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温室气体排放量的增加,导致全球气候变暖,给人类生存与社会经济的可持续发展造成了严重影响。甲烷是大气中含量仅次于二氧化碳的温室气体,但其增温潜势是二氧化碳的约28倍。水域生态系统是大气中甲烷的重要来源,但当前对水域生态系统甲烷等温室气体的释放通量估算存在较大的不确定性。这主要由水-气界面通量估算方法的局限性所引起,包括观测点数量的有限性、观测时段选择的局限性,以及水环境和大气环境因子的多变性。通过直接监测水体溶解甲烷浓度的方法,能够为此类的研究提供有效地解决方案。然而,迄今为止科学界尚不能直接观测水体溶解甲烷浓度,只能监测气体/气相中的甲烷含量,并基于亨利定律采样不同的技术或方法回算。因此,改良适宜于野外水体溶解甲烷浓度监测的辅助装置,对准确地评估水域生态系统的碳通量,特别是认识自然地理特征空间异质性较强环境条件下水体溶存甲烷的时空分布规律,具有重要的科学意义。近十余年,诸多学者以及商家致力于开发相关技术或辅助装置,但不同技术各有利弊,且尚不能实现可应用于不同清洁度水体并实时地连续监测。本文介绍了自主研发的一种快速水气交换装置及其应用。借助在线温室气体分析仪,利用该快速水气交换装置,可实现对野外水体溶解甲烷浓度的在线连续观测。该装置具有稳定性好、响应时间短和经济等特点。同时,由于该装置不存在膜系统,该装置可以在富营养化水体中长期使用,不会发生堵塞和生物污染问题。本论文的主要内容如下:（1）研发设计一种快速水气交换的装置。该装置通过吹扫水体加速水气快速交换,根据亨利定律计算水体溶解甲烷的浓度。理论计算公式为（6）=0=4)+（1-）0)(Ca为水体溶解甲烷浓度;Ceq为水体完全平衡时对应的顶空气体中甲烷浓度;Cpi为气袋内吹扫气体甲烷浓度;Cpe为装置平衡时所得的甲烷浓度;为水气交换装置的校准系数)。该快速水气交换装置由反应系统、进水和出水系统、吹扫系统、气液分离系统和检测子系统组成。该装置是通过进水系统中的蠕动泵抽取所需监测的水样,并在进水系统中采用重力驱动的进水方式来消除因抽水泵的不稳定可能对装置产生的进水压力;由吹扫系统中的气泵为装置提供特定气袋内浓度稳定的吹扫气体;然后在气液分离系统中进行吹扫、交换和分离;最后由检测系统中的温室气体分析仪分析经过吹扫后得到气体浓度,并根据理论公式计算得到水体溶解甲烷的浓度的过程。（2）通过培养已知水体溶解甲烷浓度的水样,利用该快速水气交换装置进行吹扫,来确定水气交换装置的校准系数(本文中,=0.99695±5×10-5)。并重复试验将估算得到的装置校准系数（）代入计算公式,结果表明根据公式计算得到的顶空浓度与实测得到的水袋顶空浓度非常接近,其偏差((C’eq-Ceq)/C’eq)小于5%,验证了实验估算得到的快速水气交换装置校正系数的准确性和装置的可行性。而且该快速水气交换装置的监测水样溶解甲烷浓度的范围为0.022μmol/l～645.353μmol/l。而且该快速水气交换装置的监测水样溶解甲烷浓度的范围为0.02μmol/l～22μmol/l。同时,通过对比该装置吹扫后计算水样对应的水体顶空浓度与实际水样的顶空气体浓度,结果发现,该装置的吹扫效率相对恒定,且约为75%。此外,采用通过观察装置进水口从低浓度水样切换到高浓水样后,装置达到平衡所需时间的方法,确定该装置的响应时间为τ=11±5 s,远远小于其他装置的响应时间。（3）利用该装置观测不同季节莲心湖水体溶解甲烷浓度的垂向变化规律。实验结果表明,从水体底层至水体表层溶解甲烷浓度整体呈现下降的趋势,这与其他研究结果相同。同时,不同季节甲烷的水体分层现象存在差异性,其中夏季的水体溶解甲烷浓度的垂向分层现象显著,而冬季则无明显的分层现象。此外,水体溶解甲烷浓度受水质影响显著,水体溶解甲烷浓度的垂向分布规律与也受溶解氧等其他环境因子的综合影响。利用该快速水气交换装置定点昼夜连续性地观测水体溶解甲烷浓度,能够有效地解决,由监测点水体溶解甲烷浓度的时间异质性而产生的水气界面甲烷释放通量估算的不确定性。（4）利用该快速水气交换装置,以“Z”字形方式在梅子垭水库进行平面上走航应用。走航过程中保持匀速,全程共3.22km,仅耗时约1.5小时,最后可以方便和快速得到梅子垭水库水体溶解甲烷浓度平面分布情况,以及对应的其他环境因子平面分布情况。同时通过在梅子垭水库平面走航统计结果显示,梅子垭水库表层水体的溶解甲烷浓度,存在显著的空间异质性,更加说明传统方法中有限点估算整个水库平面甲烷通量的不准确性。此外,利用该快速水气交换装置,并使用稳定同位素方法可以方便快捷地确定甲烷关键产生途径,这有助于更好地了解水系甲烷的产生过程,也可以有效地追踪水系碳素的时空分布特征。