胡芳方 肖尚斌 雷 丹，2 王雨春

(1. 三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌 443002； 2. 武汉理工大学 资源与环境学院， 武汉 430070； 3. 中国水利水电科学研究院， 北京 100038)

工业革命以来，大气中的二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)浓度急剧增加，其中CH4浓度到2018年时升至1 857 ppb[1]．在百年尺度单分子CH4的全球变暖效率(红外吸收能力)是CO2的28～34倍，对温室效应的贡献率达30%左右[2]．淡水生态系统已被确定为天然CH4源的重要组成部分[3-5]，向大气中排放的CH4总量为103 Tg/yr[6]，实际产生的CH4量更高，因为很大一部分CH4在进入大气之前已被生物氧化[7]，其中内陆水域的贡献很大[8-9]．大气中水体系排放的CH4约占全球来源的40%～50%[10-11]．在水生生态系统中，CH4排放取决于微生物CH4的生产、运输和氧化的平衡．CH4的产生是通过产甲烷菌在缺氧环境中活动发生的，源于沉积物有机质的矿化分解过程[12]，淡水中主要为乙酸发酵型或氢营养型[13]．所产生的CH4可以在水柱中或沉积物-水界面被甲烷氧化菌氧化成CO2[12,14-15]，最终排放到大气中．水柱中的CH4在上升过程中既可以发生有氧氧化，也可以发生厌氧氧化[16]，并且水柱中可以消耗很大一部分源自沉积物的CH4(69%～98%)[17]．在湖泊中已经发现，生成的CH4中有30%～99%被氧化．如在Kasumigaura湖，每年平均消耗水柱中溶解甲烷的74%[18]．对美国圣母大学环境研究中心附近的3个湖泊(Paul，Peter和Hummingbird)的研究表明深水沉积物中产生的CH4有51%～80%在水柱中被氧化[5]．在香溪河库湾，随着水深的季节性变化，水库底部产生的CH4有68%～98%溶解CH4在水柱中被氧化[17]；北加利福尼亚陆架外侧，绝大部分CH4也是在下部水体中被氧化[19]．可见CH4氧化作用对减少水体中CH4向大气排放有着重要作用[20]．

目前，国内外研究学者测定CH4氧化速率的方法分为14CH4标记法，13C稳定同位素法、3H示踪剂法、多次顶空平衡法及添加甲烷氧化抑制剂法等．14CH4标记法，即将14C标记的CH4加入瓶中，测量转化为14CO2或14C标记的生物质[21-22]，如Mary等[23]使用此法测定了Santa Barbara Basin不同深度的甲烷氧化速率，范围为0.014～3 nmol·L-1·d-1；13C稳定同位素法[24-28]，即向培养水体中加入13C-CH4，13C-CH4和无标记的CH4的氧化产物均为13C标记的CO2以及其他溶解无机碳(DIC)，测量反应前后13C-CH4的含量变化来计算CH4的好氧氧化速率，如Kelley等[29]对墨西哥湾北部的海水通过此方法进行培养，调查结果显示CH4的氧化速率范围是0～57 nmol·L-1·d-1；3H示踪剂法，即向培养水体中加入3H-CH4，测量以3H示踪剂标记的氧化产物含量来计算CH4氧化速率[30-31]，如Roman[32]等研究了德国湾(北海东南部)的CH4的氧化速率，变化范围是0～16.5 nmol·L-1·d-1．多次顶空平衡法，即每隔一定时间抽取气袋或样瓶中顶空气体进行浓度测定，通过浓度与时间的变化计算甲烷氧化速率[33]，例如Lei等[17]采用此法测定了三峡库区香溪河库湾的甲烷氧化速率为1.18×10-3～3.69×10-3μmol·L-1·h-1．添加甲烷氧化抑制剂法，即对样品作对照处理，通过抑制剂添加前后的甲烷排放浓度差值来计算消耗速率[33]．然而，这些方法存在花费大、耗时长，以及周转程序复杂引起的系统误差等问题．为减少上述误差，本文提出了一种新的方法，即用新型的快速监测水体甲烷消耗速率的装置结合温室气体分析仪(DLT—100，Los Gatos Research，美国)测定水体中的CH4消耗速率．

1 材料与方法

1.1 实验设备

快速监测水体甲烷消耗速率的装置如图1(专利号：ZL201810873520.1)所示．

1.进气口； 2.出气口； 3.气泵； 4.风扇； 5.液面高度； 6.进/排水口； 7.气泡石； 8.温室气体分析仪图1 快速监测水体CH4消耗速率的装置示意图

该装置能在较短的时间内分离水样中的溶存CH4，其反应装置是一个封闭透明圆柱体(高30 cm，外径23 cm，筒壁厚5 mm)，包括气体交换系统、进出水系统和进出气系统，其中气体交换系统由气泵(2×3.5 L/min)、风扇(24 V)和曝气石(直径12 cm)组成，曝气石上布满微气孔，通过气泵促使反应装置内的水样与气体快速交换；进出水系统连接蠕动泵(0.1～550 mL/min)用来抽取水样；进气管和出气管连接温室气体分析仪(测量范围： CH40.1～20 μL·L-1；精度：1 ppb/0.3 ppb；指标重复性：CH41 μL·L-1)，温室气体分析仪以1 Hz频率实时、连续地测量箱内CH4浓度，已有研究人员对其描述及使用[3]，反应装置内的顶空气体由进气管进入温室气体分析仪进行分析，分析完成后通过出气管返回装置内，以确保反应器内气压的相对稳定．

1.2 实验方法

将水样通过进水口用水泵匀速注入装置内，当水位到达圆柱体1/2的高度时，停止注水．使用透明的气管(八分管)，经由圆柱体顶端的出气口与进气口，将整个反应装置与温室气体分析仪相连，构成密闭回路，实时在线监测装置内气体浓度的变化，接通气泵与风扇电源并开启温室气体分析仪进行监测．气泵将装置内水体上方顶空气体通过曝气石鼓入水中，部分CH4溶解于水体，部分CH4以气泡的形式扩散出来．水中的气体与顶空气体不停地进行交换，从而使装置内CH4浓度处于动态变化，最终达到水-气平衡状态．

1.3 装置内水-气平衡时间

采集某池塘水体约6.5 L，加入预先配置好的饱和氯化汞溶液(体积比约为2%)达到灭活微生物的效果，混匀后注入装置内进行测试．温室气体分析仪可实时记录反应装置内上方气体中CH4浓度，并在显示屏上显示CH4浓度变化的趋势图．根据CH4浓度变化趋势图显示，当CH4浓度趋于稳定后(水-气平衡)关闭气泵和温室气体分析仪，并在静置数小时后再次打开温室气体分析仪测量装置上方顶空CH4浓度．

1.4 水体CH4消耗速率计算

采集某池塘表层溶氧饱和的水体注入装置，放入恒温箱内在指定温度下培养24 h后进行监测，依次开展不同温度下水体CH4消耗实验，并进行重现性检验．实验测量系统内CH4总量随时间的变化可以估算水体CH4消耗速率．CH4总量(N)包括以下两部分：装置上方顶空气体部分与溶解于下伏水体的部分，水-气平衡后装置上方顶空气体CH4浓度(Cg)由温室气体分析仪测定，乘以整个测量系统的气体体积(Vg)计算得到气相部分总量(Ng)，溶解于水体的部分(Na)可根据亨利定律(1)(2)计算得到溶存甲烷浓度(Ca)，乘以系统中水体体积(Va)得到：

Hcc=Ca/Cg

(1)

Hcc=Hcp×RT

(2)

其中：Hcc为无量纲亨利溶解度；Hcp为亨利溶解度(mol·m-3·Pa-3)；T为温度(K)；R为气体常数(8.314 J·mol-1·K-1；Ca为水相浓度(μmol/L)；Cg为气相浓度(μmol/L)[34]．

装置中CH4总量通过(3)式进行计算，分析CH4总量与时间的变化关系，即可估算CH4消耗速率：

N=CgVg+CaVa

(3)

其中：N为物质的量(μmol)；Vg为气体体积(L)；Va为水体体积(L)．

2 结果与分析

2.1 水-气平衡时间

测试结果如图2所示，根据温室气体分析仪实时监测数据显示，气泵曝气约15 min，装置内达到水气平衡状态，测得装置内实际顶空CH4浓度为0.105 7 μmol/L，气泵关闭静置约11 h后装置内上方顶空CH4气体浓度值为0.106 7 μmol/L(5 min测量值的平均)，二者偏差为0.95%．气体浓度随时间呈指数变化趋势，对监测数据进行拟合，得出水气平衡状态下的顶空CH4浓度的理论值为0.105 9 μmol/L，与曝气15 min监测的实际结果偏差为0.17%，与气泵关闭静置数小时后的实测结果偏差为0.75%．实验结果表明，在一定体积的封闭空间内，使用气泵及曝气石将上方顶空气体与其对应的下部水体混合交换的方法，可以在15 min内基本实现CH4在水体和顶空气体间的平衡．相比于Lofton等[35]、Valentine等[36]测定顶空CH4浓度前培育的时间较短．

图2 实验期间DLT-100温室气体分析仪监测到的气体浓度

表1 水-气平衡时间数据对比

2.2 重现性

在15℃有光照(或无光照)及25℃无光照条件下，在两个相同的装置中注入等量且水质相同的水样，并注射一定浓度的CH4，以控制两个装置内CH4初始量．依次进行CH4消耗速率的测定，测试结果如图3(15℃有光照条件)、图4(15℃无光照条件)、图5(25℃无光照条件)所示．其中(a)为装置内CH4随时间的变化，均呈现指数型降低趋势(R2>0.999)；(b)为根据实测值估算的CH4消耗速率随水体溶解CH4浓度的变化，均表现为线性变化(R2>0.993)；(c)为根据(a)中拟合估算的CH4消耗速率随水体溶解CH4浓度的变化，也显示出良好的线性关系．相同温度不同光照条件下(图3、图4)以及不同温度相同光照条件下(图4、图5)的实验结果均表明，相同水质、CH4初始总量不完全相同的装置中，当水体溶解CH4浓度相同时，按照本文观测方法得出的CH4消耗速率十分接近，例如15℃有光照、溶解甲烷浓度为0.1 μmol/L时，装置1甲烷消耗速率为8.945 μmol·L-1·h-1，装置2中为8.455 μmol·L-1·h-1，二者偏差为5.5%．因此，本文的观测方法具有良好的重现性．

图3 温度为15℃、有光照时装置1与装置2中CH4消耗速率变化

图4 温度为15℃、无光照时装置1与装置2中CH4消耗速率变化

图5 温度为25℃、无光照时装置1与装置2中CH4消耗速率变化

2.3 不同温度下水体CH4消耗速率

15℃、20℃、25℃三个温度条件下装置内CH4总量随测定时间的变化、CH4消耗速率随水体溶解甲烷浓度变化分别如图6～7所示．实验结果表明，所有温度下CH4总量均呈现指数型降低(如图6所示)，CH4消耗速率均与其在水体中的溶解浓度密切相关，且在本文观测溶解甲烷浓度范围内(0.01～0.1 μmol/L)表现为线性正相关且R2>0.999(如图7所示)．当水体溶解甲烷浓度大于0.042 μmol/L时，甲烷消耗速率呈现20℃>15℃>25℃．有学者研究表明水柱中CH4氧化与众多因素有关，其中温度升高可促进甲烷的需氧氧化，主要表现为促进甲烷氧化菌群落结构改变和增强其活性以及提高氧化酶的活性，但这些均建立在甲烷充足以及温度适宜的条件下，例如Lofton等[35]研究了温度对Arctic Alaskan湖泊甲烷动态的影响，研究认为底物饱和的甲烷氧化速率对孵化温度(0～16℃)的升高呈线性响应，通过动力学曲线表明甲烷氧化速率与底物浓度呈线性关系．

图6 不同温度下装置内CH4总量的变化

图7 不同温度下水体CH4消耗速率

3 结 论

本文提出的新型快速监测水体甲烷消耗速率的装置能在较短的时间内分离水样中的溶存CH4，在15 min基本实现CH4在水体和顶空气体间的平衡，与温室气体分析仪连接可测定水体CH4消耗速率．该方法具有良好的重现性，不使用环境毒害性试剂，相对于传统方法更加简便、经济、高效．