白洋淀蘆葦型水陸交錯(cuò)帶濕地CH4和CO2的排放特征

牛翠云， 王樹濤， 郭艷杰， 劉 微， 張俊梅

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北保定 071001； 2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)土資源學(xué)院，河北保定 071001；3.河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071001； 4.河北大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北保定 071002)

碳(C)是全球氣候變化的重要影響因素之一，在大氣圈碳庫(kù)中主要以甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)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%[聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(intergovernmental panel on climate change，簡(jiǎn)稱IPCC)，2007年]。大氣中的CH4含量已從工業(yè)革命前(1750年)的 0.72 μmol/mol 上升到了2012年的1.82 μmol/mol，提高了約1.5倍(IPCC，2014年)。CO2濃度已經(jīng)從工業(yè)革命前的 280 μmol/mol 增加到現(xiàn)在的393 μmol/mol(IPCC，2014)[1]。土壤碳庫(kù)也是地球碳庫(kù)的一個(gè)重要組成系統(tǒng)，土壤碳庫(kù)與大氣碳庫(kù)間的循環(huán)對(duì)于溫室氣體的排放影響最大[2]。大氣圈環(huán)境與土壤圈環(huán)境間存在著密切聯(lián)系[3]，特別是大氣圈與土壤圈之間的碳循環(huán)[4]。與此同時(shí)，濕地面積雖然只占土地面積及淡水面積的6%～8%，但是卻儲(chǔ)存了約15%的地球上陸地有機(jī)碳含量[5]。濕地系統(tǒng)是否是碳循環(huán)的源或匯，與碳在濕地系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化和循環(huán)的過程關(guān)系密切，因此，研究碳在濕地中的遷移轉(zhuǎn)化過程對(duì)于研究碳庫(kù)循環(huán)的意義重大[6]。

水陸交錯(cuò)帶是處于水生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)之間的重要界面區(qū)，其特殊的邊界效應(yīng)使其往往成為流域生物地球化學(xué)循環(huán)的“熱區(qū)”[6-7]。水陸交錯(cuò)帶是具有特殊功能的環(huán)境過渡帶，其在水陸系統(tǒng)之間的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)中都發(fā)揮著獨(dú)特的作用且具有顯著的生態(tài)邊緣效應(yīng)。健康的水陸交錯(cuò)帶對(duì)流經(jīng)的河流水體及其所攜帶的物質(zhì)具有較強(qiáng)的截留和過濾作用[8]。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水陸交錯(cuò)帶的研究主要集中在濕地的開發(fā)利用和保護(hù)上，對(duì)生物多樣性、水體凈化及其截留、濾過作用也有一些研究[9-10]，但是關(guān)于該生態(tài)區(qū)域碳素循環(huán)特征的研究很少涉及。本研究以白洋淀地區(qū)具有代表性的蘆葦型水陸交錯(cuò)帶濕地區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)其甲烷、二氧化碳排放的時(shí)空規(guī)律及相關(guān)土壤環(huán)境因子進(jìn)行研究，以期深入理解和認(rèn)識(shí)蘆葦型水陸交錯(cuò)帶濕地的固碳功能及碳循環(huán)的變化特點(diǎn)，為研究大氣圈與土壤圈之間的碳循環(huán)特征及利用濕地進(jìn)行碳減排提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

白洋淀地處38°43′～39°02′N、115°38′～116°07′E，由白洋淀、藻苲淀、馬棚淀、腰葫蘆淀等143個(gè)大小不等的淀泊組成，總面積為366 km2(水面大沽高程為10.5 m)[11]，其中85.6%的水域在安新境內(nèi)，幾乎占據(jù)安新縣總面積的1/2。淀區(qū)地勢(shì)自西北向東南傾斜，自然坡度為1 ∶7 000。白洋淀總流域面積為31 199 km2，占大清河水系流域面積的96.13%。該區(qū)地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年降水量為506.5 mm，年平均氣溫為7～12 ℃。白洋淀上游主要有8條入淀河流，近年來入淀徑流量很少，除府河外，其他河流基本已斷流。白洋淀不同于其他內(nèi)陸淡水湖泊，其間有臺(tái)田、水道縱橫分布于白洋淀各大淀區(qū)之間[12]，其臺(tái)地植被主要以蘆葦群落為主。在全淀范圍內(nèi)，水陸交錯(cuò)帶發(fā)育相對(duì)良好，主要有蘆葦植被群落、葦?shù)亻g溝壕和開闊淀水，其中以蘆葦植被為景觀特征的水陸交錯(cuò)帶面積約占36%[13]。

1.2 采樣點(diǎn)設(shè)置

本研究依據(jù)白洋淀污染源及污染的空間分布特點(diǎn)，并兼顧采樣的可行性和代表性，選擇了2個(gè)典型水陸交錯(cuò)帶樣點(diǎn)，分別為東里莊(S1點(diǎn)，地理位置38°49.653′ N、115°58.711′ E)和南劉莊(S2點(diǎn)，地理位置38°53.990′ N、115°56.635′ E)。2個(gè)采樣點(diǎn)蘆葦發(fā)育均良好，生長(zhǎng)旺盛，面積適中，且基本無人為破壞。S1點(diǎn)周邊臨近村莊，生活污水亂排、垃圾亂堆現(xiàn)象嚴(yán)重，受生活污染影響較大。S2點(diǎn)周邊臨近養(yǎng)魚場(chǎng)，有封閉式或開放式魚塘，魚塘定期投放餌料，受漁業(yè)生產(chǎn)污染影響相對(duì)較大。確定采樣點(diǎn)后，于2015年3—11月，歷經(jīng)近1年的時(shí)間，定期對(duì)采樣點(diǎn)處的氣體CH4和CO2、土壤等樣品進(jìn)行采集。

1.3 樣品的采集與測(cè)定

1.3.1 氣體的采集與測(cè)定 甲烷、二氧化碳?xì)怏w采用密閉式靜態(tài)箱法測(cè)定。箱體由2個(gè)部分組成：上部箱體為圓柱體形式的聚氯乙烯(polyvinyl chloride，簡(jiǎn)稱PVC)箱(直徑14 cm、高15 cm)，箱體頂部設(shè)1個(gè)氣體取樣口，底部開口可以罩在PVC底座上；下部底座為四周有水槽的圓柱體，測(cè)定前將底座插入表層土中。抽氣取樣時(shí)，將水封槽內(nèi)注滿水，然后將氣密室密封罩罩上，形成1個(gè)密閉性氣體空間，然后從箱體頂端的取樣口用50 mL注射器取氣體樣品。氣體樣品采用CA-6氣體樣品進(jìn)樣儀進(jìn)樣，利用Agilent 7890A型氣相色譜儀進(jìn)行分析。N2O檢測(cè)器為電子捕獲檢測(cè)器(ECD)，分離柱內(nèi)填充料為80～100目Porpak Q，載氣為高純N2，流量為 30 mL/min，檢測(cè)器溫度為330 ℃，分離柱溫度為55 ℃。

利用以下公式計(jì)算氣體通量：

F=ρ·(V/A)·(ΔC/ΔT)·273/(273+T)=ρ·H·(ΔC/ΔT)·273/(273+T)。

式中：F為被測(cè)氣體通量，μg/(m2·h)；A為采樣箱底座所包圍的土壤面積，m2；V為采樣箱的容積，m3；ΔC/ΔT為采樣箱內(nèi)被測(cè)氣體質(zhì)量隨時(shí)間的變化，一般氣體濃度以體積比計(jì)，因此該項(xiàng)單位為h-1；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下溫室氣體的密度，μg/m3；H為采樣箱高度，m。

1.3.2 土壤樣品的采集及測(cè)定 土樣采集后自然風(fēng)干，磨碎并過100目篩后備用。土壤pH值采用電位計(jì)法測(cè)定；土壤含水率采用烘干法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定。

所有數(shù)據(jù)均為所設(shè)置重復(fù)的平均值，數(shù)據(jù)處理分別采用Excel作圖，用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘆葦型水陸交錯(cuò)帶土壤CH4排放的季節(jié)變化特征

如圖1所示，白洋淀濕地水陸交錯(cuò)帶土壤CH4排放通量具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，且不同采樣點(diǎn)CH4排放通量均表現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)。夏季CH4排放通量最大，秋、冬季次之，春季較小。在不同的月份，CH4的排放通量各不相同，從3月到11月，2個(gè)采樣點(diǎn)的CH4排放通量均呈現(xiàn)出先增加后減少的變化趨勢(shì)。從3月到8月，2個(gè)采樣點(diǎn)的CH4排放通量呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)，并在8月蘆葦生長(zhǎng)最旺盛時(shí)期達(dá)到最大值，8月之后則呈現(xiàn)出迅速下降的趨勢(shì)，在春季的3、4、5月以及秋冬季的9、10、11月，CH4的排放通量處于較低水平，但是秋冬季節(jié)的排放通量略高于春季。2個(gè)采樣點(diǎn)CH4排放通量的最大值均出現(xiàn)在夏季的8月，分別是406.27、435.91 μg/(m2·h)，S2采樣點(diǎn)略高于S1采樣點(diǎn)；比較2個(gè)采樣點(diǎn)的最小值可知，S1采樣點(diǎn)的最小值出現(xiàn)在4月，為 26.66 μg/(m2·h)，S2采樣點(diǎn)的最小值出現(xiàn)在3月，為 15.91 μg/(m2·h)；分析2個(gè)采樣點(diǎn)CH4全年排放通量中值(平均值)可知，S1、S2采樣點(diǎn)分別為144.35、146.48 μg/(m2·h)，處于同一水平。季節(jié)排放差異主要是受溫度的影響，尤其是土壤溫度對(duì)土壤微生物活性和CH4的產(chǎn)生排放都有非常重要的影響，它主要制約有機(jī)質(zhì)的分解，調(diào)節(jié)參與CH4形成的微生物活性，同時(shí)對(duì)CH4的氧化輸送起著至關(guān)重要的作用[14]。2個(gè)具有不同環(huán)境特點(diǎn)的水陸交錯(cuò)帶濕地CH4排放通量隨季節(jié)變化呈現(xiàn)出良好的一致性，且季節(jié)性變化規(guī)律明顯。很多研究表明，CH4排放量在夏季最高，在冬季和早春季節(jié)最低[15-17]，這與本研究的觀測(cè)結(jié)果是一致的。

2.2 蘆葦型水陸交錯(cuò)帶土壤CO2排放的季節(jié)變化特征

如圖2所示，在不同的月份，CO2的排放通量各不相同，從3月到4月出現(xiàn)了小幅度的下降，從4月到11月均呈現(xiàn)出先增加后減少的變化趨勢(shì)。與CH4排放通量的變化稍有區(qū)別，CO2的排放通量在春季的3、4、5月和冬季的11月出現(xiàn)排放低谷期，2個(gè)采樣點(diǎn)的最小值出均現(xiàn)在4月，最大值均出現(xiàn)在8月。對(duì)于采樣點(diǎn)1，CO2的排放通量在夏季的6、7、8月呈現(xiàn)出較高水平，中值(平均值)為337.77 mg/(m2·h)，該排放高峰期的最大值出現(xiàn)在8月，為356.53 mg/(m2·h)，在8月之后出現(xiàn)下降趨勢(shì)。對(duì)于采樣點(diǎn)2，CO2排放高峰期較長(zhǎng)，從夏季的6月一直持續(xù)到秋季的10月，其中值(平均值)為392.44 mg/(m2·h)，最大值出現(xiàn)在夏季的8月，為 533.09 mg/(m2·h)，CO2排放低谷期為春季的3、4、5月，最小值出現(xiàn)在4月，為18.39 mg/(m2·h)。分析2個(gè)采樣點(diǎn)CO2在全年排放通量的中值(平均值)可知，S1、S2分別為178.49、262.21 mg/(m2·h)，采樣點(diǎn)2的CO2全年排放通量的均值明顯高于采樣點(diǎn)1，說明2個(gè)具有不同環(huán)境特點(diǎn)的水陸交錯(cuò)帶濕地CO2排放通量隨季節(jié)變化呈現(xiàn)出良好的一致性，且季節(jié)性變化規(guī)律明顯，但由于其具體環(huán)境特點(diǎn)的不同，導(dǎo)致其CO2排放通量在各個(gè)月份的具體值及全年排放通量均值有所差別。

2.3 土壤中有機(jī)碳含量的季節(jié)變化特征及其與氣體排放的關(guān)系

甲烷、二氧化碳分別是有機(jī)質(zhì)厭氧分解和有氧分解的最終產(chǎn)物。由圖3可以看出，2個(gè)采樣點(diǎn)土壤中有機(jī)碳含量在不同季節(jié)的變化趨勢(shì)大致相同，都隨著土壤深度的加深，土壤中有機(jī)碳的含量呈現(xiàn)出先下降后平穩(wěn)的趨勢(shì)，且在不同的季節(jié)具有同樣的變化趨勢(shì)，即表層土壤(0～20 cm深度)中的有機(jī)碳含量明顯大于其他各個(gè)土層，2個(gè)采樣點(diǎn)表層土壤(0～20 cm深度)中的有機(jī)碳含量平均值分別為13.44、14.19 g/kg，采樣點(diǎn)2略大于采樣點(diǎn)1，而在深層土壤中的有機(jī)碳含量基本維持在7.0 g/kg左右的水平。另外，不同季節(jié)表層土壤中有機(jī)碳的含量也有一定的規(guī)律，夏季的含量整體上低于春季、秋季和冬季，由于夏季溫度較高，土壤中微生物的代謝活動(dòng)較活躍，微生物的代謝活動(dòng)以土壤中的有機(jī)碳為碳源，而秋冬季節(jié)溫度較低，較低的溫度限制了微生物的活動(dòng)，同時(shí)，濕地地上部分的植物萎蔫也造成了表層碳素的積累。但是土壤有機(jī)碳的這種季節(jié)性變化和CH4、CO2排放通量的季節(jié)性變化特征正好相反，CH4、CO2的排放通量均在夏季出現(xiàn)了高峰期。我國(guó)學(xué)者黃國(guó)宏等對(duì)遼河三角洲蘆葦濕地甲烷排放的研究也表明，甲烷排放具有明顯的季節(jié)變化，在夏季淹水期，蘆葦旺盛生長(zhǎng)，溫度較高，存在良好的嫌氣條件，甲烷排放通量較高，秋季雖然底物輸入量增加，但溫度和含水量的降低，使得甲烷排放通量明顯減少[18-19]。

分析不同季節(jié)表層土壤中的有機(jī)碳含量可知，S2采樣點(diǎn)均大于S1采樣點(diǎn)。由于土壤有機(jī)碳是土壤有機(jī)質(zhì)的一部分，所以土壤有機(jī)碳含量從側(cè)面反映了土壤中有機(jī)質(zhì)含量的高低，2地周邊環(huán)境的差異及不同的碳素來源是造成土壤中有機(jī)碳含量差別的主要原因。同時(shí)，CH4、CO2的生成都是微生物對(duì)土壤碳素利用的結(jié)果，有研究表明，高土壤有機(jī)質(zhì)含量是甲烷排放的重要潛在源[20]，同時(shí)甲烷在富營(yíng)養(yǎng)化類型濕地系統(tǒng)中的排放量相對(duì)較大[21]。分析2個(gè)采樣點(diǎn)CH4、CO2的排放高峰期可知，2種溫室氣體的排放通量均表現(xiàn)為夏季的排放量較大，春季與秋冬季節(jié)排放量較低，比較全年排放量均值及累計(jì)排放量可知，S2采樣點(diǎn)明顯大于S1采樣點(diǎn)，這很有可能是由于2個(gè)采樣點(diǎn)的具體環(huán)境特點(diǎn)不同造成的，也可能與土壤中有機(jī)碳含量有密切關(guān)系。

2.4 CH4和CO2的排放通量與各類環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系

濕地中CH4、CO2排放的具體變化特征是由CH4、CO2在濕地土壤介質(zhì)中的產(chǎn)生、氧化、傳輸這幾個(gè)復(fù)雜過程共同決定的，這些過程同時(shí)受到各類環(huán)境因子的影響，如土壤的各種物理、化學(xué)性質(zhì)，具體有溫度、氧化還原電位、土壤含水率、pH值等。由表1、表2所列的2個(gè)采樣點(diǎn)的CH4、CO2排放通量和各環(huán)境指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系可知，2個(gè)采樣點(diǎn)CH4、CO2的排放通量均在0.01水平(雙側(cè))上呈現(xiàn)出極顯著正相關(guān)關(guān)系(S1采樣點(diǎn)：r=0.832，n=27，P<0.01；S2采樣點(diǎn)：r=0.748，n=27，P<0.01)。

2.4.1 CH4、CO2的排放通量季節(jié)變化與土壤含水率的關(guān)系 經(jīng)分析表明，2個(gè)采樣點(diǎn)CO2、CH4的排放通量與表層土壤含水率均在0.01水平(雙側(cè))上呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，詳見圖4。土壤含水率會(huì)影響土壤含氧量，而厭氧條件有利于甲烷的產(chǎn)生，有氧條件有利于二氧化碳的產(chǎn)生，故這2種溫室氣體的產(chǎn)生與排放與土壤含水率有著密切的關(guān)系。土壤含水率在夏季也應(yīng)明顯高于秋冬季節(jié)，土壤水分含量較高，可同時(shí)為植物的生長(zhǎng)和微生物的生命活動(dòng)提供必要的條件，因此土壤含水率是影響CH4、CO2排放的主要環(huán)境因子。

表1 采樣點(diǎn)1的CH4和CO2排放通量和各環(huán)境指標(biāo)之間的相關(guān)性

注：“**”表示在0.01水平上(雙側(cè))呈現(xiàn)顯著相關(guān)；“*”表示在0.05水平上(雙側(cè))呈現(xiàn)顯著相關(guān)。表2同。

表2 采樣點(diǎn)2的CH4和CO2排放通量和各環(huán)境指標(biāo)之間的相關(guān)性

2.4.2 CH4和CO2的排放通量季節(jié)變化與土壤溫度的關(guān)系 關(guān)于CH4、CO2排放通量和溫度的關(guān)系，目前的研究中還沒有統(tǒng)一的結(jié)論。一些研究表明，CH4、CO2的排放通量與溫度的變化密切相關(guān)[22]，但也有報(bào)道指出，CH4和CO2排放通量的季節(jié)變化與土壤溫度的相關(guān)性較差或沒有明顯的相關(guān)關(guān)系[23]。如表1所示，經(jīng)過相關(guān)性分析，2種溫室氣體在不同季節(jié)的排放通量與取氣箱中溫度及5、15 cm土壤溫度均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。可以看出，隨著季節(jié)變化，氣溫也隨之改變，氣溫的變化會(huì)影響土壤溫度的變化，但是兩者的變化并不是同步的，土壤溫度的變化會(huì)滯后于大氣溫度的變化，而土壤溫度會(huì)對(duì)微生物的代謝活動(dòng)產(chǎn)生直接影響，從而影響CH4、CO2的排放。

2.4.3 CH4、CO2的排放通量季節(jié)變化與土壤溫度、pH值的關(guān)系 白洋淀土壤母質(zhì)主要是第四紀(jì)沖積物，淀內(nèi)以沼澤土為主，土壤養(yǎng)分含量較高，土壤肥沃，質(zhì)地黏重，土壤pH值呈弱堿性。經(jīng)測(cè)定，2個(gè)采樣點(diǎn)表層土壤pH值在7.93～8.49之間，且不同季節(jié)的pH值變化幅度非常小，都穩(wěn)定在8左右，因此pH值并不是影響這2種溫室氣體季節(jié)性排放變化的主要環(huán)境因素。土壤pH值是影響土壤微生物量碳含量的主要因子，當(dāng)pH值<5時(shí)，會(huì)抑制土壤中微生物的生長(zhǎng)，致使土壤微生物量明顯減少，從而抑制土壤CO2、CH4氣體的排放[24]。

事實(shí)上，無論是CH4還是CO2氣體的排放都是諸多環(huán)境因子綜合作用的結(jié)果，但是目前對(duì)各類環(huán)境因子的交互效應(yīng)的研究較為缺乏，因此，對(duì)此方面進(jìn)行深入探究的意義重大。

3 結(jié)論

(1)2處典型水陸交錯(cuò)帶濕地的CH4、CO2氣體排放通量有相對(duì)一致的季節(jié)變化特點(diǎn)，均在夏季達(dá)到排放通量的最大值，春季、秋冬季節(jié)的排放通量明顯低于夏季；2個(gè)具有不同環(huán)境特點(diǎn)的水陸交錯(cuò)帶濕地CH4、CO2的排放通量隨季節(jié)變化呈現(xiàn)出良好的一致性，且季節(jié)性變化規(guī)律明顯。(2)2個(gè)采樣點(diǎn)在不同季節(jié)土壤中有機(jī)碳含量的垂直變化趨勢(shì)相對(duì)一致，即表層土壤有機(jī)碳含量最高，隨著土壤深度的加深，土壤中有機(jī)碳的含量呈現(xiàn)出先下降后平穩(wěn)的趨勢(shì)；不同季節(jié)表層土壤中有機(jī)碳含量表現(xiàn)出的趨勢(shì)為夏季的含量整體上低于春季、秋季和冬季，與CH4、CO2排放通量的季節(jié)性變化特征正好相反。(3)CH4、CO2的排放通量與土壤含水率、取氣箱中溫度及5、15 cm層次土壤溫度均在0.01水平(雙側(cè))上呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系，在本研究中與土壤pH值沒有相關(guān)關(guān)系。