三峽水庫支流甲烷排放研究進展*

毛羽豐,何蕊序,李 宏,楊勝發,,余薇薇,葉開來,林 彤,白小霞,何 強**

(1:重慶交通大學,國家內河航道整治工程技術研究中心,重慶 400074) (2:重慶交通大學,水利水運工程教育部重點實驗室,重慶 400074) (3:重慶大學,三峽庫區生態環境教育部重點實驗室,重慶 400045)

全球變暖問題一直以來都備受關注。聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的一份報告顯示,隨著溫室氣體含量在大氣中的不斷增加,未來10～30年全球變暖可能達到1.5℃,這無疑增加了自然和人類系統的氣候相關風險[1]。同時,我國明確提出2030年實現“碳達峰”與2060年實現“碳中和”的目標,故在全球變暖和國家“雙碳”戰略背景下,研究溫室氣體源匯效應具有重要的意義。

甲烷(CH4)作為全球第二大溫室氣體,在大氣中的輻射強度僅次于二氧化碳(CO2)。由于CH4在百年尺度上的單分子增溫效應是CO2的28～34倍[2-3],因此即使CH4只占大氣中所有溫室氣體的5%～10%,其對全球溫室效應的貢獻率也達到了30%～40%[4]。CH4在大氣中的濃度自1750年的0.5 mg/m3升高到了目前的1.29 mg/m3,增加了158%[5-6],約是CO2增幅的4倍,故隨著CH4濃度的持續增加,其對溫室效應的貢獻也會隨之增大,預計到本世紀末,水體CH4排放量將再增加20%～54%[4]。

內陸水體被認為是CH4排放的一個重要來源,據估計全球淡水系統CH4排放約為103 Tg/a,占全球CH4排放總量的25%[4],特別是在人類活動的影響下,淡水系統CH4排放進一步增強,成為人為CH4排放的間接源[7]。而筑壩蓄水作為人類開發利用水資源的最主要方式,被認為是對自然水生生態系統改變最大的人為活動。水庫溫室氣體排放近10年來廣受關注,據估計水庫的CH4排放約占全球人為CH4排放總量的20%[8],尤其是熱帶水庫較高的排放引發了水庫清潔性的爭論[9],甚至個別熱帶水庫溫室氣體釋放通量強于同等電能輸出的火電站[10]。與其它區域水庫CH4排放通量相比,中國水庫平均CH4排放通量在全球處于較低水平,占全球水庫的2.4%～4.8%[11]。水庫的建設阻斷了各自河流原有的連續狀態,改變了水體和沉積物中的水力條件以及水環境條件等因素[12-16],進而對溫室氣體的產生和排放造成了影響。

三峽水庫是世界上最大的水電項目,亦是目前中國最大的水庫,涉及防洪防旱以及水力發電等大規模運作。庫區總庫容39.3 km3[8],全長約660 km,流域面積58000 km2。庫區分布有大小60余條支流,流域面積大于100 km2的支流有40余條[17]。此外,庫區支流河道上筑壩形成三峽庫區“庫中庫”的現象非常普遍。高水位的波動及生態調節壩的建設顯著地改變了三峽水庫,尤其是其支流的水文情勢及水環境,進而可能對庫區支流水體CH4的排放產生較為復雜的影響。目前三峽水庫CH4排放的相關研究大多是圍繞某條特定的支流或干流的某段區域開展的[18-22],而三峽水庫整體CH4排放的相關研究或綜述則更側重于庫區整體CH4等溫室氣體排放量的統計分析、評估和預測[23-27]。但對于支流眾多且存在高度的時空異質性的三峽庫區,僅對某一區域進行研究或僅對庫區內CH4的整體排放量進行分析評估是遠遠不夠的。此外,支流的生境、水動力等條件對干流的CH4排放具有潛在影響[15,17-18,21]。因此,三峽水庫支流CH4排放的研究具有重要意義。鑒于上述因素,本文基于已有的文獻和數據,闡述了三峽水庫的CH4排放情況,系統梳理并總結了三峽水庫支流CH4排放的主要影響因素,以期為三峽水庫CH4排放的控制和管理提供參考。

1 三峽水庫CH4排放情況

1.1 國內外水庫CH4排放量對比

三峽水庫是目前中國最大的水庫,于2003年開始蓄水,采取夏落冬漲的反季節蓄水方式,是一種特殊的淡水水庫生態系統。自2010年三峽水庫蓄水至最高水位(175 m)以來,三峽庫區內的支流由之前的天然河流變為水庫型河流,由于水位抬高,干流和支流水流變緩[26],水動力條件發生變化,進而影響了CH4排放。

研究表明,國內大型水庫水域CH4排放通量并不高,例如三峽水庫、密云水庫、五里峽水庫、二灘水庫等均遠低于世界水庫的平均水平[11]。其中,三峽水庫位于亞熱帶地區,是一個典型的河道型水庫,其CH4排放量與緯度較高的北方地區相當[28]。作為世界上最大的水電項目,三峽水庫CH4氣體的排放一直是國內外廣泛關注的熱點,且其反季節的運行方式,使得影響三峽水庫尤其是支流CH4排放的因素較為復雜。表1列舉了不同氣候類型下,國內外各水庫CH4排放的通量和范圍。

表1 國內外水庫CH4排放的通量和范圍Tab.1 Flux and extent of CH4 emissions from domestic and foreign reservoirs

通過對比國內外水庫CH4排放的通量和范圍可見,在全球水庫CH4排放的平均通量中,三峽水庫位于較低水平,但在國內水庫CH4排放的平均通量中,三峽水庫位于中等水平。因此,三峽水庫對我國CH4排放的貢獻存在著不可忽視的影響,具有重要的研究意義。

1.2 三峽水庫干支流CH4排放量對比

三峽水庫運行前干流和支流CH4的年均排放通量分別為(0.09±0.04)和(0.17±0.05) mg/(m2·h)[36],而運行后碳素遷移行為和環境效應的改變使水庫表面監測的CH4年均排放通量升高至(0.26±0.38) mg/(m2·h)[28]。已有研究監測了三峽水庫干流和代表性支流的CH4排放通量。表2為三峽水庫干流與香溪河、澎溪河等具有代表性的典型支流的CH4通量平均值和范圍,研究表明,自三峽水庫運行以來,典型支流(如香溪河)的CH4略微增加[37-39],且支流CH4的排放通量相對較大。盡管干流CH4的平均排放通量較低,但由于其水面面積約占整個水庫總水面面積的70%,故CH4的總排放量更大[23],而支流庫灣因營養條件豐富、甲烷氧化菌含量相對較低等原因,排放潛力更高[40]。同時,由于不同支流庫灣的生境條件、水動力條件不完全相同,支流CH4排放通量也存在顯著的時空異質性。研究表明,位于三峽水庫庫尾的部分支流CH4排放通量要高于三峽水庫庫首及庫中的支流。干流和眾多典型支流(如澎溪河、龍溪河、香溪河)的CH4通量在夏季泄水期均達到全年峰值,而在冬季高水位運行期均處于相對較低的水平[37,41]。

表2 三峽水庫干、支流CH4排放通量及范圍Tab.2 CH4 diffusion flux and extent of the main and tributary streams of the Three Gorges Reservoir

以上變化和差異可能是由于三峽水庫運行后,干流和支流之間不同的水環境條件、水動力條件、氣象條件和人類活動,對水體中沉積物、藻類、微生物等的類型、分布產生的影響不同,從而間接影響了CH4排放通量。因此,本文針對以上原因對支流CH4排放的影響因素進行了系統性的分析和討論。

2 三峽水庫支流CH4排放的影響因素

2.1 水環境條件

三峽水庫成庫以來,支流水體富營養化的加劇和藻類的演替對CH4的產匯造成了重要的影響。同時,干支流水體溫度和微生物群落多樣性的差異是促進支流CH4排放的重要因素。

2.1.1 藻類 三峽水庫支流水體富營養化導致的藻類衰亡分解會驅動CH4的釋放,同時藻類的演替過程會加劇CH4的產生。

三峽水庫眾多典型支流均存在一定程度的水華。自三峽水庫建成以來,庫區水質及生態系統發生變化[46]。部分支流區域受干流水體頂托作用的影響,形成回水區域,導致水體交換作用減小,水體流速降低,處于準靜止狀態,水力學條件以及水中營養條件均適合浮游植物的生長,為水體中浮游植物的生長創造了條件[39]。庫區支流如澎溪河、香溪河、東溪河等的部分河段均出現了不同程度的富營養化現象[19]。其中以香溪河和神農溪等為代表的典型支流頻繁出現嚴重水華[47-50]。

支流水華現象出現后,大量的藻類衰亡是影響CH4產生的一個重要因素[37,51-52]。本文將以往各典型支流研究中的葉綠素(Chl.a)和溶解性有機碳(DOC)濃度與對應的CH4排放通量進行了相關性分析[37,41-45]。Chl.a和DOC與支流CH4通量的相關系數分別為0.477和0.538,P值為0.016和0.003,結果表明三峽水庫支流水體的CH4排放與水中的Chl.a和DOC濃度呈正相關。一方面,藻類對維持水體生態系統穩定有著重要作用,藻類的正常生長階段能夠通過初級生產固定大量CO2成為水體的碳匯[53-54]。例如回水區長度較短的庫尾支流龍溪河,在水庫調度運行下其水體滯留時間呈現不穩定、劇烈變化的特點,這使得龍溪河的各環境參量均呈現顯著的季節波動變化過程,而且水域生境的不穩定,難以滿足浮游植物穩定生長的要求。在缺乏有效浮游植物光合固碳能力的前提下,進入水體的有機污染負荷增加勢必提高水柱中細菌對有機質的降解,從而導致龍溪河支流的CH4排放量高于其他支流[41]。但另一方面,這些研究多關注于藻類生活史的生長聚集階段,忽視了藻類衰亡分解以及藻源有機質(AOM)礦化等一系列生物化學過程將釋放CO2、CH4和N2O。尤其在初級生產力較高的富營養化水體中,CH4的釋放量會顯著增加[55-56]。藻類衰亡和分解會消耗水體中的溶解氧(DO),出現缺氧甚至厭氧的條件[57],提高厭氧微生物尤其是產甲烷菌的活性[58],同時藻的致密浮渣阻止了水體中的復氧過程[59]。研究表明,銅綠微囊藻的衰亡顯著增加了水體中的藻源碳素,提升了微生物產CH4代謝的底物,并為產CH4微生物創造了合適的厭氧環境,使得DOC成為影響CH4釋放的主導環境因子[60],三峽水庫典型支流CH4通量與DOC的相關性分析結果表明,CH4通量與DOC濃度呈顯著的正相關關系。此外,AOM比陸源有機質對水生系統產CH4的促進作用更為顯著[61]?？焖偎ネ鱿翧OM的迅速釋放會顯著改變藻源碳素的歸趨,有研究表明自然衰亡釋放的總碳中CH4僅占14.74%,而快速衰亡下的總碳中CH4占27.49%,且快速衰亡中氣體組分的CH4占比是自然衰亡下的1.86倍[60]。

此外,浮游植物演替也對CH4的產匯效應有重要影響[62]。在藻華衰亡過程中,不同藻類的胞外有機物含量和特征各不相同,潛在的干預著溫室氣體的產生[62-64]。長期調查表明,三峽水庫的定期運行可導致水庫及其支流中的優勢浮游植物從以河流型為主的種類(如硅藻或甲藻)向以湖泊型為主的種類(如綠藻或藍藻)演替[65-67]。與河流型藻類相比,湖泊型藻類水華衰亡對CH4的產生起著更重要的作用,研究表明,湖泊藻類相較于河流藻類會消耗更多的DO,并為水體提供更為豐富的不穩定有機質,從而為厭氧產甲烷過程提供更有利的條件[62]。三峽水庫蓄水后支流回水區(庫灣)水質明顯下降,并在部分支流庫灣出現了顯著的藻類水華現象[68-69],尤其在香溪河、神農溪、大寧河、小江等一級支流庫灣內最為嚴重[70],且藻類水華優勢種已逐漸由蓄水初期的硅藻、甲藻為主的河流型藻類向以藍藻、綠藻為主的湖泊型藻類演替[69-71]。

目前,三峽水庫支流庫灣藻華的季節演替如下:春季以硅藻和甲藻為優勢種,夏季以綠藻和藍藻為優勢種,秋季以綠藻、硅藻和甲藻為優勢種,冬季以硅藻、甲藻為優勢種[72]。蛋白核小球藻(綠藻門)和銅綠微囊藻(藍藻門)水華在衰亡的過程中,更易導致水體厭氧、還原和微堿性環境的產生,且會有更多不穩定的有機物,如蛋白質和多糖等被釋放到水中,為產甲烷菌提供可用的底物。此外,有害藍藻水華衰亡還能夠引起嚴重的生態負效應并向水體釋放大量物質如AOM和微囊藻毒素(MCs)等,從而影響城市水環境的健康與水體的碳行為[73]。在He等[74]對御臨河的研究以及Liu等[75]對香溪河的研究中均發現了MCs對水體碳行為的影響。研究表明,無毒銅綠微囊藻衰亡釋放了更多不穩定有機物,包括類蛋白物質和芳香蛋白類物質等,這為厭氧產CH4過程提供了必要的底物。而高濃度的MCs與產毒微囊藻衰亡過程中CH4的產生呈負相關,可能是由于高濃度的MCs對產CH4相關細菌的生長有抑制作用[73]。然而,盡管藻類在淡水水體中的生長衰亡過程對產CH4過程的影響已有較多的研究證據支持,但目前針對三峽水庫支流區域水華對CH4產排過程明確影響的系統性研究仍較為缺乏,是未來對三峽水庫支流CH4的研究中的一大重點。

除了藻類衰亡和分解過程對厭氧產CH4過程的貢獻,有研究者發現,藍藻還可以在磷酸鹽有氧環境中通過甲基膦酸鹽去甲基化釋放CH4,或通過光合作用同化CO2產生CH4,但作為地球上最普遍的生物群,藍藻在不同水環境中的產CH4機制不同[76-77]。此外,硅藻、隱藻、綠藻等淡水藻類[78],在水體的各種環境條件下都可以將無機碳轉化為CH4,然而三峽水庫支流流域有關淡水藻類的產CH4途徑尚不明確,仍有待進一步研究。

2.1.2 溫度 溫度既可以直接影響CH4的生成速率和消耗速率,也可以通過對藻類的長生間接影響CH4通量。

較高的溫度環境會導致CH4在沉積物表面及支流水體中的生成速率和氧化速率提高,從而對CH4通量造成直接影響。本文將以往研究中各典型支流水溫與CH4排放通量的相關性分析進行了匯總,表3為三峽水庫典型支流水溫與CH4通量的相關性分析。研究表明,支流CH4的生成和消耗速率均與溫度有顯著的正相關關系[45,79-81]。在澎溪河支流,5和8月是CH4釋放通量較高的時期,而11和2月則是CH4通量較低的時期,且在低水位時期水溫晝夜變化對CH4通量影響明顯,驗證了水庫CH4通量產匯過程受控于溫度變化的基本認識[79]。Wang等[81]在對香溪河支流的研究中發現,其CH4的生成與消耗速率也與溫度呈顯著的正相關,尤其是CH4的氧化速率與溫度相關系數甚至可以達到0.94,可見水溫是影響CH4通量的重要因素之一。且在高溫下CH4氧化速率的增加大于CH4生成速率的增加[81-82]。水溫的升高可以大大提高CH4的氧化速率,這尤其在深層水庫的CH4通量中占主導地位[37]。在夏季水溫最高時,氧化速率最高[83]。在香溪河支流中表層沉積物CH4的氧化量占總產量的51.8%,在35℃時甚至達到77.4%[81]。但在實際觀測條件下,CH4通量除受溫度影響外,還受到水深、水體中溶解的CH4濃度等因素的影響。盡管在溫度較高的夏季CH4在水體中的氧化速率升高,但夏季支流的水位相對較低,故CH4從沉積物遷移到大氣中的路徑較短,其在水體中的氧化和消耗時間更短,研究表明,深層沉積物中產生的CH4有51%～81%在水體中被氧化[59]。這可能是導致在實際觀測中夏季CH4排放量仍然普遍高于冬季的原因之一。

表3 三峽水庫典型支流水溫與CH4通量的相關系數Tab.3 Correlation coefficient of water temperature and methane flux of typical tributaries of Three Gorges Reservoir

溫度的升高還會促進藻類的生長,從而間接影響CH4排放。隨著氣候變暖,全球平均氣溫的升高已被證明會通過礦化作用刺激沉積物中營養物質的釋放,從而加劇淡水的富營養化[84],且在溫度較高的環境(如熱帶湖泊)更有利于藻類的大量繁殖,產生更多CH4[77]。藍藻門的嗜高溫特性使其一般在夏秋季節大量繁殖[85],但也有研究發現三峽庫區部分河段的藍細菌門在春季和冬季濃度最高,推測其原因與三峽水庫反季節的調度運行方式有一定的關系[86]。由于春季排水速度快,夏季洪水脈沖頻繁,春季和夏季三峽水庫的水文動態變化非常劇烈,因此可溶性碳在CH4生成過程中的停留時間較短[28]。而在冬季,地下水位較高,且波動較小,有利于藻類增殖,因此有更多的底物支持CH4的產生[87]。

2.1.3 微生物 三峽水庫CH4排放的主要來源是底部缺氧狀態下沉積物中有機物的分解[18,79,83]。尤其是在溫度較高的夏季,相關微生物活性增強,會導致沉積物中有機質分解作用進一步增強[19]。其中,產甲烷菌和甲烷氧化菌作為影響CH4產排放的主要微生物在三峽水庫干支流中大量存在[52],典型支流中與CH4產排相關的微生物菌群及其與CH4通量的相關性如表4所示,以unclassified_p_Euryarchaeota和norank_c_environmental_samples為代表的產甲烷菌與CH4通量呈正相關關系,以Methylosarcina和Methylobacter為代表的甲烷氧化菌與CH4通量呈顯著負相關,這與其在支流水體中的分布結果一致[19]。在蓄水期干流和支流的微生物多樣性沒有顯著差異,具有低溫生存優勢的Ⅱ型甲烷氧化菌在三峽庫區水體中大量存在;而在蓄水結束前(3月)和泄水期三峽庫區微生物群落多樣性有著顯著的空間差異,干流原核生物群落的平均α多樣性指數高于支流,大部分優勢原核生物(占所有預測官能團的0.05%～53.1%)參與碳循環(如甲基營養菌和光能自養菌),這可能是因為水位變化導致大量來自周圍土壤的I型甲烷氧化菌被輸入并穩定生長于水庫中[46]。研究表明,部分支流沉積物中的甲烷氧化菌相比于干流含量較低[19],而通過微生物氧化在水體中損失的CH4的比例遠高于排放到大氣中的CH4的比例[83],因此支流氧化CH4的能力相比于干流較弱,這可能是導致支流CH4通量較高的原因之一。

表4 三峽水庫典型支流CH4相關菌群與CH4通量的相關性[19]Tab.4 Correlation between methane-associated flora and methane flux in typical tributaries of the Three Gorges Reservoir

此外,雨季細菌通常比旱季更豐富,因為雨季水溫較高更有利于細菌生長,且雨季會有更多的微生物進入水體[88]。彭興意等[19]研究發現,某未分類屬產甲烷菌unclassified_p_Euryarchaeota的豐度變化在干、支流出現差異,原因可能是受干、支流的環境差異影響。因8月份重慶雨季來臨,降雨量大增,造成庫區上游攜帶大量微生物進入研究區域,而其中含有大量產甲烷菌unclassified_p_Euryarchaeota,從而增加了該產甲烷菌豐度,對CH4通量增加造成了影響。雨季來臨后上游洪水所攜帶的3類Ⅰ型甲烷氧化菌(unclassified_c_Gammaproteobacteria,Methylobacter,Methylosarcina)較少,導致在干流點位的該甲烷氧化菌豐度減少。又由于回水頂托現象,干流江水倒灌進支流點位,使得支流點位的該甲烷氧化菌豐度略微減少,從而對CH4通量造成一定影響。在康斯坦茨湖[89]以及我國濕地[90]的相關研究均證明,Ⅰ型甲烷氧化菌主導著我國湖泊沉積物中的CH4氧化過程,對CH4通量有著顯著的影響。

CH4的生成不僅僅依靠賦存于沉積物及水體中的產甲烷菌和甲烷氧化菌,還可能來自有氧環境中其他微生物的代謝作用[91]。Lenhart等[92]首次證明了真菌可以在有氧條件下,以甲硫氨酸為前體產生CH4,具體產生量取決于代謝底物和真菌種類。而在以往的研究中曾發現,真菌群落在三峽水庫支流藻類大量生長后的相對豐度與日俱增[93]。此外,紫色非硫細菌作為一種常見于淡水水體的光能異養型細菌在全球碳循環中也起著關鍵作用,其可以在有氧條件下通過固氮酶將CO2還原為CH4[77]。這些微生物可能成為三峽水庫干支流CH4排放的重要途徑之一,但目前大多數研究僅聚焦于水環境因素及厭氧產CH4過程對CH4通量的影響,而好氧產CH4過程對三峽水庫干支流CH4通量的影響還缺乏有力的證據。

2.2 水動力條件

三峽水庫在不同的運行期,支流的水動力條件存在較大的差異,因此對CH4的產生和傳輸過程有著不同的影響。同時,由水庫運行導致的水動力條件變化還會影響支流的水溫分層、藻類生長和有機物分布,進而對CH4通量造成間接影響。

2.2.1 水位 三峽水庫采用冬蓄夏排的反季節運行方式。在“蓄清排渾”的水庫調度運行方案下,水庫每年2-5月為泄水期,6-9月水庫在低水位運行,10月至次年1月為高水位運行。這樣反季節性的水位漲落過程在很大程度上影響著水-氣界面碳源氣體的釋放[51, 94]。水庫蓄水運行后,其人控調度方案對庫區支流的水動力條件有較為明顯的影響,支流水位波動對CH4冒泡和CH4氧化有著直接影響[19]。

支流沉積物中形成的CH4主要通過擴散遷移和冒泡的方式進入上覆水體,在此過程中水深是調節水體向大氣排放CH4的關鍵因子,在深度較大的高水位時期,CH4主要以擴散的方式進行釋放,而在深度較小的低水位時期,CH4主要以冒泡的方式進行釋放[18, 83]。研究表明,CH4排放通量與水位呈顯著負相關[83],低水位更有利于CH4的傳輸,減少了CH4在運輸過程中的氧化[37]。有對澎溪河支流的研究表明,入汛前水位在該時期已經降至145 m最低水位,靜水壓力減少有利于底部積累的氣泡集中釋放[95]。在7月主汛期,水體流動劇烈,庫灣水位陡漲陡落,且壩前水位越低,流速越大,離干流距離越遠,流速變化幅度越大[96]。故盡管7月水溫進一步升高,但水文水動力特征可能不利于氣泡形成并釋放。而進入8月伏旱期后,徑流量下降為氣泡釋放創造了穩定的緩流環境,水體中再次形成大量氣泡并釋放出水面[95]。盡管夏季沉積物上方水位變化快,相關的靜水壓力波動強,產生的CH4氣泡可能會溶解到水中[37],導致溶解的CH4濃度和氧化活性較高,但由于水位低,CH4到達大氣的速度比其他季節更快,故CH4的總消耗率是最低的。盡管在秋季溶解CH4濃度和氧化活性較低,但由于水位高,水體中CH4在傳輸過程的消耗量大,排放到大氣中的CH4就相對較少[83]。在Xiao等[37]對香溪河的CH4通量進行研究發現,CH4最大月通量出現在6月,對應最低水位,且水位的持續大幅下降導致CH4在6月的擴散通量比接下來9個月的平均通量高33倍。這再次驗證了水庫運行導致的支流的水動力條件變化對CH4通量有著直接影響,即低水位導致的低靜水壓力減少了CH4在水體中的消耗,更有利于CH4擴散到大氣中。

2.2.2 流速 三峽水庫運行導致的水動力條件變化還會影響支流水體的流速、溫度分層、藻類生長和有機物分布等因素,從而對支流CH4通量造成間接影響。三峽水庫蓄水期間,壩前干流平均流速由2 m/s降至0.17 m/s[97]。受干流水體的回水頂托的影響,支流上游來水的沖擊得以減緩,使得部分支流庫灣水流緩慢,流速基本小于0.05 m/s[98],促進了懸浮物的沉積,通過筑壩捕獲的沉積物和相關的碳可以礦化為CO2和CH4,導致上游沉積物中的CH4含量高于下游[19,99],水-氣界面上游CH4擴散通量高于下游,這與沉積物中TOC和CH4的變化趨勢一致[34],但與此同時蓄水期水深的增加也會促進CH4在釋放過程中的氧化,這在一定程度上減少了因污染負荷增加而導致的CH4排放的增量[23]。泄水期間,盡管由于CH4在向水面傳輸時存在氧化過程,但三峽水庫支流下游水位的大幅波動仍是潛在的CH4排放源[21],在部分回水區極短庫尾支流,水體流速的急劇變化可能會導致CH4在水體中的傳輸速率增加[41]。此外,陸源有機碳已被認為是河流顆粒有機碳的主要來源,而嚴重的土壤侵蝕已被認為是沉積物來源的主要部分[100-101]。泄水期間水位周期性大幅波動導致兩岸河岸帶土壤侵蝕,會使更多的有機質進入河床,下游沉積物中TOC急劇增加[18]。與此同時,Huang等[45]認為,泄水期可能會減少變動回水區的水力停留時間,且主干流的入侵會增加水柱中的湍流混合[102]。這就降低了變動回水區在低水位時期形成溫度分層的可能性,從而破壞適合藻類生長的穩定環境,最終抑制藻類生長[103],這可能會導致CH4排放量在一定程度上的減少。在水位較高且波動較小的冬季,更有利于浮游植物的生長,因此有更多的底物支持CH4的產生[88]。但與此同時,高水位運行期間上覆水DO濃度比低水位運行期間更高,這可能會在一定程度上抑制CH4的產生,進而降低庫底CH4濃度[20]。

2.2.3 溫度分層 干支流溫度差引起的溫度分層現象也是加劇藻類水華、促進CH4排放的重要因素之一。目前三峽水庫壩前并未呈現出明顯的溫度分層現象,但現有研究發現部分支流存在不同程度的溫度分層[23]。由于三峽水庫干流、支流及上游來流的水體密度差和溫差導致三峽水庫蓄水后支流庫灣普遍存在分層異重流現象[104]。長江干流水體在冬季、春夏季、秋季分別通過底層、中層和表層倒灌入支流庫灣[105],這說明在不同季節,三峽水庫各支流庫灣的分層現象具有普遍性[72]。圖1為三峽水庫支流常見的兩種水溫分層模式和分層結構與水華間的關系。分層異重流驅動下的混合層(Zm)與臨界層(ZCr)的關系是決定水華生消的關鍵[72]。一方面分層異重流強迫支流庫灣水體分層,驅動三峽水庫支流庫灣藻類暴發[106];另一方面,倒灌異重流持續攜帶干流營養鹽對庫灣水體進行補給,豐富了庫灣水體中藻類可利用的營養鹽[72]。例如Jin等[107]對香溪河進行研究發現,香溪河支流夏季水體分層強烈,且河流溫度分層強度從下游到上游逐漸增強。下游溫度分層較弱,Chl.a濃度也相應偏低,這可能是長江與香溪河水體交換頻繁所致。溫度分層現象會導致支流水體水華現象的加劇[106],從而使CH4排放通量增大。

圖1 三峽水庫支流雙斜棍型(a)及半U型(b)水溫分層模式[72]和分層結構與水華間的關系(c)[106]Fig.1 Water temperature stratification pattern of tributaries of the Three Gorges Reservoir with double inclined stick type (a) and semi-U type (b) [72] and relationship between water temperature stratification and blooms (c) [106]

2.3 人類活動

隨著人類活動影響的加劇,三峽水庫支流水體的水環境特性發生了顯著的變化。其中以三峽水庫支流土地利用變化為主的人類活動是導致支流水體富營養化加劇、CH4排放量增大的一個重要原因。三峽水庫建設前后10年內,共有6118.563 km2的土地利用類型發生變化,占整個庫區土地覆蓋面積的10.48%。其中,耕地面積減少,而林地、草地和水庫面積逐漸增加,建設用地面積迅速擴展。耕地面積減少的主要原因是退耕還林工程的實施,但在10年的變化中退耕的土地仍非常有限,其中坡度在25°以上的耕地中55%為坡面耕地,松散的表層易誘發土壤侵蝕,形成庫區一定程度的面源污染[108]。三峽水庫支流庫灣在低水位運行時期,消落帶落干期與作物生長期重疊,且由于坡度平緩、土壤肥力較高,常被近岸農民開墾利用,然而這種土地利用方式可能會對支流水環境造成影響。研究表明,各土地類型的甲烷氧化速率一般為:森林>退耕還林土地>草地>耕地[5]。農業耕作對土壤的物理干擾可以大大減少土壤甲烷的氧化,這可能是由于不利的營養條件或農藥、化肥等擾亂了土壤的理化性質及甲烷氧化菌的生理和群落結構,從而導致甲烷氧化菌多樣性的減少,使得CH4氧化速率降低[5,109]。此外,在淹水條件下,農藥、化肥及作物殘體攜帶的污染物浸出后釋放進入水體,將增加水質惡化風險,并提高在周期性水位波動下CH4的產生潛力[110-111]。尤其是在污染負荷水平、淹沒陸域土壤有機質(SOM)、土壤全氮(STN)等指標較高的庫尾支流龍溪河,水庫運行導致其流域年均輸沙模數達2939.0 t/km2,水體的有機污染負荷增加提高了水體中細菌對有機質的降解,從而導致CH4產生潛力相較于其他支流更高[41]。消落帶占三峽水庫表面積的1/3以上,消落帶的總CH4排放量占三峽水庫表面總排放量的42%～54%[112]。研究表明,消落帶農業耕作將加劇氮、磷流失風險,化肥投入量大,但作物利用效率低,是形成污染的主要原因[110]。當土壤氮、磷盈余時,可能提高土壤肥力,但也常以徑流、淋溶等方式進入水體,危害水環境[113],且不同的支流環境下不同耕地利用類型的氮、磷盈余負荷量也有較大差異,其對水環境的潛在威脅也各不相同。與棄耕地相比,農耕地作物的覆蓋度相對較低,受到翻耕等物理干擾,會加速消落帶土壤的營養物流失[114],這可能會進一步導致支流水體富營養化的加劇,并最終導致CH4排放通量的增加。

三峽水庫支流筑壩作為土地利用類型之一改變了河流的水力條件,并抑制了有機物的傳輸,增加了水體中的產CH4底物,促進了CH4的產生。一般來說,水庫建設導致的CH4排放通量增加主要是來自有機物的分解[117]。筑壩對顆粒有機碳(POC)在河流中的遷移和歸宿有著顯著的影響,陸源POC的輸入會受到水庫調度運行引起的水位變化和流量調節的影響[117],水位的周期性波動會導致兩岸河岸帶土壤侵蝕,從而使更多的有機質進入河床[19],且強烈的水位波動會引發滑坡和泥石流,增加水體中的自源和陸源POC[118-120],為CH4的產生提供更多底物。同時,筑壩使從河流到水庫的流速降低,水力停留時間增加,減少了POC的傳輸,將上游流域的陸源有機碳收集到水庫底部,促使水庫底部缺氧生境的形成,為CH4的產生創造了條件[121]。此外,有研究表明,不同于蓄水期,泄水穩定期支流沉積物產生的CH4主要通過冒泡釋放的方式排放至大氣環境,占總釋放量的比例達99.5%以上,支流生態調節壩的攔截蓄水作用導致其上游水位較高[21],下游水位落差大,水深較淺,故CH4冒泡通量較大,下游的CH4通量明顯高于上游,導致下游成為CH4排放的一個周期性熱點[18]。

由此可見,在三峽庫區蓄水和泄水期間,因支流的生態調節壩對水體及其生源物質的攔截作用,其上下游河段的水文條件和生境特性產生了較大差異,對河流沉積物中CH4的產生、釋放等產排全過程均有顯著影響。

2.4 氣象條件

氣象條件也是影響三峽水庫支流CH4排放通量的關鍵因素之一,主要通過降雨對CH4通量造成間接影響。降雨會攜帶更多的營養物質進入支流,并同時對水體產生一定的擾動,破壞水體的溫度分層,從而對CH4通量造成影響。

降雨導致的水體營養物濃度增加為CH4的產生提供了更多底物。研究表明,降雨量增加會進一步導致徑流的增加,由于周圍土地和三峽水庫支流的大量進水,從而使更多的營養物質從陸地輸入水體;而在部分旱季,降雨量的減少和較低的流入、流出速率會產生更高的稀釋效應[88],但同時強蒸發作用的增強會對稀釋產生一定程度的削弱[122-123]。降雨事件帶來的這些變化最終會加劇水體富營養化,在三峽水庫的主要支流中,近30%受到了嚴重污染[88]。在三峽水庫支流,雨水和地表徑流帶入河流的SOM在河流中的分解,是其CH4的排放源之一[19]。

降雨向水體帶入營養物質的同時,也會對支流水體產生擾動,進而影響CH4在水體中的傳輸過程。雨季洪水的沖刷導致更多的泥沙從周圍土地進入三峽水庫,會造成支流水體濁度的增加和光利用率的減少,高水平的濁度可以抑制浮游植物和微生物的生長,從而對CH4排放過程產生影響。此外,Huang等[45]通過對三峽水庫澎溪河庫灣的研究發現,庫灣CH4排放高值出現在泄水期及低水位運行初期,推斷夏季頻繁的暴雨洪水對水溫分層的破壞導致排放量的增加。紀道斌等[124]的監測結果表明,在強降雨時期,暴雨產生的上游低溫洪水可以導致支流庫灣上游段表底層溫差驟降高達6℃,庫灣中游監測平臺斷面底部約10 m深度水層上下溫差降幅達2～3℃,反映出底部來流對分層水體的明顯擾動,為底部高濃度CH4的向上遷移提供了條件。由此可見,降雨徑流事件能夠通過對水體的擾動對庫灣CH4釋放產生影響,但影響程度與降雨徑流量級相關[125]。

3 結論

三峽水庫支流CH4排放的通量相比于干流較大,對三峽庫區CH4排放通量有著重要的影響。支流CH4排放通量存在顯著的時空異質性,位于三峽水庫庫尾的部分支流CH4排放通量要高于三峽水庫庫首及庫中的支流。在眾多典型支流中,大多數支流的CH4通量在夏季均達到全年峰值,而在冬季高水位運行期均處于相對較低的水平。本文系統梳理了影響三峽水庫支流CH4排放通量的因素,主要包括水環境條件、水動力條件、人類活動和氣象條件4個方面的影響。

1)水環境條件中水華、溫度和微生物是影響支流CH4通量的關鍵因素。支流水華后藻類衰亡分解過程會驅動CH4釋放,且藻類的演替過程會加劇CH4的產生;溫度可以直接影響CH4的生成速率和消耗速率,也能通過促進藻的生長間接影響CH4排放;三峽水庫干支流微生物群落多樣性存在顯著的空間差異,支流水體中的甲烷氧化菌相較于干流豐度較低是支流CH4通量較高的原因之一。

2)水動力條件主要通過水位、流速和溫度分層對支流CH4通量造成影響。蓄水期CH4主要以擴散的方式進行釋放,支流較低的流速促進了懸浮物的沉積,上游沉積物中的CH4含量高于下游;泄水期CH4主要以冒泡的方式進行釋放,下游沉積物中TOC急劇增加,但干流的入侵會削弱支流的溫度分層,破壞藻類生長環境,間接影響CH4通量。

3)人類活動加劇導致的土地利用變化改變了支流水體的水環境特性,促進了CH4的產生。農業耕作使支流水體中的營養物濃度增加,甲烷氧化菌的豐富度降低,細菌群落的營養相關代謝增強;建設用地擴大、支流筑壩增加抑制了有機物的傳輸,增加了水體中的產CH4底物,促進了CH4的產生。

4)氣象條件中降雨是影響支流CH4通量的關鍵因素。降雨會攜帶更多營養物質進入支流,同時會增加水體濁度、破壞水體的溫度分層,從而對CH4的產生和傳輸過程造成影響。

4 展望

三峽水庫作為我國最大的水電項目,涵蓋的支流眾多,具有高度的時空異質性。作為典型的淡水水庫生態系統,三峽水庫支流CH4排放的研究工作對我國水庫碳循環和碳通量方面的研究有著重要的參考意義,更為解析復雜水文環境下驅動水庫支流CH4的排放效應提供了明確的參考價值。但對三峽水庫支流好氧產CH4機制、CH4產生途徑以及各因素間的耦合關系等方面仍有待深入。因此,本文從以下幾個方面對未來的研究熱點進行了分析。

4.1 深入探討三峽水庫支流的厭氧產CH4途徑對CH4通量的影響

現有關于三峽水庫支流CH4排放影響因素的研究大多側重于各因素對CH4排放通量的影響,但這些因素對CH4的產生途徑以及其中涉及的微生物生命代謝過程的研究卻極為有限。水環境條件和土地利用方式的改變可能會導致微生物的底物類型發生變化,從而導致厭氧CH4生化代謝途徑的轉變,例如耕地面積減少、污染負荷增加的情況下,CH4產生途徑可能以CO2還原型/乙酸營養型為主,農業耕作增多、支流藻類暴發后,藻類釋放甲基營養型物質,可能會導致乙酸營養型產甲烷的比例上升。不同的CH4產排途徑和碳源利用類型對碳循環過程及CH4通量存在潛在的間接影響。因此,三峽水庫支流CH4的產生途徑對CH4通量的影響有待進一步深化,是今后研究三峽水庫支流CH4排放影響因素需要補充的重要內容。

4.2 加強模型應用以深化多因素驅動下的耦合效應和預測分析

三峽水庫典型的“蓄清排渾”調度運行模式形成了復雜的水文水動力環境,高度的時空異質性仍然是三峽水庫支流CH4通量分析和預測的難點。由于三峽水庫面積大、分布廣,涵蓋的支流眾多,因此在不同的條件下各因素對CH4排放產生的影響效應不同,且各因素在影響CH4通量的同時,彼此之間也存在著復雜的交叉影響。然而,目前的工作并沒有足夠的科學方法以厘清多因素驅動下的耦合效應,進而導致CH4通量難以實現長遠的趨勢預測。故揭示多因子的復合效應是進一步完善復雜水文環境下三峽水庫支流CH4排放效應及預測分析的重要研究方向。在未來的研究中,除了對各因素進行針對性研究,還需要利用模型方法對各因素的耦合關系及其對CH4通量的影響進行分析,以更好地實現三峽水庫支流CH4排放通量的長期預測。

4.3 深入開展三峽水庫支流CH4在好氧條件下產排機制的研究

三峽水庫支流CH4排放通量及影響因素目前已得到了較為廣泛的研究,然而目前的研究普遍聚焦于厭氧產CH4機制。盡管近年來好氧產CH4機制已取得了一定的研究進展,例如藍細菌、藻類、真菌、紫色非硫細菌和隱花植物等均可以在有氧條件下產生CH4[76],但目前對好氧CH4產生過程的研究僅限于少數幾個湖泊和河流,對于三峽水庫支流水體微生物和藻類的好氧產CH4過程迄今更是鮮有報道,這成為了三峽水庫現有調度模式下產CH4機制仍不明晰的關鍵制約因素。不同的水環境條件具有不同的產CH4功能微生物及不同的CH4形成機制和途徑,因此開展三峽水庫各流域藻類、微生物等好氧產CH4機制的研究有助于進一步明確CH4在支流水體中的多介質環境行為,對三峽水庫CH4排放的控制和管理具有重要意義。

4.4 建立長期監測系統以加強支流CH4在不同層面的定量分析

三峽水庫作為我國研究CH4排放的代表性案例之一,其CH4通量的監測已得到了一定程度的開展,對我國水庫碳循環方面的研究有著重要的參考價值。但目前各典型支流的監測方法和數據仍有待進一步完善,尤其是不同斷面的剖面濃度特征及分析較為缺乏,進而導致CH4通量與水環境因子間的關系難以實現深入的定量分析。為了更準確地監測三峽水庫支流的CH4排放通量,需要建立高度成熟的長期監測系統,并以此對不同的CH4排放途徑進行動態監測,包括CH4在水體不同深度的濃度變化、不同運行時期各支流水-氣界面CH4的擴散/冒泡通量等,從而更好地從定量的角度揭示三峽水庫干支流在不同層面及不同區域的CH4排放情況。