太湖不同水域沉积物甲烷释放潜力及其途径分析

郭佳晨，阮爱东,2，李思言，张子怡

(1.河海大学水文水资源学院，南京 210098；2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098)

引 言

CH4是第二大温室气体，其全球变暖潜势(GWP)是CO2的25倍，对全球气候变化影响至关重要[1]。辐照强度占大气层中温室气体总辐照强度的18%，对全球热平衡也有着重要贡献[2]。且随着全球变暖，CH4对温室效应的贡献正在逐年递增[3]。大气环境中的CH4来源主要为自然源和人为源，其中，自然源占40%[4]。而湖泊是大气的重要释放源，据估计全球湖泊CH4释放量为8～48×109kg/a，为自然源CH4释放总量的6%～16%[5]。湖泊CH4主要来自沉积物中产甲烷菌的厌氧分解[6]。此外，湖泊还发挥着净化水质、维持生态平衡、促进区域经济发展等诸多重要作用[7]。因此，深入探索湖泊甲烷排放通量变化和甲烷释放途径，有助于正确评估湖泊甲烷释放和潜力大小，为人类最终有效调控湖泊甲烷释放，减少甲烷排放量提供科学基础。

太湖地处长江三角洲，是我国第三大淡水湖泊，平均水深1.89m[8]。随着周边经济发展，大量有机物的排入，再加上太湖水体自身流速缓慢、自净能力弱等原因，导致太湖水体富营养化日益严重[9]。丰富的有机质汇入为沉积物中的产甲烷菌提供了良好的环境条件，从而促进甲烷释放；此外，这也使得太湖成为了国内外学者研究的热点对象。然而目前针对太湖CH4释放的研究主要集中在水-气界面的排放通量及其季节特征[10-11]，并未对太湖CH4释放潜力和释放途径进行研究。因此，本研究以太湖不同湖区为研究对象，运用水-气界面甲烷排放通量测定和室内厌氧培养等方法，测定和分析了太湖沉积物CH4释放潜力和途径的分布特征，研究结果为太湖CH4释放及其潜力评估提供数据支撑，对太湖参与全球碳循环及响应气候变化提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

为避免夏季水华干扰，本研究以冬季(2017年12月6日)为采样时间。选取了太湖大浦、湖心、胥湖和贡湖区域为采样点，采样点位见图1。沉积物样品采用柱状采样器进行原味柱状采样，在各采样区域随机采集3个平行样。除进行水-气通量测定之外的沉积物样品柱每隔5cm进行分装，放入隔热容器冷藏运至实验室后，冷冻保存于-80℃冰箱(AA039M；Kaltis)。

图1 太湖采样点位图Fig.1 Location map of sampling points in Taihu Lake

1.2 实验方法

1.2.1 水-气界面甲烷排放通量测定

水-气界面CH4排放通量采用静态箱法采集水-气界面气体，对不同采样点的沉积物柱进行密封，隔一定时间采用一次性注射器抽取20mL气体并注入500mL气体采样袋中，带回实验室采用气相色谱GC-7890A(Agilent，美国)测定CH4浓度。检测器为氢火焰离子化检测器，载气为氮气(99.999%,南京特种气体有限公司)，温度250℃，H2流量40mL/min，空气流量400mL/min，尾吹气流量25mL/min。

1.2.2 室内培养环境的构建

Understanding the Implication of Word "Risk" in New Quality Management System……………ZHANG Xiaoyu, YANG Yaxian(1·80)

于无菌操作台上，称量1g每5cm分层的沉积物样品装入25mL已灭菌厌氧试管中，并加入1mL水样混匀。分4组，3组实验组分别加入0.1mL的HCOONa(0.01mol/L)、CH3OH(0.01mol/L)、CH3COONa(0.01mol/L)，第4组为空白对照组，加入0.1mL水样。每组设置3个平行样，然后用氮气鼓吹5min，制造厌氧环境，最后用已灭菌的硅胶塞进行密封。

1.2.3 室内培养

将构建好的培养体系放入恒温培养箱中于30℃，80rmp条件下振荡培养48h。然后用5mL一次性注射器抽取5mL气体，采用气相色谱GC-7890A(Agilent，美国)测定CH4含量。

1.2.4 理化因子测定

含水率采用烘干法测定各深度沉积物的含水率；盐度采用土壤水分电导温度测量仪测定；总有机碳采用550℃烧失量法测定沉积物总有机质含量。

1.3 数据分析

运用Microsoft Office Excel 2019对实验数据进行统计分析，使用Origin 2018对分析结果进行绘图。其中，水-气界面CH4排放通量采用静态箱法[12]，其计算公式如下：

(1)

式中:F为CH4排放通量(mg/m2/h)；ρ为标准状态下的CH4气体密度；V为箱内顶空气体体积；A为箱子底面积；ΔC/Δt为单位时间内CH4气体浓度变化量；T为采样温度。

(2)

式中，v为CH4生成速率(μg/g)；M为CH4相对分子量；ppm为测得甲烷浓度(μg/g)；T为气体温度(℃)；P为气体压力(Pa)；V为顶空体积(mL)；m为底泥干重(g)；t为累积的产气时间(d)。

2 结果与讨论

2.1 太湖不同湖区水-气界面CH4排放通量特征

通过对太湖大浦湖区、湖心区、胥湖和贡湖四个水域的CH4水-气界面排放通量进行分析(图2)，发现四个湖区中大浦湖区沉积物水-气界面CH4排放通量最高，达到1.249 9mg/m2/h。这可能与大浦湖区地理位置有关：大浦位于太湖西北部，沿线乡镇密集，入湖营养元素丰富[14]，而这些营养物质最终都会进入到沉积物中[15]，导致沉积物中营养物质远高于其他湖区，为产甲烷菌提供了充足的底物。其次为贡湖区域0.907 2 mg/m2/h，胥湖区0.546 2 mg/m2/h。湖心区CH4排放通量最低，仅为0.365 7 mg/m2/h。

图2 太湖不同湖区水-气界面CH4排放通量Fig.2 Methane emission fluxes at water-gas interface in different lake areas of Taihu Lake

太湖沿岸水域的CH4排放通量均高于湖心区，结合各湖区地理位置分析，我们发现这极有可能是由于太湖沿岸受周边人类活动影响，营养物质输入，导致沉积物中有机物丰富造成的。我们还发现，胥湖湖区CH4排放通量小于贡湖区。根据《2017年太湖健康状况公报》[16]得知胥湖区沉水植物要比贡湖区丰富，因此，我们推测造成胥湖区CH4排放通量小于贡湖区的原因可能是沉水植物分布状况不同。Peng等人[17]研究发现，沉水植物会影响产甲烷菌群落结构。其可以对水生态系统和物质循环进行调控[18]，降低沉积物中氮磷浓度[19]。这也验证了本文上述的推测和结果。

2.2 太湖沉积物CH4释放潜力平面分布特征

根据上述CH4排放通量结果，结合不同湖区地理位置及其水动力条件，我们选取了上述采样点中大浦和湖心两个较为典型的、具有代表性的区域来分析CH4释放潜力的垂向空间分布特征(如图3)。由图3可知，无论是空白样品、还是添加了底物HCOONa、CH3OH和CH3COONa的实验组，大浦湖区沉积物的CH4产气速率在整个深度上均高于湖心区，这说明大浦湖区产甲烷菌的活性要高于湖心区，这主要是由于不同湖区沉积物理化性质不同导致。而最直接的影响因素为沉积物中有效有机质的含量，大浦湖区沉积物由于外源输入其有机质含量要高于湖心区，这可能使得大浦湖区沉积物中产甲烷菌代谢活性较高，因而其CH4释放潜力整体上高于湖心区。这与上述水-气界面CH4排放通量分析结论相一致。

注：a图为空白试验组、b图中添加了HCOONa底物、c图中添加了CH3OH底物、d图中添加了CH3COONa底物分别代表产甲烷菌释放CH4的3种途径，即CO2还原途径、甲基途径和乙酸发酵途径。图3 不同底物条件下CH4产气速率Fig.3 Gas production rate of CH4 under different substrates

2.3 环境因子与沉积物CH4释放潜力的相关性

将大浦湖区和湖心区17个样品不同途径的CH4释放潜力与含水率、盐度和TOC3种环境因子进行相关性分析(下表)。结果表明，含水率、总有机碳与沉积物CH4释放潜力呈正相关，且两者与乙酸途径CH4释放潜力的相关性均较显著。而盐度与三种途径CH4释放潜力均呈负相关，但其相关性并不显著。这说明，含水率和总有机碳在一定程度上影响着沉积物的CH4释放潜力。Liu等人[20]研究也发现含水率是甲烷排放的关键理化特性，其主要是通过改变产甲烷菌的群落结构[21]，进而影响CH4释放潜力。此外，Liu等人[22]通过研究还发现有机碳含量与甲烷产生的潜力具有显著相关性。这与本文的研究结果一致。因此，含水率和总有机碳对太湖沉积物CH4的释放潜力具有显著影响。

表 环境因子与CH4释放潜力的Spearman相关性Tab. Spearman correlation between environmental factors and CH4 release potential

2.4 太湖沉积物CH4释放途径及其垂向分布特征

产甲烷菌通过厌氧降解产生CH4，根据其利用底物类型可分为3种途径：氢营养型、甲基营养型和乙酸营养型[23～25]。因此，通过添加不同底物来研究分析大浦和湖心区沉积物CH4释放途径及其垂向特征(图4)。由图可知，无论是大浦湖区还是湖心区，沉积物整个深度上产生CH4的三种途径均存在，这说明不同湖区不同深度的沉积物中三种营养型的产甲烷菌均有分布。

注：Blank为空白组；HCOONa代表氢营养型；CH3OH代表甲基营养型；CH3COONa代表乙酸营养型。图4 不同湖区CH4释放途径及其垂向分布Fig.4 CH4 release pathways and its vertical distribution in different lakes

此外，大浦湖区随深度增加而呈现出的空间差异性也比湖心区明显。其中大浦湖区0～5cm深度产气速率达到最高，之后随深度增加呈现出先增加再减小的趋势；而湖心区在整个垂向结构上并无明显差异性，且产气速率较低。推测主要有两方面原因：其一，湖心区受到人类活动影响较小，沉积物剖面各项指标变化不明显[26]；其二，湖心区流速要小于大浦湖区，水动力对沉积物扰动较弱[8]，进而造成湖心区沉积物理化性质在深度上的差异要小于大浦湖区。因此产甲烷菌在湖心沉积物中的垂向分布差异不明显，进而导致其CH4释放潜力差异也不明显。

大浦湖区沉积物除5～10cm深度之外，均是甲基途径产气潜力最高，其中0～5cm深度产CH4潜力最大，而10～35cm产CH4潜力次之，且较稳定。其次为氢营养型和乙酸营养型，产CH4潜力均在0～5cm深度最大，而其余深度均较低，且无明显波动。湖心区与大浦湖区相似，在沉积物整个深度之间均是甲基途径CH4潜力最高，但与大浦湖区不同的是湖心区在15～20cm深度之间甲基途径CH4潜力达到最大，0～5cm之间最小，且产CH4潜力较高区域在10～35cm之间。氢营养型和乙酸营养型产CH4潜力在0～45cm深度均较小，且无明显的垂向差异。

3 结 论

3.1 太湖不同湖区水-气界面CH4排放通量存在差异。3个沿岸区域的水-气界面CH4排放通量高于湖心区，其中大浦湖区最高，达1.249 9 mg/m2/h。

3.2 沉积物CH4释放潜力存在空间差异：大浦湖区CH4释放潜力高于湖心区。此外，沉积物CH4释放潜力与含水率、总有机碳呈正相关；与盐度呈负相关。

3.3 大浦和湖心区沉积物产CH4潜力最大的途径均为甲基途径，且潜力较大的深度集中在10～35cm；CO2途径和乙酸途径次之。此外，大浦湖区CH4释放潜力随沉积物深度呈现的空间差异性大于湖心区。

3.4 太湖是CH4排放的净产生源，含水率、有机质和盐度等环境因子的差异均会影响甲烷排放和释放潜力，进而对太湖沉积系统的碳循环产生重要影响。此外，沉积物深度也是影响太湖甲烷排放和释放潜力的重要因素。