城市浅水河流冬夏季温室气体日变化及影响因素

为理解城市浅水河流温室气体的日变化特征及其与环境因素之间的相互关系,以求索溪为研究对象,分别在冬季和夏季采用静态通量箱法连续24h测定水-气界面CH_4和CO_2通量,并结合环境因素进行分析.结果表明,无论冬季还是夏季,求索溪都是吸收CO_2的汇、释放CH_4的源.两季水-气界面CO_2日平均扩散通量无显著差异,但因温度、水体pH值等影响,夏季有显著的日变化.夏季水-气界面CH_4日平均扩散通量显著高于冬季,这跟温度、湿度等因素有关.此外,夏季求索溪多以冒泡形式随机释放CH_4气体.夏季温度、湿度等因子日变化显著,因而估算夏季水体水-气界面日平均扩散通量,24h的连续测定是很必要的.     

沼泽湿地不同水文条件的CH4 、N2 O浓度观测①

为观察水文对湿地植被CH_4、N_2O排放通量的影响,在三江平原沼泽湿地展开试验。选取自然湿地的湿润、季节性积水、常年积水3块试验区,观测近地面大气中CH_4、N_2O排放浓度,总结不同水文状态沼泽湿地CH_4、N_2O浓度变化规律,并计算CH_4、N_2O平均气体浓度,旨在为温室气体的减排措施提供参考依据。     

城市河岸带绿地N2O和CH4排放对硝态氮输入的短期响应研究

为了探讨氮输入对城市河岸带绿地温室气体N_2O和CH_4短期排放的影响,采用静态箱-气相色谱法系统测定了不同季节上海市典型城市河岸绿化带草地输入硝酸盐(NO_3~-)后N_2O和CH_4排放通量的短期(3-5d)时间变化特征,并同时测定了气温、光照强度、不同深度地温和土壤的理化性质.结果表明,NO_3~-的输入在短期内可以显著增加春夏秋季N_2O、春夏季CH_4的排放通量,而在其他季节变化不明显;季节是影响N_2O和CH_4排放的主要因素,NO_3~-输入对N_2O排放具有显著影响且可以降低季节影响强度的显著性.在无NO_3~-输入的情况下,N_2O的排放通量和气温、地温相关性不显著,但随着输入量的增加,相关性程度逐渐增强;而CH_4在较低NO_3~-输入量(<3.18g N·m~(-2))下其排放通量和地温不具有显著相关关系(P>0.05),而在较高输入量下,则具有显著的正相关关系(P <0.05),说明NO_3~-输入后短期内地温是影响河岸带绿地温室气体产生的重要的季节性因子,因此探讨氮输入对湿地温室气体排放的影响应考虑其时间变异性.     

天气状况对富营养化池塘水-气界面冬季二氧化碳通量的影响

为揭示富营养化浅水池塘冬季不同天气状况的昼夜性温室气体通量特征,利用静态浮箱法连续7d监测了宜昌市富营养化池塘冬季水-气界面昼夜性CO_2通量,7d内的天气状况各异,包括晴天、阴天和雨天,能较好的代表冬季池塘通量特征.观测点在7d内的平均CO_2通量为7.09mg·m~(-2)·h~(-1);单日CO_2通量最大为11.26mg·m~(-2)·h~(-1),最小为-3.20mg·m~(-2)·h~(-1).阴雨天CO_2的排放通量为9.76mg·m~(-2)·h~(-1),约是晴天的两倍,且全天CO_2均呈向大气排放状态.晴天时CO_2通量在冬季表现为极弱的排放,3d平均通量约为3.76mg·m~(-2)·h~(-1),白天水体表现为CO_2的汇.在观测期间内CO_2扩散通量昼夜性变化明显,晴天时扩散通量与水温、叶绿素、溶解氧、pH呈显著负相关,与气压呈正相关,水体中的藻类等浮游植物在晴天的光合作用强度大于呼吸作用,导致在白天(10:00~18:00)池塘表现为吸收大气中的CO_2.阴雨天气通量与气温、水温呈负相关,与溶解氧、叶绿素、风速、气压呈显著正相关.不同的天气状况下环境因子昼夜性变化,导致了气体通量的昼夜性变化特征.     

温室气体及常用研究方法

温室气体是指大气中能够引起温室效应的气体成分,主要包括水汽、CO_2、CH_4、N_2O以及由人类活动产生的氟利昂或氯氟烃类化合物(CFCs)、氢代氯氟烃累化合物(HCFCs)、氢氟碳化合物(HFCs)、全氟碳化合物(PFCs)、六氟化硫(SF6)等物质。近几十年来人类活动对CO_2、CH_4、N_2O的影响较大,导致其浓度不断升高,被认为是最重要的三种温室气体。主要介绍了大气中三种最重要的温室气体和常用研究方法,以及各种方法的优缺点,以期为今后温室气体研究提供参考。     

城市水体CO_2和CH_4通量监测的静态箱法与薄边界层模型估算法比较

以城市河流为研究对象,分别运用静态箱法(floating static chamber,FSC)和薄边界层法(the boundary layer equation,BLE)测定并比较研究在低风速下水-气界面24 h内昼夜甲烷(CH_4)和二氧化碳(CO_2)通量变化.结果表明,BLE法计算得出水-气界面的通量要明显高于FSC法测定计算结果.两种方法计算出来水-气界面CO_2通量有较强线性正相关,但两种方法计算的CH_4通量之间无显著的相关;表明影响这两种方法进行估算CH_4和CO_2通量的参数有一定的差异.     

森林土壤温室气体通量对森林管理和全球大气变化的响应

森林土壤是温室气体重要的源和汇。探讨不同森林管理和全球大气变化下土壤温室气体通量特征,为有效减少温室气体排放及森林可持续管理等提供参考。笔者从森林土壤温室气体(forest soil green house gases)、森林管理(forest mangement)和全球大气变化(global atmospheric change)3个关键研究点,查阅近年来相关研究成果,归纳森林管理和全球大气变化下土壤温室气体通量的一般性模式。CO₂、CH₄和N₂O是3种重要温室气体,其通量间存在协同、消长和随机型耦合关系。森林管理如火烧、采伐和造林等显著影响土壤温室气体通量。一般情况下,火烧导致土壤N₂O通量降低,CH₄吸收量增加,CO₂通量因火烧类型、火烧强度、生态系统类型不同出现增加、减低和无影响3种结果; 采伐通常导致土壤CO₂、CH₄和N₂O排放增加; 造林可使土壤CO₂排放减少,对N₂O和CH₄通量的影响随生态系统类型、造林树种等而改变。全球大气变化如CO₂浓度升高、氮沉降和气温升高影响森林土壤温室气体通量。通常,CO₂浓度升高导致土壤CO₂和N₂O排放量增加,CH₄吸收量降低; 氮沉降促进土壤N₂O排放、抑制CH₄吸收。气温升高导致土壤CO₂和N₂O排放增加。森林管理和全球大气变化对土壤温室气体通量的综合影响是非叠加的,有效的森林管理可能改变土壤温室气体通量对全球大气变化的响应。     

不同土地利用类型土壤温室气体排放对温湿度的响应

针对我国南方红壤(江西鹰潭孙家坝小流域)4种不同土地利用类型,在2019年6—10月开展了室内土壤温湿度控制实验,采用温室气体分析仪(Picarro-G2508)结合静态箱法对土壤温室气体(CO_2、CH_4、N_2O)排放通量进行同步实时监测,以研究全球气候变化背景下不同土地利用类型土壤温室气体排放差异及其对温湿度的响应.结果显示,4种土地利用类型土壤的全球增温潜势(global warming potential,GWP)从高到低依次为稻田、橘园、林地、旱地,表明稻田土壤温室气体排放对全球变暖贡献最大.温控实验中,土壤呼吸(CO_2排放)与土壤温度呈显著正指数相关关系(p0.01),且4种土地利用类型土壤呼吸的温度敏感系数Q_(10)值分别为林地2.61、旱地2.51、橘园3.12、稻田3.17.其中,稻田土壤呼吸的温度敏感度最高,表明稻田土壤具有较高的CO_2排放潜力,而CH_4、N_2O排放与土壤温度的相关性不显著.湿度控制实验中,土壤CO_2排放随土壤湿度增加而先升高后降低,并在土壤湿度20%GWC (gravity water content)时达到最大;稻田土壤CH_4排放与土壤湿度正相关(R~2=0.887 5),但其他3种土地利用类型土壤CH_4排放与土壤湿度不相关;4种土地利用类型土壤N_2O排放通量均随土壤湿度的增加呈先增后减趋势,并在土壤湿度为25%GWC时达到峰值.     

三峡水库不同运行工况下中段干流碳源气体释放通量研究

来自陆地大量有机碳源的输入,以及三峡库区调度运行和筑坝蓄水导致CO_2、CH_4等碳源气体的排放成为近来关注的热点。以三峡库区干流中段为研究对象,于2017年8月—2018年11月对忠县(ZX),万州(WZ),涪陵(FL)进行每月采样分析,探求水-气界面CO_2、CH_4通量在水库不同运行工况下的变化特征。研究发现,在观测期间内,ZX采样点CO_2浓度在0.008 6～0.115 3 mmol/L波动,WZ采样点CO_2浓度在0.003 5～0.116 8 mmol/L波动,FL采样点0.006 3～0.098 6 mmol/L,整体上3个采样点的CO_2浓度变化趋于一致,都在库区泄水期运行4—5月CO_2浓度达到峰值,在低水位运行期的6—9月降到最低值。CH_4通量在水库低水位运行期表现为"汇",FL点位在泄水期达到"源"的最大值;3个采样点的CO_2通量在泄水期均表现为"源"的特征,低水位运行期的CO_2通量表现为"源"与"汇"的转换。通过与国外已有水库监测数据比较分析,CO_2扩散通量在全球水库序列中处于中等水平,CH_4扩散通量在全球水库序列中处于中等偏下水平。     

植物多样性对湿地氨挥发和温室气体排放的影响

为了综合评估植物多样性对湿地氨挥发和温室气体排放的影响,笔者调查研究了杭州西溪湿地常见物种香菇草(Hydrocotyle vulgaris)和粉绿狐尾藻(Myriophyllum aquaticum)的单种及混种系统的氨挥发、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)排放、氮浓度及植物生物量.研究结果表明:混种系统比单种系统降低了87%的氨挥发通量;混种系统比单种系统降低了67%的N2O通量;混种系统的植物生物量比单种系统增加了84%;物种特性对湿地氨挥发和温室气体排放等生态系统功能无显著影响.这些结果表明在湿地生态系统中,混种系统可以有效减少氨挥发和温室气体排放,并提升湿地的固碳能力.     

海底沉积物中甲烷的来源、消耗与释放通量

海洋是大气甲烷的重要源和汇,开展海底沉积物中甲烷的生物地球化学研究,有助于了解海底甲烷释气作用对CH_4或CO_2在海-气界面释放的贡献。本文综述了海底沉积物中甲烷的来源、消耗与转移的具体过程,以及河口、近岸沉积物-海水界面甲烷的交换通量,并对今后研究工作提出几点建议。     

MIL-101(Cr)/共聚酰亚胺混合基质CO_2/CH_4分离膜的性能表征

为了有效提高膜分离技术对CO_2/CH_4混合气的分离效果,以2-双(3,4-二羧基苯基)六氟丙烷二酐(6FDA)为二酐单体、2,4,6-三甲基-1,3-苯二胺(TMPDA)和2,6-二氨基甲苯(2,6-DAT)为二胺单体,制备新型6FDA型聚酰亚胺共聚物6FDA-TMPDA/2,6-DAT。将金属有机骨架(MOF)材料MIL-101(Cr)纳米晶体掺杂到6FDA-TMPDA/2,6-DAT中制备混合基质膜(MMMs)。考察MIL-101(Cr)纳米晶体掺杂量和操作压力对混合基质膜分离CO_2/CH_4混合气的分离性能和抗塑化性能的影响。此外,还研究了进料总逸度对混合基质膜塑化性能的影响。结果表明:在35℃、0.2 MPa下进料时,掺杂20%MIL-101(Cr)纳米晶体的混合基质膜CO_2的渗透通量和CO_2/CH_4的分离系数分别为1.29×10~(-8) cm~3·cm/(cm~2·s·kPa)和49。该混合基质膜对CO_2/CH_4的气体分离性能和抗塑化性能相比于纯6FDA-TMPDA/2,6-DAT膜有所提高,说明MIL-101(Cr)/共聚酰亚胺混合基质膜在CO_2/CH_4气体分离方面具有广泛的应用前景。     

薄边界层法与静态通量箱法估算水-气界面CH_4通量对比

采用薄边界层法与在线测量-静态通量箱法对三峡库区水-气界面温室气体甲烷(CH_4)通量进行比较,得到两种估算方法差异性.结果显示:静态通量箱法结果多数点高于薄边界层法,一般为薄边界层法的1.2~12倍;极少数点薄边界层法高于静态通量箱法.     

温室气体的主要源和汇及其地球化学过程

对主要温室气体 CO_2、CH_4的地球化学过程进行了较详细的讨论。通过讨论可知大气中 CH_4、CO_2的源分为与人类活动有关的人为源和与自然过程有关的自然源。     

不同聚集厚度藻类分解过程对温室气体释放的影响

为了明确富营养化浅水湖泊中不同聚集厚度藻类分解过程对碳、氮和磷的产生及温室气体释放的影响,本研究通过室内模拟的方法,研究了不同聚集厚度（3 cm、5 cm、10 cm、15 cm和20 cm）藻类衰亡分解过程中碳、氮和磷的迁移特征及温室气体产生的规律.结果表明,在藻类衰亡分解过程中,藻聚集厚度20 cm时水体溶解性有机碳（TOC）浓度值最高;同时,随着藻类聚集厚度的增加,各处理组中总氮（TN）、总磷（TP）和铵态氮（NH⁺₄-N）的浓度均表现出先上升后下降的趋势.气态碳以CH₄和CO₂形式排放到大气中,培养结束时,藻聚集厚度20 cm处理组中CH₄和CO₂排放通量最大,分别为58.85 mg·m^-2·h^-1和489.18 mg·m^-2·h^-1;此外,N₂O的排放通量随着藻聚集厚度的增加而增加.实验过程中,水体中NH⁺_...     

中国典型侵蚀区小流域水力侵蚀引发的CO_2通量特征

土壤水力侵蚀通过影响有机碳的合成分解过程,引发可观的CO_2吸收-排放效应.各典型水蚀区的侵蚀速率、土壤性质各不相同,其CO_2通量特征有待研究.本文收集了黑土区、紫色土区、黄土区、红壤区等中国四大典型侵蚀区中7个代表性小流域36个土壤剖面的~(137)Cs及有机碳含量数据,利用"基于参照点的CO_2通量分离方法",计算了各小流域的有机碳横向迁移通量,以及由于水蚀引发的CO_2通量.结果表明,(1)有机碳的横向迁移速率由侵蚀/淤积速率以及土壤表层含碳量共同决定,位于黄土区和红壤区的小流域有机碳流失最为严重;(2)7个小流域侵蚀区CO_2的通量范围为:-22.8~21.5g C/(m~2·a),淤积区CO_2通量范围为-31.6~54.5g C/(m~2·a);碳汇强度与欧美小流域相当,碳源强度略强;(3)位于黑土区的多数小流域以及紫色土区的小流域整体表现为碳汇;位于黄土区的小流域整体表现为强烈的碳源;位于红壤区的流域在侵蚀区表现为碳源,在淤积区表现为碳汇.其中,紫色土区小流域的固碳能力最强,79%~87%的有机碳流失可最终得到恢复;(4)针对小流域不同的CO_2通量特征,可通过合理配置水土保持措施,实现土壤侵蚀和CO_2通量的协同调控.     

Study on CO2 Emission from Newly Created Marshes of Pengxi River in the Three Gorges Reservoir

自2008年7月初至9月底,采用静态暗箱-气相色谱法观测了三峡水库澎溪河新生湿地4种植物群落的CO2排放通量。结果表明,4种植物群落CO2排放通量有明显的空间差异。藨草群落CO2排放通量最大,其值为(627.8±335.9)mg.m-2.h-1,灯芯草群落CO2排放通量最低,其值为(450.4±271.5)mg.m-2.h-1。地上生物量较大的藨草群落和双穗雀稗群落具有较大的CO2排放通量,而地上生物量较小的灯芯草群落及水烛群落CO2排放通量较小。与植物呼吸作用相关的地上生物量等生态因子有助于解释不同湿地植物群落CO2排放通量的差异。澎溪河新生湿地CO2排放通量具有典型的时间动态,即7月中旬到8月中旬之间CO2排放通量最大。水温和土壤(5 cm深度)温度与CO2排放通量显著相关(r=0.577,0.557,p<0.001),湿地地表积水和湿地土壤温度季节变化可以解释澎溪河新生湿地CO2排放通量的时间变化。     

基于遗传算法优化BP神经网络的青藏高原海北高寒湿地CO_2通量模拟及其影响因子

构建了使用潜热通量、显热通量、空气温度、总辐射、有效辐射、土壤温度、土壤体积含水量来模拟湿地生态系统CO_2排放通量的3层BP神经网络。在确定BP神经网络拓扑结构之后,使用遗传算法取得了BP神经网络训练的最优初始阈值和权值。采用2 190组青藏高原海北高寒湿地生态系统中实测CO_2通量及相应的训练数据归一化处理后,对所建立的BP神经网络进行训练和验证。验证结果显示,训练组、验证组和测试组的回归系数分别为0.942、0.935和0.938,总体回归系数为0.941,模拟值与实测值之间的均方根误差为0.92%,高寒湿地生态系统中CO_2模拟通量为1.207～13.767 g/(m~2·d),均值为6.008 g/(m~2·d)。相关性分析结果显示,青藏高原海北高寒湿地生态系统中CO_2通量与输入神经元的相关系数r表现为:土壤温度(0.77)空气温度(0.72)土壤体积含水量(0.39)潜热通量(0.30)显热通量(0.29)总辐射(0.09)有效辐射(-0.02)(P0.01)。青藏高原海北高寒湿地生态系统中CO_2通量主导因子为土壤温度和空气温度,后续建模工作中应提高这二者的权重。     

滨海湿地中溶解态CH4的通量及影响因子

以长江口滨海湿地的九段沙湿地和西沙湿地为研究区域,探究了滨海湿地水体中溶解态CH₄浓度和通量的变化过程及影响因子.采样期间,CH₄溶存浓度有显著的季节变化:九段沙秋季的CH₄平均溶存浓度最大,为(0.30±0.19)μmol·L^-1;西沙夏季的CH4平均溶存浓度最大,为(1.16±1.52)μmol·L^-1.西沙的CH₄平均溶存浓度((0.56±0.91)μmol·L^-1)高于九段沙((0.18±0.17)μmol·L^-1).通过主成分分析发现,CH₄的时空变化主要与滨海湿地的季节更替及潮汐作用有关,低温、高盐度和富氧环境都将抑制CH₄的合成.对于不同的季节和研究区域,溶解态CH₄的通量变化也有显著差异.九段沙和西沙水环境向大气扩散的CH₄通量分别在秋季((0.45±0.43) nmol·m^-2·s     

4种湿地植物对复合垂直流人工湿地N_2O排放的影响

采用静态箱-气相色谱法对4种植物(菖蒲、美人蕉、风车草和水葱)的复合垂直流人工湿地N_2O排放通量进行观测,并检测进出水总氮(TN)指标。研究结果表明:4种植物湿地TN去除率随着季节的变化趋势基本相同,先上升后波动下降,12月份和1月份达到最低,且风车草湿地TN去除率较高,为77.98%;菖蒲、水葱湿地的下行池排放通量比上行池的高,美人蕉湿地上行池排放通量比下行池的高,风车草湿地上、下行池排放量相差不大;风车草、菖蒲、美人蕉和水葱这4种植物湿地的N_2O平均排放通量分别为162.80,99.35,84.62和82.56μg/(m~2·h);复合垂直流人工湿地系统总体上表现为大气中N_2O的排放源,只有水葱湿地在12月份下半月表现为N_2O的弱吸收汇;菖蒲、美人蕉和水葱湿地的TN去除负荷与N_2O平均排放通量的比值KTN/N_2O随时间变化较大,风车草湿地K_(TN/N_2O)变化相对平缓,且较低;菖蒲、美人蕉湿地在11月份上半月以及水葱植物在12月份上半月的K_(TN/N_2O)较高,即在这些时间段内人工湿地菖蒲去除污水中相同量的TN,排放出的N_2O较少;在复合垂直流人工湿地污水处理植物选种中,菖蒲和美人蕉植物较合适。