不同聚集厚度藻类分解过程对温室气体释放的影响

严 岩,吴懿婷,周川乔,马 天,许晓光,邓 杨

(1.江苏省环境科学研究院,江苏 南京 210036)(2.南京师范大学环境学院,江苏 南京 210023)

湖泊是地球表层系统中各个圈层相互作用的联接点[1-2],对区域乃至全球尺度上的物质循环具有重要的影响[3]. 随着湖泊富营养化加剧,世界各地频繁发生藻类水华事件[4-6]. 富营养化湖泊中,藻类水华在夏季频繁爆发,并且受风向和水流等环境因子的影响,藻类大量聚集在湖湾及湖滨带. 藻类在表层水体中聚集,形成不同聚集厚度的藻类聚集层,抑制了周围水体的复氧;同时藻类聚集层下方的藻类快速衰亡,从而加快水体溶解氧的消耗,导致周围水体迅速形成缺氧状态[7]. 藻类残体沉降到水-沉积物表面,大量聚集形成丰富的藻类有机质,会对沉积物的进一步矿化产生促进或抑制作用. 这可能是由于微生物会优先利用不稳定碳源(如藻类有机质),不稳定碳源含量过高对土著微生物的生长产生抑制作用,从而使原有沉积物有机质的矿化速率降低[8-10],但是不稳定碳源含量合适则会通过微生物间的能量传递来激发土著微生物产生大量胞外酶,进一步提高沉积物的矿化速率[11-13],同时也会加速温室气体二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)在湖泊水-气界面的排放[14-15]. 近年来,已有研究表明夏季太湖竺山湾湖滨带,藻类残体聚集厚度可达数厘米以上,表层水体中藻密度可达1013cells/L[16-18],使得该区域的温室气体(CO2、CH4和N2O)排放量显著高于开阔湖区水域,并且CO2、CH4和N2O的排放量与水体碳、氮和磷的浓度存在相关性[15,19]. Xiao等[20]对太湖温室气体(CH4)排放的研究展示出水体透明度、溶解氧浓度(DO)及藻类分布等均对CH4排放有重要影响. 藻类聚集区是CO2、CH4和N2O 3种温室气体重要的潜在排放源[21],藻类的聚集衰亡对湖泊温室气体的释放产生重要影响,但是目前对于不同聚集厚度藻类分解过程中上覆水中碳、氮、磷等营养盐的浓度变化和CO2、CH4和N2O 3种温室气体的排放情况,以及二者之间的潜在联系鲜有报道.

太湖竺山湾湖滨带是藻类聚集的严重区域,湖面上生长出来的藻类随着东南风作用聚集于此,快速腐烂、分解,导致其周边水质恶化,并且迅速降低水体的DO,形成适合温室气体产生的厌氧环境. 在野外实际条件下,太湖藻类甚至可达1 m聚集厚度的藻类聚集量[19]. 本实验选取太湖竺山湾符渎港附近藻类、上覆水和沉积物作为实验材料,根据课题组前期关于藻类聚集厚度进行的相关实验研究方法[22],通过室内模拟实验,阐明不同聚集厚度的藻类对温室气体排放通量及水体碳、氮、磷的动态变化的影响,为深入研究湖滨带藻类聚集分解过程对水环境及温室气体的影响提供参考.

采样点位于太湖竺山湾符渎港附近(31°14′45.61″N,120°0′45.01″E). 于 2019 年 9 月,利用Petersen采泥器采集表层沉积物. 返回实验室后,新鲜沉积物样本被筛分(1 mm滤网),以去除植物残渣和贝壳碎片. 上覆水是收集的原位水,水样经过0.45 μm滤网过滤后,混匀,待用. 藻类样品在以微囊藻为主的表层水华中收获,使用浮游生物网(64 μm目)过筛.

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental set-up

实验在直径为20 cm、高度为200 cm的有机玻璃管中进行. 首先在容器底部放入20 cm新鲜沉积物,然后向每个有机玻璃管中缓慢加入已过滤的太湖原位水(水位达到1.5 m),最后加入藻类样品. 设定藻类样品添加厚度分别为3 cm、5 cm、10 cm、15 cm和20 cm(由于研究位点的水域无明显的水面,几乎都被藻类所覆盖,因此未设置不添加藻类的对照组). 实验开始后,分别在第1、2、3、4、5、6、8、10、12、14 d采集样品,共计10次采样. 另外,夏季太湖湖水温度被设定为30 ℃[23-25]. 实验装置示意图如图1所示.

数据作图、分析分别采用Origin 2018、SPSS 18.0软件.

2.1 水体中碳、氮、磷浓度的动态变化

图2 水体DO、ORP、TOC、TP、TN和浓度的动态变化Fig.2 Dynamic changes of DO,ORP,TOC,TP,TN and concentrations in water

2.2 CO2、CH4和N2O排放通量的动态变化

不同聚集厚度下藻类分解产生的CO2、CH4和N2O的排放通量均表现出逐渐上升的趋势. 其中各处理组CO2的排放通量在实验前8 d均处于缓慢上升阶段,第8 d后CO2的排放通量呈现快速上升的状态. 实验结束时,藻聚集厚度为3 cm、5 cm、10 cm、15 cm和20 cm的处理组,其CO2排放通量分别达到238.32 mg·m-2·h-1、259.73 mg·m-2·h-1、313.15 mg·m-2·h-1、404.03 mg·m-2·h-1和489.18 mg·m-2·h-1(图3a). 各处理组的CH4排放通量在实验初期(第1～6 d)上升速率较慢. 实验结束时,藻聚集厚度为3 cm、5 cm、10 cm、15 cm和20 cm的处理组,其CH4排放通量分别达到25.53 mg·m-2·h-1、30.62 mg·m-2·h-1、35.10 mg·m-2·h-1、38.83 mg·m-2·h-1和58.85 mg·m-2·h-1(图3b). N2O均在第10～14 d内上升速率最快. 藻聚集厚度为3 cm、5 cm、10 cm、15 cm和20 cm的处理组,其N2O排放通量在这期间分别增加1.22 mg·m-2·h-1、1.67 mg·m-2·h-1、3.22 mg·m-2·h-1、3.99 mg·m-2·h-1和4.83 mg·m-2·h-1(图3c). 藻类衰亡分解过程中,气态碳主要以CO2的形式向外界释放,其CO2最高排放通量是CH4的8倍.

图3 CO2、CH4和N2O排放通量的动态变化Fig.3 Dynamical changes of CO2,CH4 and N2O emission fluxes

2.3 水环境因子与CO2、CH4和N2O排放通量的相互关系

表1 水体理化指标与N2O、CH4和CO2排放通量的相互关系Table 1 Relationship between physical and chemical indexes of the water body and emission fluxes of N2O,CH4 and CO2

(2)富营养化浅水湖泊藻类衰亡分解过程中不仅向水体释放碳、氮、磷,还会产生温室气体(CO2、CH4和N2O)的排放,并且随着藻聚集厚度的增加而增加. 其中气态碳主要以CH4和CO2的形式排放到大气中,但该过程中有机质矿化的微生物作用有待进一步研究;

(3)富营养化浅水湖泊藻类聚集区通过定期打捞减少藻聚集厚度,不仅可以有效减少内源性营养盐的输入,而且还能够减少藻类聚集区的温室气体(CO2、CH4和N2O)排放.