人為補水對扎龍?zhí)J葦濕地甲烷排放的影響

楊薦　關(guān)愛潔　陳碧琪　王嘉偉　黃璞祎　于洪賢

摘要為研究人為補水對蘆葦濕地甲烷排放的影響，分別在補水前5 d、補水后10、20和30 d測定了扎龍?zhí)J葦濕地淹水區(qū)RH和未淹水區(qū)RA的甲烷排放通量。結(jié)果表明，補水后30 d RH水深由20 cm上升至120 cm，甲烷排放通量由3.13 mg/（m2·h）增至9.60 mg/（m2·h），是對照組CH的1.62倍；RA在補水后30 d水深達(dá)到10 cm，甲烷排放通量由2.80 mg/（m2·h）上升至18.96 mg/（m2·h），為對照組CA的5.31倍。補水期間，RH的水深增加刺激了蘆葦生長，從而為甲烷產(chǎn)生提供了更多底物，并增強了厭氧條件，導(dǎo)致甲烷排放增大；RA淹水后，大量有機(jī)質(zhì)分解為甲烷產(chǎn)生提供了碳源以及通氣狀況的改變是促進(jìn)其甲烷大量排放的原因。研究表明人為補水過程促進(jìn)了淹水區(qū)和非淹水區(qū)的甲烷排放，建議在評估濕地甲烷排放時應(yīng)考慮人為補水因素。

關(guān)鍵詞人為補水；蘆葦濕地；甲烷排放

中圖分類號S728.9；X144文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2014）22-07456-03

濕地是最大的天然甲烷源，其排放量占天然甲烷排放量的70.0%，全球甲烷排放量的24.8%[1]。但是濕地的甲烷排放存在很大的不確定性[2]，任何影響甲烷產(chǎn)生、氧化、傳輸過程的因子都將引起甲烷排放的變化[3]，例如植被類型[4]、水位[5]、氣候[6]和人為影響[7]。因此研究不同類型濕地的甲烷排放特征對于預(yù)測全球氣候變化趨勢具有重要意義。蘆葦濕地是全球分布最廣泛、生產(chǎn)力最高的濕地類型[8]，蘆葦濕地將土壤中經(jīng)厭氧分解產(chǎn)生的甲烷釋放到大氣中[9-10]。由于蘆葦分布廣泛、生境復(fù)雜，而且甲烷產(chǎn)生和釋放機(jī)制的途徑多樣，使得甲烷產(chǎn)生、氧化和凈排放通量存在較大差異[9]。目前關(guān)于蘆葦濕地甲烷排放的研究主要集中于河口地區(qū)[11]，而對天然淡水蘆葦濕地的相關(guān)研究卻很少。

扎龍?zhí)J葦濕地是我國面積最大、相對原始和完整的淡水蘆葦濕地。由于上游截留、農(nóng)業(yè)灌溉等人為影響，扎龍濕地水資源嚴(yán)重缺乏，蘆葦濕地面積不斷萎縮。人為補水已成為扎龍濕地生態(tài)恢復(fù)的重要手段。在補水過程中，水位上升、淹水過程和有機(jī)質(zhì)分解都將影響蘆葦濕地的甲烷排放通量。該研究通過對比補水前后扎龍?zhí)J葦濕地淹水區(qū)及非淹水區(qū)的甲烷通量變化，確定人為補水對蘆葦濕地甲烷排放的影響，以期為計算蘆葦濕地的甲烷排放提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1研究地概況扎龍濕地位于中國黑龍江省西部，松嫩平原烏裕爾河下游、齊齊哈爾市東南、林甸縣西南和杜爾伯特蒙古族自治縣西北交界地，地理坐標(biāo)為46°52′～47°32′N，123°47′～124°37′E，面積2 100 km2。濕地以蘆葦沼澤和水域生態(tài)系統(tǒng)為主，全區(qū)平均海拔144 m，年平均溫度3.5 ℃，年平均降水量420 mm，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候。扎龍地區(qū)6月份的月平均降水總量為64.3 mm。

試驗地點為扎龍濕地中部的龍湖沿岸帶。龍湖面積4 km2，其中敞水區(qū)面積0.7 km2，沿岸帶寬200～250 m，為典型的天然淡水蘆葦濕地。人為補水于2009年5月27日進(jìn)行，補水地點為龍湖以北約15 km的翁海，補水來源于嫩江水和農(nóng)業(yè)灌溉水，補水量5 000萬m3，補水期20～30 d。

1.2試驗設(shè)計分別于補水前5 d（5月22日）、補水后10 d（6月6日）、20 d（6月16日）、30 d（6月26日）測定不同淹水狀態(tài)蘆葦濕地的甲烷排放通量。將補水前5 d水位最深處設(shè)置為RH（試驗測得水深20 cm）代表淹水區(qū)的蘆葦濕地，同時圍隔出10 m ×10 m的樣方作為RH的對照組CH；未淹水的蘆葦濕地設(shè)置為RA，并圍隔出10 m ×10 m的樣方作為RA的對照組CA。補水引起RH水位上升，RA淹水。試驗期間CH水位維持在20 cm，CA干露。

1.3氣體采集和分析采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定蘆葦?shù)募淄橥?。靜態(tài)箱的結(jié)構(gòu)，氣體采集和分析方法見黃璞祎等[12]研究。氣體采集時間為14：00， 18：00， 24：00 （0：00）， 4：00， 8：00和12：00。甲烷通量計算方法見陳泮勤等[13]研究。

1.4數(shù)據(jù)分析應(yīng)用SPSS軟件中T檢驗（Onesamples T test）比較RH和CH，RA與CA的甲烷通量。

2 結(jié)果與分析

2.1補水前后蘆葦濕地淹水區(qū)RH的甲烷排放通量補水前5 d，RH的日均甲烷排放通量為3.13±3.41 mg/（m2·h）（圖1）。補水后，RH的甲烷排放通量均呈上升趨勢，在補水后10、20和30 d，RH的甲烷排放通量分別是對照組CH的0.97、1.19和1.62倍（圖2～4）。T檢驗顯示，人為補水后RH和CH的甲烷通量之間差異不顯著。蘆葦濕地的日甲烷排放整體表現(xiàn)為晝高夜低，其排放峰值出現(xiàn)在12：00，而最低值出現(xiàn)在夜晚0：00和清晨4：00。

圖1補水前5 d蘆葦濕地甲烷通量的晝夜變化圖2補水后10 d蘆葦濕地甲烷通量的晝夜變化圖3補水后20 d蘆葦濕地甲烷通量的晝夜變化圖4補水后30 d蘆葦濕地甲烷通量的晝夜變化2.2補水前后蘆葦濕地未淹水區(qū)RA的甲烷排放通量 補水前5 d， RA的日均甲烷排放通量是2.80±3.29 mg/（m2·h）（圖1）。在補水后10、20和30 d，RA的甲烷排放通量分別是對照組CA的2.21、5.14和5.31倍（圖2～4）。T檢驗顯示，人為補水后RA的甲烷通量顯著高于CA（P<0.05）。

3結(jié)論與討論

3.1人為補水對淹水區(qū)RH甲烷排放的影響大量文獻(xiàn)表明，水深變化可以顯著影響蘆葦濕地的甲烷產(chǎn)生、氧化、傳輸和排放[3，14-15]。Juutinen[16]發(fā)現(xiàn)，地下水位降低會引起濕地的甲烷排放減少。此次人為補水引起扎龍?zhí)J葦濕地淹水區(qū)RH的水深增加了100 cm，其甲烷排放通量由3.13 mg/（m2·h）增至 9.60 mg/（m2·h）。與對照組CH相比，補水30 d后RH由于水深增加引起甲烷通量增加了3.66 mg/（m2·h），說明在較高水深條件下甲烷排放通量增加。

補水過程中淹水區(qū)RH的水深增加，刺激了蘆葦?shù)姆痔Y和生長，為甲烷產(chǎn)生提供了更多的底物和傳輸通道，引起甲烷排放增強。據(jù)報道，排放到大氣中的甲烷，有60%～90%是通過植物傳輸[3，17-18]，在成熟的蘆葦濕地中超過90%的甲烷通過植物傳輸?shù)酱髿庵衃19]，特別是在蘆葦?shù)目焖偕L階段甲烷傳輸速率最高[15]。與對照組CH相比，RH較高的株密度和地上生物量為甲烷傳輸和產(chǎn)生提供了有利條件[20]：一方面RH具有較高的株密度，為甲烷排放提供了更多的傳輸途徑，另一方面較大的生物量帶來更多的根部分泌物質(zhì)，為甲烷產(chǎn)生提供更多的底物，從而促進(jìn)甲烷排放[17]。不僅如此，水深增加還可以抑制甲烷氧化細(xì)菌的活性，進(jìn)而通過增強厭氧條件來減少甲烷氧化[3，10]，進(jìn)一步增加甲烷排放。

值得一提的是，不同環(huán)境條件下水深增加也可能會引起甲烷排放減少。例如，河口蘆葦濕地漲潮時，水位增加但甲烷排放通量減少，這一觀測結(jié)果可能是由于漲潮增加了水中的溶氧，從而使水中的甲烷大部分被氧化而不排放到大氣中[15，17]。而且，當(dāng)水深增加到淹沒新發(fā)芽的蘆葦植株時，甲烷傳輸?shù)闹参锿緩綄⒈蛔钄?，也會?dǎo)致甲烷排放減少[16，21]。

3.2人為補水對非淹水區(qū)RA甲烷排放的影響人為補水為非淹水區(qū)RA帶來了一個淹水過程，引起甲烷排放顯著增加，在補水后30 d RA的甲烷排放通量比對照組CA增加了15.39 mg/（m2·h）。Kelly等[22]發(fā)現(xiàn)隨著輸入底質(zhì)的有機(jī)物增加，甲烷產(chǎn)生量也增加；Casper[23]也發(fā)現(xiàn)隨著湖泊營養(yǎng)狀態(tài)升高，底質(zhì)的產(chǎn)甲烷能力增強。此次補水過程中 RA被淹，大量有機(jī)質(zhì)如凋落物、死根以及蘆葦根部的分泌物被分解，其TOC和DOC濃度達(dá)到348.00 mg/L和62.40 mg/L，明顯高于其他采樣點[20]，也反映出有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的大量碳源為甲烷產(chǎn)生提供了更多的底物[24]，引起RA的甲烷產(chǎn)生增加、排放持續(xù)增強，至補水后30 d其甲烷通量增至對照組CA的5.31倍。類似的，黃國宏等[17]也發(fā)現(xiàn)遼河三角洲的蘆葦濕地在淹水期間有大量的甲烷排放。

通氣狀況的改變也是造成RA在補水后甲烷大量排放的原因之一。甲烷是有機(jī)質(zhì)厭氧分解的最終產(chǎn)物。補水前，RA的通氣狀況良好，產(chǎn)生的甲烷大量被氧化[17]，因此甲烷排放維持在一個較低水平；補水后，RA的土壤為厭氧條件，使得甲烷氧化過程受到抑制，而產(chǎn)甲烷細(xì)菌的活性增強[25]，最終引起甲烷排放通量增加[10]。補水過程中RA蘆葦?shù)闹旮摺⒅昝芏群偷厣仙锪颗c對照組CA之間均不存在顯著差異[20]，說明蘆葦并不是引起RA甲烷大量排放的主要原因。

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