【摘要】：河流生態(tài)系統(tǒng)是連接陸地與海洋兩大碳匯的重要紐帶,同時(shí)也向大氣排放大量的氣態(tài)碳(CO2與CH4),構(gòu)成了全球碳循環(huán)的重要功能單元,同時(shí)對(duì)未來氣候變化可能產(chǎn)生不可忽視的影響。隨著人類活動(dòng)不斷加劇和大尺度的土地利用改變,河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能受到極大的破壞,水體碳、氮、磷以及其他污染負(fù)荷成倍增長(zhǎng),使得河流生態(tài)系統(tǒng)向著增強(qiáng)型異養(yǎng)系統(tǒng)方向快速發(fā)展,進(jìn)而增加河流CO2與CH4源匯通量估算的不確定性。作為一種綜合的人類活動(dòng)聚集和土地利用改變的因子,城市化已經(jīng)成為全球變化研究中,除溫室氣體排放外,另一個(gè)重要的焦點(diǎn)問題。然而,目前對(duì)河流碳排放研究仍以評(píng)價(jià)自然河流碳排放為主,對(duì)城市影響下河流碳排放的研究較少。本論文以典型的大都市區(qū)—重慶都市區(qū)河網(wǎng)為研究對(duì)象,開展野外調(diào)查與室內(nèi)分析,系統(tǒng)的研究了大都市區(qū)河網(wǎng)CO2與CH4濃度及排放速率的空間格局,初步估算和評(píng)價(jià)了重慶都市區(qū)河網(wǎng)碳排放總量及其生態(tài)學(xué)意義;選擇代表性河流開展了多時(shí)間尺度的調(diào)查,探討了大都市區(qū)河流碳排放的晝夜、季節(jié)、年際動(dòng)態(tài),并進(jìn)一步結(jié)合水文、地貌以及水環(huán)境因子分析了河網(wǎng)CO2與CH4濃度及排放通量空間格局和時(shí)間動(dòng)態(tài)的調(diào)控因子。主要研究結(jié)果和結(jié)論如下:(1)為明確大都市區(qū)碳排放空間格局及其與城市化的關(guān)系,本研究根據(jù)重慶都市區(qū)土地利用類型及城市功能分區(qū),將研究區(qū)域按照城市化梯度劃分為5個(gè)亞區(qū)。進(jìn)而對(duì)各亞區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)和pCO2進(jìn)行分析。結(jié)果表明,整個(gè)河網(wǎng)水體pCO2變化范圍為53~16879μatm,平均值為2152±2318μatm,相當(dāng)于大氣平衡CO2分壓的5倍多,是大氣CO2的潛在排放源。重慶都市區(qū)河網(wǎng)水環(huán)境參數(shù)及pCO2空間格局明顯,即沿城市化梯度增加,水環(huán)境質(zhì)量明顯變差,pCO2在城市區(qū)河流顯著高于郊區(qū)和快速發(fā)展區(qū),是距離城市中心較遠(yuǎn)的生態(tài)保護(hù)區(qū)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)河網(wǎng)的2~4倍;河網(wǎng)pCO2空間格局受到季節(jié)變化影響顯著,秋季與冬季河網(wǎng)pCO2空間變化較大,而春季與夏季分別受水體富營(yíng)養(yǎng)化和洪水稀釋效應(yīng)影響,pCO2空間變化較小。與世界范圍內(nèi)其他研究去比較,重慶都市區(qū)河網(wǎng)水體pCO2總體處于中等偏下水平,但城市區(qū)河流pCO2高于大部分亞熱帶河流。(2)重慶都市區(qū)河網(wǎng)水體CH4濃度總體變化范圍為0.05~12.79μmol CH4·L-1,對(duì)應(yīng)的飽和度范圍為2200%~371700%,平均為0.69±1.00μmol CH4·L-1(飽和度為24200%±38800%),整個(gè)河網(wǎng)水體CH4處于高度過飽和狀態(tài),河網(wǎng)水體是大氣CH4的重要排放源。河網(wǎng)CH4濃度空間格局更加清晰,沿城市化梯度呈等比增加,城市區(qū)河流水體CH4濃度是快速發(fā)展區(qū)和郊區(qū)河流的2~4倍,是偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村區(qū)河流的6~13倍。將河網(wǎng)CH4濃度空間分布與土地利用類型疊加表明,河網(wǎng)CH4濃度與城市用地類型覆蓋區(qū)高度重疊,污水排放、低氧環(huán)境、高DOC含量等都市區(qū)河網(wǎng)CH4濃度空間格局的重要驅(qū)動(dòng);在與世界其他區(qū)域研究對(duì)比,重慶都市區(qū)河網(wǎng)CH4濃度高于大多數(shù)亞熱帶和溫帶河流,處于較高水平。(3)本研究從河網(wǎng)水環(huán)境因子和河網(wǎng)自然特征兩方面進(jìn)行了河網(wǎng)碳排放空間格局的調(diào)控因子。從河流水環(huán)境特征看,河網(wǎng)pCO2與水體DO、p H均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,利用pCO2與pH的指數(shù)函數(shù)關(guān)系,推算當(dāng)pH8.45時(shí),水體呈CO2“匯”,而當(dāng)水體pH8.45,則為大氣CO2“源”;河網(wǎng)pCO2與DOC線性關(guān)系不顯著,說明原位呼吸代謝可能并非主要CO2輸入來源;pCO2與營(yíng)養(yǎng)鹽存在顯著的相關(guān)關(guān)系,但線性回歸擬合系數(shù)較低。河網(wǎng)CH4濃度與DO、pH均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,而與電導(dǎo)率、DOC、DIC、DTC以及營(yíng)養(yǎng)鹽含量存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系,河水水質(zhì)與CH4濃度關(guān)系密切,水質(zhì)因子能夠作為河網(wǎng)CH4濃度的指示性因子;營(yíng)養(yǎng)鹽與河網(wǎng)CH4濃度的回歸分析表明,N、P對(duì)CH4濃度影響均存在多重作用機(jī)制,且當(dāng)水體營(yíng)養(yǎng)鹽低于一定閾值(TN:2.5 mg·L-1,TP:0.10 mg·L-1),營(yíng)養(yǎng)鹽影響并不顯著,而一旦超過該閾值,CH4濃度對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的增加極為敏感。(4)通過分析河流自然特征(流速、流量、河道寬度以及河床底質(zhì)類型)與水體pCO2和CH4濃度關(guān)系,結(jié)果表明河流較窄且流速較慢的斷面水體可能具有更高的pCO2和CH4濃度;河床底質(zhì)類型的粒徑越小,對(duì)應(yīng)表層水體CO2和CH4濃度越高,淤泥河床采樣斷面水體pCO2和CH4濃度最高。由于城市污水對(duì)CO2和CH4的直接輸入以及較高的異養(yǎng)代謝,導(dǎo)致人工河床對(duì)應(yīng)異常高的pCO2和CH4濃度。本研究認(rèn)為河流自然特征和城市化導(dǎo)致的水污染是決定區(qū)域河網(wǎng)碳排放空間格局的主要驅(qū)動(dòng)。(5)基于亨利定律與邊界層模型,估算重慶都市區(qū)河網(wǎng)水-氣界面CO2和CH4排放速率總體范圍分別為-60~1329 mol CO2 m-2 yr-1和0.03~7.78 mol CH4 m-2yr-1,平均值分別為163和0.51 mol C m-2 yr-1;初步估算重慶都市區(qū)河網(wǎng)水-氣界面CO2-C排放量為0.117 Tg·yr-1,CH4-C年排放量為0.633 Gg·yr-1(對(duì)全球變暖貢獻(xiàn)相當(dāng)于15.9 Gg CO2-C·yr-1);與重慶都市區(qū)森林年碳匯量相比,河網(wǎng)CO2-C和CH4-C總量不容小覷;城市化提高了河網(wǎng)水-氣界面碳排放,進(jìn)而影響區(qū)域碳平衡和溫室氣體排放估算,對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生重要貢獻(xiàn)。(6)選擇跳蹬河、虎溪河和二圣河作為城市區(qū)、城市郊區(qū)以及農(nóng)村區(qū)河流代表,開展為期2年的監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明,三條河流污染梯度明顯,跳蹬河高于虎溪河,遠(yuǎn)高于二圣河;三條河流pCO2季節(jié)波動(dòng)表現(xiàn)均為每年7月~9月(豐水期)出現(xiàn)峰值,11月至次年5月(枯水期)較低,溫度、降雨以及富營(yíng)養(yǎng)化是pCO2季節(jié)波動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)。不同城市區(qū)域河流CH4濃度表現(xiàn)不同季節(jié)波動(dòng)規(guī)律�；⑾优c跳蹬河CH4濃度表現(xiàn)明顯的單峰模式,每年1~3月出現(xiàn)最高值,5月~9月表現(xiàn)為低谷期,隨后開始上升,而二圣河CH4濃度沒有統(tǒng)一的季節(jié)波動(dòng)規(guī)律,這種季節(jié)變化的差異主要因?yàn)椴煌恿鰿H4來源不同,對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)機(jī)制不同。降雨稀釋效應(yīng)可能是城市區(qū)和城市郊區(qū)河流水體CH4季節(jié)變化的重要驅(qū)動(dòng)過程,而對(duì)于低污染河流而言,降雨稀釋與高溫促進(jìn)的平衡是水體CH4波動(dòng)較小的可能因子。三條河流水體溫度與DO能夠較好的解釋水體pCO2的季節(jié)波動(dòng)性;溫度、pH和TN對(duì)跳蹬河、虎溪河中CH4濃度季節(jié)變化具有較好的解釋能力,而P含量與電導(dǎo)率在二圣河中是較好的預(yù)測(cè)因子;營(yíng)養(yǎng)鹽在不同污染程度的河流中對(duì)水體pCO2與CH4濃度的影響存在限制性,在低污染或中度污染河流中,營(yíng)養(yǎng)鹽水平能夠解釋部分pCO2與CH4濃度的季節(jié)變化,而城市區(qū)河流則不表現(xiàn)解釋能力。(7)采用靜態(tài)箱-氣相色譜法對(duì)跳蹬河、虎溪河和二圣河水-氣界面碳排放平晝夜變化進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果表明,三條河流CO2排放速率均表現(xiàn)為晝間顯著低于夜間,但跳蹬河晝夜波動(dòng)較小,虎溪河和二圣河夏季CO2晝間波動(dòng)性較大。不同河流盡管晝夜波動(dòng)相似,但影響的機(jī)制有差異,水體呼吸作用與光合作用的平衡動(dòng)態(tài)、水熱條件轉(zhuǎn)變是晝夜波動(dòng)大小的主要機(jī)制。三條河流CH4排放的晝夜變化呈現(xiàn)出不同趨勢(shì),但最低值都出現(xiàn)在凌晨4~6點(diǎn),跳蹬河有兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在上午10點(diǎn)和下午16點(diǎn),這種波動(dòng)受到城市污水排放和溫度的驅(qū)使;虎溪河夏季CH4排放速率峰值出現(xiàn)在中午14,二圣河也呈典型的單峰模式,受溫度、水-氣溫差以及pH等影響顯著。由于晝夜變化的干擾,對(duì)河流CO2與CH4排放速率的監(jiān)測(cè)時(shí)間的選擇可能對(duì)通量的估算產(chǎn)生較大影響,夏季晝間采樣可能低估30~60%的CO2通量,而會(huì)高估17~41%左右的CH4通量。城市化對(duì)河流碳排放的空間、時(shí)間格局的影響顯著,是導(dǎo)致目前河流碳排放估算不確定的主要因素。
【圖文】：

1 緒 論徑流流浮游動(dòng)物水生昆蟲魚類浮游植物水生植物CO2CH4甲烷氧化吸呼 吸呼體殘泄排殘、體泄排殘、體合光新鮮有機(jī)質(zhì)CH4甲烷氧化菌散擴(kuò)小分子有機(jī)物大氣植物傳輸 擴(kuò)散 擴(kuò)散植物傳輸 擴(kuò)散 冒泡吸呼散擴(kuò)

2 研究區(qū)域概況2 研究區(qū)域概況2.1 自然環(huán)境概況2.1.1 地理位置重慶市(28°10′-32°13′N, 105°11′-110°11′E)位于中國(guó)西南部、長(zhǎng)江上游和三峽庫區(qū)回水末端，地處經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東部地區(qū)和資源豐富的西部地區(qū)之間，東接湖北、湖南，西靠四川、北連陜西、南鄰貴州（圖 2.1），是我國(guó)面積最大、人口最多的直轄市。轄區(qū)共 26 個(gè)區(qū)、8 個(gè)縣、4 個(gè)自治縣，幅員 8.24 萬 km2，，人口 3372 萬。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：X52;X171

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本文編號(hào)：2657142