不同類型河濱濕地甲烷和二氧化碳排放初步研究

沙晨燕，譚娟，王卿，王敏

上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233

不同類型河濱濕地甲烷和二氧化碳排放初步研究

沙晨燕，譚娟，王卿，王敏*

上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233

摘要：濕地生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)中起著重要作用。濕地在低氧環(huán)境中促進(jìn)碳累積的同時(shí)產(chǎn)出溫室氣體——甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2），濕地的碳源和碳匯功能近來成為全球氣候變化研究關(guān)注的重點(diǎn)問題。對(duì)于保護(hù)和修復(fù)濕地等生態(tài)工程措施與濕地溫室氣體排放量之間的關(guān)系還不明確。運(yùn)用了靜態(tài)箱-氣相色譜法，對(duì)Olentangy河濕地研究中心的4種不同類型河濱濕地（人工種植人工濕地、自然演替人工濕地、半人工濕地和自然濕地）甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）排放時(shí)空規(guī)律進(jìn)行了研究，探討了濕地土壤溫度、水文條件等環(huán)境因子對(duì)CH4、CO2排放的影響。結(jié)果表明，不同類型河濱濕地的CH4和CO2排放量具有顯著的時(shí)空異質(zhì)性，甲烷排放速率（中值）為：自然濕地（CH4-C 0.33～85.7 mg·m-2·h-1）>人工濕地（CH4-C 0.02～20.5 mg·m-2·h-1）>半人工濕地（CH4-C -0.04～0.09 mg·m-2·h-1）。CO2排放通量的中值（平均值）分別為9.8（19.2）、13.5 （20.6）、24.7（36.0）和33.7（40.3）CO2-C mg·m-2·h-1。在濕地1、濕地2和河道邊濕地中的CH4排放量與土壤溫度顯著性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.88、0.86和0.85；濕地1、濕地2和牛軛湖濕地CO2通量與土壤溫度相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)分別為0.63、0.54和0.67。土壤含水率與甲烷排放量具有一定的相關(guān)性；與二氧化碳排放通量具有顯著負(fù)相關(guān)性。土壤碳含量與其相應(yīng)的CH4和CO2排放量之間關(guān)聯(lián)度都較高。在同一區(qū)域淡水河濱濕地中，自然濕地的CH4和CO2排放通量均大于恢復(fù)濕地，CH4和CO2排放的空間異質(zhì)性是由于洪水沖擊頻率、土壤狀況、地下水位及凈初級(jí)生產(chǎn)力等因素決定的。

關(guān)鍵詞：CH4排放；CO2排放；河濱濕地

引用格式：沙晨燕，譚娟，王卿，王敏. 不同類型河濱濕地甲烷和二氧化碳排放初步研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(7): 1182-1190.

SHA Chenyan, TAN Juan, WANG Qing, WANG Min. Methane and Carbon Dioxide Emissions from Different Types of Riparian Wetland [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(7): 1182-1190.

碳是全球氣候變化的重要影響因素之一，大氣圈中主要以CO2和CH4的形式存在。其中，作為主要溫室氣體的甲烷對(duì)全球氣候變暖的貢獻(xiàn)率達(dá)到了20%～39%（IPCC，2007）。大氣中的CH4含量已從工業(yè)革命前（1750年）的0.72 μmol·mol-1上升到了2012年的1.82 μmol·mol-1，提高到約2.5倍（IPCC，2014）。CO2濃度從工業(yè)革命前的280×10-6增加到現(xiàn)在的393×10-6（IPCC，2014）。

濕地在低氧環(huán)境中促進(jìn)碳累積的同時(shí)產(chǎn)出溫室氣體——CH4和CO2，濕地的碳源和碳匯功能近來成為全球氣候變化研究關(guān)注的重點(diǎn)問題。河濱濕地有著較高的初級(jí)生產(chǎn)力，從而固定和儲(chǔ)存了大量的碳，在全球氣候變化中有著特殊的地位和作用（Mander et al.，2008）。隨著人類活動(dòng)加劇，自然河濱濕地遭到破壞，從而導(dǎo)致土壤通透性、溫度、氧化還原電位等理化性質(zhì)的改變，造成了河濱濕地成為碳排放的熱點(diǎn)（Zhang et al.，2005；Mitsch et al.，2013）。因此，新建和修復(fù)河濱濕地的建造與管理中，在考慮保護(hù)恢復(fù)濕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能同時(shí)，也應(yīng)考慮如何減小溫室氣體排放（Whiting et al.，2001）。

CH4和CO2的排放通量具有較高的時(shí)空異質(zhì)性，量化其排放量十分困難（Morin et al.，2014；Nahlik et al.，2011）。已有研究報(bào)道了河濱濕地（Altor et al.，2006，2008；Wang et al.，2006；Itoh et al.，2007；Wilcock et al.，2008）和污水處理的人工濕地（Teiter et al.，2005；Wang et al.，2008）的CH4和CO2排放情況。然而，對(duì)于保護(hù)和修復(fù)濕地等生態(tài)工程措施與濕地溫室氣體排放量之間的關(guān)系尚不明確。本文以河濱地區(qū)不同類型的自然、半人工和人工河濱濕地為研究對(duì)象，嘗試在不同的水文模式和植被生長(zhǎng)狀況下，研究不同濕地類型的CH4和CO2的時(shí)空排放規(guī)律及對(duì)比，探討影響CH4和CO2排放量的主要因子及其可能的調(diào)控途徑，并以此提出了針對(duì)濕地碳排放的河濱恢復(fù)濕地建造與管理建議和措施。

1　材料與方法

1.1樣點(diǎn)設(shè)計(jì)

1.1.1研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于美國(guó)俄亥俄州哥倫布市Olentangy河濕地研究中心（ORWRP）（40.021°N，83.017°E）。占地20 hm2的ORWRP包括了4種不同類型的濕地：人工種植植被的腎形淡水草澤（濕地1）、自然生長(zhǎng)植被的腎形淡水草澤（濕地2）、河流分岔半人工牛軛湖（牛軛湖）、自然河道旁低洼濕地（河道旁濕地）和高地（作為控制對(duì)照樣點(diǎn)）（表1）。4類濕地在微地形地貌、植被類型及水文狀況上都有所不同。人工草澤、半人工牛軛湖和自然河道旁濕地水文情況的波動(dòng)都反映了Olentangy河河水水位季節(jié)性的漲落。在生長(zhǎng)季節(jié)，4種不同類型濕地的水位下降，并在8月份達(dá)到最低值，之后再次上漲，并且在冬季和春季的時(shí)候水位達(dá)到最高。其中，牛軛湖在5月份之后幾乎干涸，僅僅有少量的水塘散落在其中。

表1　Olentangy河濕地研究中心不同類型濕地的性質(zhì)Table1 Introduction of different types of wetland in Olentangy River Wetland Research Park

1.1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

ORWRP采樣點(diǎn)的位置是依據(jù)水文條件和濕地類型的不同而選取的。采樣點(diǎn)選擇縱向（入口、中部至出口）和橫向（深水區(qū)至淺水區(qū)）分布。其中深水區(qū)為常年淹沒區(qū)域，淺水區(qū)是干濕交錯(cuò)區(qū)域，高地常年處于干燥狀態(tài)，本文將高地作為控制對(duì)照點(diǎn)。研究區(qū)域中共設(shè)置有27個(gè)采樣點(diǎn)：其中實(shí)驗(yàn)濕地1和濕地2中有14個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)濕地各7個(gè)；牛軛湖濕地中有7個(gè)；河道邊濕地中有6個(gè)（圖1）。采樣期為2008年11月至2009年10月。

1.2氣樣采集及分析

1.2.1氣樣采集

采用靜態(tài)箱進(jìn)行氣體采樣：在干濕交錯(cuò)地帶使用永久性氣體采集箱，明水面即淹沒區(qū)則使用浮力氣體采集箱。

永久性氣體采集箱：采樣箱分頂箱和底座，箱體用底面積0.15 m2的長(zhǎng)方體塑料箱體（56 L）。為了釋放箱體中采樣時(shí)的壓力，頂部附有2 m長(zhǎng)的聚乙烯出氣軟管，直徑為1.6 mm。同時(shí)，在出氣軟管旁邊裝有丁基膠塞供采樣使用。底座高20 cm，為避免土壤擾動(dòng)對(duì)試驗(yàn)的影響，底座長(zhǎng)期埋入試驗(yàn)地，一般埋入深度為10 cm。試驗(yàn)開始時(shí)，使用聚乙烯泡沫密封條連接兩箱，使其氣路密封。

圖1　占地20 hm2 Olentangy河濕地研究中心（ORWRP）實(shí)驗(yàn)區(qū)域?qū)嶒?yàn)濕地1，濕地2，半人工牛軛湖和自然道旁濕地黑色標(biāo)記代表CH4采樣點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)區(qū)的分布。各濕地的水流自北向南。其中菱形代表了深水區(qū)的采樣點(diǎn)，三角形代表了淺水區(qū)的采樣點(diǎn)，而十字星代表了高地（控制點(diǎn)）的采樣點(diǎn)Fig. 1 Gas- sampling chamber sites (circles) in experimental wetlands 1 and 2, oxbow and riverside sites at the 20 hm2Olentangy River Wetland Research Park (ORWRP), with water moving from north to south. Diamond shape marks correspond to open water zone, triangle shape marks correspond to transition zone, cross shape marks correspond to upland locations

浮力氣體采集箱：同樣的采樣箱體使用于浮力箱上（56 L，底部面積為0.21 m2），底部四周邊緣使用浮力泡沫塑料，并且使用防水密封膠帶進(jìn)行防水處理。

2008年11月至2009年10月，每月月初進(jìn)行采樣。為減少采樣時(shí)間所造成的偏差，所有的采樣時(shí)間起始于早上9點(diǎn)，至11點(diǎn)完成。用20 mL聚乙烯醫(yī)用注射器，經(jīng)過三通閥連接針頭，通過采樣箱頂部的丁基膠塞取樣。在氣箱關(guān)閉后進(jìn)行采樣，一共持續(xù)25 min，每隔5 min進(jìn)樣一次，分別在0 min （T0）、5 min（T1）、10 min（T2）、15 min（T3）、20 min（T4）和25 min（T5）時(shí)進(jìn)行。氣體樣本用注射器取出后，轉(zhuǎn)移入10 mL真空采樣瓶保存。氣樣置于4 ℃的冷藏室內(nèi)儲(chǔ)存，28 d之內(nèi)用氣相色譜儀分析氣體濃度。

1.2.2氣樣分析

使用Schimadzu 14A（日本島津公司）氣相色譜儀（GC）分析CH4濃度。采用溫度傳導(dǎo)探頭和火焰離子檢測(cè)器，聚苯乙烯型色譜固定相Q色譜柱進(jìn)行樣品分離，色譜柱采用長(zhǎng)度為1.8 m，載氣為高純氦氣，流速為25 mL·min-1。爐箱和檢測(cè)器TCD 和FID的工作溫度分別為40 ℃、40 ℃，200 ℃和150 ℃。

GC得到的結(jié)果需要轉(zhuǎn)化成ppm為單位，使用理想氣體定律進(jìn)行校正：

m=c×(P×M/R×T)

其中，m為單位質(zhì)量量下氣體濃度（CH4g·m-3），c為單位體積下氣體體積分?jǐn)?shù)（×10-6），P為采樣點(diǎn)的大氣壓，M為被測(cè)氣體的摩爾質(zhì)量（g·mol-1），R為宇宙氣體恒量（82.0575(atm-cm3)/(mol-K)），T為每個(gè)采樣箱內(nèi)氣體的絕對(duì)溫度。

氣體通量使用以下公式進(jìn)行校正：

Fme=[V×(dm/dt)×1000/A]×12/16

其中，F(xiàn)me為氣體排放速率（CH4-C mg·m-2·h-1和CO2-C mg·m-2·h-1），V為氣箱體積（m3），A為采樣箱箱底表面積（m2），dm/dt為在一定時(shí)間內(nèi)氣體濃度隨時(shí)間變化斜率（CH4g·m-3·h-1和CO2g·m-3·h-1）。

1.3環(huán)境因子測(cè)定

1.3.1溫度測(cè)定

測(cè)量空氣溫度，5 cm和15 cm土壤溫度，水體溫度和采樣箱內(nèi)溫度。

1.3.2土壤采樣及分析

每個(gè)樣地隨機(jī)取3個(gè)表層土壤樣品，現(xiàn)場(chǎng)稱鮮質(zhì)量后，在105 ℃條件下烘干24 h并稱干質(zhì)量，利用干質(zhì)量和鮮質(zhì)量求出土壤含水率。所有的土壤樣品的分析測(cè)試，使用標(biāo)準(zhǔn)方法在愛沙尼亞大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的植物生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)量（APHA，1989）。使用干式燃燒法（Dc）對(duì)土壤碳含量進(jìn)行分析，分析儀器為Vario EL Ⅲ操作儀。土壤中的凱氏N測(cè)量使用Tecator分析儀。

1.3.3水文條件測(cè)定

每日對(duì)實(shí)驗(yàn)濕地出口處的水位標(biāo)桿讀數(shù)。標(biāo)桿水位月平均值與每次采樣時(shí)所記錄的水位高度有顯著相關(guān)性（r2>0.8，P<0.006），實(shí)驗(yàn)使用的采樣點(diǎn)的水位為采樣箱旁邊的水位高度。

1.4數(shù)據(jù)分析

經(jīng)檢驗(yàn)CH4和CO2排放量數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布特征，因此，本文使用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法。使用Kruskal-Wallis和Mann-Whitney法比較不同季節(jié)下，不同水位條件下，不同類型濕地中CH4、CO2的排放通量。所有的CH4、CO2排放量的數(shù)據(jù)運(yùn)用平均值和中值。水文和凈初級(jí)生產(chǎn)力等環(huán)境數(shù)據(jù)的對(duì)比使用T-tests進(jìn)行相關(guān)分析（SPSS 16.0）。所有的顯著性差異小于0.05。

圖2　ORWRP中各類型濕地的CH4排放量（CH4-C mg·m-2·h-1）中值為實(shí)線，平均值為虛線；圓點(diǎn)代表極大值和極小值；灰色箱體代表四分位間距Fig. 2 Median (—) and mean (---) annual methane emissions (CH4-C mg·m-2·h-1) for (a) growing season from five different wetland and upland sites at the ORWRP; (b) non-growing season from five sites at the ORWRP. Boxes indicate 25% percentiles and bars indicate 75% percentiles; dots indicate outliers

2　結(jié)果

2.1生長(zhǎng)季節(jié)及非生長(zhǎng)季節(jié)的CH4和CO2排放通量

2.1.1生長(zhǎng)季節(jié)及非生長(zhǎng)季節(jié)的CH4排放通量

在生長(zhǎng)季節(jié)，河道邊濕地、濕地1、濕地2、牛軛湖和高地的CH4排放量之間有顯著性差異（P<0.001）（圖2a）。河道邊濕地中CH4排放量的中值和平均值分別為CH4-C 69.8 mg·m-2·h-1和CH4-C 93.6 mg·m-2·h-1。濕地2的CH4排放量大于濕地1，但是并無顯著差異（P>0.05）。濕地1和2的中值（平均值）為CH4-C 1.0（13.5）mg·m-2·h-1和 CH4-C 3.4 （21.5）mg·m-2·h-1。牛軛湖CH4的排放量?jī)H為CH4-C 0.03（0.15）mg·m-2·h-1。高地的CH4吸收量為CH4-C 0.06（0.06）mg·m-2·h-1。

在非生長(zhǎng)季節(jié)，CH4的排放通量較生長(zhǎng)季節(jié)顯著降低（P<0.001），但其空間排放模式相似（圖2b）。河道邊濕地中仍然排放出最多的CH4氣體，中值（平均值）為4.5（22.1）CH4-C mg·m-2·h-1，與濕地1和濕地2的CH4排放相比較并無顯著性差異（P>0.05)。牛軛湖和高地的CH4排放量差異性不顯著（P>0.05），其中值（平均值）分別為CH4-C 0.02 （0.01）mg·m-2·h-1和CH4-C -0.04（0.02）mg·m-2·h-1。

2.1.2生長(zhǎng)季節(jié)及非生長(zhǎng)季節(jié)的CO2排放通量

在生長(zhǎng)季節(jié)，河道邊濕地、濕地1、濕地2、牛軛湖和高地的CO2排放量之間有顯著性差異（P<0.001）（圖3a）。河道邊濕地中的CO2排放量的平均值和中值分別為CO2-C 45.1 mg·m-2·h-1和CO2-C 37.7 mg·m-2·h-1。濕地2的CH4排放量大于濕地1，但是并沒有顯著差異（P>0.05）。濕地1和2的平均值（中值）為CO2-C 28.2（22.3）mg·m-2·h-1和CO2-C 30.7（27.3）mg·m-2·h-1。牛軛湖的CO2排放量為CO2-C 63.0（47.9）mg·m-2·h-1。高地的CO2排放量最高，為CO2-C 187.5（153.5）mg·m-2·h-1。CO2排放通量的排序?yàn)榕＼椇竦?自然河濱濕地>人工實(shí)驗(yàn)濕地。

在非生長(zhǎng)季節(jié)，CO2的排放通量較生長(zhǎng)季節(jié)顯著降低（P<0.001）（圖3b）。河道邊濕地中CO2排放通量的平均值（中值）為CO2-C 35.2（34.0）mg·m-2·h-1。然而與濕地1和濕地2 CO2排放相比較，仍無顯著性差異（P>0.05）。人工實(shí)驗(yàn)濕地和自然河道邊濕地的CO2排放量差異性不顯著（P>0.05），CO2排放通量的平均值（中值）分別為CO2-C 10.0 （6.4）mg·m-2·h-1和CO2-C 10.6（7.7）mg·m-2·h-1。牛軛湖的CO2排放通量的平均值（中值）相對(duì)其它類型濕地較高，為CO2-C 63.0（47.9）mg·m-2·h-1（P<0.005）。與生長(zhǎng)季節(jié)相同，控制點(diǎn)高地的CO2排放量最高，為CO2-C 86.7（67.9）mg·m-2·h-1。在非生長(zhǎng)季節(jié)CO2的排放通量排序?yàn)樽匀缓訛I濕地>牛軛湖濕地>人工實(shí)驗(yàn)濕地。

圖3　ORWRP中各類型濕地的CO2排放量（CO2-C mg·m-2·h-1）中值為實(shí)線，平均值為虛線；圓點(diǎn)代表極大值和極小值；灰色箱體代表四分位間距Fig. 3 Median (—) and mean (---) annual carbon dioxide emissions (mg CO2-C·m-2·h-1) for (a) growing season from five different wetland and upland sites at the ORWRP; (b) non-growing season from five sites at the ORWRP. Boxes indicate 25% percentiles and bars indicate 75% percentiles; dots indicate outliers

2.2不同類型濕地中CH4和CO2排放通量及其相應(yīng)的環(huán)境因子

土壤溫度在不同類型濕地之間并無顯著性差異（P>0.05），濕地1、濕地2、牛軛湖和河道邊濕地的土壤溫度分別為(16.3±1.5)、(15.4±1.5)、(16.8±1.1)和(17.7±1.6) ℃，河道邊濕地的土壤溫度最高，而濕地2的土壤溫度最低，這可能是由于濕地2植被覆蓋較密，具有遮蔭效果?？諝鉁囟仍诓煌愋蜐竦亻g同樣無顯著差異（P>0.05），并且空氣溫度和土壤溫度有著顯著相關(guān)性（P<0.001）。對(duì)于全年而言，河道邊濕地的CH4排放通量是4類濕地中最高的，其次是實(shí)驗(yàn)濕地1、濕地2、牛軛湖濕地。其中河濱自然濕地、人工濕地和半人工濕地的CH4排放通量中值的范圍分別為CH4-C 0.33～85.7 mg·m-2·h-1，CH4-C 0.02～20.5 mg·m-2·h-1和CH4-C -0.04～0.09 mg·m-2·h-1（P<0.001）。相比而言，不同濕地類型的CO2排放通量差異沒有CH4排放通量異質(zhì)性高。其中，自然濕地、半人工濕地、人工濕地1和濕地2的CO2排放通量中值的范圍分別為CO2-C 18.8～78.8 mg·m-2·h-1、CO2-C -12.8～132.9 mg·m-2·h-1、CO2-C -13.3～44.1 mg·m-2·h-1和CO2-C -8.9～51.6 mg·m-2·h-1（P<0.001）（表2）。

在人工實(shí)驗(yàn)濕地中，濕地的水位和水文波動(dòng)頻率影響了CH4排放速率，深水區(qū)中CH4排放量的中值（平均值）顯著高于交錯(cuò)區(qū)的CH4排放量（P<0.001），分別為4.7（59.9）mg·m-2·h-1和0.09（1.17）mg·m-2·h-1。對(duì)于牛軛湖來說，深水區(qū)和交錯(cuò)區(qū)CH4排放量差異不顯著（P>0.05），排放量總體比較低，分別為CH4-C 0.03（0.06）mg·m-2·h-1和0.03（0.12）mg·m-2·h-1。河道邊的深水區(qū)和交錯(cuò)區(qū)的CH4排放量分別為34.1（64.9）mg·m-2·h-1和CH4-C 10.4（51.3）mg·m-2·h-1，交錯(cuò)區(qū)的CH4排放量?jī)H僅為深水區(qū)的30.5%。人工實(shí)驗(yàn)濕地、自然河道旁及牛軛湖濕地中由于常年積水深水區(qū)的采樣點(diǎn)的水位高度顯著高于干濕交錯(cuò)區(qū)（P<0.001），因此濕地的水位也影響了CO2排放速率。在人工實(shí)驗(yàn)濕地中，交錯(cuò)區(qū)的CO2排放量的中值（平均值）顯著高于深水區(qū)中的CO2排放量（P<0.001），分別為CO2-C 41.8（53.7）mg·m-2·h-1和CO2-C -2.2（-10.6）mg·m-2·h-1。工牛軛湖濕地CO2的不同水位條件的排放模式與人工濕地相同（P<0.001），分別為CO2-C 15.5（20.9）mg·m-2·h-1和CO2-C 38.7（63.1）mg·m-2·h-1。自然河濱濕地交錯(cuò)區(qū)的CO2排放量的中值（平均值）同樣也顯著高于深水區(qū)中的CO2排放量（P<0.001）。河道邊濕地的交錯(cuò)區(qū)和深水區(qū)的CO2排放量分別為CO2-C 16.6 （15.2）mg·m-2·h-1和CO2-C 53.4（70.2）mg·m-2·h-1。

表2　濕地1、濕地2、牛軛湖和河道旁CH4和CO2排放量及其環(huán)境因子數(shù)據(jù)Table 2 Methane and carbon dioxide emissions and supporting environmental data by four wetland sites(Wetland 1, Wetland 2, Oxbow and Riverside)

2.2.1土壤含水率與CH4和CO2排放通量的相關(guān)性

4種不同類型濕地的土壤含水率為：濕地1和濕地2>河道邊濕地>牛軛湖濕地。不同水文條件區(qū)域中土壤含水率為：深水區(qū)>交錯(cuò)區(qū)>高地。并且，可以從本實(shí)驗(yàn)的土壤含水率及CH4排放量的相關(guān)性中發(fā)現(xiàn)，土壤含水率的相關(guān)系數(shù)雖然不高，但是有一定的相關(guān)性（r2=0.39）。實(shí)驗(yàn)的土壤含水率及CO2排放量的相關(guān)性中發(fā)現(xiàn)，土壤含水率與不同類型濕地中CO2通量具有一定的相關(guān)性（r2=0.72），但其成反比相關(guān)，即土壤含水率越高，CO2釋放量越少。

2.2.2土壤溫度與CH4和CO2排放通量的相關(guān)性

土壤溫度在4類濕地中無顯著性差異。在生長(zhǎng)季節(jié)和非生長(zhǎng)季節(jié)，土壤的平均溫度分別為(19.6±3.1)和(6.4±4.9) ℃。在濕地1、濕地2和河道邊濕地，CH4排放量與土壤溫度顯著性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為r2=0.88，r2=0.86和r2=0.85（圖4）。不過在牛軛湖地區(qū)，CH4排放與土壤溫度沒有顯著相關(guān)性。在濕地1、濕地2和牛軛湖濕地，CO2排放量與土壤溫度有一定相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為r2=0.63，r2=0.54和r2=0.67（圖5）。不過在自然河道邊區(qū)域，CO2排放與土壤溫度沒有顯著相關(guān)性。

3　討論

3.1河濱濕地碳排放通量

3.1.1不同類型河濱濕地CH4排放通量的差異

濕地生態(tài)系統(tǒng)中CH4排放量的差異可能是由于環(huán)境因子的空間異質(zhì)性，例如沉積物結(jié)構(gòu)、大型植被分布、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供給和土壤供養(yǎng)程度等（Herbst et al.，2013）。本研究中，Olentangy河河道低洼濕地和不同類型的河濱補(bǔ)償濕地有著非常高的CH4排放空間異質(zhì)性。相關(guān)文獻(xiàn)也有相似的研究結(jié)果，在若爾蓋高原濕地生長(zhǎng)季節(jié)，CH4排放有較大的空間變異，湖濱濕地CH4平均排放量為CH4-C 11.95 mg·m-2·h-1，其次為寬谷濕地，排放量為CH4-C 2.12 mg·m-2·h-1；河岸濕地表現(xiàn)為CH4吸收，其吸收量為CH4-C 0.007 mg·m-2·h-1（陳槐等，2008）。Hirota et al. （2004）在青藏高原的不同優(yōu)勢(shì)種濕地中的研究顯示了以眼子菜屬（Potamogeton spp.）為優(yōu)勢(shì)種的濕地CH4排放通量為33.1 mg·m-2·d-1，藨草（Scirpus spp.）濕地CH4通量為99.5 mg·m-2·d-1，苔草（Carex spp.）濕地CH4通量為196 mg·m-2·d-1。在日本的一個(gè)處理廢水的人工濕地中，CH4排放數(shù)據(jù)也顯示了較大的時(shí)空差異，為CH40～16.76 g·m-2·d-1（Wang et al.，2008）；在愛沙尼亞的兩種不同類型的廢水處理微型人工濕地，即水平式潛流人工濕地（HSSF）和垂直式潛流人工濕地（VSSF）中，CH4的排放量分別為CH4-C 31～12100 μg·m-2·h-1和CH4-C 950～5750 μg·m-2·h-1（Mander et al.，2005）。而且上述提到的地理特征與其地表水位也密切相關(guān)。在德國(guó)西南部的研究發(fā)現(xiàn)湖濱濕地CH4排放是寬谷濕地的5.5倍，其地表水位要比寬谷濕地高出10 cm左右（Sommer et al.，2002）。在丹麥北方湖泊湖岸邊的明水區(qū)，隨著水文的波動(dòng)，CH4排放量為CH420～50 g·m-2·y-1（Kankaala et al.，2004）。Olentangy河河濱淡水濕地CH4排放量是從CH4-C 68～379 g·m-2·y-1，這個(gè)范圍也與其它的淡水濕地相一致。在內(nèi)蒙古有機(jī)草澤中，其CH4排放通量非常高，為CH4189～663 g·m-2·y-1（Wang et al.，2006）。Whiting et al.（2001）報(bào)道弗吉尼亞州和福羅里達(dá)州濕地的CH4排放通量分別為CH4-C 62和107 g·m-2·y-1。在亞馬遜河洪泛平原中，水位較低時(shí)，CH4的排放量為CH425 g·m-2·y-1；而水位較高時(shí)，CH4的排放量為CH467 g·m-2·y-1（Richey et al.，1990）。在本實(shí)驗(yàn)俄亥俄州中部的實(shí)驗(yàn)濕地中，我們也監(jiān)測(cè)到了相似的深水區(qū)CH4排放量較高，而邊緣區(qū)CH4排放量較少這樣的模式。

圖5　實(shí)驗(yàn)濕地1和濕地2CO2排放量（CO2-C mg·m-2·h-1）與土壤溫度的關(guān)系Fig. 5 Relationships between methane flux rates and mean soil temperature for two experimental wetlands (wetland 1 and 2) and riverside site at Olentangy River Wetland Research Park

3.1.2不同類型河濱濕地CO2排放通量的差異

濕地生態(tài)系統(tǒng)的CO2通量具有極強(qiáng)的時(shí)空變異性。在時(shí)間尺度上不僅有明顯的季節(jié)變化，而且在一天之內(nèi)的波動(dòng)幅度也很劇烈。土壤CO2通量的異質(zhì)性與諸多因子相關(guān)。不同群落類型的植被組成、氣象條件和土壤環(huán)境因子的不一致性可導(dǎo)致土壤CO2通量的不同。本研究中所測(cè)得的CO2排放速率情況如下：自然濕地、半人工濕地、人工濕地1和濕地2的CO2排放通量中值的范圍分別為CO2-C 13.1～53.5 mg·m-2·h-1、CO2-C -0.7～132.9 mg·m-2·h-1、CO2-C -13.3～44.1 mg·m-2·h-1和CO2-C -8.9～51.6 mg·m-2·h-1。由于本研究中不同類型的濕地處于同一區(qū)域中，因此氣候狀況和土壤溫度基本相同，可能是由于不同的水位條件以及植物分布的不同而影響了不同類型濕地中CO2排放差異。有關(guān)研究也有相似的觀點(diǎn)，郝慶菊等（2004）從8月中旬至10月對(duì)三江平原上3種不同類型濕地進(jìn)行CO2排放的觀測(cè)，CO2排放速率表現(xiàn)為小葉樟草甸（CO2384.9 mg·m-2·h-1）>恢復(fù)濕地（CO2384.9 mg·m-2·h-1）>漂筏苔草沼澤（CO2117.6 mg·m-2·h-1），并認(rèn)為水文條件以及由水文環(huán)境引起的土壤溫度是影響不同類型濕地土壤CO2呼吸速率差異的重要因素。Teiter et al.（2005）分別對(duì)河濱緩沖帶上的水平式潛流人工濕地（HSSF）和垂直式潛流人工濕地（VSSF）的CO2排放速率進(jìn)行了測(cè)量，并得出了HSSF的CO2排放速率（CO2140～291 mg·m-2·h-1）大于VSSF（CO261～140 mg·m-2·h-1），認(rèn)為可能是由于這兩種人工濕地中不同的植物配置導(dǎo)致了CO2排放通量的差異。

3.2環(huán)境因子對(duì)CH4排放量的影響

3.2.1水文對(duì)CH4排放量的影響

水文過程調(diào)節(jié)了電子受體和供體之間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并在濕地的地球生物化學(xué)循環(huán)中起到重要的作用（Mitsch et al.，2007）。在濕地1和濕地2中深水區(qū)比起交錯(cuò)區(qū)的CH4排放量更高，這是由于深水區(qū)中土壤含氧量的減少，導(dǎo)致在缺氧和土壤還原的條件下，產(chǎn)CH4菌活性增強(qiáng)，CH4排放量增大（Kumaraswamy et al.，2001）。對(duì)于牛軛湖濕地，在深水區(qū)和交錯(cuò)區(qū)中CH4排放量沒有顯著性差異，這可能是由于牛軛湖中獨(dú)特的季節(jié)性水文漸變情況。冬季和春季較高的水位及其洪水沖擊頻率導(dǎo)致深水區(qū)和交錯(cuò)區(qū)的水深顯著不同，但是較低的土壤溫度使得兩個(gè)區(qū)域CH4排放量都較?。╕u et al.，2008）。當(dāng)夏季和秋季溫度升高，蒸發(fā)量加大的時(shí)候，地表水位退去，導(dǎo)致深水區(qū)和交錯(cuò)區(qū)有著相似的水位條件，并且由于季節(jié)性的干旱，深水區(qū)和交錯(cuò)區(qū)仍然沒有較大的CH4排放量的差異。在河道邊低洼濕地，盡管交錯(cuò)區(qū)的CH4排放量低于深水區(qū)，但是差異性不顯著。交錯(cuò)區(qū)中，相對(duì)于同一地區(qū)其它類型濕地較高的CH4排放量，可能部分由于水文作用下土壤中凈有機(jī)碳的輸入，部分由于地下水加上地表徑流的作用，將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入到Olentangy河的邊緣地帶（Striegl et al.，1998；Fahey et al.，2005）。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的土壤含水率與CH4排放量有一定的相關(guān)性。徐華等（2008）對(duì)我國(guó)水稻田CH4產(chǎn)生的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在同樣的培養(yǎng)溫度下，CH4的產(chǎn)生率隨著水分含量的增加而增加。在江蘇無錫安鎮(zhèn)和江西鷹潭的水稻土壤，當(dāng)水分條件從田間持水量的20%～35%增加到田間持水量的107%時(shí)，CH4產(chǎn)生率分別提高了約9倍和5倍。

3.2.2土壤溫度對(duì)CH4排放量的影響

溫度在CH4產(chǎn)生和排放中起著非常重要的作用，土壤溫度不僅直接影響土壤微生物的活動(dòng)，而且對(duì)土壤中CH4的輸送也有明顯影響（丁維新等，2003）。濕地類型不同，溫度對(duì)土壤CH4排放的影響也不同。在永久積水或季節(jié)性積水濕地中，例如本文中的河道邊和實(shí)驗(yàn)濕地1、2，地表長(zhǎng)期保持過濕狀態(tài)，因而土壤為厭氧環(huán)境，有利于CH4的生成，CH4的產(chǎn)生過程對(duì)溫度非常敏感。然而對(duì)于牛軛湖濕地來說，在溫度較高的季節(jié)，地表無積水但保持較為濕潤(rùn)的狀態(tài)，因而這種環(huán)境有利于CH4的氧化吸收，水文的作用掩蓋了溫度對(duì)CH4排放的影響。相比之下，CH4消耗作用對(duì)溫度較不敏感（宋長(zhǎng)春等，2003）。

本文的研究中，5月至9月溫度相對(duì)較高的時(shí)期，CH4排放量也是最高的。濕地1、濕地2和河道邊濕地顯示了相似的CH4排放季節(jié)動(dòng)態(tài)變化，夏季CH4排放量分別比冬季高了18倍、23倍和18倍。牛軛湖的CH4排放季節(jié)波動(dòng)較小。CH4排放所顯示出的季節(jié)波動(dòng)與之前在同一濕地（Altor et al.，2006，2008）和其它淡水生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果相符（Koch et al.，2007；Chen et al.，2008）。產(chǎn)CH4菌的活動(dòng)能力經(jīng)研究隨著溫度、電子接收能力、營(yíng)養(yǎng)鹽供應(yīng)或者幾個(gè)因素的綜合效應(yīng)的變化而不同（Stadmark et al.，2005），并且這些環(huán)境因子的性質(zhì)隨著季節(jié)而波動(dòng)（Bubier et al.，2005）。本研究中濕地1、濕地2和河道邊濕地的土壤Q10值通過方程式計(jì)算分別為1.25、1.25和1.06（Reichman et al.，1986）。Q10值符合Arrehenius方程中不同水飽和土壤環(huán)境下的較低數(shù)值區(qū)域（Chapman et al.，1996）。CH4排放量與沉積物中溫度顯著性相關(guān)已經(jīng)在文獻(xiàn)中詳細(xì)闡述過（Koch et al.，2007；Chen et al.，2008；Koh et al.，2009）。相對(duì)較高的夏季溫度不僅能夠提高產(chǎn)CH4菌的活動(dòng)能力，而且由于快速的氧氣消耗而影響到氧化菌的活動(dòng)能力，因此溫度升高可提高CH4排放量（Ding et al.，2004）。Kankaala et al. （2004）報(bào)道過隨著季節(jié)的不同，CH4的排放與植被生物量密切相關(guān)。夏季時(shí)，較高的植被生物量影響到CH4的排放，因?yàn)橹参镉捎诟扛癄€和分泌物所產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)對(duì)產(chǎn)CH4菌來說可作為營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)（Rinnan et al.，2003）。而且植物也可作為CH4從土壤向大氣中排放的導(dǎo)管（Wassmann et al.，2000）。一般認(rèn)為，CH4氧化和CH4產(chǎn)生的最佳溫度是25 ℃（Dunfield et al.，1993）。低溫限制CH4產(chǎn)生的主要原因是降低了產(chǎn)H2細(xì)菌的活性而不是因?yàn)閷?duì)產(chǎn)CH4菌的影響（Conrad et al.，2002）。Saarnio et al. （1998）認(rèn)為，低溫限制了根系分泌物等的分解，從而抑制了CH4的產(chǎn)生和排放。

3.3環(huán)境因子對(duì)CO2排放量的影響

3.3.1土壤溫度對(duì)CO2通量的影響

研究區(qū)域不同類型河濱濕地CO2通量在生長(zhǎng)季節(jié)明顯高于非生長(zhǎng)季節(jié)（P<0.001）。從土壤中釋放的CO2的85%～90%來源于土壤微生物的生命活動(dòng)，約15%來源于植物根的呼吸（郝慶菊等，2004），并且其呼吸強(qiáng)度與溫度密切相關(guān)。因此，溫度的升高可促進(jìn)土壤中儲(chǔ)存的大量碳的分解，土壤呼吸在水位較低情況下隨著溫度升高而有顯著的升高，高水位地帶卻抑制微生物活性（Moore et al.，1989）。本文相關(guān)分析表明，CO2通量的季節(jié)變化受到了土壤溫度的影響，二者呈正相關(guān)關(guān)系（圖5），濕地1、濕地2和牛軛湖濕地CO2通量與土壤溫度相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)分別為0.63、0.54和0.67。有可能是因?yàn)闈竦刂参锒酁闇\根系，其根系主要分布在土壤上層，凋落物的分解主要在此層進(jìn)行。這與王德宣等（2008）對(duì)諾爾蓋高原地區(qū)的研究結(jié)果一致。三江平原濕地土壤CO2排放速率與土壤溫度關(guān)系密切，幾乎所有的土壤溫度與土壤CO2排放速率均為顯著相關(guān)，并且絕大部分都達(dá)到了極顯著水平（郝慶菊等，2004）。

3.3.2水分對(duì)CO2通量的影響

在本研究中，牛軛湖濕地由于夏季長(zhǎng)期暴露于空氣中，土壤通透性較好，而且相比于河道邊自然濕地地勢(shì)較高。有研究認(rèn)為，較低的水位和較干的土壤狀況會(huì)增加有機(jī)質(zhì)的分解，可能提高CO2通量。Freeman et al.（2002）也指出CO2通量與水位高度有顯著的負(fù)相關(guān)（r2=0.921）。本文中的牛軛湖濕地年平均水位在Olentangy河河濱不同類型濕地中最低（表2）。從理論上講，這樣的恢復(fù)濕地應(yīng)比水位高的河道邊自然濕地更有利于CO2的產(chǎn)生和排放，但測(cè)定結(jié)果CO2排放速率的中值（平均值）低于自然河道邊濕地，原因可能與恢復(fù)濕地土壤有機(jī)質(zhì)及土壤營(yíng)養(yǎng)元素的含量較低有關(guān)。而對(duì)于兩個(gè)腎形人工濕地來說，其CO2排放速率分別為CO2-C 9.8 （19.2）mg·m-2·h-1和13.5（20.6）mg·m-2·h-1，CO2排放量顯著小于自然河道旁濕地和半人工濕地，可能是由于在生長(zhǎng)季節(jié)人工濕地深水區(qū)的藻類進(jìn)行光合作用，導(dǎo)致在深水區(qū)對(duì)CO2有吸收作用；另一種原因可能是人工濕地相對(duì)于自然濕地較低的土壤碳含量而導(dǎo)致排放量減少。Koh et al.（2009）對(duì)3種不同類型濕地進(jìn)行了CO2排放的研究，在干地的CO2排放通量為CO2180～908 mg·m-2·h-1，為季節(jié)性積水濕地的3～4倍，而在永久性積水地區(qū)的CO2排放量為CO267～472 mg·m-2·h-1。

4　結(jié)論

本文研究顯示在同一河濱區(qū)域中，自然河流要比人工和半人工河濱恢復(fù)濕地排放更多的CH4和CO2。不同類型濕地CH4和CO2排放的空間異質(zhì)性是由于洪水沖擊頻率，底物中有機(jī)碳含量，地下水位及凈初級(jí)生產(chǎn)力等環(huán)境因素所決定的。在恢復(fù)濕地的管理方面，可以通過設(shè)計(jì)種植不同種類植物的配置，既可使河濱新建實(shí)驗(yàn)濕地1和濕地2增加物種多樣性，又可以有效地減少CH4和CO2排放；河道分岔半人工牛軛湖的CH4釋放量整年保持較低狀態(tài)，并且其在冰融期、洪泛期都在凈化水質(zhì)，成為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收庫(kù)（Fink et al.，2007；Mitsch et al.，2008），這說明了建造生態(tài)系統(tǒng)適合的水文條件在濕地的重建和修復(fù)項(xiàng)目中是關(guān)鍵因子之一；通過設(shè)計(jì)具有既長(zhǎng)又淺型狀和濕-干-濕交替水文條件的人工濕地，不僅可應(yīng)用于其它的河流沖積平原的修復(fù)，也可在不同的氣候和水文條件下檢測(cè)其生態(tài)服務(wù)功能。

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Methane and Carbon Dioxide Emissions from Different Types of Riparian Wetland

SHA Chenyan, TAN Juan, WANG Qing, WANG Min*
Shanghai Academy of Environmental Sciences, Shanghai 200233, China

Abstract:Wetlands are important ecosystems involved in global carbon cycle. Wetlands are both producers and consumers of the greenhouse gases. Controlling methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) emissions from temperate zone wetlands created and restored for habitat replacement and water quality improvement is important. A field research by the method of static chamber-gas chromatography was conducted on the spatiotemporal pattern of methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) from four riparian wetlands (planted and naturally colonizing experimental freshwater marshes, a river division oxbow, and the edge of a river) in the Wilma H. Schiermeier Olentangy River Wetland Research Park in Columbus, Ohio, USA, with the effects of soil temperature, hydrological condition on CH4and CO2emission approached. At ORWRP, CH4and CO2emissions varied remarkably in both temporal and spatial terms. The range of median value methane emissions: riverside (CH4-C 0.33～85.7 mg·m-2·h-1) > wetland 1 and wetland 2 (CH4-C 0.02～20.5 mg·m-2·h-1) > oxbow (CH4-C -0.04～0.09 mg·m-2·h-1); The median (average) values of CO2emission rates for wetland 1, wetland 2, oxbow and riverside were 9.8(19.2), 13.5(20.6), 24.7 (36.0) and 33.7(40.3) mg CO2-C·m-2·h-1respectively. Soil temperature had a significant relationship with CH4emissions in wetland 1 (r2=0.88), wetland 2 (r2=0.86) and riverside (r2=0.85), while the relationship was not significant between CH4emissions and soil temperature in oxbow site. Soil temperature had a significant relationship with CO2emissions in wetland 1(r2=0.63), wetland 2 (r2=0.54) and oxbow (r2=0.67) as well. There was a negative relationship between CO2emissions and soil water content in different types of wetlands (r2=0.72). Nature wetlands have the higher CH4and CO2emission rates than created wetlands in river riparian zone here. Overall, our results showed that the edge of a river in a bottomland hardwood forest had the much higher CH4and CO2emissions than did created river diversion marshes. The spatial variation of the different types of riverine wetlands is caused by a combination of flood frequency, sediment organic carbon content, groundwater fluxes, and wetland productivity.

Key words:methane emissions; carbon dioxide emissions; riparian wetland

收稿日期：2015-03-18

作者簡(jiǎn)介：沙晨燕（1983年生），女，工程師，博士，主要從事濕地碳循環(huán)工作。E-mail: shacy@saes.sh.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（31100404）

中圖分類號(hào)：X16

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5906（2015）07-1182-09

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.07.016