芦岭矿塌陷塘温室气体溶存特征及水–气界面交换通量研究

Study on Dissolved Characteristics of Greenhouse Gases and Water-Air Interface Exchange Fluxes in the Subsidence Pond of Luling Coal Mine

摘要: 为探究采煤沉陷区水域温室气体排放的季节动态及其环境影响机制，本研究以安徽省芦岭矿塌陷塘为研究对象，基于顶空法、静态箱法分别对水体温室气体二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)溶存浓度及水–气界面交换通量进行季节监测，结合环境因子pH、氧化还原电位(ORP)、溶解有机碳(DOC)、总氮(TN)、总磷(TP)分析其时空变化特征与驱动因素。结果表明：(1) CH₄和CO₂浓度与通量呈现显著季节性差异，夏季CH₄浓度整体最高(8.38~9.41 ppm)，通量最高(远岸带(1#)达(42.53 ± 8.30) μmol·m⁻²·min⁻¹)，冬季最低(近岸带(3#)仅(0.33 ± 0.30) μmol·m⁻²·min⁻¹)；CO₂在春、夏季表现为“汇”(通量最低为(−64.51 ± 32.75) μmol·m⁻²·min⁻¹)，秋、冬季转为“源”(最高达(107.59 ± 19.10) μmol·m⁻²·min⁻¹)；(2) 区域差异显著：远岸带(1#)夏季及冬季的CH₄通量与秋季及冬季的CO₂通量均高于近岸带(3#)，可能与沉积物有机质富集和扩散速率相关；(3) 相关性分析表明，CO₂排放影响水体酸碱环境，与TN、TP生物地球化学过程联系紧密显著调控(pH与CO₂通量显著负相关，r = −0.829，与TN显著正相关，r = 0.690)，CH₄通量主要依赖产甲烷菌活性及微环境条件。研究揭示了采煤沉陷区水域温室气体排放的季节动态与关键驱动因子，为矿区生态修复及“双碳”目标实现提供科学依据。

Abstract: To explore the seasonal dynamics of greenhouse gas emissions and their environmental impact mechanisms in the water area of coal mining subsidence zones, this study selected the water area of the Luling Mine subsidence zone in Anhui Province as the research object. Based on the headspace method and static chamber method, the concentrations and fluxes of greenhouse gases, including carbon dioxide (CO₂) and methane (CH₄), at the water-air interface were monitored in four seasons. The temporal and spatial variation characteristics and driving factors of these gases were analyzed in combination with environmental factors such as pH, oxidation-reduction potential (ORP), dissolved organic carbon (DOC), total nitrogen (TN), and total phosphorus (TP). The results showed that: (1) The concentrations and fluxes of CH₄ and CO₂ exhibited significant seasonal differences. The CH₄ concentration was the highest in summer (8.38~9.41 ppm), and the flux was also the highest (up to (42.53 ± 8.30) μmol·m⁻²·min⁻¹ at the far shore (1#)), while it was the lowest in winter (only (0.33 ± 0.30) μmol·m⁻²·min⁻¹ at the near shore (3#)). CO₂ acted as a sink in spring and summer (with the lowest flux of (−64.51 ± 32.75) μmol·m⁻²·min⁻¹), and turned into a source in autumn and winter (with the highest flux of (107.59 ± 19.10 μmol·m⁻²·min⁻¹). (2) There were significant regional differences: the CH₄ fluxes in summer and winter at the far shore zone (1#) and the CO₂ fluxes in autumn and winter were both higher than those at the near shore zone (3#), which might be related to the enrichment of organic matter in the sediment and the diffusion rate. (3) CO₂ emissions were significantly regulated by pH, TN, and TP (pH was extremely significantly negatively correlated with CO₂ flux, r = −0.829, and significantly positively correlated with TN, r = 0.690), while there was no significant linear relationship between CH₄ flux and physical and chemical indicators, suggesting that its generation mainly relied on the activity of methanogenic bacteria and micro-environmental conditions. This study revealed the seasonal dynamics and key driving factors of greenhouse gas emissions in the water area of coal mining subsidence zones, providing a scientific basis for ecological restoration in mining areas and the achievement of the “dual carbon” goals.

1. 引言

全球气候变化是21世纪关乎人类生存和发展的重大课题，也是国内外学者关注的焦点和热点问题。诸多研究一致认为，人类活动(森林砍伐、化石燃料焚烧和土地利用方式改变等)导致大气温室气体含量增加，是气候变暖的主要驱动因素。其中，大气中产生温室效应的气体也成为重点研究对象，二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)和氧化亚氮(N₂O)构成主要温室气体组成成分[1]，分别占全球气候变暖权重的60%、25%和5% [2]。2023年大气中CO₂和CH₄浓度分别为420 μg/L和1.90 μg/L，较前工业时期基准值分别上升48%和156% [3]。基于通量模型估算，全球内陆水体释放2.10 Pg·C/y的CO₂ [4]、0.65 Pg·C/y的CH₄ [5]以及0.37 Pg·C/y的N₂O。尽管CO₂和CH₄在大气温室气体中占据主导地位，但CH₄分子具有较强的红外吸收能力，单分子全球增温潜势可达CO₂的15~30倍[6]，在温室效应中的贡献率约达20% [7]，现已成为浓度仅次于CO₂的温室气体。在此背景下，如何量化不同生态系统CO₂、CH₄来源和估算其排放强度已成为全球温室气体减排的关键问题之一[8]。

煤炭资源是经济社会发展的重要基石，为我国经济增长做出了重要贡献。然而，随着煤矿资源的持续开采，导致矿区地表沉降，形成塌陷区，在降水以及浅层地下水的作用下，这些塌陷区进一步演变为一种特殊的陆地静水生态系统—塌陷区水域[9]。采煤塌陷作为一个全球性问题，已引起研究者的广泛关注。据不完全统计，当前我国采煤沉陷区水域约为50万hm²，且未来每年将会以半个西湖的水域面积持续扩张[10]。采煤沉陷区水域生态系统的特殊性在于：水补给来源复杂，是地表径流、浅层地下水、居民生活污水、矿井水的汇集地；水域底质成分多元，主要由沉陷覆水的土壤、水生动植物残体、采煤残渣、大气沉降煤粉及岩石颗粒组成等[11]。特别指出，采煤沉陷引发的煤渣颗粒滚落、煤炭粉尘干湿沉降等过程会导致煤炭有机碳在采煤沉陷区水域底质中累积，进而对水体有机污染物富集、碳循环等过程造成影响。水生生态系统是温室气体的重要来源，目前相关研究大多集中在湖泊、水库、河流等天然水域[4] [12]，而由于采煤塌陷区水域的特殊性，对采煤沉陷区水域的研究较为匮乏[13]。鉴于此，本研究将聚焦于探究采煤塌陷区水域温室气体浓度与扩散通量，旨在为该类塌陷区的生态修复及环境治理提供数据支撑和理论参考。

本研究将以芦岭矿采煤沉陷区水域为研究对象，采用顶空法与静态箱法，对采煤沉陷区水域中的温室气体浓度及水–气界面扩散通量进行监测研究，系统分析沉陷区水域中温室气体溶存浓度、水–气界面温室气体排放通量的时空特征及其主要环境影响因素。研究结果将揭示采煤沉陷区水域温室气体的释放机制，为矿区生态修复及落实“双碳”战略提供理论参考。

2. 材料与方法

2.1. 研究区域概况

芦岭矿区隶属于皖北矿区，地处安徽省淮河流域中北部(东经114˚55'~118˚10'，北纬32˚25'~34˚35')。在地貌分区上，该区域属于华北陆块新生代沉陷盆地南缘，系黄淮水系联合作用形成的冲积成因类型区。其中，本研究所聚焦的芦岭矿采煤塌陷区位于安徽省宿州市埇桥区芦岭镇，东经117˚06'30"，北纬33˚35'59"。

芦岭矿采煤塌陷区面积广阔，达23.36 km²，是皖北地区较为典型的采煤塌陷区之一。塌陷区的深度差异明显，一般介于3~6 m之间，最深可达15米。这种塌陷现象主要是由于煤矿疏干排水和降水等因素共同作用所致。芦岭矿塌陷区的地理环境具有一定的代表性，由于积水深度不同，塌陷区内形成了多样化的景观特征。

2.2. 样品的采集与分析

2.2.1. 采样点设置

在芦岭煤矿(LLK)采煤沉陷区水域确定的研究区域内，研究团队结合水系图与实地考察结果确定了采样方案：分季节开展一次采样工作，选择远岸带(1#)、煤泥区(2#)、近岸带(3#)三个代表性区域作为采样点，每个点位采集三次样品，所有采样点均通过GPS定位并记录精确坐标，具体为1# (33.53294224˚N, 117.17992616˚E)、2# (33.53286625˚N, 117.181998˚E)、3# (33.53197725˚N, 117.18361775˚E)，各采样点具体位置如图1所示。

Figure 1. Sampling point locations

图1. 采样点位置

2.2.2. 水–气界面温室气体样品采集

本实验主要采用有机玻璃水样采集器采集塌陷塘底质原位上覆水样品，采用静态箱法采集水面温室气体样品，同时采集空气背景气体与水体溶解性气体。具体操作如下：将静态箱放置于采样点湖面上，静置5 min以平衡箱内气体环境；随后使用注射器吸取100 mL气体，迅速打入气袋中，同一采样点按5 min间隔连续采集7次。空气背景气体采集时，在顺风口处使用注射器直接吸取100 mL空气，吸取后迅速将气体打入气袋中。溶解性气体采集采用如下方式：使用100 mL注射器吸取无气泡的水样100 mL，缓慢推出40 mL水样后，吸入40 mL氮气，将注射器充分摇晃5 min，之后静置1 min，再将注射器内40 mL气体推入气袋中，重复此操作3次，完成溶解性气体采集。所有水样4℃低温保存，所有采集的气体样品均需在气袋上标注采样信息，妥善保存并及时送回实验室进行后续分析。

2.2.3. 环境因子的测定

在采集芦岭矿采煤沉陷区原始样品后，将水样快速运往实验室，用孔径0.45 μm的Whatman玻璃纤维滤膜过滤水样；根据《水和废水监测分析方法》(第四版)技术规范测定氮、磷指标。其中，总氮(TN)用紫外分光光度计通过碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[14]测定、总磷(TP)用可见分光光度计通过钼酸铵分光光度法[14]测定。用总有机碳(TOC)分析仪(Multi N/C 3100；AnalytikJena，德国)测定塌陷塘底质样品DOC含量。利用顶空平衡法[15]对水体溶存CO₂、CH₄浓度进行测定，通过气相色谱仪(GC)进行CO₂、CH₄浓度分析。

2.3. 数据处理与分析

本研究利用边界层模型法和Fick第一定律[16] [17]分别对水–气界面温室气体进行计算。计算公式如下：

$\begin{array}{c}F = P\times M\times \frac{H}{R}\times \left(T+273\right)\times \frac{\text{d}c}{\text{d}t}\end{array}$

式(3)中，F为气体交换通量(μmol·m⁻²·min⁻¹)，F值为正表示气体从水体进入大气，F值为负表示气体从大气进入水体中。P为标准状态下的温室气体的压强(P = 101.325 × 10⁻⁶)，M表示该物质的相对分子质量，R表示摩尔气体常数(R = 8.314)，H为采样箱内气室高度(m)，T为暗箱内的温度，dc/dt为暗箱内气体浓度变化率，即7个气样的目标气体含量进行线性回归分析，线性回归系数R² > 0.85视为有效数据。

本实验使用Origin 2024 (OriginLab，美国)软件对实验数据进行统计分析和数据映射，使用SPSS Statistics 26.0 (IBM，美国)进行相关性分析。

3. 结果与讨论

3.1. 水体环境的理化指标

采样期间，沉陷区的主要环境指标如图2所示。从季节分布上看，ORP、TP、TN平均值呈现出显著差异。夏季pH (pH = 9.40~9.42)高于春、秋、冬季，其中夏季近岸带(3#) pH值达到最大值为9.42 ± 0.02，秋季远岸带(1#) pH值最低(8.38 ± 0.03)，水域整体呈弱碱性。研究表明，在弱碱或强酸条件下，微生物活性减弱，有机物降解速率减慢，同时由于缺乏有机质的供给，产甲烷菌活性受到抑制，CH₄产量降低[18]。

夏季ORP (145.33~158.33 mV)与冬季ORP (163~177.67 mV)远低于春季(220~234 mV)和秋季(210.33~231.67 mV)。远岸带(1#)的ORP普遍低于近岸带(3#)，春季近岸带(3#) ORP最高(234 ± 7.21 mV)，夏季远岸带(1#) ORP最低(145.33 ± 6.81 mV)。

秋季TP、TN浓度较高，其中煤泥区(2#) TP (1.88 ± 0.03 mg/L)和TN (3.72 ± 0.04 mg/L)达最高值。夏季与冬季TP浓度较低，春季TN浓度较低；夏季、冬季TP、TN浓度相对接近，反映出在高温与低温环境下产生的TP、TN浓度差异较小。春夏季节远岸带(1#) TP、TN高于近岸带(3#)，秋冬季则相反。

注：不同小写字母表示不同季节下指标均值间差异显著(P < 0.05)。

Figure 2. Physicochemical indices of water environment

图2. 水体环境理化指标

因DOC仅单次检测未设平行样，未进行误差分析，故仅分析各季节的变化。秋季DOC整体浓度最高(14.14~15.50 mg/L)，秋季近岸带(3#)达最高值(15.50 mg/L)；冬季煤泥区(2#)浓度最低，仅3.43 mg/L。秋冬季煤泥区(2#) DOC均低于远岸带(1#)和近岸带(3#)。

3.2. CH₄与CO₂的溶解性浓度及扩散通量变化

3.2.1. 溶解性浓度季节变化

根据图3(A)所示，塌陷塘CH₄浓度呈现显著的季节变化特征。夏季浓度整体较高(8.38~9.41 ppm)，这可能与高温(34℃~35℃)促进产甲烷菌活性有关，但近岸带(3#)浓度最低，为(8.38 ± 1.02) ppm。秋季浓度显著降低至3.45~6.71 ppm，水温下降(15℃~16℃)可能是抑制产甲烷菌活性的主要原因。冬季浓度差异显著，远岸带(1#)最高(12.01 ± 1.83) ppm，而近岸带(3#)最低，仅为(2.93 ± 0.36) ppm。从空间分布来看，夏秋两季CH₄浓度呈现由远岸向近岸递增的趋势，而冬季则相反，表现为由远及近递减。整体上，CH₄浓度呈先降后升的变化趋势，而近岸带(3#)是呈下降趋势。反映出明显的季节变化特征。

根据图3(B)可知，塌陷塘CO₂夏季浓度最低(434~468 ppm)，其中夏季煤泥区(2#)出现最小值(434.36 ± 14.60) ppm。秋季CO₂浓度急剧升高至1123~1302 ppm，秋季远岸带(1#)达到最大值(1302.42 ± 35.19) ppm。冬季浓度有所回落，下降至950~1070 ppm，但通量仍显著高于夏季。整体上呈现先升再降的变化趋势，且远岸带(1#)的浓度高于近岸带(3#)的浓度。相关研究表明，温度升高可促进微生物生物量增加和代谢活性增强，从而提升呼吸量以及有机碳矿化的速率和能力[19]，促进CO₂产生。本研究在实验设计与采样实施阶段，发现研究区春季受季风气候影响，降雨频繁且多为阵雨、雷阵雨(月均降雨日数12~15天)，强降雨不仅导致水体浑浊、水位波动剧烈，还会干扰静态箱法采样的密封性与气体浓度稳定性，增加测量误差风险；同时，降雨伴随的强对流天气也给野外采样安全带来隐患，因此综合采样可行性与数据可靠性，优先完成了夏、秋、冬三季的系统监测，未单独呈现春季气体浓度数据。

(A) (B)

注：不同小写字母表示不同季节下指标均值间差异显著(P < 0.05)。

Figure 3. (A) Variation of CH₄ concentration; (B) variation of CO₂ concentration

图3. (A) CH₄浓度变化；(B) CO₂浓度变化

3.2.2. 水–气界面扩散通量季节变化

根据图4(A)，研究区各采样点四季的CH₄扩散通量均为正值，表明该沉陷区整体表现为CH₄的“源”。夏季远岸带(1#)通量最高，达(42.53 ± 8.30) μmol·m⁻²·min⁻¹，为整个观测期内的最大值，这可能与高温(34℃~35℃)促进产甲烷菌活性，同时低溶解氧(7.33 mg/L)抑制甲烷氧化，最终导致净释放量较高有关；近岸带(3#)通量最低，为(19.31 ± 7.54) μmol·m⁻²·min⁻¹，整体呈现由远岸向近岸通量降低的趋势。秋季近岸带(3#)通量显著升高至(29.67 ± 6.70) μmol·m⁻²·min⁻¹，可能与有机物输入增加(TP达1.72 mg/L)及水温下降(15℃)抑制甲烷氧化作用有关，该季节通量波动较大(2.52 ± 2.92~29.67 ± 6.70 μmol·m⁻²·min⁻¹)，释放通量由远及近升高。春、冬两季通量极低，分别为(0.40 ± 0.07~0.54 ± 0.06) μmol·m⁻²·min⁻¹和(0.33 ± 0.31~0.37 ± 0.36) μmol·m⁻²·min⁻¹，低温环境(7℃~8℃)不仅会导致气体扩散受阻，过低的温度还会抑制产甲烷过程中产甲烷菌活性；温度上升虽可促进产甲烷作用，但同时也会增强甲烷氧化菌的活性，从而增加CH₄的消耗。

据图4(B)可知，研究区CO₂通量在春、夏两季均为负值，分别为−9.48 ± 112.25~−73.86 ± 50.45 μmol·m⁻²·min⁻¹和−44.84 ± 35.07~−64.51 ± 32.75 μmol·m⁻²·min⁻¹，表现为CO₂的“汇”，春季CO₂通量出现的极端负值主要源于春季浮游植物爆发，光合固碳速率显著高于呼吸速率；光合作用导致水体DO浓度升高，抑制异养微生物呼吸，进一步增强CO₂的“汇”功能。而在秋、冬两季通量转为正值，分别为44.08 ± 4.70~107.59 ± 19.10 μmol·m⁻²·min⁻¹和37.93 ± 6.46~69.28 ± 44.50 μmol·m⁻²·min⁻¹，表现为CO₂的“源”。当温度超过一定范围时，水体中微生物或酶活性降低，有机质矿化作用被抑制，CO₂排放通量减小[20]。夏季光合作用吸收CO₂，抵消微生物呼吸排放，导致CO₂通量呈吸收状态；煤泥区(2#)通量最低(−64.51 ± 32.75 μmol·m⁻²·min⁻¹)，表明特殊水生态类型–煤泥区具有较强的温室气体释放潜力，与常见水生生态系统(如湖泊、水库、池塘、宽河等)中“近岸带大于远岸带温室气体释放水平”的结论不同，采煤沉陷区水域近岸带和塘心区的温室气体释放水平大小表现出差异明显的空间分布特征，这可能与采煤沉陷区水域特殊的形成过程及人类活动干扰(渔业养殖、湿地公园改造、复垦重新沉陷覆水等)有关。秋季通量正值突增，煤泥区(2#)达58.45 ± 1.31 μmol·m⁻²·min⁻¹，远岸带(1#)通量最高达107.59 ± 19.10 μmol·m⁻²·min⁻¹，这主要源于有机物分解加速(TN为3.72 mg/L)释放大量CO₂，同时水温下降(15℃)减少光合作用吸收。冬季通量降低，远岸带(1#)通量最高(69.28 ± 44.50) μmol·m⁻²·min⁻¹，在区域上，秋、冬季CO₂通量均呈现远岸高于近岸的空间特征，且秋季整体通量高于冬季。温度上升可通过促进微生物生物量、活性和呼吸量，提高有机碳矿化速率和能力[19]，促进CO₂产生，提高水–气界面CO₂交换通量。

需注意的是，芦岭矿塌陷塘作为采煤沉陷型人为湿地，其温室气体通量与国内其他类型人为湿地存在显著差异：从CH₄通量来看，本研究夏季远岸带最高值(42.53 ± 8.30 μmol·m⁻²·min⁻¹)显著高于桂林会仙岩溶湿地稻田CH₄最高通量(约4.27 μmol·m⁻²·min⁻¹) [20]、广州市复合湿地夏季CH₄通量(0.15~0.20 μmol·m⁻²·min⁻¹) [21]，也远高于西宁市高原城市湿地水–气界面CH₄最高通量(0.005 μmol·m⁻²·min⁻¹) [22]及铁碳基潮汐流人工湿地10℃时CH₄平均通量(0.062 μmol·m⁻²·min⁻¹) [23]，差异源于芦岭矿煤渣底质富集的有机碳与颗粒间隙厌氧微区，为产甲烷菌提供了更优生存环境；CO₂通量方面，本研究秋季远岸带最高值(107.59 ± 19.10 μmol·m⁻²·min⁻¹)虽与桂林会仙岩溶湿地林地CO₂通量(约115.04 μmol·m⁻²·min⁻¹)接近[20]，但远高于西宁市高原湿地土–气界面CO₂最高通量(1.70 μmol·m⁻²·min⁻¹) [22]和铁碳基潮汐流人工湿地10℃时CO₂平均通量(2.74~8.88 μmol·m⁻²·min⁻¹) [23]，且芦岭矿CO₂源于煤泥有机质分解与氮磷反硝化耦合，与依赖土壤呼吸(岩溶湿地、高原湿地)或人工基质调控(潮汐流湿地)的机制截然不同。这种排放强度与驱动机制的差异，凸显了采煤沉陷型湿地在人为湿地碳循环研究中的独特地位，也印证了人工湿地温室气体排放受基质、环境条件显著调控的共性特征[24]。

注：不同小写字母表示不同季节下指标均值间差异显著(P < 0.05)。

Figure 4. (A) CH₄ flux at the water-air interface; (B) CO₂ flux at the water-air interface

图4. (A) 水–气界面的CH₄通量；(B) 水–气界面的CO₂通量

3.3. 塌陷塘水体温室气体释放影响机制

根据表1，从相关性分析可以看出，pH与CO₂通量呈显著负相关(r = −0.829, P < 0.01)，这表明塌陷塘CO₂循环受水体pH的影响较大，塌陷塘夏季pH呈弱碱性，溶解无机碳以${\text{HCO}}_3^{-}$ 为主[18]，浮游植物通过碳酸酐酶启动碳浓缩机制利用${\text{HCO}}_3^{-}$ ，光合固碳速率超过异养呼吸速率，使CO₂表现为“汇”(最低−64.51 ± 32.75 μmol·m⁻²·min⁻¹) [25]；秋季pH下降，异养微生物分解DOC释放CO₂，同时低pH促进沉积物碳酸盐溶解，推动CO₂转为“源”(最高107.59 ± 19.10 μmol·m⁻²·min⁻¹) [4]。TP与CO₂通量呈中等正相关(r = 0.41, P < 0.05)，这表明塌陷塘CO₂释放仍受磷素调控，且处于磷限制解除后碳循环响应敏感的阶段，塌陷塘夏季TP较低，浮游植物生长受磷限制，光合固碳能力弱，CO₂“汇”功能被削弱；秋季TP升至1.88 ± 0.03 mg/L (煤泥区)，磷限制解除使浮游植物生物量增加，残体沉降后被异养微生物分解，呼吸速率远超光合速率[26]；同时煤泥颗粒密集堆积形成局部厌氧微区，在微区中铁结合态磷因Fe³⁺还原为Fe²⁺而解吸释放，补充水体TP，进一步刺激微生物呼吸，导致秋季CO₂通量显著高于冬季[27]。TN与CO₂通量呈显著正相关(r = 0.690, P < 0.05)，这表明氮素输入是促进塌陷塘CO₂释放的关键人为驱动因子，其机制是氮素作为电子受体与营养盐，通过硝化反硝化过程叠加促进CO₂释放：秋季煤泥区TN达3.72 ± 0.04 mg/L (峰值)，氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌在适宜水温下，以DOC为能量来源氧化${\text{NH}}_4^{+}$ 生成${\text{NO}}_3^{-}$ ，同步释放CO₂；煤泥区厌氧微区中，反硝化细菌以${\text{NO}}_3^{-}$ 为电子受体分解有机质，进一步产CO₂ [28]，与前人文献中“TN每升高1 mg/L，CO₂通量增加”的结论一致[25]。

CH₄的释放通量与DOC、TP、TN均呈现正相关，表明陆源有机碳在塌陷塘水体输入并累积后，在微生物作用下分解生成DOC，可能促进了CH₄的生成与释放。同时，CH₄的扩散通量与TN、TP呈现正相关，结合TN、TP在多数采样点富集水平较高(人为输入较大)，表明人类活动产生的含碳、氮、磷有机物的输入分解也会促进塌陷塘水体甲烷的释放，初步揭示了底质上覆水碳库稳定性对水体CH₄释放的影响[7]。从机制来看，DOC是产甲烷菌的核心碳源，其在水体中累积后，可通过水解菌分解为乙酸、丙酸等小分子有机酸，为煤泥间隙厌氧微区内的产甲烷菌提供底物[29]；而TN、TP通过促进浮游植物生长，其死亡残体沉降后进一步补充DOC，且高TN环境下氨氧化细菌消耗表层DO，间接强化微区厌氧环境，为产甲烷菌活性维持创造条件，最终共同推动CH₄释放[30]。

Table 1. Correlation analysis between CH₄, CO₂ fluxes at the water-air interface and different environmental factors in four seasons

表1. 四季水–气界面CH₄、CO₂通量与不同环境因素的相关性分析

	DOC	TP	TN	pH	ORP	CH4通量	CO2通量
DOC	1
TP	0.823^**	1
TN	0.527	0.742^**	1
pH	0.011	−0.5	−0.52	1
ORP	0.656^*	0.794^**	0.249	−0.485	1
CH4通量	0.346	0.095	0.362	0.491	−0.354	1
CO2通量	0.018	0.41	0.690^*	−0.829^**	0.17	−0.287	1

^**在0.01级别(双尾)，相关性显著。^*在0.05级别(双尾)，相关性显著。

4. 结论

(1) 芦岭矿采煤沉陷区水域温室气体浓度与通量呈现出显著的季节变化特征。冬季远岸带(1#) CH₄溶解浓度达到峰值；秋季远岸带(1#) CO₂溶解浓度达到峰值。CH₄、CO₂通量在释放的状态下，在冬季达到了最小。远岸带(1#)夏季CH₄通量达到峰值；远岸带(1#)秋季CO₂释放通量最高。远岸带(1#) CO₂的浓度高于近岸带(3#)的浓度。这些变化与季节性温度变化、水体理化性质以及微生物活动等因素密切相关。

(2) 在区域差异上，夏冬季远岸带(1#) CO₂通量和CH₄通量明显高于近岸带(3#)。CH₄溶解浓度与通量在夏季、秋季、冬季的变化趋势相同，夏季、冬季是由远及近下降，秋季是由远及近上升，排放通量的季节性波动，直接反映在大气浓度中。而CO₂溶解浓度与通量的变化存在着差异。

(3) 芦岭矿采煤沉陷区水域CO₂排放受pH、TN、TP显著调控，采煤沉陷区水域内部的环境条件对CO₂排放具有重要影响。而CH₄通量无显著相关性，需结合其他因素，比如微生物与微环境因素等进行进一步研究。结果强调了多指标协同管理和季节动态监测的重要性。

基金项目

本研究得到以下项目资助：国家自然科学基金项目(42107280)，安徽省大学生创新创业训练计划项目(SZ202410379044)，安徽省高校中青年教师培养行动项目(DTR2024048)，国家级大学生创新创业训练计划项目(202510379052)。

NOTES

^*通讯作者。