潮汐作用對(duì)黃河三角洲鹽沼濕地甲烷排放的影響

賀文君,韓廣軒,宋維民,李培廣,張樹巖,張希濤

1 中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所,中國(guó)科學(xué)院海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,煙臺(tái) 264003 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 山東省黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū),東營(yíng) 257500

黃河三角洲作為海陸相互作用最為活躍的區(qū)域之一[16]。受陸海物質(zhì)交匯、咸淡水混合、地表及地下徑流和潮汐等不同水文要素的驅(qū)動(dòng),黃河三角洲發(fā)育了不同的濕地類型和植被群落[17-19],導(dǎo)致該區(qū)域CH4排放存在較大的復(fù)雜性和不確定性[20]。與傳統(tǒng)靜態(tài)箱相比,渦度相關(guān)技術(shù)可在大空間、長(zhǎng)時(shí)間上獲得高質(zhì)量分辨率的通量數(shù)據(jù)[21-22]。此外,渦度相關(guān)技術(shù)可完整捕捉到潮汐過程中CH4通量的動(dòng)態(tài)變化,避免由于潮汐活動(dòng)的短暫性及瞬時(shí)性,而錯(cuò)過CH4排放峰值。本研究基于2016年黃河三角洲鹽沼濕地生長(zhǎng)季數(shù)據(jù),利用渦度相關(guān)法分析黃河三角洲鹽沼濕地CH4排放通量的季節(jié)變化規(guī)律,重點(diǎn)探討潮汐作用對(duì)CH4排放的影響,以期為潮汐水動(dòng)力過程中濱海鹽沼濕地CH4排放提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)通量塔位于潮間帶中高潮灘(37°47′20″N, 119°10′23″E),該區(qū)域地勢(shì)平坦,受半月潮影響,平均漲潮歷時(shí)6 h 30 min,平均落潮歷時(shí)9 h 24 min。潮流基本以平行于海岸界的往復(fù)流為主[27],潮汐淹水以到達(dá)研究區(qū)域?yàn)闇?zhǔn)。該區(qū)域植被群落組成簡(jiǎn)單,以一年生草本植物鹽地堿蓬(Suaedasalsa)為建群種,伴生有蘆葦(Phragmitesaustralis),鹽地堿蓬高20—30 cm。

1.2 研究方法

在觀測(cè)場(chǎng)主風(fēng)風(fēng)向上,約90%的通量源區(qū)主要分布于200 m范圍內(nèi)。通量塔安裝有開路式渦度相關(guān)系統(tǒng)和微氣象觀測(cè)系統(tǒng)。開路式渦度相關(guān)觀測(cè)系統(tǒng)包括安裝高度為2.8 m的開路式CH4分析儀(LI- 7700, LI-Cor, USA)和三維超聲風(fēng)速儀(GILL-WM, LI-Cor, USA),原始數(shù)據(jù)采樣頻率為10 Hz,每30 min輸出平均值。微氣象觀測(cè)系統(tǒng)包括距地面2.8 m的光量子傳感器(LI- 190SL, LI-Cor, USA)用于測(cè)定光合有效輻射。四分量(NR01, LI-Cor, USA)距離地面2 m用于監(jiān)測(cè)凈輻射,空氣溫濕度傳感器(HMP50, Vaisala, Helsinki, Finland)距離地面2 m,可同時(shí)測(cè)量空氣溫度和濕度。雨量筒位于1.5 m處(52203, RM Young Inc., Traverse City, MI, USA)。土壤因子監(jiān)測(cè)主要包括5、10 cm深處的土壤溫度(TM-L10, LI-Cor, USA),所有氣象數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器(CR1000, LI-Cor, USA)在線采集, 并按30 min計(jì)算平均值進(jìn)行存儲(chǔ)。潮汐水位數(shù)據(jù)根據(jù)水位計(jì)和物候遠(yuǎn)程圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(RR- 8140)進(jìn)行監(jiān)測(cè),水位計(jì)每30 min記錄一次數(shù)據(jù),物候遠(yuǎn)程圖像從5：00點(diǎn)到19：00點(diǎn)自動(dòng)工作,數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)間隔2 h。其他地方有更多儀器詳細(xì)信息[28]。

1.3 通量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

受天氣狀況、儀器機(jī)械故障、電力中斷等因素的影響,野外數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)及造成部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失,因此需對(duì)原始通量數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。數(shù)據(jù)控制標(biāo)準(zhǔn)為：(1) 剔除︱FCH4︱≥25 nmol CH4m-2s-1的異常值和降雨前后半個(gè)小時(shí)數(shù)據(jù)；(2) 由于夜間大氣層結(jié)比較穩(wěn)定, 導(dǎo)致湍流發(fā)展不充分, 因而去除夜間u*<0.07 m/s所對(duì)應(yīng)的CH4通量數(shù)據(jù)；(3) 剔除儀器信號(hào)值(Relative signal strength indicator, RSSI)較弱的CH4通量數(shù)據(jù),RSSI< 25%,得到控制數(shù)據(jù),經(jīng)質(zhì)量控制后所得數(shù)據(jù)占通量數(shù)據(jù)的72.5%。

1.4 數(shù)據(jù)分析

基于該區(qū)域2016年5—10月生長(zhǎng)季CH4數(shù)據(jù)、水位和遠(yuǎn)程圖像監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 我們確定了潮汐漲落潮過程,選擇標(biāo)準(zhǔn)詳見其他地方[28],根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)我們共篩選出3組潮汐過程CH4通量變化數(shù)據(jù)。

在以上3組潮汐過程數(shù)據(jù)中選取1次完整潮汐漲落潮過程作為研究對(duì)象,同時(shí)根據(jù)潮汐水位的變化將潮汐過程劃分為：漲潮前(干旱階段)：7月2日22:30到7月4日19:00；漲落潮階段(淹水階段)：從7月4日22:30到7月6日19:00；落潮后(濕潤(rùn)階段)：7月6日22:30到7月8日19:00。潮汐淹水階段水位最高為14.5 cm,并未完全淹沒植被,落潮后潮水完全退去。

利用配對(duì)樣本T檢驗(yàn)(Paired samplet-test)分析漲潮前(干旱階段)和漲落潮(淹水階段)、漲潮前和落潮后(濕潤(rùn)階段)、漲落潮淹水階段和落潮后CH4通量半小時(shí)平均值之間的差異。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,運(yùn)用Sigmaplot 12.5進(jìn)行數(shù)據(jù)制圖,文中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子季節(jié)動(dòng)態(tài)分析

5—10月整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi),黃河三角洲鹽沼濕地月平均光合有效輻射(Photosynthetic active radiation, PAR)變幅為212.1—455.9 μmol m-2s-1,呈先上升后下降趨勢(shì),其日均值波動(dòng)范圍為37.5—614.2 μmol m-2s-1,夏季陰雨天氣較多,PAR呈離散模式,波動(dòng)較大(圖1)。生長(zhǎng)季空氣溫度日均值為22.3 ℃,接近30年(1978—2008)生長(zhǎng)季平均氣溫(21.9±1.6) ℃[19],日均空氣溫度變幅為5.9—31.2 ℃。整個(gè)生長(zhǎng)季,空氣溫度與土壤溫度變化趨勢(shì)一致,5 cm土壤溫度的日均值為23.5 ℃,其變化范圍為9.6—31.2℃；10 cm土壤溫度的日均值為23.4 ℃,其日均值變化范圍為和10.7—30.7℃(圖1)。生長(zhǎng)季降水總量為893.6 mm,占全年降水量的95.9%,受極端天氣影響,8月8日單次降雨量達(dá)到335.3 mm(圖1)。

圖1 2016年生長(zhǎng)季黃河三角洲濕地環(huán)境因子動(dòng)態(tài)Fig.1 Variations of environmental factor during the growing season of 2016 in the Yellow River Delta

2.2 鹽沼濕地CH4通量排放特征

黃河三角洲鹽沼濕地半小時(shí)CH4排放通量和水位變化趨勢(shì)如圖2所示,因儀器故障致使部分CH4通量數(shù)據(jù)缺失。黃河三角洲鹽沼濕地地表水位高度主要受降雨和潮汐影響,土壤干濕狀況明顯,無潮汐和降雨時(shí)地面無積水。圖2中水位高度以地面為參考,表示距離地表高度。2016年5—10月觀測(cè)期間CH4通量半小時(shí)變幅為-19.7—26.6 nmol m-2s-1,6月30日達(dá)到排放日均最高值為9.9 nmol m-2s-1,最低為9月12日的-6.4 nmol m-2s-1。地表水位日均值變化范圍為0—84.4 cm,由極端降雨引起的最大瞬時(shí)水位為35 cm,而潮汐活動(dòng)所引起的最大瞬時(shí)水位高度為130 cm。整個(gè)生長(zhǎng)季,CH4排放在連續(xù)降雨及漲潮過后的濕潤(rùn)階段呈逐漸增大趨勢(shì)。

由表1可知,黃河三角洲鹽沼濕地生長(zhǎng)季表現(xiàn)為CH4微弱源。6月份溫度高于5月份,但6月份CH4排放總量卻低于5月份。7—8月份,降雨增多,地表水位增大的同時(shí)CH4排放量也增大,CH4排放通量在7月份達(dá)到排放峰值,最低值出現(xiàn)在9月。

圖2 半小時(shí)CH4通量和水位排放動(dòng)態(tài)Fig.2 Half hourly variations of CH4 emission and water level

月份MonthCH4排放通量Methane emission flux/ (mg m-2 h-1)月份MonthCH4排放通量Methane emission flux/ (mg m-2 h-1)50.062 80.081 60.043 90.033 70.092 100.045

2.3 潮汐作用對(duì)CH4排放的影響

2.3.1CH4通量排放的日動(dòng)態(tài)

漲落潮不同階段CH4排放通量的日動(dòng)態(tài)如圖3所示。不同潮汐過程中CH4排放通量具有明顯的變幅差異。漲潮前,CH4排放通量波動(dòng)較小沒有明顯的峰值變化。漲落潮淹水期間,CH4排放通量隨著潮汐水位波動(dòng)出現(xiàn)多個(gè)峰值。漲潮初期,潮汐對(duì)土壤的濕潤(rùn)過程激發(fā)了土壤中CH4的排放,CH4排放速率隨著水位的不斷上漲不斷增大。漲落潮淹水過程中,潮汐水位波動(dòng)引起CH4排放通量的變化,同時(shí),第二次潮汐水位的上漲與CH4排放通量并不同步,使CH4排放具有時(shí)間上的延遲性。落潮后的濕潤(rùn)階段,CH4通量波動(dòng)較大,存在多個(gè)峰值。整個(gè)潮汐階段中,CH4排放量在落潮后的濕潤(rùn)階段達(dá)到整個(gè)潮汐過程的排放峰值,分別為35.6 nmol m-2s-1、15.6 nmol m-2s-1和12.5 nmol m-2s-1(圖3)。6月份,落潮后CH4集中排放持續(xù)16個(gè)小時(shí)后,由排放轉(zhuǎn)為吸收 (圖3)。

圖3 CH4排放通量隨水位排放日動(dòng)態(tài),Fig.3 Diurnal variations of CH4 emission under a tidal cycle 灰色區(qū)域表示漲潮期間

2.3.2CH4排放通量對(duì)不同潮汐階段的響應(yīng)

利用配對(duì)t檢驗(yàn)分析圖3中一個(gè)完整潮汐過程中不同階段CH4排放通量的差異(圖4)。結(jié)果表明：漲潮前CH4排放均值(-0.91±0.26) nmol m-2s-1顯著低于漲落潮淹水階段(1.34±0.36) nmol m-2s-1和落潮后濕潤(rùn)階段(1.24±0.52) nmol m-2s-1(P<0.01),漲落潮淹水階段與落潮后CH4排放均值無顯著差異。整個(gè)潮汐過程中,CH4以排放為主,其排放均值為(0.56±0.26) nmol m-2s-1。

圖4 潮汐各階段CH4排放動(dòng)態(tài)Fig.4 CH4 emission at different stages of tide

3 討論

3.1 鹽沼濕地甲烷通量排放的季節(jié)動(dòng)態(tài)比較

黃河三角洲鹽沼濕地在生長(zhǎng)季(2016年5—10月)是CH4的排放源,排放日均值為0.063 mg m-2h-1,變化范圍為-0.36—0.57 mg m-2h-1,與前人在該區(qū)域的研究數(shù)據(jù)范圍一致,而與其他類型的濱海濕地CH4通量排放水平差異較大(表2),這可能與植被生產(chǎn)力、水文要素、地形地貌、氣候條件等因素的差異有關(guān)[11]。

3.2 潮汐作用對(duì)CH4排放的影響

圖5為鹽沼濕地CH4排放對(duì)整個(gè)潮汐過程的響應(yīng)概念圖,漲潮前無降雨和潮汐活動(dòng),鹽沼濕地土壤較為干旱以好氧過程為主,深層厭氧土壤產(chǎn)生的CH4由土壤剖面向大氣傳輸?shù)倪^程中極易被土壤表層根際微生物氧化而導(dǎo)致其排放量減少[21,28,41]；漲落潮過程中,潮汐淹水既促進(jìn)了厭氧層的形成又抑制了土壤氧化層的空間[3],潮汐淹水過程中,濕地土壤產(chǎn)生的CH4通過擴(kuò)散、氣泡和植物傳輸排放到大氣中[21],其中植物傳輸約占整個(gè)CH4排放量的90%[42]。落潮后的濕潤(rùn)階段,土壤厭氧層空間增加，土壤處于飽和狀態(tài)促進(jìn)了CO2的吸收[20],土體中的CO2和H2相互作用生成CH4排放到大氣中[42]。

落潮后水位接近土壤表層時(shí)達(dá)到CH4排放的峰值,這種集中排放并不能維持較長(zhǎng)時(shí)間(圖3)。氣體在水中傳輸速率遠(yuǎn)低于空氣中,潮汐淹水階段部分CH4溶解于水中,落潮后CH4逐漸排放到大氣中被渦度設(shè)備監(jiān)測(cè)到從而存在時(shí)間上的滯后性[43]。落潮后濕地土壤失去水流屏障,土壤厭氧層的空間增加有利于產(chǎn)生的CH4集中釋放。此外,潮水退去后滯留在土體中的CH4與大量進(jìn)入土壤中的O2維持了甲烷氧化菌的活性[44],使得CH4在集中爆發(fā)后并不能持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間,并逐漸由排放轉(zhuǎn)為吸收,這與汪青等[45]的研究結(jié)果一致。

本研究發(fā)現(xiàn),一個(gè)潮汐循環(huán)中潮汐淹水階段和落潮后表現(xiàn)為CH4的顯著源,漲潮初期潮汐淹水對(duì)土壤存在瞬時(shí)激發(fā)效應(yīng),而使CH4排放隨著水位的升高不斷增加(圖3),伴隨著潮汐水位的不斷上漲,濕地土壤厭氧層不斷增加對(duì)土壤中CH4的產(chǎn)生起著積極作用。盡管潮汐淹水引起的靜水壓阻滯了土壤中CH4的排放[11],但本研究主要為小潮期,潮汐過程中水位并未完全淹沒鹽地堿蓬,CH4可通過植物傳輸?shù)酱髿庵?。此?潮汐淹水期間大型動(dòng)物的穴居生活有利于土壤滲透性的增加[46],同時(shí)潮汐淹水對(duì)螃蟹洞穴的沖刷,增加了土壤的有效表面積有利于CH4的擴(kuò)散[8,47],而使?jié)q落潮過程表現(xiàn)為CH4的源。

研究還發(fā)現(xiàn),落潮后濕潤(rùn)階段CH4排放均值顯著高于漲潮前階段(圖4),由于鹽沼濕地受到短期潮汐影響從而對(duì)CH4排放速率產(chǎn)生不同的影響[12]。遼河口堿蓬濕地漲落潮過程中CH4排放速率顯著低于漲潮前[48]。閩江河口潮汐濕地的研究也表明,漲潮前要比落潮后具有更大的CH4排放量,漲潮前和落潮后CH4排放速率沒有顯著差異[49]。汪青等[45]的研究表明在落潮后CH4排放的更多,這種現(xiàn)象的發(fā)生可能與土壤性質(zhì)有關(guān)[31]。此外,水分狀況對(duì)土壤中CH4的產(chǎn)生起著決定性作用[50],落潮后土壤處于飽和狀態(tài)相較于漲潮前的干旱狀態(tài)更有利于CH4的產(chǎn)生。這種由潮汐引起的土壤干濕變化導(dǎo)致了CH4在落潮后脈沖式的排放,這種脈沖式的排放也可能與潮汐過程攜帶來的大量有機(jī)物質(zhì)有關(guān)[51-52]。此外,潮汐活動(dòng)誘導(dǎo)改變了土壤的氧化還原電位等理化性質(zhì)[53],促使產(chǎn)甲烷菌和甲烷菌在土壤干濕交替模式下具有不同的活躍程度及增長(zhǎng)速率[14,54],而使整個(gè)潮汐過程中CH4排放量存在差異。

表2 不同區(qū)域?yàn)I海濕地CH4排放通量比較

圖5 鹽沼濕地CH4排放對(duì)潮汐過程的響應(yīng)概念圖Fig.5 Conceptual diagram shows how changes in tidal process regulate CH4 emission from a salt marsh wetland

短期潮汐作用可能會(huì)通過改變潮灘暴露和淹水的頻率和時(shí)長(zhǎng)而對(duì)濕地CH4排放產(chǎn)生影響；同時(shí)潮汐引起的干濕循環(huán)導(dǎo)致CH4脈沖式的排放,很大程度上決定了較長(zhǎng)時(shí)間尺度上溫室氣體的排放總量,可能間接影響鹽沼濕地CH4源/匯功能的轉(zhuǎn)變[41],而未來氣候變化下溫度升高和降雨季節(jié)分配引起的土壤干濕循環(huán)的變化將會(huì)對(duì)該區(qū)域CH4排放甚至碳循環(huán)產(chǎn)生積極影響。