草海濕地不同植被區(qū)沉積物中孔隙水CH4濃度分布與CH4、CO2排放通量研究

陳忠婷 夏品華 衛(wèi)曉松 葛皓 郭光霞

摘要：利用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法和頂空法測(cè)定了草海濕地CH4、CO2排放通量及沉積物孔隙水CH4濃度。結(jié)果表明：草海濕地CH4排放通量為0.50～8.57 mg/（m2·h），淺水區(qū)輪藻（Charophyceae）+水蔥（Scirpus validus Vahl）群落最大，落干區(qū)燈芯草（Juncus effusus L.）群落最低；CO2排放通量為-59.62～547.33 mg/（m2·h），干濕過渡區(qū)藨草（Scirpus triqueter L.）群落最大，沉水區(qū)光葉眼子菜（Potamogeton lucens L.）群落最低；沉積物孔隙水CH4濃度剖面均值為2.07～3.81 μmol/L，與CH4排放通量變化規(guī)律基本一致，即輪藻+水蔥群落>藨草群落>燈芯草群落>光葉眼子菜群落，垂直剖面上從表層至底層逐漸降低，不同區(qū)域沉積物孔隙水CH4濃度剖面變化規(guī)律并不一致。Pearson相關(guān)性分析表明，沉積物DOC、SOC含量是影響草海濕地CH4排放的重要因子，水位、生物量、沉積物pH值是影響CO2排放的重要因子。沉積物DOC、容重、土壤pH值、CO2通量、水位、土壤含水率、生物量、株高對(duì)沉積物孔隙水CH4濃度分布有顯著影響。

關(guān)鍵詞：草海濕地；CH4通量；CO2通量；孔隙水；CH4濃度

中圖分類號(hào)： X171.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）11-0230-06[HS）][HT9.SS]

濕地是介于水生生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)之間的過渡性生態(tài)系統(tǒng)類型，由于其具有很高的生產(chǎn)率及氧化還原能力而成為極其重要的生物地球化學(xué)活躍的場(chǎng)所[1]。大多數(shù)濕地是碳匯[2]，通過濕地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)交換作用，可將大氣中大量的CO2固定形成碳匯；同時(shí)，由于其低溫和厭氧環(huán)境，濕地生境又是全球大氣CH4主要的自然來源[3-4]，天然濕地每年向大氣排放的CH4達(dá)到全球CH4排放量的15%～40%[5]。中國有著豐富的濕地資源，但由于自然環(huán)境不同，CH4、CO2的排放通量有強(qiáng)烈的時(shí)空異質(zhì)性[6-7]。雖然國內(nèi)學(xué)者開展了大量研究，但多數(shù)集中在三江平原沼澤濕地[8-9]、閩江河口地[10-12]、若爾蓋高原濕地[13-15]等地，關(guān)于貴州省高原湖泊濕地溫室氣體排放的研究尚未見報(bào)道，[JP2]其變化趨勢(shì)以及受控機(jī)制尚不明確。大量研究表明，植物與溫室氣體的排放密切相關(guān)。在有植被覆蓋的濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，Koh等研究發(fā)現(xiàn)，植被對(duì)CH4、CO2排放有重要影響[16]；Sun等研究發(fā)現(xiàn)，濱河濕地CH4、CO2排放與植被等因素顯著相關(guān)[17]。Maltais-Landry等研究發(fā)現(xiàn)，植物種類的不同會(huì)對(duì)溫室氣體的排放有不同的潛在影響[18]。濕地土壤中產(chǎn)生的CH4，有很大一部分通過植物傳輸、液相擴(kuò)散、氣泡傳輸?shù)确绞脚欧诺酱髿庵?，也有相?dāng)一部分溶解在孔隙水中，但是這部分CH4往往被忽略。人為或氣候變化等原因可將溶解在土壤孔隙水中的CH4碳庫釋放到大氣中，從而會(huì)對(duì)濕地CH4排放通量估測(cè)產(chǎn)生潛在影響[19-20]。本研究選取貴州省草海濕地為對(duì)象，研究不同植被區(qū)土壤CH4、CO2的排放通量特征、沉積物孔隙水不同剖面CH4濃度的空間分布特征，探討高原湖泊草海濕地植被在CH4、CO2排放過程中的作用和土壤孔隙水CH4濃度差異性分布關(guān)鍵影響因子，旨在為深入了解高原湖泊濕地碳循環(huán)提供參考。[JP]

1材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

草海濕地（26°49′～ 26°53′N，104°12′～104°17′E）位于云貴高原中部，海拔2 173 m，水域面積20.98 km2，平均水深2～3 m，是我國“三大高原湖泊”之一，為國家一級(jí)重要濕地，是以天然淡水湖為主的濕地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)區(qū)[21]。草海屬亞熱帶高原季風(fēng)冬干夏濕氣候，1月多年平均氣溫-1.9 ℃，7月多年平均氣溫17.7 ℃，年均氣溫10.5 ℃，年均降水量 960 mm，無霜期208.6 d。草海地區(qū)代表性植物有光葉眼子菜（Potamogeton lucens L.）、輪藻（Charophyceae）、水蔥（Scirpus validus Vahl）、藨草（Scirpus triqueter L.）、燈芯草（Juncus effusus L.）等。

1.2樣品采集

選取草海濕地核心保護(hù)區(qū)為研究對(duì)象，沿上游至下游走向，根據(jù)植被群落不同，選取A區(qū)（燈芯草群落）、B區(qū)（藨草群落）、C區(qū)（輪藻+水蔥群落）、D區(qū)（光葉眼子菜群落）4個(gè)區(qū)域。樣點(diǎn)分布見圖1。

利用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法測(cè)定CH4、CO2通量，采樣箱為不銹鋼材質(zhì)的靜態(tài)暗箱（50 cm×50 cm×50 cm）。采樣時(shí)間為08：00—11：30。采氣時(shí)，將靜態(tài)箱倒扣在采樣點(diǎn)上，30 min 內(nèi)每隔10 min用100 mL醫(yī)用注射器抽取1次，氣體儲(chǔ)存在鋁復(fù)合膜氣體采樣袋中，氣體樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后1周內(nèi)完成測(cè)定。

利用柱狀采樣器采集各樣點(diǎn)0～50 cm的沉積物，按 10 cm 分層，共5層，每層用去頭的注射器從采樣管兩側(cè)分別取出5 mL用于孔隙水CH4濃度測(cè)定，其余樣品裝入聚乙烯袋內(nèi)避光保存，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定DOC、SOC、pH值等理化指標(biāo)。同時(shí)采集地上生物量，并現(xiàn)場(chǎng)同步記錄氣溫、氣壓、土壤溫度、土壤氧化還原電位（Eh）等參數(shù)。土壤理化性質(zhì)見表1。[FL）]

1.3樣品測(cè)定

CH4、CO2濃度用島津GC-2014型氣相色譜儀測(cè)定，F(xiàn)ID檢測(cè)器，分離柱為13-01-003型碳分子篩（1 m×3 mm）。CH4測(cè)試條件：進(jìn)樣口溫度為250 ℃，檢測(cè)器溫度280 ℃，柱溫120 ℃，載氣（高純氮?dú)猓┝魉贋?0 mL/min。CO2測(cè)試條件：CO2通過轉(zhuǎn)化爐，在高純氫氣和鎳催化劑條件下轉(zhuǎn)化為CH4，轉(zhuǎn)化爐溫度380 ℃，進(jìn)樣口溫度為50 ℃，檢測(cè)器溫度105 ℃，柱溫85 ℃，載氣（高純氫氣）流速為40 mL/min。測(cè)定沉積物孔隙水CH4濃度的樣品處理方法參照文獻(xiàn)[22]，測(cè)試條件同上。沉積物DOC測(cè)定參照文獻(xiàn)[23]，SOC測(cè)定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化容量法，土壤pH值用pH計(jì)測(cè)定。

1.4數(shù)據(jù)處理

CH4、CO2排放通量計(jì)算參照文獻(xiàn)[24]，公式如下：

[JZ（]F=[SX（]MV0[SX）] [SX（]PP0[SX）] [SX（]T0T[SX）] H [SX（]dCdt[SX）]。[JZ）][JY]（1）

式中：F為氣體通量[mg/（m2·h）]；M為被測(cè)氣體的摩爾質(zhì)量（g/mol）；P為采樣時(shí)氣壓（Pa）；T為采樣時(shí)溫度（K）；V0、P0、T0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體摩爾體積、空氣絕對(duì)氣壓、溫度；H為靜態(tài)箱在水面以上的高度（m）；dC/dt為采樣時(shí)氣體濃度隨時(shí)間變化的斜率。

土壤孔隙水CH4濃度（C）的計(jì)算式為[25]：

[JZ（]C=[SX（]Ch×Vh×To22.4×VP×T[SX）]。[JZ）][JY]（2）

式中：C單位為μmol/L；Ch為頂空瓶上部空氣中CH4含量（μmol/mol）；Vh為頂空瓶內(nèi)空氣體積（mL）；VP為頂空瓶里孔隙水體積（mL）；T0、T分別為標(biāo)準(zhǔn)溫度和室溫（℃）。

利用Excel 2010軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，SPSS 18.0軟件進(jìn)行單因素方差（One-Way ANOVA）、一元線性回歸和相關(guān)性分析，繪圖使用Origin 8.5軟件完成。

2結(jié)果與分析

2.1沉積物孔隙水CH4濃度空間分布特征

草海濕地不同植被區(qū)域沉積物孔隙水CH4濃度分布特征如圖2所示。A區(qū)、D區(qū)沉積物孔隙水CH4剖面平均值分別為2.17、2.07 μmol/L，差異不顯著（P>0.05）。C區(qū)孔隙水CH4剖面平均值最高，為3.81 μmol/L，與A區(qū)、D區(qū)差異達(dá)到極顯著（P<0.001）。B區(qū)孔隙水CH4剖面平均值為 3.38 μmol/L，略低于C區(qū)（P>0.05），與A區(qū)、D區(qū)差異達(dá)到極顯著（P<0.01）。沉積物孔隙水CH4濃度變化特征隨著植被干濕過渡區(qū)植被-淺水區(qū)植被-沉水區(qū)植被的演替，表現(xiàn)出先增后減的規(guī)律。從沉積物剖面來看，不同區(qū)域孔隙水CH4濃度表現(xiàn)出不同趨勢(shì)，A區(qū)、D區(qū)從表層向下層表現(xiàn)出先增加后減少的規(guī)律，B區(qū)呈現(xiàn)出先減少后增加的特征，C區(qū)則表現(xiàn)為一直減少。

[CM（24]Pearson相關(guān)性分析（表2）顯示，沉積物孔隙水CH4濃度[CM）]

與土溫、土壤Eh無相關(guān)性，土壤表層（0～20 cm）孔隙水CH4濃度與土壤理化性質(zhì)均無相關(guān)性。30～40 cm孔隙水CH4濃度與容重、pH值呈顯著正相關(guān)，與鮮土含水率、株高呈顯著負(fù)相關(guān)，與水位呈極顯著負(fù)相關(guān)。40～50 cm孔隙水CH4濃度與CO2通量、生物量呈極顯著正相關(guān)。

上顯著相關(guān)。下表同。[HT][FK）]

一元線性回歸分析表明，DOC對(duì)0～40 cm沉積物孔隙水CH4濃度的影響較為顯著，SOC對(duì)表層沉積物孔隙水CH4濃度影響較大，10～20 cm沉積物孔隙水CH4濃度能夠解釋CH4排放通量的29.5%，DOC、SOC不是50 cm沉積物CH4濃度的影響因素（表3）。

2.2草海濕地CH4、CO2排放通量特征

草海濕地不同植被區(qū)溫室氣體通量表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性（圖3）。草海濕地不同植被區(qū)CH4排放通量均為正值（圖3-a），表現(xiàn)為CH4“源”，排放通量值為0.50～8.57 mg/（m2·h），其中A區(qū)CH4排放通量最低，C區(qū)CH4排放通量最高，是A區(qū)的17倍，B區(qū)排放通量略大于D區(qū)。方差分析顯示，A區(qū)與B區(qū)的排放通量間差異顯著（P<005），A區(qū)與C區(qū)、D區(qū)與C區(qū)差異達(dá)到極顯著（P<0.01）。

由圖3-b可見，草海濕地不同植被區(qū)CO2排放通量的變化范圍為-59.62～547.33 mg/（m2·h），表明草海濕地既存在CO2的排放，又存在CO2的吸收，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間異質(zhì)性。隨著植被由挺水植被向沉水植被過渡，CO2排放通量呈現(xiàn)先增加后減少的規(guī)律，與CH4排放特征相似。CO2排放通量最高點(diǎn)出現(xiàn)在B區(qū)，為533.3 mg/（m2·h），D區(qū)表現(xiàn)為CO2吸收，吸收值為-54.2 mg/（m2·h）。方差分析顯示，C區(qū)與D區(qū)之間差異不顯著（P>0.05），其余各區(qū)之間差異均達(dá)到極顯著水平（P<0.01）。

將草海濕地CH4、CO2排放通量與沉積物DOC、SOC含量、水位、生物量、pH進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，草海濕地CH4排放通量與沉積物DOC、SOC含量呈極顯著正相關(guān)（表4）。對(duì)于CO2排放通量，與水位呈極顯著負(fù)相關(guān)，與生物量和0～50 cm沉積物pH值呈極顯著正相關(guān)（表4）。

[3.1討論

3.1.1CH4排放通量及影響因素

CH4的排放是CH4產(chǎn)生、氧化及運(yùn)輸過程的綜合結(jié)果，植被一般是通過影響這3個(gè)過程來實(shí)現(xiàn)對(duì)CH4排放的影響。Galand等認(rèn)為，植被類型的不同會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌群落的差異，而產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量和類型直接影響了CH4的產(chǎn)生[26]。Koelbener等認(rèn)為，植被將根際部位產(chǎn)生的CH4通過植物體傳輸至大氣，避免了CH4的氧化，從而增加了CH4的排放[27]。Strand認(rèn)為，不同類型植被對(duì)CH4傳輸能力不同[28]。段曉男等對(duì)烏梁素海湖泊濕地的甲烷排放研究發(fā)現(xiàn)，蘆葦樣方的甲烷排放速率遠(yuǎn)大于龍須眼子菜樣方[29]。

本研究中，隨著植被群落的演替，CH4的排放通量呈先增加后減少的規(guī)律，具體表現(xiàn)為C區(qū)>B區(qū)>D區(qū)>A區(qū)。光葉眼子菜群落CH4排放通量僅為藨草群落的56.8%。光葉眼子菜為沉水植被，僅能將CH4傳輸至水體，而藨草則可以將沉積物中的CH4通過體內(nèi)傳輸直接排放至大氣，從而避免了CH4的氧化。水蔥群落CH4排放通量最高，水蔥生活型為挺水植物，植株水面以上的部分可以充分進(jìn)行光合作用，通氣組織發(fā)達(dá)，因此傳輸CH4的能力增強(qiáng)。另外，C區(qū)不僅較A區(qū)、B區(qū)水位高，而且積水時(shí)間更長，植株水面以下的部分長期處于淹水厭氧狀態(tài)，為甲烷菌的活動(dòng)創(chuàng)造了條件。