新建和修復(fù)的河濱濕地甲烷排放及其影響因子研究進(jìn)展

吳 筱，沙晨燕，吳建強，王 敏，劉振鴻

(1.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620;2.上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233)

全球變暖已成為當(dāng)今世界普遍關(guān)注的環(huán)境問題，而溫室氣體濃度的增加是導(dǎo)致全球變暖的主要原因。甲烷(CH4)作為主要溫室氣體之一，其在大氣中的含量已經(jīng)達(dá)到1803 μL/m3，超出工業(yè)化時代前的150%[1]。甲烷分子具有很強的紅外吸收能力，其單分子增溫潛勢是二氧化碳(CO2)的25倍，被認(rèn)為是繼CO2之后最重要的溫室氣體之一，對全球變暖的貢獻(xiàn)率高達(dá)20% ～39%[1]。濕地是甲烷排放的主要來源，對全球甲烷排放量的貢獻(xiàn)率高達(dá)15% ～40%，占所有天然甲烷排放源的70%。自然濕地每年約向大氣排放甲烷(以CH4-C計)1.45×1011kg，相當(dāng)于所有自然和人為排放源排放總量的25%[2]。

河濱濕地處于水陸交錯帶，分布在偶爾泛濫的溪流或江河旁邊，或者河道改道形成的有利于植物生長的地區(qū)[3]，是物質(zhì)轉(zhuǎn)換和能量流動的重要場所。特殊的地理位置決定了河濱濕地生態(tài)系統(tǒng)有著多樣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，包括凈化水質(zhì)、提供生物棲息地、維持生物多樣性、固定和存儲碳等[4]。河濱濕地通常受河流脈沖性洪水的影響，大量營養(yǎng)物和沉積物的輸入使得河濱濕地生態(tài)系統(tǒng)有較高的初級生產(chǎn)力[5]，從而固定和儲存了大量的碳，在全球氣候變化中有著特殊的地位和作用。隨著人類活動加劇，自然河濱濕地遭到破壞，濕地植被的組成和功能發(fā)生改變。水文條件的變化也使得土壤通透性、溫度、氧化還原電位等理化性狀改變，土壤呼吸速度增加，造成了一定程度的碳損失，河濱濕地也成為甲烷排放的熱點[6]。因此，如何找回失去的碳平衡這一問題備受關(guān)注，世界各國都在積極采取措施進(jìn)行濕地的新建與修復(fù)生態(tài)工程。然而，新建與修復(fù)濕地的研究大多集中于水質(zhì)凈化、面源污染治理[7-9]等方面，針對濕地甲烷排放及主要控制因子方面的研究較少。國內(nèi)關(guān)于天然濕地甲烷排放的研究已有相關(guān)報道，如閩江河口潮汐濕地、三江平原淡水沼澤濕地、稻田濕地等的甲烷排放[10-12]，而對新建和修復(fù)的河濱濕地的研究則鮮有報道。筆者綜述了全球尺度上新建和修復(fù)的河濱濕地甲烷排放方面的研究成果，總結(jié)比較了不同國家和地區(qū)新建和修復(fù)的河濱濕地甲烷排放的時空變化規(guī)律，探討影響甲烷排放的主要因子及可能的調(diào)控途徑，以期為新建和修復(fù)的河濱濕地的優(yōu)化設(shè)計和有效管理提供理論依據(jù)。

1 新建和修復(fù)的河濱濕地含義

新建河濱濕地是指位于河岸帶或沖積平原灘，或與河流相連的缺水或無植物覆蓋的土地，通過新建水文和植被特性而將其轉(zhuǎn)變成濕地[13]。修復(fù)河濱濕地則是指一個自然河濱生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)域為作其他用途而被移除典型的動植物群落，后又通過一些措施恢復(fù)其生物群落，以增強其生物多樣性、防洪和其他的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[14]。雖然兩者的初始狀態(tài)及概念有所不同，但是它們在設(shè)計和建設(shè)時通常都會模擬發(fā)生在自然濕地中的過程及生境條件，包括植被、土壤和相關(guān)微生物的組合以及它們的相互作用關(guān)系，但是相比較于自然恢復(fù)過程而言，新建和修復(fù)的濕地處在一個更易受控制的環(huán)境中[15]。

新建和修復(fù)的河濱濕地與自然河濱濕地一樣具有固碳功能，目前已有許多學(xué)者對自然河濱濕地的甲烷排放情況展開了研究，以便深入了解不同區(qū)域、不同類型河濱濕地甲烷排放的空間和時間變異性以及甲烷排放過程的控制因子。這些研究成果都為河濱濕地新建和修復(fù)工程的甲烷減排提供了參考依據(jù)。

2 新建和修復(fù)的河濱濕地甲烷排放情況

2.1 甲烷排放機制

甲烷排放是濕地土壤中甲烷產(chǎn)生、氧化和傳輸?shù)膬粜?yīng)。甲烷的產(chǎn)生、再氧化和向大氣傳輸這3個過程的相互作用以及與甲烷排放的關(guān)系如下:甲烷是在土壤有機物厭氧分解過程中產(chǎn)生的[16]，土壤中不同種類的細(xì)菌對有機底物進(jìn)行厭氧分解，然后在甲烷產(chǎn)生菌的作用下最終產(chǎn)生甲烷[17]。由于在土水界面及根土界面也存在氧化區(qū)域，土壤中產(chǎn)生的甲烷在排放入大氣前就有相當(dāng)一部分被土壤中的甲烷氧化菌所氧化。土壤中未被氧化的甲烷主要通過植物的通氣組織進(jìn)入大氣圈，氣泡和擴散也是甲烷由土壤向大氣傳輸?shù)耐緩絒18]。圖1說明了濕地中甲烷從土壤-水-植物這一體系向大氣傳輸?shù)倪^程。濕地甲烷排放與碳儲存之間的平衡取決于很多因素，包括氣候、水文條件、植被參數(shù)、土壤理化性質(zhì)、營養(yǎng)物狀態(tài)、交替電子受體(NO-3、Fe3+、SO2-4)等[19]。并且這些環(huán)境因子之間也相互作用、相互制約，因此甲烷隨著這些因子的變化而表現(xiàn)出一定的時空異質(zhì)性。

2.2 甲烷排放規(guī)律

相較于自然河濱濕地，新建和修復(fù)的河濱濕地可能會在一定程度上減少甲烷排放。Nahlik等[20]對美國俄亥俄州Olentangy河新建和修復(fù)的河濱濕地的研究表明，通過建立波動的水文條件和人工種植植被，濕地的甲烷(以CH4-C計)排放量為17 g/(m2·a)，與Olentangy河河濱濕地同緯度的位于美國內(nèi)布拉斯加州一處蘆葦主導(dǎo)的自然河濱濕地比較，后者甲烷(以CH4-C計)排放量為80 g/(m2·a)，約為前者的5倍[21]。沙晨燕等[22]也在 Olentangy河濕地研究中心進(jìn)行不同類型濕地的甲烷排放比較試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)人工種植植被的新建河濱濕地、河流分岔半人工牛軛湖濕地和自然河道旁濕地的甲烷年排放量分別為68g/(m2·a)、0.3g/(m2·a)和379g/(m2·a)，新建河濱濕地的甲烷排放量是自然河濱濕地的甲烷排放量的1/3。Audet等[23]在丹麥一個修復(fù)河濱濕地試驗得到甲烷的排放范圍為-0.21～32.1g/(m2·a)，比同一地區(qū)的自然河濱濕地甲烷排放量38 g/(m2·a)略有減少。

河濱濕地新建或修復(fù)后所經(jīng)歷時間的長短可能也會影響甲烷的排放。Mitsch等[20]對Olentangy河新建和修復(fù)的河濱濕地連續(xù)5年的研究顯示，甲烷(以CH4-C計)排放量在人工種植植被濕地從16g/(m2·a)持續(xù)增長到68g/(m2·a)，自然生長植被濕地從31g/(m2·a)持續(xù)增長到114 g/(m2·a)。兩個試驗濕地中的甲烷排放量在5年中持續(xù)增長，可能是因為濕地中植被的殘留物增多，導(dǎo)致濕地土壤中有更多有機物含量。芬蘭北部的一個新建河濱濕地在2002年夏季甲烷(以CH4-C計)排放平均速率為16.67 mg/(m2·h)，大約是 1992年的3倍[24]。Badiou等[25]認(rèn)為，相較于新修復(fù)(小于5年)濕地，長期修復(fù)(大于5年)的濕地甲烷排放量有稍微增加的趨勢。

新建和修復(fù)的河濱濕地中的甲烷排放還存在顯著的空間變化差異。沙晨燕等[22]對美國俄亥俄州Olentangy河人工河濱濕地的研究表明，夏季濕地邊緣區(qū)域的甲烷(以CH4-C計)排放速率約為1.17 mg/(m2·h)，而在濕地中心區(qū)域的甲烷(以CH4-C計)排放速率約為 59.9 mg/(m2·h)。Liikanen等[24]在對芬蘭北部的人工河濱濕地不同點位的甲烷排放監(jiān)測研究發(fā)現(xiàn)，隨著點位離濕地中心的距離越來越遠(yuǎn)，甲烷排放隨之明顯降低。Audet等[23]在對丹麥的修復(fù)河濱濕地研究發(fā)現(xiàn)，即使在同一觀測地點，有著相似的環(huán)境因子，3個相鄰點位8月份的甲烷排放速率也存在差異，分別為18 mg/(m2·h)、14 mg/(m2·h)和 12 mg/(m2·h)。

表1顯示了全球尺度下不同國家和地區(qū)新建和修復(fù)河濱濕地的甲烷排放情況。由表1可見，隨著緯度從低到高，甲烷(以CH4-C計)排放量呈現(xiàn)降低的趨勢，且基本低于100g/(m2·a)。在不同水文和植被模式下，甲烷排放存在顯著差異。相比于沒有植物的區(qū)域，植被覆蓋區(qū)域甲烷排放量明顯降低，降幅最高達(dá)到75%[20]，主要原因可能是氧氣通過植物的通氣組織傳輸?shù)礁H土壤，抑制了甲烷的生成，同時促進(jìn)甲烷的消耗;而且植被類型不同會導(dǎo)致甲烷排放量的差異;間歇性淹沒或者水文波動也會降低甲烷排放量。

表1 新建和修復(fù)河濱濕地的甲烷排放情況

3 新建和修復(fù)的河濱濕地甲烷排放影響因子

3.1 水文條件的影響

在河濱濕地的新建和修復(fù)過程中，調(diào)節(jié)水位、改變淹水強度和持續(xù)時間可以直接影響甲烷排放量。水位及積水面積變化不僅直接對甲烷排放強度有影響，還決定了濕地類型及其植物群落的動態(tài)變化，并且調(diào)控著濕地土壤有機碳的空間結(jié)構(gòu)及水分分配的空間格局，由此使?jié)竦卦诋a(chǎn)甲烷環(huán)境和氧化甲烷環(huán)境兩種狀態(tài)間互相轉(zhuǎn)化[37]。因此，水位是對新建和修復(fù)河濱濕地甲烷排放影響最為強烈的因素之一[38]。Tuittila 等[32]在加拿大盧普河河濱濕地的修復(fù)過程中，并沒有其他采割或放牧行為，僅保持水位在0.1～0.7 m范圍內(nèi)，觀測到的甲烷排放量(以CH4-C 計)只有 10.2 g/(m2·a)。Wild 等[33]對修復(fù)后的德國多瑙濕地研究發(fā)現(xiàn)，在相同的環(huán)境條件下，水位0.4 m和0.2 m的區(qū)域甲烷排放量有較大差異，分別為1.3 g/(m2·a)和7.7 g/(m2·a)。

在新建和修復(fù)河濱濕地中，盡管甲烷的產(chǎn)生需要淹水提供的厭氧條件，但是水位范圍有一個閾值，因為過高的水位在甲烷從土壤到大氣的釋放過程中是一個阻礙因素，過量的水淹沒會抑制氣體擴散，甲烷釋放反而會降低[39]。Altor等[40]在美國俄亥俄州Olentangy河新建和修復(fù)的河濱濕地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水位最接近土表時甲烷排放量最大，當(dāng)水位高于25～30cm時甲烷排放大量減少，而且在間歇淹沒區(qū)域水位低于地表20 cm時基本沒有甲烷排放。另有研究也證實水位為20～30 cm時就能確保較低的甲烷排放[41-44]。

對于新建和修復(fù)的河濱濕地來說，水位波動、間歇淹沒的區(qū)域往往比持續(xù)淺水淹沒的區(qū)域甲烷排放量小很多[45]。這是由于持續(xù)淹沒區(qū)有著更高的平均水位和更長的淹沒時間，導(dǎo)致底泥缺氧，增加了產(chǎn)甲烷菌的活動能力和土壤條件的強還原性。McLain等[46]進(jìn)行的室內(nèi)模擬培養(yǎng)試驗研究表明，當(dāng)河濱濕地由淹沒轉(zhuǎn)變?yōu)橥帘砀稍飼r，甲烷氧化活動明顯變?nèi)?。Altor等[3，29]對美國 Olentangy 河新建河濱濕地的研究發(fā)現(xiàn)，間歇性淹沒區(qū)域的甲烷年度排放量只有持續(xù)淹沒區(qū)域的30%，而且在持續(xù)淹沒的情況下，穩(wěn)定的水位條件所排放的甲烷是水位波動狀態(tài)下的2倍。

因此，可以在設(shè)計新建或修復(fù)濕地時模仿自然河濱濕地的動態(tài)水文條件，創(chuàng)造周期性地水位波動，而不是建造持續(xù)淹水的濕地，由此濕地水位就可以周期性的下降至低于土表，從而最大限度減少新建和修復(fù)的河濱濕地的甲烷排放。

3.2 植被的影響

植物是河濱濕地新建和修復(fù)工程中不可或缺的部分，甲烷排放可以通過配置植被類型、植被密度以及增加植被多樣性來加以有效控制。

在新建和修復(fù)的河濱濕地中，植物的初級生產(chǎn)力表征著植物固定碳的能力，而植物所固定的部分碳會成為甲烷產(chǎn)生菌的原料，因此較高的凈初級生產(chǎn)力被認(rèn)為會促進(jìn)甲烷排放[47]。由于不同類型植被固定碳的能力不同，所以凈初級生產(chǎn)力也不同，就會導(dǎo)致甲烷排放量的差異。植物傳輸對甲烷排放的貢獻(xiàn)率也受到植被類型的限制，比如，維管束植物的甲烷排放量較大，可占濕地總甲烷排放量的75% ～90%[48]，因為維管束植物的通氣組織可以在土壤缺氧區(qū)和大氣間為甲烷傳輸創(chuàng)造捷徑，從而將本可以在上層土壤氧化的甲烷大量釋放到大氣中[49]。Whiting等[50]對美國弗吉尼亞河濱濕地的研究發(fā)現(xiàn)，在持續(xù)淹沒的水文條件下，主導(dǎo)植被為茯苓(Peltandra virginica)的區(qū)域甲烷排放量約比寬葉香蒲(Typha latifolia)為主導(dǎo)的區(qū)域大了70g/(m2·a)，可能就是由于茯苓和寬葉香蒲的甲烷傳輸能力有所不同所致。

新建和修復(fù)的河濱濕地的植被密度增大也會增加甲烷排放量[37]，因為植被根系密度被認(rèn)為可以反映不同土層向產(chǎn)甲烷菌提供可利用碳的情況。植被密度大，植物通過凋落物和根系分泌物就提供更多的有機質(zhì)，有機質(zhì)被水解、發(fā)酵，并最終被產(chǎn)甲烷菌利用，導(dǎo)致甲烷排放量增大。

有研究[51]報道，在中型試驗系統(tǒng)中，大型植被物種豐富度的增大將導(dǎo)致較低的甲烷排放量，Mitsch[30]以及 Nahlik 等[20]的研究都證明了這一事實。沙晨燕等[22]在對美國Olentangy河新建河濱濕地的研究得出，在有著相似環(huán)境因子的條件下，自然植被濕地的甲烷排放量將近是人工種植植被濕地的2倍，可能就是由于人工種植植被濕地有著較低的凈初級生產(chǎn)力和較高的植物多樣性。

因此在新建和修復(fù)河濱濕地的過程中，可以綜合考慮植物類型、植被密度、植物群落對甲烷排放的影響，通過種植不同種類植物，增加植被多樣性，以有效減少甲烷的排放。

3.3 土壤因子的影響

3.3.1 土壤溫度

丁維新等[52]研究發(fā)現(xiàn)不同溫度能改變土壤中甲烷產(chǎn)生菌的優(yōu)勢菌，從而改變土壤的產(chǎn)甲烷能力。土壤溫度升高，一方面可以增強產(chǎn)甲烷菌和為產(chǎn)甲烷菌提供基質(zhì)的其他菌種(例如互養(yǎng)型產(chǎn)氫菌或產(chǎn)乙酸菌)的活動，另一方面可以加快有機物分解，從而促進(jìn)甲烷產(chǎn)生。

在Lankheet試驗區(qū)的新建河濱濕地中，15℃時植物的甲烷(以 CH4-C計)平均排放速率為7.8 mg/(m2·h)，到24℃時排放速率提高了約3倍，為24.5mg/(m2·h)[53]。同樣的，Stadmark 等[36]在瑞典的人工河濱濕地試驗發(fā)現(xiàn)，溫度高于15℃時，甲烷(以CH4-C計)排放速率在1～54mg/(m2·h)之間;然而當(dāng)溫度低于10℃時，甲烷排放速率還不到0.6 mg/(m2·h)。Otter等[54]對南非一個河濱濕地的研究發(fā)現(xiàn)，甲烷排放速率與土壤溫度之間存在著指數(shù)增長關(guān)系。Herbst等[34]在丹麥西部一個修復(fù)河濱濕地地下20 cm深度處也得出相似的結(jié)果。

對于自然界而言，影響土壤溫度的因素主要是不同區(qū)域和不同季節(jié)氣溫的變化，這是無法隨著設(shè)計和改造而控制的。而在新建和修復(fù)的河濱濕地中，植被和水文條件的變化卻會影響土壤溫度，一方面，植被種植的遮陰效果會降低土壤溫度，另一方面水位的高低又通過改變土壤的淹水程度而影響土壤溫度，最終這些變化都會影響產(chǎn)甲烷菌及甲烷氧化菌的活性及甲烷的傳輸。因此，通過植被和水文條件的人為調(diào)控，不僅對甲烷排放產(chǎn)生直接影響，而且可以通過改變土壤溫度條件對甲烷排放產(chǎn)生間接影響。

3.3.2 土壤有機質(zhì)

在厭氧條件下，有機質(zhì)含量被認(rèn)為是甲烷生成的主要限制因子[55-56]。土壤有機質(zhì)的含量與性質(zhì)直接決定了微生物和土壤酶功能的發(fā)揮，微生物代謝過程又影響甲烷的產(chǎn)生、消耗，并調(diào)節(jié)水圈(土壤圈)與大氣圈之間的甲烷氣體交換[57]。因此，甲烷潛在產(chǎn)量與有機物含量呈正相關(guān)，不同底物的產(chǎn)甲烷潛能可相差一個數(shù)量級甚至更多。Koh等[58]研究得出，甲烷排放速率與土壤有機質(zhì)含量呈正相關(guān)(y=0.24x+1.83，r2=0.51，P ＜0.0001)，且最高排放速率發(fā)生在土壤有機質(zhì)含量最大的持續(xù)淹沒區(qū)域。

有研究表明，新建和修復(fù)的河濱濕地中，間歇性淹沒區(qū)域甲烷排放量較少的一個重要原因就是土壤有機質(zhì)含量少，因為水文波動可能造成土壤有機質(zhì)大量分解，從而無法為產(chǎn)甲烷菌提供足夠的底物。植物根系分泌物不僅為產(chǎn)甲烷菌直接提供有機質(zhì)，還刺激土壤有機碳的分解，對土壤排放進(jìn)入大氣甲烷的貢獻(xiàn)率變化在3%-52%之間[59]，貢獻(xiàn)率大小與植物種類及分泌物的數(shù)量和質(zhì)量有關(guān)。因此，建立動態(tài)的水文條件、合理調(diào)配植被類型都可以通過減少土壤有機質(zhì)含量來控制甲烷排放。

3.3.3 其他土壤因子

濕地甲烷是在厭氧環(huán)境下產(chǎn)生的，所以土壤pH值也是影響濕地甲烷排放通量的一個重要因子。已有研究[60]發(fā)現(xiàn)降低土壤pH值可以抑制甲烷化，從而減少甲烷產(chǎn)生。Koh等[58]在分別對持續(xù)淹沒、間歇淹沒河濱濕地的研究中發(fā)現(xiàn)，甲烷釋放量與土壤氧化還原電位(Eh)值呈負(fù)相關(guān)(y=10.03x+7.88，r2=0.62，P＜0.0001)，而且當(dāng) Eh 值大于300 mV時，土壤開始消耗大氣中的甲烷。甲烷產(chǎn)生所需要的厭氧條件在很大程度上取決于土壤含水量，只有土壤充分飽和，才有利于甲烷的產(chǎn)生[24]。Smith等[61]在對委內(nèi)瑞拉Orinoco河沖積平原的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)洪水消退，土壤含水量低于25%時，就基本沒有甲烷排出。

4 結(jié)論與展望

河濱濕地生態(tài)系統(tǒng)在全球氣候變化和碳平衡方面起著重要的作用，目前關(guān)于河濱濕地甲烷排放的研究已成為熱點。新建和修復(fù)的河濱濕地作為一種新的手段和模式被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)凈化、面源污染治理等方面，但是關(guān)于其甲烷排放及主要控制因子方面的研究還比較少，國內(nèi)更是鮮有報道，今后需要開展重點研究。新建和修復(fù)的河濱濕地甲烷排放的作用受到植被、水文條件、土壤等因素的影響，可以綜合考慮多種設(shè)計和建設(shè)方式，在提供其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的同時最大限度地降低新建和修復(fù)的河濱濕地的甲烷排放。

a.水位高低與水文波動可能是控制新建和修復(fù)的河濱濕地甲烷排放量級的關(guān)鍵因素。因此，在新建和修復(fù)的河濱濕地中，水文條件的研究將是這個領(lǐng)域的重點，建立周期性的水位波動，適當(dāng)調(diào)節(jié)水位和降低淹水的頻率和持續(xù)時間，有助于減少甲烷排放。

b.植被對新建和修復(fù)河濱濕地中甲烷排放有著至關(guān)重要的作用，但是植物群落對甲烷排放的影響還有待進(jìn)一步研究。在植被模式的設(shè)計中，可以綜合考慮植被類型、植物密度、植物群落對甲烷排放的影響，增加植物多樣性，選擇適宜的植被種類及其配置模式，以減少甲烷的排放。

c.土壤是甲烷產(chǎn)生和氧化發(fā)生的重要場所，因此土壤因子也是影響新建和修復(fù)河濱濕地甲烷通量的主要因素。將土壤溫度、pH、含水率等控制在一定范圍，并盡量減少有機質(zhì)的輸入，在一定程度上會降低甲烷排放。

d.由于新建和修復(fù)的河濱濕地理論較新，建議應(yīng)用生態(tài)建模方法，構(gòu)建植物配置和水文條件控制下的甲烷排放模型，預(yù)測不同調(diào)控措施下甲烷排放的年際動態(tài)變化趨勢，為河濱修復(fù)濕地的優(yōu)化設(shè)計、合理管理及河濱區(qū)域甲烷排放清單的準(zhǔn)確編制提供理論依據(jù)。

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