重庆市河流水体氧化亚氮饱和度及排放时空格局研究

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工业革命以来大气N2O浓度持续增长,使得N2O排放问题成为全球关注的焦点问题。N2O产生于多种源,但当前较多地聚焦于农业、工业排放,对河流水体的相关研究还不多见。近几十年来,中国城市化进程不断加快,大量碳氮不断输入到河流水体,导致了水体排放加剧,但N2O在城市河流排放的时空格局及影响因素目前尚不清楚。为了探明城市化对河流水体N2O排放的影响,选择重庆市河流(流域尺度)、河网(区域尺度)为对象进行了野外取样及室内实验,对水体N2O饱和度及排放通量进行了研究,研究工作的主要结果如下:  1、河流N2O饱和度及通量的时间动态:选择分布在不同城市化区域的3条代表性河流,跳蹬河(城市区)、虎溪河(城市郊区)、二圣河(非城市区)为调查对象,对水体溶存N2O浓度与饱和度进行监测,探索不同城市化区域河流N2O浓度与饱和度的季节、年际变化。结果表明,三条河流中,跳蹬河污染最严重,虎溪河次之,二圣河没有明显污染;三条河流水体溶存N2O浓度差异显著(p<0.001),跳蹬河>虎溪河>二圣河年均浓度分别为174.6±100.6、66.4±28.0、29.2±8.5nmol·L-1,对应饱和度分别为1744±1102%、687±425%、321±190%,均处于过饱和状态,是大气N2O的重要排放源;三条河流均N2O浓度与饱和度均呈显著的季节变化,但波动规律不同:跳蹬河与虎溪河N2O浓度表现相似的季节规律,雨季(5~9月)显著低于旱季(11月~次年3月),二圣河则表现相反的季节波动,雨季高于旱季。跳蹬河与虎溪河水体N2O浓度对降雨非常敏感,降雨对水体氮的稀释作用可能其季节变化的主要驱动,而二圣河水体季节波动受到温度和降雨双重因子影响,但温度是主要决定因素;逐步多元回归分析结果表明,水温、TN、SO42-离子的季节变化对跳蹬河与虎溪河水体N2O季节波动具较高的解释度,而TN和DO在二圣河中是水体N2O季节变化的主要影响因素;跳蹬河水体N2O年际波动明显,2015年高于2016年,而虎溪河与二圣河年际变化不显著。  2、河流N2O饱和度及通量的空间格局:跳蹬河、虎溪河、二圣河水体N2O浓度、饱和度均呈明显的空间变化,且受城市化影响,不同河流空间变化规律不尽相同:跳蹬河水体N2O浓度、饱和度均表现为上游<中游<下游,虎溪河则中游>下游>上游,二圣河表现为下游最高,上游次之,中游最低;跳蹬河与虎溪河水体N2O浓度、饱和度空间变化受到流域城市化的驱动明显,城镇污水排放可能是城市河流水体N2O的主要来源,跳蹬河从上游向下游污染加剧,TN与NO3-含量增加,因此N2O浓度随之增加,虎溪河上游受污染较小,中游穿过重庆大学城区,N负荷较高,下游污染负荷相对较低;二圣河水体N2O空间变化与大部分自然河流相似,主要受到流域特征驱动。通过边界层模型估算三条河流水气界面N2O排放速率分别为604.5±367.1、204.7±104.4、71.0±42.5μmol·m-2·d-1,城市区和郊区河流是大气N2O的更强的排放源;水气界面N2O排放速率时空变化与水体N2O浓度表现一致规律,不同城市化区域河流水体N2O排放特征存在明显差异,需要进行更大尺度的研究明确其潜在的影响。  3、河网N2O饱和度及通量的时间动态:按照土地利用类型将城市区域分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ区,其中,Ⅰ区代表城市化水平最低,Ⅴ区代表城市化水平最高,选择分布在这些区域的84个代表性样点,对水体溶存N2O浓度进行监测,探索不同城市化区域河流N2O饱和度和排放的季节、年际变化。结果表明,不同季节N2O饱和度具有显著性差异,基本表现为秋季>春季>冬季>夏季,总体均值分别为2061±2337%、2017±2603%、1591±2102%、1451±1959%。N2O排放速率表现出相同的变化规律,均值分别为385±472μmol N2O m-2d-1、293±385μmol N2O m-2d-1、185±260μmol N2O m-2d-1、182±270μmol N2O m-2d-1,降雨和温度双重作用于城市河网水体N2O饱和度及通量的季节变化。  4、河网N2O饱和度及通量的空间格局:不同城市化水平下N2O饱和度表现出显著的空间变化,在远离城市核心的Ⅰ和Ⅱ地区,河流N2O平均饱和度分别为343±251%和720±1396%。Ⅲ地区的城市化水平相对较高,N2O平均饱和度高于Ⅰ、Ⅱ区,为1814±1370%。Ⅳ区N2O平均饱和度为2078±2045%,略高于Ⅲ区,但显著低于Ⅴ区(4047±3233%)。Ⅴ区异常高的N2O饱和度表明,重庆市区(Ⅴ区)核心的河流和溪流为大气N2O产生的极大来源。此外,取样点所在城镇的城市化率与N2O饱和度呈显著正相关,表明城市化可能对水生生态系统的N2O排放起到促进作用。N2O通量显示出与N2O饱和度相似的空间变异性。Ⅴ区的河流N2O排放速率最高,Ⅰ区最低。依次平均值分别为590±531μmol N2Om-2d-1、312±302μmol N2O m-2d-1、284±242μmol N2O m-2d-1、109±296μmolN2Om-2d-1、44±56μmol N2O m-2d-1。相关分析表明,N2O饱和度与TN、NO3--N和TIN浓度在不同城市化水平区域均呈正相关,与TP、DTP和PO43-之间相关关系更为显著,而与pH、DO呈现负相关关系。  5、河流地形与N2O饱和度的关系:N2O饱和度受到水文因素和河床沉积物类型的显著影响。N2O平均饱和度与水流速度和河流宽度呈正相关,人工河床、细粒沉积物(淤泥和砂)的N2O饱和度显著高于漂砾、圆石和卵石,这表明N2O的产生和积累与底部沉积物的粒径密切相关。  6、重庆市主城区N2O饱和度及排放通量:河网研究中所有84个采样点的平均N2O浓度均高于大气平衡,饱和度范围从126-10536%,平均饱和度为1780±2002%,表明重庆市区的河网水体N2O处于过饱和状态,是大气N2O的净源。初步估计显示,重庆市所有河流或溪流的N2O排放速率也有显着差异,从4.5-1566.8μmolN2O m-2d-1,相差达到了3个量级。特别是,选择的长江和嘉陵江两条高阶河流的N2O排放率为8.2mol·m-2·yr-1。初步估算重庆市主城区河网N2O排放总量为367Mg yr-1,其中,长江和嘉陵江占排放总量的38.5%,核心城市区占排放总量的24.5%。
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