胡茂俊等

摘要：針對(duì)底泥溫室氣體排放和反硝化氣態(tài)脫氮的原位研究亟需有效、便捷收集底泥釋放氣體方法的現(xiàn)狀，自主研發(fā)了一種可連續(xù)、自動(dòng)、有效收集底泥釋放氣體的裝置。本文對(duì)該裝置的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了詳細(xì)的描述，并利用該裝置研究了江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院富營(yíng)養(yǎng)化水塘中泥水界面釋放氣體速率及各種氣體組分（N2、N2O、CH4、CO2、O2）的釋放情況。結(jié)果表明，該裝置成功實(shí)現(xiàn)了原位定量研究底泥產(chǎn)生并釋放氣體的速率以及各氣體組分的釋放速率。該技術(shù)為利用N2直接測(cè)定法原位研究底泥的反硝化脫氮過程，以及底泥釋放溫室氣體規(guī)律提供了可靠的方法。

關(guān)鍵詞：底泥；反硝化；溫室氣體；氣體收集裝置；氣體釋放；原位研究

中圖分類號(hào)： X52文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）09-0418-04

自從1776年Alessandro Volta使用倒置漏斗收集水體沼氣以來[1]，類似的裝置常被用于采集水體、底泥釋放的冒泡氣體（gas bubbles）[2-3]，尤其在近年對(duì)水體、底泥溫室氣體釋放的研究中發(fā)揮著重要作用[4-6]。倒置漏斗式集氣裝置在使用過程中不斷得到改進(jìn)。1989年，Chanton等描述了一種利用漂浮在水面的錐形裝置測(cè)定潮汐河口釋放冒泡氣體通量的方法，該裝置通過長(zhǎng)5～10 m、直徑0.358 cm的聚乙烯管將注射器連接到采氣裝置頂部，定期手動(dòng)采集所收集的氣體樣品。1992年，Sorrell等在落基山科羅拉多河用漂浮的密封塑料裝置測(cè)量冒泡CH4釋放過程，在每個(gè)采樣周期，該裝置均為密封，氣樣通過隔墊用配有三通的玻璃注射器抽取[3]。1994年，Keller等在巴拿馬市加通湖的另一個(gè)研究項(xiàng)目中應(yīng)用了類似裝置收集冒泡CH4氣體，并在裝置的邊緣安裝了錨以限制其在水中四處飄動(dòng)，該方法使得倒置漏斗集氣裝置固定漂浮于底泥上方，免去了人工將倒置漏斗控制在采樣點(diǎn)的過程，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)采樣；此外，為了取樣方便，在該裝置的頂端通過魯爾接口和注射器與聚乙烯采氣試管相連[4]。

在對(duì)底泥溫室氣體排放和反硝化脫氮的規(guī)?；谎芯恐校叫栌行?、便捷、自動(dòng)收集底泥釋放氣體的裝置，并能對(duì)收集氣體樣品中反硝化脫氮?dú)鈶B(tài)終產(chǎn)物N2進(jìn)行精確定量測(cè)定的方法。在科學(xué)研究中，結(jié)果的獲取在很大程度上依賴于研究方法和工具。針對(duì)此現(xiàn)狀，本文主要介紹一種底泥釋放氣體連續(xù)自動(dòng)收集裝置的結(jié)構(gòu)和使用方法，該裝置根據(jù)排水集氣原理并結(jié)合倒置漏斗方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，適用于直接測(cè)定所收集氣體中的硝化、反硝化脫氮終產(chǎn)物N2，溫室氣體CH4、CO2、N2O，以及反映底泥新陳代謝（光合作用和呼吸作用）情況的O2含量，并揭示了富營(yíng)養(yǎng)化水體底泥釋放氣體（N2、CH4、CO2、N2O）的規(guī)律及特征。

1材料與方法

1.1基本原理

通過懸掛在水面之下、底泥之上5 cm的氣體收集罩，收集底泥產(chǎn)生并釋放到水體中的氣體。當(dāng)集氣罩內(nèi)積聚的氣體形成一定壓力時(shí)，在壓力差的作用下，收集的氣體通過進(jìn)氣管自動(dòng)被吸入預(yù)先充滿水的集氣瓶，相應(yīng)體積集氣瓶中的水通過排水管排入水體，從而可連續(xù)、自動(dòng)收集底泥中釋放的氣體。

1.2底泥釋放氣體采集裝置描述

圖1為連續(xù)自動(dòng)收集底泥釋放氣體裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該裝置適用于自然水體底泥釋放氣體的直接收集，包括方形浮球支架、連接桿、固定旋鈕、集氣瓶、閥門、進(jìn)氣管、排水管、排氣管、集氣罩等。方形浮球支架上頂部有1塊有孔硬質(zhì)板，孔位于硬質(zhì)板中部，允許連接桿通過；孔上方有固定旋鈕，用于固定連接桿，連接桿有刻度。方形浮球支架的硬質(zhì)板下方有小鉤，用來懸掛集氣瓶，集氣瓶的瓶口處有進(jìn)氣管和排水管。集氣罩頂端有排氣孔，排氣孔通過排氣管與懸掛在浮球支架上的集氣瓶的進(jìn)氣管連接，連接處位于水面上且有三通閥。集氣罩罩體外面附著有支架，支架上方有固定旋鈕，固定旋鈕可以與連接桿的下端相連并固定，集氣罩下方邊緣處有攝像頭支架，用來放置水下攝像頭。集氣罩底邊附著有垂直向下的刻度尺，并在刻度尺上涂有反光漆以提高水下能見度。

本裝置各個(gè)組件間連接牢固，組裝與拆卸均方便快捷，尤其適合于水面行船作業(yè)。集氣罩底邊上的攝像頭可以將集氣罩底邊以及所附屬的刻度尺的圖像傳輸?shù)诫娔X上，通過攝影圖像的指引調(diào)節(jié)連接桿長(zhǎng)度，可將裝置正確放置于底泥上方5 cm處，從而實(shí)現(xiàn)釋放氣體的定位直接收集。該裝置應(yīng)用性廣，可實(shí)現(xiàn)野外自然水體不同環(huán)境下底泥釋放氣體的研究。

在放置底泥釋放氣體采集罩時(shí)，注意保證采氣裝置的底部與水底之間有5 cm距離，以免裝置搖晃對(duì)底泥產(chǎn)生干擾。開始連接采氣裝置時(shí)，如圖1所示，首先將浮球支架放置于水面上，將連接桿與浮球支架連接，連接桿末端位于水面上，旋

緊固定旋鈕1對(duì)連接桿進(jìn)行初步固定。然后將集氣罩放入水下，把集氣罩上方的固定旋鈕2與連接桿底端連接并旋緊固定。集氣罩上方排氣孔上連接氣路管，氣路管末端連接三通閥并一直位于水面上，氣路管長(zhǎng)度與水柱深度一致。然后將水下攝像頭放置于集氣罩底邊的攝像頭支架上，并通過電腦捕獲水下圖片。此時(shí)，一邊將浮球支架上的固定旋鈕緩慢松開，一邊抓緊連接桿，緩慢向下移動(dòng)，通過電腦捕獲水下圖像和連接桿上的刻度指示將集氣罩正確放置于底泥上方5 cm處，將浮球支架上的固定旋鈕旋緊，連接桿不再上下移動(dòng)。最后將集氣瓶懸掛于浮球支架上，進(jìn)氣管與排氣管相連，排水管打開放入水中，并確保管路中沒有氣泡，最后打開三通閥。

1.3試驗(yàn)方案

在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)2#蓄水塘布置上述采氣裝置，進(jìn)行底泥釋放氣體樣品的采集，采樣裝置分布于蓄水塘中心，用尼龍繩將采氣裝置栓于塘中的毛竹樁上，固定在一定范圍之內(nèi)。采樣時(shí)間為2012年8月30日至9月1日，采樣的同時(shí)采用多功能水質(zhì)測(cè)定儀對(duì)泥水界面的溶氧值和溫度進(jìn)行測(cè)定。在采樣點(diǎn)布置采氣裝置的時(shí)間為試驗(yàn)開始當(dāng)日08：00。布置采氣裝置時(shí)，將集氣罩完全浸沒于水中，距底泥5 cm左右，使氣罩和進(jìn)氣管中空氣全部排出，并將準(zhǔn)備好的裝滿水的集氣瓶倒掛于浮球支架頂端。然后，將集氣瓶與集氣罩之間的出氣管與進(jìn)氣管連通。將出水管的尾端浸沒于水中。注意準(zhǔn)備過程中確保集氣瓶與相關(guān)管道中無任何細(xì)小的氣泡。記錄集氣瓶初始重量。18：00左右將集氣瓶從浮球支架上取下，替換新集氣瓶，分別收集白天、夜晚水體釋放的氣體。集氣瓶用天平稱重，計(jì)算產(chǎn)氣量。集氣瓶中的氣體直接用氣相色譜儀測(cè)定N2、O2、N2O、CH4、CO2氣體濃度。endprint

1.4收集氣體的成分分析

集氣瓶中收集的氣體樣品采用氣相色譜儀（SHIMADZU，GC2010）進(jìn)行分析。氣體測(cè)定采用閥進(jìn)樣方式，閥進(jìn)樣系統(tǒng)配有1 mL的定量管，并采用十通進(jìn)樣閥自動(dòng)進(jìn)樣。填充柱為Porapak Q柱（2 m×2 mm）、Porapak Q柱（3 m×2 mm）和Porapak QS柱（6 m×2 mm），測(cè)定樣品時(shí)柱溫保持70 ℃。N2、CH4、O2、CO2檢測(cè)采用熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD），檢測(cè)器溫度200 ℃，高純H2作為載氣，流速為 8 mL/min，電流70 mA。N2O檢測(cè)采用ECD檢測(cè)器，檢測(cè)器溫度為300 ℃，電流為1.0 nA，尾吹氣為5% CH4/Ar，流量為30.0 mL/min。以上氣體的濃度采用峰面積外標(biāo)法定量。

1.5氣體通量計(jì)算

收集的氣體體積（mL）、氣體釋放速率[底泥單位面積單位時(shí)間內(nèi)釋放氣體的總量，mL/（m2 ·h）]、氣體釋放通量[底泥單位面積單位時(shí)間內(nèi)釋放某種氣體的量，mg/（m2 ·h）]，計(jì)算方法詳見文獻(xiàn)[1]。

2結(jié)果與分析

2.1水體釋放氣體樣品的N2、O2、N2O、CH4、CO2濃度

該試驗(yàn)采用一套采氣裝置，在8月30—31日連續(xù)2 d分別收集白天和晚上底泥產(chǎn)生的氣體，采集的氣體直接用氣相色譜儀測(cè)定各種組分的濃度，結(jié)果見表1。表1收集氣體中各氣體組分濃度及通量2.2底泥釋放氣體速率

如圖2所示，江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院富營(yíng)養(yǎng)化蓄水塘底泥8月30日白天（08：00—18：00）釋放氣體的速率為 42.91 mL/（m2 ·h），30日夜間（18：00—08：00）釋放氣體的速率為55.82 mL/（m2 ·h），31日白天（08：00—18：00）釋放氣體的速率為93.76 mL/（m2 ·h），31日夜間（18：00—08：00）釋放氣體的速率為 42.12 mL/（m2 ·h）。

2.3底泥釋放氣體中N2通量

如表1所示，江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院富營(yíng)養(yǎng)化蓄水塘底泥白天（08：00—18：00）釋放N2的通量為15.4、22.3 mg/（m2·h）， 明顯

高于夜間（18：00—08：00）的10.4、12.1 mg/（m2·h）。

2.4底泥釋放氣體中O2通量

如表1所示，江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院富營(yíng)養(yǎng)化蓄水塘底泥白天（08：00—18：00）釋放O2的通量為2.8、2.8 mg/（m2 ·h），明顯高于夜間（18：00—08：00）的10、1.7 mg/（m2 ·h）。

2.5底泥釋放氣體中CH4通量

如表1所示，江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院富營(yíng)養(yǎng)化蓄水塘底泥白天（08：00—18：00）釋放CH4的通量為22.6、59.6 mg/（m2 ·h），夜間（18：00—08：00）釋放CH4的通量為37.3、25.1 mg/（m2 ·h）。

2.6底泥釋放氣體中CO2通量

如表1所示，江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院富營(yíng)養(yǎng)化蓄水塘底泥白天（08：00—18：00）釋放CO2的通量為0.8、3.9 mg/（m2 ·h），夜間（18：00—08：00）釋放CO2的通量為2.8、0.8 mg/（m2 ·h）。

2.7底泥釋放氣體中N2O通量

該試驗(yàn)采用一套采氣裝置，在8月30-31日連續(xù)2天分別收集白天和晚上底泥產(chǎn)生的氣體，測(cè)定氣體樣品中N2O濃度并計(jì)算N2O通量。如表1所示，發(fā)現(xiàn)江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院富營(yíng)養(yǎng)化蓄水塘底泥白天（08：00—18：00）釋放N2O的通量為0.16、1.07 μg/（m2·h）；夜間（18：00—08：00）釋放N2O的通量為0.20、0.15 μg/（m2·h）。

3討論

已有研究中，直接收集底泥釋放氣體主要采用倒置漏斗法。使用簡(jiǎn)單的倒置漏斗裝置采集氣體時(shí)，需要在每個(gè)采樣點(diǎn)人工將漏斗或漏斗形狀的采樣裝置倒置在底泥上方，并等待一定量氣體進(jìn)入倒置漏斗后引入集氣容器中[2-3]。這種采樣方式耗時(shí)、費(fèi)力，在進(jìn)行大范圍采樣研究過程中工作量過大。雖然不斷對(duì)倒置漏斗裝置進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到了原位收集底泥釋放冒泡氣體的目的，但仍不能同步進(jìn)行氣體收集和氣體采樣[7-9]，因此不能完全解決大范圍采樣過程中工作量較大、采樣不及時(shí)、容易引入誤差等問題。使用本文描述的裝置，達(dá)到了原位、連續(xù)、自動(dòng)收集底泥釋放冒泡氣體的目的，無需在每個(gè)采樣點(diǎn)上等待整個(gè)氣體采集過程的完成，也無需手動(dòng)抽取收集的氣體，實(shí)現(xiàn)了氣體的自動(dòng)收集與采集，方便簡(jiǎn)單，且可同時(shí)進(jìn)行多點(diǎn)采樣，減少不同采樣點(diǎn)因采樣時(shí)間的不同步造成的結(jié)果差異，適用于較大尺度的底泥釋放氣體原位收集。本文描述的裝置還可以根據(jù)水體釋放氣體的速度調(diào)節(jié)采樣時(shí)間，既適用于研究產(chǎn)氣量大、產(chǎn)氣速度快的底泥，也適用于有冒泡氣體產(chǎn)生但產(chǎn)氣緩慢的底泥。本文描述的裝置還適用于收集特定時(shí)間段水體釋放的氣體，例如研究水體晝夜釋放氣體的規(guī)律特性。由于本方法可連續(xù)自動(dòng)采集收取的氣體，因而還可以精確定量一定面積一定時(shí)間內(nèi)底泥釋放氣體的總量。

倒置漏斗法在采集氣體時(shí)因需要人為抽取氣體，在采氣過程中增加了與空氣接觸的機(jī)會(huì)，而本方法直接采用排水集氣原理自動(dòng)將收集到的底泥釋放氣體吸入集氣瓶，最大程度地保證了采集的氣體樣品均來自于底泥釋放的氣體，而不受空氣污染，適用于底泥釋放N2的原位研究。準(zhǔn)確收集水體、土壤及底泥硝化、反硝化脫氮釋放N2的方法一直是國內(nèi)外共同面臨的難題。這主要是由于N2在空氣中的本底值極高，強(qiáng)烈干擾著脫氮過程產(chǎn)生的N2的收集和測(cè)定，使得以往關(guān)于水體脫氮的研究只能借助間接測(cè)定的方法，并不能對(duì)水體向大氣釋放的氮量做出直接測(cè)定和比較精確的定量化評(píng)估[10]。本文描述的裝置利用倒置漏斗方法的同時(shí)結(jié)合排水集氣原理，達(dá)到了定量收集、測(cè)定底泥釋放氣體中硝化、反硝化脫氮產(chǎn)物N2的目的，在原位研究反硝化脫氮方面取得了重要的突破。endprint

本試驗(yàn)詳盡測(cè)定了底泥釋放氣體的組成成分，包括N2、CH4、CO2、N2O、O2。以往的研究雖然收集了底泥氣體，但并未對(duì)收集氣體中的成分做詳盡分析，僅重點(diǎn)關(guān)注了CH4的含量。本研究的測(cè)定結(jié)果表明所收集氣體的主要組成成分為CH4（24.3～32.3 mmol/L）、N2（9.0～16.5 mmol/L）、O2（0.9～2.9 mmol/L）。這與以往認(rèn)為水體冒泡氣體以CH4為主的觀點(diǎn)不盡相同。以往傳統(tǒng)的氣體采集裝置和方法不能解決同時(shí)直接測(cè)定上述氣體的問題，本文描述的采氣裝置在該方面也取得了突破，避免了采用不同方法造成的取樣及測(cè)定誤差。CH4、N2O、CO2等溫室氣體排放能夠引起全球范圍內(nèi)溫度持續(xù)變暖，引起了世界各國的關(guān)注。其中CH4是全球變暖研究中最受重視的溫室氣體之一[11-12]。從CH4的產(chǎn)生機(jī)制來看，主要由厭氧發(fā)酵產(chǎn)生，水體生態(tài)系統(tǒng)（如湖泊、水庫、池塘等）底泥長(zhǎng)期處在淹水狀態(tài)下，且含有豐富的有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分和大量的微生物，完全符合CH4的產(chǎn)生條件[13-14]。同時(shí)，由于水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度不斷加劇，底泥中聚集了豐富的氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽，底泥中的生物硝化、反硝化脫氮作用強(qiáng)烈。本方法可用于直接收集并測(cè)定底泥釋放氣體的研究，有助于全面掌握底泥對(duì)于溫室氣體排放的貢獻(xiàn)，對(duì)于底泥中生物脫氮過程的研究具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本裝置在使用過程中須注意：在采樣點(diǎn)布置裝置時(shí)，要提前測(cè)量水體的深度，以此來確定連接桿放置到水下的大致深度，并在放置過程中時(shí)刻觀察刻度尺，以確定不擾動(dòng)底泥。在放置好浮球支架系統(tǒng)后要將集氣罩完全浸沒于水下，排除集氣罩內(nèi)的空氣，并趕出采氣裝置系統(tǒng)內(nèi)（包括集氣罩、進(jìn)氣管、排水管等）各部分的細(xì)微氣泡。準(zhǔn)備集氣瓶時(shí)應(yīng)確定集氣瓶充滿水，無細(xì)小氣泡。在連接集氣瓶與進(jìn)氣管時(shí)需排除連接處的細(xì)小氣泡。在收采氣瓶時(shí)應(yīng)讓進(jìn)氣管中自動(dòng)充滿水，確保氣瓶中氣體不與空氣接觸。集氣瓶收好氣后應(yīng)倒置以貯存氣體，并及時(shí)測(cè)定。測(cè)定氣體樣品時(shí)，要注意保持氣體樣品的進(jìn)樣過程不被空氣污染，保證不讓空氣進(jìn)入氣相色譜的進(jìn)樣系統(tǒng)。

中國的天然濕地系統(tǒng)的CH4釋放量為2.46～30 mg/（m2·h） [15-18]，本試驗(yàn)中測(cè)得的CH4釋放通量為22.6～59.6 mg/（m2·h），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于濕地系統(tǒng)的CH4釋放通量，這可能是因?yàn)闈竦谻H4釋放具有很大的時(shí)空變異性[19]，有關(guān)濕地釋放CH4的研究多集中在低溫地區(qū)[20-21]，而本試驗(yàn)在亞熱帶地區(qū)夏季進(jìn)行，是CH4釋放最強(qiáng)烈的階段；本研究中的富營(yíng)養(yǎng)化水塘水力停留時(shí)間較長(zhǎng)，且無外界擾動(dòng)，底泥有機(jī)質(zhì)豐富，這些都有利于厭氧環(huán)境的發(fā)酵及CH4釋放過程。釋放的CH4通過氣泡擴(kuò)散方式向大氣中釋放。我國湖泊的CH4釋放通量0.01～1.12 mg/（m2 ·h）[22-23]，也低于本試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因?yàn)榈乇硌退^深時(shí)CH4不僅可以在水體中向各個(gè)方向擴(kuò)散，還會(huì)在以氣泡或擴(kuò)散形式穿越水層時(shí)被氧化，水層越深CH4損失量越大[18]，以往底泥釋放氣體的收集方法多漂浮在水面上，而本試驗(yàn)裝置直接在底泥上方收集底泥產(chǎn)生的CH4，避免了CH4在水層上升時(shí)大量損失，有利于研究底泥釋放CH4的潛力。

N2O是僅次于CO2和CH4的溫室氣體，其增溫潛勢(shì)是CO2的300倍左右[24-27]。研究表明，湖泊排放N2O的通量為16～28 μg/（m2 ·h）[28-30]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本試驗(yàn)測(cè)定值，這可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)研究的富營(yíng)養(yǎng)化水塘長(zhǎng)期淹水處于厭氧環(huán)境，有利于N2O進(jìn)一步被還原為N2，向大氣排放的N2O比較少[24，31-32]，因此N2O含量較低。

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