,沉积物样品

图2-12010年6月太湖（A,22个位点）和玄武湖(B，AA-E)采样布点。Fig 2-1 Concentration of methane (fiures in pane，mg/L) in the atmosphere samples over theTaihu Lake (A, 22 samples) and XuanWu Lake (B，AA-E). Figures marked with red colour indicatits concentration are higher than the mean concentration that reported by IPCC 2005.2.2.2湖体沉积物样品采集布点由于近几年来太湖和玄武湖都有不同程度的清游工程，本研究开展前对清游

示意图,贡湖,太湖梅梁湾,太湖

太湖：2010年6月和9月对利用静态箱对太湖7个点的水-气界面交换气体进行了一系列取样，取样布点如图2-2所示，同时在9月份还补充了对太湖7个点水面上空0.5m处的空气取样。21

点位,玄武湖,太湖,空气

图2-4太湖与玄武湖的点位空气中甲q<含量Figure 2-4 Methane content in air of the Taihu and xuanwu lake sampling sites从清焌点位与未清游点位的空气甲q<浓度均值比较来看，未清游点位的空气

【参考文献】