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自工业革命以来，由于人类活动引起的温室气体排放是导致全球变暖的主要原因，CH4和CO2作为主要的温室气体，对温室效应的总贡献率约达80%[1]。内陆水体作为陆地生态系统碳循环的重要组成部分，其碳排放也越来越受到关注[2-3]。近期一项关于全球内陆水体CO2排放的研究表明，全球95%河流水体CO2分压[p(CO2)]远超大气，7 939个湖泊和水库CO2处于过饱和状态[4]。内陆水体通过沉积作用将碳埋藏在沉积物中，同时又向大气排放CH4和CO2等温室气体，在全球碳循环中发挥着重要作用[5]。因此，明确不同类型湖泊和水库的p(CH4)、p(CO2)和CH4、CO2排放速率是了解全球环境变化的关键。
近年来，国内外学者对湖泊、水库、河流等自然生态系统水体中温室气体做了大量研究，而针对人工湖泊和受人类活动影响较大的城市湖泊研究相对较少[6-7]。城市湖泊不仅可供市民游乐，还在调蓄洪涝和小气候调节等方面起着重要作用[8]。与自然湖泊相比，城市湖泊水体相对静止和封闭，底泥较厚，富含有机质等营养物质，常处于富营养化状态[9]。城市湖泊大多为景观湖，持续人为大量有机物的输入会刺激水体微生物的新陈代谢，这可能会促进湖泊温室气体的排放[10]。由于城市湖泊独特的水质条件、地理位置及其独特功能，很有必要对其水体温室气体分压和排放通量进行探究。
与自然湖泊相比，城市湖泊面积较小，其元素的生物地球化学循环易被人们忽略，但城市湖泊仍是全球碳循环中重要的环节[10]。温志丹等[10]对长春市夏季出现过富营养化的7个城市湖泊研究发现，长春市湖泊表层水体中CH4都处于过饱和状态，且大部分水体CO2也处于饱和状态，是大气CH4和CO2的“源”，日照时数、降水量、气温、水体pH、盐度、可溶性有机碳、全氮和全磷等是影响长春市水体温室气体分压的主要环境和水质因素。邢阳平[11]通过对武汉东湖的研究显示，湖水-气界面CO2分压的高于大气，是重要的温室气体“源”，且CO2排放速率随富营养水平的降低而升高。胡茂俊[12]对南京典型水体春季温室气体排放的研究表明，南京受严重污染的水体CO2和CH4排放速率可达1 023.34、89.45 mg/(m2·h），不同河流的温室气体排放主要受温度、气压、风速和辐照度等环境因子的影响。艾永平[8]发现，北京市湖泊CH4年排放量约为0.32 Gg (1 Gg=109 g)，约占整个北京地区CH4年排放量的1‰。综上，城市湖泊是城市温室气体的重要排放“源”，排放速率受环境和水质参数的共同影响，但干旱区城市水体温室气体排放的研究仍存在不足。
为探究干旱区城市湖泊水体温室气体排放及其影响因素，本研究以乌鲁木齐典型观赏性湖泊—南湖和灌溉水库—幸福一号水库为研究对象，采用顶空平衡法对湖泊夏季水-气界面的CH4和CO2浓度进行了监测，估算气体排放通量，并对影响温室气体排放的水质因素进行了分析。本研究可为估算干旱区城市湖泊对城市温室气体排放的贡献提供依据。
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南湖市民广场（南湖）和幸福一号水库位于乌鲁木齐市区内，其位置见图1。
南湖属于市内人工景观湖，最大能容水量约为10万m3，湖岸均为人工堤坝，并建有绿化带、环湖路以及供市民休息娱乐的广场。幸福一号水库也属于人工湖，最大能容水量约为13万m3，水库东侧人工堤坝为水库出口，西侧自然堤坝为水库流水进口，具有农业灌溉和水产养殖等功能。按湖泊地理位置来看，南湖位于乌鲁木齐市中心，幸福一号水库位于城西，根据现场观察，南湖不同区域水体表层均存在不同程度的藻类聚集，其中N2和N3采样点聚集最为明显；幸福一号水库水体清澈，无肉眼可见藻类。
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采样时间为2019年7月的上、中、下旬，选择相对晴朗的天气，在距离湖岸3 m以上，采集表层0.5～1.0 m深度的湖水。其中南湖和幸福一号水库分别采集3个点，分别为N1～N3和X1～X3，分别位于水体进水口、中部以及尾部，每个点重复3次。采集时间主要集中在09:00～13:00，采用顶空平衡法测定溶于水体中的CH4和CO2浓度[13-14]，具体操作为：采样前将体积为600 mL的细口玻璃瓶口朝上，以便瓶中充满空气，采集时将整个瓶置于水面下，收集350 mL水体后取出，并用硅胶塞密封瓶口。随后剧烈摇晃采样瓶120 s，静置10 min使水相和气相中达到平衡。采用医用注射器抽取玻璃瓶上层气体约250 mL，采用Agilent 7890A（Agilent，PaloAlot，USA）分析气体中的CH4和CO2的浓度。在采集水体时采用便携式水质分析仪（雷磁，DZB-712，上海）测定水体温度、pH、电导率、氧化还原电位和溶解氧。
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根据气体中测定的CH4和CO2浓度，结合亨利定律[15]，分别计算南湖和幸福一号水库表层水体中CH4分压p(CH4)和CO2分压p(CO2)见式（1）。
式（1）中：p为湖泊表层水体中气体分压，atm；cB为气体的物质的量浓度，mol/m3；kc为亨利常数，[atm/(mol·m3)]。根据气体浓度值和双层模型公式计算湖泊水-气界面的CO2和CH4通量[2,15]见式（2）。
式（2）中：F为湖泊水-气界面气体通量[mmol/(m2·d)]；D为气体分子扩散系数(cm2/s)，z为表面边界层厚度，μm，根据文献[2]D/z值取0.5 m/d；caq为气体在边界层底部的量浓度，mol/m3；cair为气体在边界层上表面的量浓度，mol/m3，该浓度为实测的大气中CO2和CH4的浓度。
采用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析，并对环境参数和温室气体分压之间的关系进行相关分析和回归分析，显著水平为α=0.05。采用Origin 2017绘图。
1.1. 研究区概况
1.2. 样品采集与分析
1.3. 数据分析
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南湖和幸福一号水库的水质参数，见表1。
表1可知，南湖和幸福一号水库均呈弱碱性，pH介于7.80～8.72之间，其中幸福一号水库X1点pH显著高于其他采样点；南湖水体电导率平均值为2.85 mS/cm，显著高于幸福一号水库（0.55 mS/cm）；南湖水体氧化还原电位显著低于幸福一号水库，且不同采样点之间均存在显著性差异；南湖水体溶解氧与幸福一号水库比相对较高（15.03 mg/L），其中N3点显著高于其他点位。南湖和和幸福一号水库温度介于23.70～25.30 ℃之间，平均值为24.64 ℃。
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南湖和幸福一号水库p(CH4)和p(CO2)存在明显差异，见图2。
图2可见，南湖N1点p(CH4)值为1435.91 μatm，显著高于N2 (992.14 μatm)和N3 (753.97 μatm)（P<0.05）。幸福一号水库X1点p(CH4)值为318.99 μatm，显著高于X2 (95.10 μatm)和X3 (97.62 μatm)（P<0.05），南湖p(CH4)是幸福一号水库的6.22倍。南湖N1点p(CO2)值为4334.85 μatm，显著高于N2 (2387.46 μatm)和N3 (601.57 μatm)（P<0.05）。幸福一号水库X1点p(CO2)为594.37 μatm，显著高于X2 (172.5 μatm)和X3 (353.57 μatm)（P<0.05），南湖p(CO2)是幸福一号水库的6.54倍。
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对南湖和幸福一号水库CH4和CO2排放通量进行估算，见图3。
图3可见，南湖N1点CH4排放通量最高为717.96 mmol/(m2·d)，显著高于N2和N3（P<0.05），平均排放通量为530.34 mmol/(m2·d)；幸福一号水库X1点CH4排放通量最高为159.49 mmol/(m2·d)，显著高于X2 和X3（P<0.05），平均排放通量为85.28 mmol/(m2·d)。南湖N1点CO2排放通量最高为2167.43 mmol/(m2·d)，显著高于N2和N3（P<0.05），平均排放通量为1220.65 mmol/(m2·d)；幸福一号水库X1点CO2排放通量最高为297.18 mmol/(m2·d)，显著高于X2和X3（P<0.05），CO2平均排放通量为186.79 mmol/(m2·d)。由此可知，南湖和幸福一号水库温室气体排放以CO2为主，其CO2通量是CH4的2.30和2.19倍。
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为探究影响城市湖泊温室气体排放通量的影响因素，分析了水质参数与CH4和CO2通量的关系，见图4。
图4可见，pH、电导率和氧化还原电位与CH4、CO2通量显著相关；进一步回归分析发现，pH、电导率和氧化还原电位与CH4、CO2通量存在显著地线性相关（P<0.05），其中氧化还原电位与CH4通量的R2最大为0.987。溶解氧、温度与温室气体排放通量不存在显著相关性（P>0.05）。由此可知，pH、电导率和氧化还原电位是影响南湖和幸福一号水库水体CH4和CO2通量的主要因素。
2.1. 表层湖水质参数分析
2.2. 城市湖泊表层水体CO2和CH4分压
2.3. 城市湖泊表层水体温室气体扩散通量
2.4. 温室气体排放通量与水质参数的关系
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通过对乌鲁木齐南湖和幸福一号水库的研究，这2个城市湖泊夏季的p(CH4)值都高于大气CH4分压，说明在夏季，城市水体是大气CH4的源。同时，南湖和幸福一号水库中的p(CO2)值也高于大气中CO2的分压，说明这2个城市湖泊也为大气中CO2的排放源。通过对这2个城市湖泊温室气体排放量的估算可知，南湖和幸福一号水库CH4排放通量分别为530.34 mmol/(m2·d)和85.28 mmol/(m2·d)，CO2排放通量为1 220.65 mmol/(m2·d)和186.79 mmol/(m2·d)。与不同水体相比，乌鲁木齐的城市湖泊CH4排放量高于绝大部分水体，但低于崇州的沟渠[16]和上海的河流[17]；CO2排放通量同样低于崇州市的河流、沟渠[16]和上海市的河流[17]，但高于美国的Roosevelt水库等其他水体[18-22]，见表2。
表2可知，大部分水体表现为CH4源，排放通量为0.02～2 256.60 mmol/(m2·d)，仅有崇州水体[16]和美国加尼福尼亚州的Shasta水库存在吸收CH4的现象，其吸收量为−111.45～−0.09 mmol/(m2·d) [18]。通过比较同一地区不同营养水平湖泊可知（太湖、长春市湖泊等），湖泊营养化水平越高，CH4通量越大[10,19]；但对于不同区域不同营养状态湖泊，CH4通量与营养状态不存存在相关性（太湖和宜昌湖泊）[19-20]。不同水体为CO2源汇，其CO2排放通量为3.88～21 860.07 mmol/(m2·d)，同一地区CO2排放与水体营养级存在一致性；吸收通量为−388.15～−1.15 mmol/(m2·d)，崇州市的河流吸收通量最高。本研究发现，CH4和CO2通量最值均出现在吴铭[16]研究中，这可能与其采样点靠近岸边有关。
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水生态系统温室气体通量由其产生和传输过程共同决定，而这两个过程受环境因子和水质参数的共同影响[16]。温度、降雨和风速是影响水体温室气体通量的主要环境因素[23]，而水质因素与温室气体通量的相关研究相对较少。因此，本研究着重探究了水质参数（水体pH、温度、氧化还原电位、溶解氧和电导率）对CH4和CO2通量的影响。研究表明，pH和氧化还原电位与CH4、CO2排放呈显著负相关，与电导率呈显著正相关（P<0.05），这与在太湖[19]、三峡支流—香溪河[21]、北京市湖泊[8]等地的研究一致。水体pH直接影响水体中CO2、CO32−和HCO3−的动态平衡，影响水体中CO2的溶解浓度。当pH升高时，CO2在水中易形成碳酸盐，降低CO2分压，近而减少CO2的排放，而当pH降低后则会促进水体CO2释放；同时pH也是影响水体微生物活性的重要因子，可调控微生物的呼吸，从而改变水体温室气体的通量[24-25]。氧化还原电位（Eh）是衡量厌氧状况的一个非常有效的指标，不仅影响着产甲烷菌的活性，还会影响植物的通气组织，从而影响水体温室气体通量[26-27]。研究表明[26,28]，当氧化还原电位低于−110 mV是就可产生CH4，而−300 mV条件下CH4产生量是−200 mV条件下的10倍，即CH4排放通量随氧化还原电位的增加而降低，这与本研究一致。水体盐分也是影响水体温室气体通量的因素，但盐分对温室气体通量的影响也存在一定差异。一项在美国南部路易斯海岸的研究发现，盐分适度的增加会降低温室气体的排放[29]；此外在盐沼的研究也证明了类似的结果，即CH4的排放随盐度的增加而减少[30]。这是因为盐分增加后也会使得水体中的电子受体数量增加，而电子受体对产甲烷菌具有毒害作用，可抑制CH4的产生[31]。本研究发现，湖泊温室气体排放与电导率呈显著正相关，这可能是由于研究点位较少和电导率梯度较小的原因导致。但也有研究表明[32]，与淡水湖泊相比，高盐度和高碱度的湖泊中产甲烷菌和SAMO型甲烷氧化菌数量有显著增加。溶解氧是影响水体温室气体通量的另一个重要水质因子[33]，这是因为溶解氧的浓度直接影响水体微生物的呼吸作用。有氧呼吸过程中，微生物消耗O2产生CO2，使得水体CO2通量与溶解氧呈显著负相关[34-35]，水体CH4主要来自于厌氧微生物甲烷菌的新陈代谢，其活性受溶解氧的影响较大，即当水体溶解氧含量较低是有利于甲烷菌的代谢和CH4的产生，高浓度则抑制。本研究中，溶解氧与温室气体通量不存在显著相关性（图4），这可能是由于其他水质因子掩盖了溶解氧的效应。本研究中温室气体通量与水体温度不存在相关性，这可能是由于监测时段较为集中，温度差异性较小所导致。有关乌鲁木齐水体温室气体通量的时空变化特征还有待进一步研究。
3.1. 不同湖泊CH4和CO2排放通量比较
3.2. 水质参数对CH4和CO2通量的影响
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通过对夏季乌鲁木齐市南湖和幸福一号水库表层水体温室气体检测的结果表明，南湖和幸福一号水库p(CH4)为753.97～1435.91 μatm、95.10～318.99 μatm，p(CO2)为601.57～4 334.85 μatm和172.53～594.37 μatm。南湖和幸福一号水库CH4平均排放通量为530.34、85.28 mmol/(m2·d)；南湖和幸福一号水库CO2平均排放通量为1 220.65、186.79 mmol/(m2·d)。乌鲁木齐市水体CO2通量是CH4的2.29倍。pH、电导率和氧化还原电位是影响CH4、CO2排放的主要水质因子。总体而言，乌鲁木齐城市水体CH4和CO2排放通量相对较高，可能是城市温室气体重要的来源。
