水电能源科学

长江干流p_CO₂、F_CO₂的时空分布及与环境因子的关系

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孙文秀 ¹ , 吴文强 ¹ , 钱宝 ² , 周怀东 ¹ , 张剑楠 ¹ , 张易凡 ¹ , 董飞 ¹

水电能源科学 | 水文水资源与环境 2025,43(9): 47-51

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水电能源科学 | 水文水资源与环境 2025, 43(9): 47-51

长江干流p_CO₂、F_CO₂的时空分布及与环境因子的关系

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孙文秀¹, 吴文强¹, 钱宝², 周怀东¹, 张剑楠¹, 张易凡¹, 董飞¹

作者信息

^1.中国水利水电科学研究院水生态环境研究所，北京 100038

^2.水利部长江水利委员会水文局，湖北武汉 430010

孙文秀（1993-），女，博士研究生，研究方向为水环境监测与污染防控，E-mail：sunwenxiuemail@126.com

通讯作者:

吴文强（1977-），男，博士、正高级工程师，研究方向为水环境模拟与规划，E-mail：wwqemail@126.com

Spatiotemporal Distribution of p_CO₂ and F_CO₂ in the Mainstream of the Yangtze River and Its Relationship with Environmental Factors

Wen-xiu SUN¹, Wen-qiang WU¹, Bao QIAN², Huai-dong ZHOU¹, Jian-nan ZHANG¹, Yi-fan ZHANG¹, Fei DONG¹

Affiliations

^1.Department of Water Ecology and Environment, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China

^2.Hydrology Bureau of Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010, China

出版时间: 2025-09-25 doi: 10.20040/j.cnki.1000-7709.2025.20242135

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摘要

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为了估算长江干流CO₂分压（p_CO₂）、水—空气界面CO₂通量（F_CO₂）的时空特征，自上而下选取长江干流8个监测点位，基于2020~2022年水质数据，通过CO₂ SYS软件计算了水体p_CO₂、F_CO₂值，分析了长江干流p_CO₂、F_CO₂的时空变化，并运用Mantel test方法研究了p_CO₂、F_CO₂与环境因子的关系。结果表明，2020~2022年长江干流p_CO₂范围为450.02~3 615.88μatm，高于2020~2022年全球大气中CO₂的平均分压（414.78μatm），空间上p_CO₂分布特征为中游>上游>入海口；2020~2022年水—气F_CO₂平均值分别为40.25、74.74、61.85 mol/（m²·a），空间上表现为上游>中游>入海口。长江干流水体p_CO₂处于过饱和状态，2020~2022年水—气F_CO₂整体呈上升趋势；p_CO₂与水温、溶解氧、pH值呈显著正相关，F_CO₂与pH值、溶解氧、电导率浓度呈正相关。

关键词

长江 / CO₂分压 / CO₂通量 / 时空特征 / 相关性

Abstract

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To estimate the spatiotemporal characteristics of CO₂ partial pressure (p_CO₂) and water-air interface CO₂ flux (F_CO₂) along the Yangtze River, this study selected eight monitoring sections along the main channel of the river from upstream to downstream. Based on water quality data from 2020 to 2022, p_CO₂ and F_CO₂ were calculated using the CO₂ SYS software. The spatiotemporal variations of p_CO₂ and F_CO₂ were analyzed, and the relationships between p_CO₂, F_CO₂, and environmental factors were assessed using the Mantel test. The results show that from 2020 to 2022, p_CO₂ in the Yangtze River ranged from 450.02 to 3 615.88 μatm, which was higher than the global atmospheric CO₂ average partial pressure of 414.78 μatm during the same period. Spatially, the distribution of p_CO₂ was as follows: midstream > upstream > estuary. The average values of water-air F_CO₂ during 2020-2022 were 40.25 mol/(m²·a), 74.74 mol/(m²·a), and 61.85 mol/(m²·a), respectively, with a spatial distribution of upstream > midstream > estuary. The Yangtze River is in a state of CO₂ oversaturation, and that the water-air F_CO₂ flux showed an overall increasing trend from 2020 to 2022. p_CO₂ exhibited a significant positive correlation with water temperature, dissolved oxygen, and pH, while F_CO₂ was positively correlated with pH, dissolved oxygen, and conductivity.

Key words

Yangtze River / p_CO₂ / F_CO₂ / spatiotemporal characteristics / correlation

引用本文

孙文秀, 吴文强, 钱宝, 周怀东, 张剑楠, 张易凡, 董飞. 长江干流p_CO₂、F_CO₂的时空分布及与环境因子的关系. 水电能源科学, 2025 , 43 (9) : 47 -51 . DOI: 10.20040/j.cnki.1000-7709.2025.20242135

Wen-xiu SUN, Wen-qiang WU, Bao QIAN, Huai-dong ZHOU, Jian-nan ZHANG, Yi-fan ZHANG, Fei DONG. Spatiotemporal Distribution of p_CO₂ and F_CO₂ in the Mainstream of the Yangtze River and Its Relationship with Environmental Factors[J]. Water Resources and Power, 2025 , 43 (9) : 47 -51 . DOI: 10.20040/j.cnki.1000-7709.2025.20242135

正文

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1 引言

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CO₂对温室效应贡献在温室气体中约占70%，其来源及控制成为应对气候变化的重要基础。相关研究表明^[1-2]大部分内陆水体具有过饱和的CO₂浓度，是大气中CO₂的重要来源。河流每年向海洋输送的过程中至少0.8×10³ Tg C，通过气体交换以CO₂的形式释放返回到大气^[3-4]。有研究估算^[5]全球每年从陆地汇入内陆水域的碳总量约为5.1×10³ Tg，其中约3.9×10³ Tg C以CO₂的形式释放到大气中。水—气界面CO₂交换通量与

密切相关，普遍存在于不同气候带的水体中^[6]。近年来，SANCHEZ-CARRILLO S等^[7-9]分析了不同区域的内陆水体，结果表明不同区域水体CO₂的释放通量存在差异。目前对于p_CO₂和水—气F_CO₂的研究主要集中在长江某一段区域，很少涵盖上游到入海口的空间变化^[10-11]。为了弥补当前针对长江流域研究中范围和内容的不足，本文选取了长江干流8个点位涵盖了上、中、下游，基于2020~ 2022年水质数据，通过CO₂ SYS软件估算了不同区域p_CO₂及水—气F_CO₂，同时运用Mantel test方法分析了其与环境因子的关系。

2 材料与方法

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2.1 研究区域

长江发源于“世界屋脊”青藏高原，干流先后流经青海、四川、西藏、云南、重庆、湖北、湖南、江西、安徽、江苏、上海共11个省、自治区和直辖市，最后注入东海，全长6 300 km，是世界第三长河，也是中国最长的河流。其流域位于25°N~35°N、90°E~122°E之间，总面积为181×10⁴ km²，约占我国面积的1/5（图1）。流域内亚热带季风气候十分典型，年平均温度与年降水量时空分布不均匀，平均降雨量724±52 mm。按地理条件和水文特征差异，长江划分为上、中、下游3段，其中河源—湖北宜昌为上游，宜昌—江西湖口为中游，湖口以下为下游。

2.2 数据收集

收集主干流8个点位的水质数据，其中上游4个点位C1（朱沱）、C2（寸滩）、C3（清溪场）、C4（宜昌）；中游3个点位C5（枝城）、C6（监利）、C7（37码头）；下游1个点位入海口C8（徐六泾）。水质数据包括温度、pH值、溶解氧（DO）、电导率、总磷（TP）和总氮（TN）。数据来源于中华人民共和国生态环境部公布的国家地表水水质自动监测实时数据。

2.3 水体CO₂分压计算

通过“CO₂ SYS”软件利用pH值、温度和碱度数据计算可确定河流p_CO₂。收集的数据中无碱度数据，因此碱度值参照已建立的方程进行计算^[12]：

(1)

式中，C_Conductivity为电导率，μS/cm；A_Alkalinity为碱度，mg/L。

为了验证该方法的可靠性，选取2023年在长江一级支流汉江监测部分点位的碱度值与方程计算值进行了比较，结果见图2。由图2可知，大多数检测值与观测值高度一致，证明了与该计算方法的一致性和可靠性。UPADHYAY P等^[13]也检验了该方法的可靠性，与本文研究验证结果一致。

2.4 水—气界面CO₂交换通量计算

水—空气界面CO₂交换通量（F_CO₂）可根据体积扩散模型计算，其计算公式为：

(2)

式中，k_CO₂为水—气界面CO₂的传输速率，m/d；K_h为CO₂的亨利常数；p_{CO_2-water}为所选研究区CO₂水面分压；p_{CO_2-air}为大气中CO₂的分压，采用2020~2022年全球大气年平均值，2020、2021、2022年大气CO₂分压分别为412.455、414.738、417.154 μatm（数据来源：https://gml.noaa.gov/ccgg/trends/global.html）；p_{CO_2-water}-p_{CO_2-air}为水—气CO₂的浓度梯度，正值代表水体向大气中释放CO₂，负值表示水体从空气中吸收CO₂。

采用水温为20 ℃下的S_C值进行归一化，然后使用流速和坡度计算k₆₀₀，利用Raymond方法计算k_CO₂值^[8]，其计算公式为：

(3)

其中

(4)

(5)

式中，S_C为实际水温下CO₂的施密特数，20 ℃时为600；V、S分别为河流流速、采样点的坡度；T为温度。

式（4）、（5）中流速来自于长江航道局的统计数据，坡度数据在地理空间数据云下载DEM坡度数据并通过Arcgis软件处理后得到。

3 结果与分析

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3.1 长江干流水质参数时空变化

图3为2020~2022年长江干流水质参数。由图3（a）可知，研究区域水温均值范围在18.47~21.74 ℃之间，2020~2022年年际间波动较小，其中，2020年上游、中游、入海口平均水温分别为20.17、20.43、18.47 ℃，2021年上游、中游、入海口平均水温分别为20.74、21.01、21.67 ℃，2022年上游、中游、入海口平均水温分别为20.04、20.72、21.29 ℃，空间上由上游到入海口整体呈增加趋势，变化范围较小；由图3（b）可知，pH值范围为7.63~8.95，2020年上游、中游、入海口pH值平均值分别为7.99、7.80、7.74，2021年上游、中游、入海口pH值平均值分别为7.88、7.68、7.99，2022年上游、中游、入海口pH平均值分别为7.87、7.77、7.85，时间序列pH值变化不明显，空间上2020年由上游到入海口pH值呈减小趋势，2021、2022年由上游到入海口pH值整体呈先减小后增加的趋势；由图3（c）可知，溶解氧浓度平均值范围为7.44~9.67 mg/L，时间上表现为2020年较高，2020年上游、中游、入海口溶解氧平均浓度分别为8.68、8.71、8.85 mg/L，2021年上游、中游、入海口溶解氧平均浓度分别为8.29、7.89、7.56 mg/L，2022年上游、中游、入海口溶解氧平均浓度分别为8.44、7.95、7.65 mg/L，空间上2020年由上游到入海口溶解氧整体呈增加趋势，2021、2022年溶解氧呈减小的趋势。由图3（d）可知，电导率浓度平均值范围在304.58~401.69μS/cm之间，年际间相差较小，2020年上游、中游、入海口电导率平均浓度分别为381.56、380.13、304.58μS/cm，2021年上游、中游、入海口电导率平均浓度分别为376.39、356.11、359.56μS/cm，2022年上游、中游、入海口电导率平均浓度分别为380.87、381.63、334.59μS/cm，空间上2020年由上游到入海口电导率呈减小趋势，2021、2022年电导率表现为上游高于中游和入海口。由图3（e）可知，TP浓度平均值范围为0.020~0.118 mg/L，年际间波动较大，整体表现为2021年>2022年>2020年，空间上由上游到入海口TP呈先减小后增加的趋势。由图3（f）可知，TN浓度平均值范围为1.06~2.21 mg/L，其时间上变化趋势与TP相似，整体表现为2021年TP浓度相对较高，空间上由上游到入海口TP呈先增加后减小的趋势。

3.2 水体CO₂分压及释放通量时空分布特征

图4为长江干流p_CO₂分压及F_CO₂。由图4（a）可知，研究区域2020~2022年p_CO₂范围为514.52~2 400.09μatm。年际变化整体表现为上游和中游区域p_CO₂呈增加趋势，入海口呈逐年减小趋势。其中2020年上游、中游、入海口p_CO₂平均值分别为1 231.02、1 374.66、1 803.59 μatm；与2020年相比，2021年上游和中游p_CO₂均有所增加，上游约为其1.3倍（1 597.00 μatm），中游约为其1.7倍（2 337.46μatm），入海口的p_CO₂减小为2020年的0.91倍（1 120.93 μatm）；2022年上游、中游、入海口p_CO₂平均值分别为1 635.00、1 786.52、720.65μatm。2020~ 2022年p_CO₂空间上分布特点为中游>上游>入海口，且2020~2022年全球大气中CO₂的平均分压分别为412.46、414.74、417.15μatm，均小于水体CO₂分压，表明水体中CO₂处于过饱和状态。长江中游地区是中国重要的工业、农业生产基地，人口密度大，人类的生产生活能够影响土壤有机质的呼吸作用产生的CO₂通过径流、壤中流和洪泛等水文过程输入到水体中，从而导致河流p_CO₂升高。

由图4（b）可知，2020年上游、中游、入海口水—气F_CO₂平均值分别为53.13、23.08、12.19 mol/（m²·a）；2021年上游水—气F_CO₂增加，为2020年同一区域的1.58倍（84.11 mol/（m²·a）），中游水—气F_CO₂平均值高达65.37 mol/（m²·a），为2020年的2.83倍，入海口水—气F_CO₂减少，为2020年的0.69倍（8.38 mol/（m²·a）），2022年上游、中游、入海口水—气F_CO₂平均值分别为79.77、43.93、3.42 mol/（m²·a），2020~2022年水—气F_CO₂平均值分别为40.25、74.74、61.85 mol/（m²·a），研究区域空间上由上游到入海口呈先增加后减小的趋势。文献[14]估算长江上游支流龙川江水—气F_CO₂范围为27~50 mol/（m²·a），与本文研究估算的数值相近。较高的流速通常会加速水气界面之间的CO₂交换，使水体中的CO₂更容易释放到大气中。此外，长江上游区域因地形陡峭，河道坡度较大，流速相对较快，有利于增加水体与大气之间的气体交换面积，进而增加了CO₂的释放通量。

3.3 水体p_CO₂、F_CO₂与环境因子的关系

长江干流p_CO₂、水—气F_CO₂的空间分布特征与环境因素有着密切联系。通过相关性分析表明（图5），主要影响p_CO₂的环境因素有水温、pH值、溶解氧和电导率。不同区域水体的温度、pH值、电导率等水质参数会影响水体的碳酸平衡。温度升高会增加水体中p_CO₂，电导率的大小会影响碱度浓度，pH值和碱度的改变直接影响水体中碳酸盐的平衡，在酸性环境中，CO₂的溶解度增加，更多的CO₂以溶解状态存在于水中，从而增加了水体中的p_CO₂。p_CO₂与TN、TP呈负相关，原因可能是在氮磷较充足的水体中，促进了水生植物的生长，同时有利于光合作用的增强，从而消耗水中的CO₂，导致水体中p_CO₂下降。水—气F_CO₂与水温、溶解氧、pH值相关性较强。温度对水体中微生物的代谢活动和有机物的分解速率有显著影响，较高温度和充足的溶解氧浓度，均可促进微生物分解有机物的速率，导致更多的CO₂释放到水体中，促进CO₂从水体向大气的释放，增加水—气F_CO₂。长江干流从西向东跨越多个气候带，不同地区温度等环境因素存在一定差异，而且流域内土壤盐碱化导致河流pH值的空间差异，对长江p_CO₂、水—气F_CO₂的空间格局也具有一定的控制作用。

3.4 长江干流CO₂释放通量差异分析

长江干流CO₂释放通量的变化受到多种因素的综合影响，包括水温、坡度、流速及外源有机物输入等。水温通过影响CO₂在水中的溶解度、微生物活性及水生植物的光合作用和呼吸作用，进而影响CO₂的产生过程^[15]。坡度与流速则通过改变水体与大气之间的气体交换速率，直接影响CO₂的释放。外源输入的有机物不仅可提高水体中的CO₂浓度，还能为微生物提供额外的碳源，促进有机物的分解，进一步加剧水体中CO₂的积累。

在时间维度上，2021年水温略高于2020、2022年（图3（a）），根据相关性分析结果表明，CO₂释放通量与水温呈显著正相关关系（图5），因此，2021年CO₂释放通量整体高于2020、2022年。在空间维度上，不同区域的影响因素对CO₂释放通量存在显著差异。长江上游多为峡谷河流，水动力学特性对CO₂释放通量具有重要影响，由于该区域地形坡度较大，流速较快，水体与大气之间的CO₂交换速率较高，促进了水气间CO₂的交换。相比之下，长江中游地区虽坡度小，但该区域人类活动频繁，外源有机物的输入量较多，促进了有机物积累和微生物分解过程。因此，长江干流上游、中游CO₂释放通量较高。长江入海口区域地形趋于平坦，流速缓慢，颗粒物絮凝沉降加速，且入海口水体盐度升高，抑制了枯落物分解CO₂的释放，导致CO₂释放通量显著下降^[16]。

4 结论

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a. 2020~2022年长江干流水体p_CO₂、水—气F_CO₂整体呈现空间异质性，且变化趋势为上中游区域的p_CO₂逐年增加，而入海口区域则逐年减小；该期间F_CO₂整体呈增加趋势，空间上自上而下呈先增加后减小趋势。

b. 相关性分析表明，水温、pH值、溶解氧等环境因素均对p_CO₂、水—气F_CO₂具有显著影响，较高的水温促进有机物的分解和CO₂释放，溶解氧和pH值的变化影响CO₂的分压。这些环境因素的相互作用表现了长江不同区域水体空间差异性，也为大江大河CO₂分压和通量的估算提供了重要参考。

基金

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水利部重大科技项目(SKS-2022058)

参考文献

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文献

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2025年第43卷第9期

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doi: 10.20040/j.cnki.1000-7709.2025.20242135

接收时间：2024-11-14
首发时间：2025-12-16
出版时间：2025-09-25

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收稿日期：2024-11-14
修回日期：2024-12-16

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水利部重大科技项目(SKS-2022058)

作者信息

^1.中国水利水电科学研究院水生态环境研究所，北京 100038

^2.水利部长江水利委员会水文局，湖北武汉 430010

通讯作者:

吴文强（1977-），男，博士、正高级工程师，研究方向为水环境模拟与规划，E-mail：wwqemail@126.com

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科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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