草海濕地湖濱帶不同類型土壤甲烷產(chǎn)生與氧化潛力的研究

寇永珍 林陶

摘要：采用室內(nèi)模擬培養(yǎng)技術(shù)，研究了草海濕地湖濱帶不同類型土壤甲烷產(chǎn)生及氧化潛力規(guī)律。結(jié)果表明，草海濕地表層土（0～5 cm）為甲烷產(chǎn)生潛力最大區(qū)域。甲烷產(chǎn)生潛力大小排序為沼澤草甸>草甸>原生沼澤>耕地，分別為10.448、3.188、0.741、0.042 μg/（g·d）。甲烷氧化累積潛力大小排序為沼澤草甸>草甸>耕地>原生沼澤，分別為0.155 7、0.079 6、0.011 9、0.003 7 μg/（g·d）。隨著土層深度的增加，各類型土地甲烷產(chǎn)生潛力明顯下降。草海濕地各類型土壤氧化潛力均低于產(chǎn)生潛力，即草海高原濕地湖濱地土壤不具有從大氣中吸收甲烷而使得大氣中甲烷減少的潛力。

關(guān)鍵詞：甲烷;產(chǎn)生潛力;氧化潛力;草海濕地

Abstract： The methane production and oxidation potential of different types of soils in the lake-shore zone of Caohai wetland were studied by means of laboratory simulation culture technique. Results showed that the potential of methane production in Caohai wetland surface soil （0～5 cm） was the largest. The order of methane production potential was 10.448 μg/（g·d） of swamp meadow， 3.188 μg/（g·d） of meadow， 0.741 μg/（g·d） of primary swamp， 0.042 μg/（g·d） of cultivated land. The cumulative potential of methane oxidation was 0.155 7 μg/（g·d） of swamp meadow soil， 0.079 6 μg/（g·d） of meadow soil， 0.011 9 μg/（g·d） of cultivated land， 0.003 7 μg/（g·d） of primary swamp soil. With the increase of soil depth， the methane production potential of various types of land decreased obviously. The oxidation potential of all types of soils in Caohai wetland is lower than that in the production potential， which meaned， the soil in the lakeside soil of the Caohai plateau wetland did not have the potential to absorb methane from the atmosphere and reduce the methane in the atmosphere.

Key words： methane; generating potential; oxidation potential; Caohai wetland

甲烷作為貢獻率僅次于二氧化碳的溫室氣體，目前在百年尺度內(nèi)的貢獻潛力是二氧化碳的28～32倍[1]，其溫室效應貢獻率占到了22%[2]，并且呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢。大氣中的甲烷主要來源為自然源和人為源，其中自然源的貢獻率接近總排放量的40%[3]。濕地作為水陸交錯型過渡地帶，是甲烷排放的主要自然源，貢獻率為50%～80%[4]。因此，開展?jié)竦睾I帶甲烷的產(chǎn)生與氧化潛力研究具有重要的科學意義，也有助于深入認識全球氣候變化響應。

當前，對濕地土壤甲烷的產(chǎn)生及其影響因子的研究較多，且這些研究主要集中在泥炭地、水田、紅樹林等濕地類型[5]。中國學者針對天然濕地的研究主要集中在第一階梯東部平原及河口濕地，如三江平原、黃河口潮灘、閩江河口濕地[6-8]。草海高原濕地作為分布在云貴高原的典型濕地代表，是一個完整的典型喀斯特高原濕地生態(tài)系統(tǒng)，近兩年來已經(jīng)成為高原天然濕地研究的熱點區(qū)域之一[9]，但關(guān)于溫室氣體排放特征的研究甚少，關(guān)于甲烷產(chǎn)生及氧化潛力的探討還未見報道?；诖?，本研究以草海高原濕地湖濱帶為典型研究區(qū)域，開展不同類型土壤甲烷產(chǎn)生及氧化潛力研究，研究結(jié)果可為評估喀斯特高原濕地環(huán)境下甲烷排放情況提供重要的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

草海濕地地理位置為N26°49′～26°53′、E104°12′～104°18′，海拔2 250～2 300 m。氣候為典型的亞熱帶高原季風氣候，冬季干燥，夏季濕潤，垂直氣候帶特征明顯，日照豐富。年均氣溫10.5 ℃，最冷月 （1月） 多年平均氣溫-1.9 ℃，最熱月 （7月） 平均氣溫17.7 ℃，無霜期208.6 d。年平均降雨量950.9 mm，主要集中于下半年，年平均相對濕度80%。年均日照1 805.4 h，是貴州省日照最充足的地方。試驗土壤樣品采自貴州省威寧縣草海濕地國家自然保護區(qū)湖濱帶原生沼澤、沼澤草甸、草甸和耕地，采樣點見圖1，各類型樣地基本特征見表1。

1.2 樣品采集與培養(yǎng)試驗

1.2.1 樣品采集 2013年11月，在各類型樣地選取40 cm×40 cm的樣方，采用柱狀采樣器采集不同深度 （0～5、5～10、10～20、20～30 cm） 的土壤樣品，同一樣方中進行多次重復取樣，現(xiàn)場將重復土樣混勻，同類型樣地設置3個平行。采樣后將土壤樣品立刻編號裝入自封袋帶回實驗室，剔除可見的植物殘體，一部分鮮樣4 ℃保存待測，一部分自然風干，經(jīng)研磨過20目篩備用。

1.2.2 甲烷產(chǎn)生潛力培養(yǎng) 稱取10 g風干土壤樣品，裝入200 mL厭氧瓶中，以水土質(zhì)量比2∶1加入蒸餾水20 mL，搖勻，蓋上蓋子，并用N2沖洗厭氧瓶3～4次，以形成厭氧環(huán)境，每個樣品3個重復。將處理好的土壤樣品放入恒溫培養(yǎng)箱中，在28 ℃溫度下連續(xù)培養(yǎng)10 d。在培養(yǎng)過程中，分別在1、2、3、4、5、6、7、10 d用氣體進樣針抽取1 mL氣體，用于測量培養(yǎng)瓶內(nèi)甲烷氣體的濃度，并在3、5、7 d抽取完甲烷氣體后，再用N2沖洗 （方法同上），以形成厭氧環(huán)境。每批樣品均設置空白對照。

1.2.3 甲烷氧化潛力培養(yǎng) 稱取10 g風干土壤樣品，裝入200 mL厭氧瓶中，以保證土壤的含水率在30%左右，加入蒸餾水3 mL，搖勻，蓋上蓋子，并用N2沖洗培養(yǎng)瓶，厭氧培養(yǎng)7 d后，再抽真空空氣置換，加入1 mL 50 mg/kg的甲烷培養(yǎng)，放置12 h后測定初始濃度，共培養(yǎng)30 d，測定9次值。每次抽樣后都將2 mL空氣回灌培養(yǎng)瓶，以維持瓶內(nèi)壓力不變，所有培養(yǎng)均在25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中進行。

1.2.4 甲烷氣樣的分析 從培養(yǎng)瓶中抽取甲烷氣體，采用日本島津公司的GC-2010型氣相色譜儀分析。甲烷檢測器為FID （離子火焰檢測器），載氣為純氮氣，氫氣為燃氣，流速30 mL/min，檢測器溫度為280 ℃，進樣口溫度250 ℃，分離柱溫度120 ℃。

式中，P為甲烷產(chǎn)生速率，單位為μg/（g·d）;dc/dt為培養(yǎng)瓶內(nèi)氣相甲烷濃度單位時間的變化，單位為μL/（L·d）;VH為培養(yǎng)瓶內(nèi)上部空間體積，單位為L;WS為干土質(zhì)量，單位為g;MW為甲烷摩爾質(zhì)量，單位為g/mol，MV為標準狀態(tài)下1 mol氣體的體積，單位為L，Tst為熱力學溫度，單位為K，T為培養(yǎng)溫度，單位為℃。

1.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計 數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用Excel 2003計算統(tǒng)計學特征值，不同退化階段濕地湖濱帶甲烷產(chǎn)生和氧化潛力的差異顯著性采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析，采用Origin Pro 8.6軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地類型土壤甲烷產(chǎn)生潛力差異

草海高原濕地湖濱帶不同類型土壤甲烷產(chǎn)生潛力隨培養(yǎng)時間的變化情況如圖2所示。由圖2可知，各類型土壤表層土（0～5 cm）甲烷產(chǎn)生潛力隨培養(yǎng)時間的延長呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，這與王維奇等[10]對閩江河口蘆葦濕地土壤甲烷產(chǎn)生能力的研究類似。培養(yǎng)3 d后，各類型土壤表層土（0～5 cm）達到最大甲烷產(chǎn)生潛力，分別為原生沼澤0.741 μg/（g·d）、沼澤草甸10.448 μg/（g·d）、草甸3.188 μg/（g·d）、耕地0.042 μg/（g·d）。培養(yǎng)6 d后表層土甲烷氧化潛力變化趨于平穩(wěn)。草海高原濕地湖濱帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力主要集中在0～5 cm土層的主要原因是濕地枯落物等新鮮有機物的輸入，使得土壤有機質(zhì)含量豐富，豐富的底物濃度和適宜的溫度條件下產(chǎn)甲烷菌快速產(chǎn)生甲烷[11]。中層土（5～10 cm）與深層土（10～20 cm）甲烷產(chǎn)生潛力與表層土（0～5 cm）變化趨勢相似。各類型土壤甲烷產(chǎn)生潛力的變化規(guī)律為沼澤草甸>草甸>原生沼澤>耕地。在整個培養(yǎng)期內(nèi)，隨著土層深度的增加，各類型土地甲烷產(chǎn)生潛力明顯下降，排序為表層土（0～5 cm）>中層土（5～10 cm）>深層土（10～20 cm），這說明供試湖濱帶土壤向外排放的甲烷主要來自表層土，這與王長科等[12]對若爾蓋高原沼澤土壤甲烷氧化研究結(jié)果一致。

2.2 不同土地類型土壤甲烷產(chǎn)量累積特征

草海高原濕地湖濱帶土壤甲烷產(chǎn)生動力累積值如圖3所示。表層土（0～5 cm） 10 d累積甲烷產(chǎn)生量最高的是沼澤草甸，為34.352 0 μg/（g·d）。這可能是因為沼澤草甸DOC（溶解有機碳）含量較高，為甲烷的產(chǎn)生提供了較多的底物和適應產(chǎn)甲烷菌生存的中性環(huán)境（pH 7.2）。耕地累積甲烷產(chǎn)生量最小，為0.086 0 μg/（g·d），原因可能是農(nóng)田的氧化還原電位較高 （298.2～329.7 mV），不利于厭氧條件下甲烷的產(chǎn)生，同時DOC以及TN（總氮）含量低，為產(chǎn)甲烷菌提供的可利用底物較少。

中層土（5～10 cm）為草甸土壤累積甲烷產(chǎn)生量最高，達到3.350 0 μg/（g·d）;耕地累積產(chǎn)甲烷潛力最低，為0.094 0 μg/（g·d）。草甸土壤累積產(chǎn)甲烷量與其他樣地差異顯著 （P<0.05），明顯高于其他類型土壤，這與它的地理環(huán)境有關(guān)，它靠近農(nóng)田，雨季營養(yǎng)鹽的淋溶致使草甸土壤輸入N、P等營養(yǎng)物質(zhì)，為產(chǎn)甲烷菌提供了可利用的底物。

沿湖濱帶水位條件的變化導致深層土（10～20 cm）累積甲烷產(chǎn)生量由原生沼澤到耕地依次降低。原生沼澤土壤甲烷產(chǎn)生潛力最高，為0.904 0 μg/（g·d），這可能是因為原生沼澤這一土層樣地的DOC含量和土壤含水量比其他樣地高，為甲烷產(chǎn)生提供了足夠的底物。耕地由于受到人為耕作影響，有機碳含量降低，且微生物數(shù)量少，導致土壤甲烷產(chǎn)生潛力最低。Wassmann等[5]對甲烷產(chǎn)生峰值時間的研究發(fā)現(xiàn)，原生沼澤甲烷產(chǎn)生潛力對培養(yǎng)時間的響應屬于延遲響應型，其他樣地甲烷產(chǎn)生潛力屬于立即響應型。

2.3 不同土地類型土壤甲烷氧化潛力差異

草海高原濕地湖濱帶不同土地類型土壤甲烷氧化潛力隨時間變化如圖4所示，由圖4可知，各類型樣地剖面土層土壤甲烷氧化潛力在前24 d內(nèi)呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，且在培養(yǎng)7 d后增速明顯，24 d后甲烷氧化潛力逐漸降低。整個培養(yǎng)期間沼澤草甸土壤及草甸土壤的甲烷氧化潛力變化趨勢明顯，與之相比，原生沼澤土壤及耕地土壤甲烷氧化潛力變化不明顯。沼澤草甸土壤和草甸土壤的0～5 cm土層在培養(yǎng)24 d后甲烷氧化量最大分別達到0.155 7、0.079 6 μg/（g·d），原生沼澤土壤培養(yǎng)24 d后甲烷氧化量僅為0.003 7μg/（g·d），這可能是因為隨著水分梯度的變化，各樣地植被群落呈現(xiàn)出明顯差異，導致各類型樣地土壤微生物群落及微環(huán)境差異明顯，沼澤草甸及草甸類型樣地植物根系發(fā)達，甲烷氧化潛勢較高。沼澤草甸的5～10和10～20 cm土層累積甲烷氧化量最高，分別達到0.151 4、0.120 9 μg/（g·d），原生沼澤累積甲烷氧化潛力量最低，分別為0.006 3、0.003 7 μg/（g·d）。同時還可以看出，隨著土壤深度的增加，累積甲烷氧化潛力逐漸降低，原因可能是大氣甲烷在土壤剖面中的擴散受到限制而引起甲烷缺乏[13]。

2.4 草海高原濕地湖濱帶不同類型土壤甲烷產(chǎn)生及氧化潛力的垂直差異

草海高原濕地湖濱帶不同類型土壤甲烷產(chǎn)生潛力垂直差異如圖5所示，沼澤草甸、草甸和耕地的表層土壤（0～5 cm）土層甲烷產(chǎn)生量所占比例達到80%;表層土（0～5 cm）與其他深度土層甲烷產(chǎn)生量存在顯著差異 （P<0.05），是其他土層甲烷產(chǎn)生量的28倍。結(jié)果表明，草海濕地湖濱帶表層土產(chǎn)甲烷潛力最高，這一結(jié)果與王維奇等[8]對閩江河口濕地的研究結(jié)論一致。原生沼澤土壤的深層土（5～20 cm）甲烷產(chǎn)生量所占比例高于其他樣地，其原因可能是原始沼澤土壤隨剖面深度的增加，底物含量變高，甲烷產(chǎn)生潛力逐漸增大。耕地土壤甲烷產(chǎn)生潛力垂直差異不明顯，其原因可能是耕地由于人為擾動原因使得分層土壤的底物濃度差異性小，同時由于長期的翻耕，其氧化還原電位偏高，抑制產(chǎn)甲烷菌的活性。

由圖5還可以看出，草海高原濕地湖濱帶土壤甲烷氧化潛力主要集中在表層 （0～5 cm）及中間層（5～10cm），其原因可能是該層是植物根系分布主要集中層，土壤孔隙率較高，有利于氣體的傳輸及好氧甲烷菌氧化甲烷[14]。同時發(fā)現(xiàn)，與原生沼澤和耕地相比，沼澤草甸土壤與草甸土壤具有較高的氧化甲烷的能力。但是與甲烷產(chǎn)生速率相比，草海濕地各類型土壤氧化潛力均低于產(chǎn)生潛力，說明濕地土壤不具有從大氣中吸收甲烷而使得大氣中甲烷減少的潛力，這與王德宣等[15]研究結(jié)果一致。

3 小結(jié)與討論

1）濕地甲烷產(chǎn)生潛力最大土層是0～5 cm土層，與其他土層差異顯著 （P<0.05）。表層土（0～5 cm）最大甲烷產(chǎn)生潛力大小順序為沼澤草甸>草甸>原生沼澤>耕地，分別為10.448、3.188、0.741、0.042 μg/（g·d）。在整個培養(yǎng)期內(nèi)，隨著土層深度的增加，各類型土地甲烷產(chǎn)生潛力明顯下降，排序為表層土（0～5 cm）>中層土（5～10 cm）>深層土（10～20 cm）。

2）0～5 cm土層在培養(yǎng)24 d后，甲烷氧化累積潛力大小排序為沼澤草甸土壤>草甸土壤>耕地>原生沼澤土壤，分別為0.155 7、0.079 6、0.011 9、0.003 7 μg/（g·d）。

3）草海濕地各類型土壤氧化潛力均低于產(chǎn)生潛力，即草海高原濕地湖濱地土壤不具有從大氣中吸收甲烷而使得大氣中甲烷減少的潛力。

參考文獻：

[1] SWART N C， GILLE S T， FYFE J C， et al. Recent Southern Ocean warming and freshening driven by greenhouse has emissions and ozone depletion [J].? Nature geoscience， 2018（11）：836-841.

[2] KNITTEL K， BOETIUS A. Anaerobic oxidation of methane：Progress an unknown process[J]. Annual review microbiology， 2009， 63（1）：311-334.

[3] FELDMAN D R， COLLIES W D，BIRAUD S C， et al. Observationally derived rise in methane surface forcing mediated by water vapour trends[J].? Nature geoscieece，2018，11（4）：238.

[4] 劉紫玟，魏雪馨，許運凱，等. 鹽度對長江河口蘆葦濕地甲烷排放的影響[J]. 海洋環(huán)境科學，2018，37（3）：356-388.

[5] WASSMANN R， NEUE H U， BUENO C， et al. Methane production capacities of different rice soil derived from inherent and exogenous substrates [J].? Plant and soil， 1998（203）： 227-237.

[6] 葛瑞娟，宋長春，王麗麗，等. 氮輸入對小葉章濕地土壤甲烷產(chǎn)生與氧化能力的影響[J]. 濕地科學， 2010，8（2）：176-181.

[7] 王玲玲，孫志高，牟曉杰，等. 黃河口濱岸潮灘濕地CO2、CH4和N2O通量特征初步研究[J]. 草業(yè)學報，2011，20（3）： 51-61.

[8] 王維奇，曾從盛，仝 川. 水、鹽梯度及外來植物入侵對河口濕地土壤甲烷產(chǎn)生潛力的影響[J]. 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學與綜合研究，2009， 25（4）： 481-486.

[9] 夏品華，喻理飛，寇永珍，等. 貴州高原草海濕地土壤有機碳分布特征及其與酶活性的關(guān)系[J]. 環(huán)境科學學報，2017，37（4）：1479-1485.

[10] 王維奇，曾從盛，仝 川. 閩江河口蘆葦濕地土壤甲烷產(chǎn)生與氧化能力研究[J]. 濕地科學，2008，6（1）： 60-68.

[11] 陳重安. 閩江河口沼澤濕地土壤甲烷產(chǎn)生潛力及其影響因子[D]. 福州：福建師范大學， 2010.

[12] 王長科，呂憲國，周華榮，等. 若爾蓋高原沼澤土壤氧化甲烷的研究[J]. 中國環(huán)境科學，2004，24（6）： 646-649.

[13] KOSCHORREK M， COMAD R. Oxidation of atmospheric methane in soil： Measurements in the field， in soil cores and in soil samples[J].? Global biogeochemical cycles， 1993，7（1）：109-121.

[14] 王長科，呂憲國，蔡祖聰，等. 東北三江平原土壤氧化CH4研究[J]. 環(huán)境科學學報，2004，24（5）： 939-941.

[15] 王德宣，呂憲國，丁維新，等. 若爾蓋高原沼澤濕地CH4排放研究[J]. 地球科學進展，2002，17（6）：877-880.