趙 穎,王 飛
(1山西省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和應(yīng)急保障中心,太原 030027;2山西省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院,太原 030027;3山西大學(xué)體科所,太原 030006)
碳是全球氣候變化的重要影響因素之一,大氣圈中主要以二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的形式存在。在全球氣候變化過程中,濕地對CH4和CO2等氣體產(chǎn)生起著重要的作用[1]。濕地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與生物循環(huán)密不可分,初級生產(chǎn)者進(jìn)行的有機(jī)物質(zhì)的生產(chǎn),形成生物量的積累,然后通過食物鏈,經(jīng)微生物分解以CO2形態(tài)還原到大氣中,或其他有機(jī)質(zhì)的形態(tài)保留于土壤中[2-3]。濕地系統(tǒng)的碳循環(huán)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。目前,中國共有1.0 km2以上的自然湖泊約2700個,總面積81414.6 km2[4],濕地面積約0.536億hm2,約占世界濕地面積的10%,居亞洲第一位,世界第四位,是潛在的重要的碳排放源。因此,研究碳在濕地中的遷移轉(zhuǎn)化過程對于研究碳庫循環(huán)具有重大意義[5-6]。而中國對湖泊、濕地CH4和CO2排放的研究多集中在崇明東灘濕地,東北濕地[7-8],泥炭沼澤濕地[9],三江平原[10],城市濕地[11]等地區(qū)。白洋淀湖泊濕地作為華北平原最大的自然濕地系統(tǒng),其對氣候的調(diào)節(jié)有著重要的作用,2017年4月1日,中共中央、國務(wù)院印發(fā)通知決定設(shè)立河北雄安新區(qū),白洋淀是雄安新區(qū)的重要組成部分,在雄安新區(qū)建設(shè)過程中具有“以淀興城、城淀共榮”的重要生態(tài)功能[12]。本研究通過對白洋淀濕地CH4和CO2排放通量進(jìn)行觀測,分析湖泊濕地CH4和CO2排放的規(guī)律及其影響因素,可為準(zhǔn)確評估區(qū)域CH4和CO2排放量的估算提供科學(xué)依據(jù)。
白洋淀地處華北平原中部,38°43′—39°02′N、115°38′—116°07′E之間,總面積為 366 km2,是華北平原最大的淡水湖泊型濕地,對維持華北平原生態(tài)平衡具有重要意義[13]。該區(qū)地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫為12.1℃。最熱月為7月,月平均氣溫32.4℃;最冷月為1月,月平均氣溫-4.7℃。年平均降水量為524.9 mm,最大降水量為865.5 mm,最小降水量為263.3 mm。年降水主要集中在7、8兩個月,占30%以上。年平均蒸發(fā)量為1369 mm,蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量。白洋淀內(nèi)分布有臺田、水道以及水陸交錯帶,其中,臺地植被主要以蘆葦為主,水陸交錯帶發(fā)育相對良好,主要有蘆葦植被、葦?shù)亻g溝壕和開闊淀水等[14]。
依據(jù)白洋淀濕地的生境特點,并兼顧采樣的可行性和代表性,將樣地定于白洋淀東部的王家寨(圖1),該采樣點蘆葦發(fā)育良好,生長旺盛,面積適中,且基本無人為破壞。將試驗區(qū)分為4個采樣區(qū)域,分別為臺地蘆葦區(qū)(TR)、陸地區(qū)(T)、水陸交錯帶蘆葦區(qū)(ER)、湖面區(qū)(W)。完全位于湖泊水體高水位之上的蘆葦生長區(qū)是臺地蘆葦區(qū),無蘆葦生長的區(qū)域則為陸地區(qū);在陸地區(qū)和湖面區(qū)之間水位變幅較大且以蘆葦為主的區(qū)域是水陸交錯帶蘆葦區(qū),完全淹水且無大型水生植物生長的區(qū)域為湖面區(qū)。確定采樣區(qū)域后,于2018年5—10月,定期對采樣點處的氣體CH4和CO2、土壤等樣品進(jìn)行采集。
圖1 采樣點示意圖
1.3.1 氣體的采集與測定 CH4和CO2氣體采用密閉式靜態(tài)箱法測定。根據(jù)不同采樣區(qū)域的情況,采用不同規(guī)格的氣體采集箱(0.5 m×0.5m×2.4m,0.5 m×0.5 m×0.5 m),采樣箱的側(cè)板和頂板由PVC強(qiáng)化板材料制成,可以直接扣在事先預(yù)置的基座上,與基座無縫吻合。頂箱上部安裝小風(fēng)扇用于混合箱內(nèi)氣體,側(cè)面置有聚四氟乙烯管連通的氣體采樣孔和箱內(nèi)溫度探頭接線口。在湖面區(qū)使用的是靜態(tài)浮箱(0.5 m×0.5 m×0.5 m),將箱子固定在泡沫塑料板上,起到浮圈的作用。
2018年5—10月每月中旬各采樣1次,采樣時間定在10:00—14:00之間,并且在7月和9月分別進(jìn)行1次間隔為3 h的CH4和CO2通量日變化觀測。用注射器抽取箱內(nèi)氣體,注入500 mL采樣袋中,每隔10 min采1個樣品,共采集4次,完成1個時間點氣體的采集,帶回實驗室分析。
使用日本島津公司氣相色譜儀(GC-2010plus)分析CH4濃度。采用HP-PLOT/Q:30 m×0.53 mm×40μm的色譜柱進(jìn)行樣品分離,F(xiàn)ID檢測器檢測。載氣為純度≥99.999%的氮氣。分析條件為:進(jìn)樣口溫度:150℃;柱溫:150℃,保持3 min;檢測器溫度:200℃;載氣:氮氣,柱流量為10 mL/min;燃燒氣:氫氣,流量40 mL/min;助燃?xì)猓嚎諝?,流?00 mL/min;尾吹氣:氮氣,流量為10 mL/min;分流比:5:1;進(jìn)樣量:0.25 mL[15]。
使用日本島津公司氣相色譜儀(GC-2010plus)分析CO2濃度。采用GDX-102色譜柱進(jìn)行樣品分析,TCD檢測器檢測。載氣為純度≥99.999%的氮氣。分析條件為:柱溫箱溫度80℃,TCD溫度80℃[16]。氣體通量計算見公式(1)。
式中,F(xiàn)為被測氣體通量,mg/(m2·h);ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下被測氣體的密度,g/L;V為采樣箱內(nèi)的空氣體積,cm3;A為采樣箱的覆蓋面積,cm2;dc/dt為采樣箱內(nèi)被測氣體的濃度變化率;T為采樣時箱內(nèi)的平均氣溫,℃。
1.3.2 土壤/沉積物樣品的采集與測定 采集氣體的同時,在同樣點采集土壤/沉積物樣品,采集后自然風(fēng)干,磨碎并過100目篩后備用。pH采用電位計法測定,含水率采用烘干法測定,有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀—外加熱法測定,總氮采用凱氏定氮法測定;總磷采用堿融-鉬銻抗分光光度法測定[17]。
所有檢測數(shù)據(jù)均為所設(shè)置3個樣品重復(fù)的平均值,數(shù)據(jù)處理分別采用Excel 2010作圖,用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的相關(guān)統(tǒng)計。
2.1.1 白洋淀濕地CH4、CO2日排放通量動態(tài)特征 本研究于2018年7月和9月分別對采樣區(qū)進(jìn)行了CH4、CO2排放通量日變化的連續(xù)監(jiān)測。結(jié)果表明,ER區(qū)(水陸交錯帶蘆葦區(qū))和TR區(qū)(臺地蘆葦區(qū))的CH4日變化具有相似性。由2圖可以看出,王家寨試驗區(qū)7月CH4排放通量明顯高于9月,其中7月ER區(qū)和TR區(qū)的平均排放通量約為9月相應(yīng)區(qū)域排放通量的10倍。在植物的生長旺盛期(7月),CH4排放的晝夜變化比較大,ER、TR區(qū)夜間和白天的排放通量比為0.28和0.24。4個采樣區(qū)域在14:30達(dá)到最大值,5:30達(dá)到最小值。在植物的衰落期(9月),2個樣方的日變化趨勢變小,ER區(qū)和TR區(qū)的夜間和白天的排放通量比分別變成0.24和0.18。四個區(qū)域在14:30—17:30達(dá)到最大值,23:30—次日5:30達(dá)到最小值。7月W區(qū)(湖面區(qū))和T區(qū)(陸地區(qū))CH4排放通量明顯小于ER區(qū)和TR區(qū),其中W區(qū)變化趨勢與ER區(qū)和TR區(qū)一致。9月W區(qū)和T區(qū)CH4排放通量變化波動則較大。
圖2 CH4排放通量的日變化趨勢
CO2排放的日變化特征見圖3。7月進(jìn)行樣品采集時,平均溫度38℃,植物生長茂盛,封閉罩內(nèi)植物呼吸作用強(qiáng)烈,測得CO2排放通量值較大,蘆葦濕地成為大氣的CO2排放源。ER區(qū)和TR區(qū)CO2排放通量呈現(xiàn)波動的變化趨勢,CO2排放通量在5:30排放通量最小,溫度較低為25.2℃,14:30排放通量最大,在14:30—17:30時段降低,此時蘆葦?shù)墓夂献饔幂^強(qiáng),對呼吸作用產(chǎn)生的CO2進(jìn)行了吸收,17:30以后太陽光照強(qiáng)度減弱,蘆葦光合作用開始下降,土壤和蘆葦?shù)暮粑饔贸蔀橹鲗?dǎo),CO2排放通量逐漸增加。9月對蘆葦濕地進(jìn)行CO2排放通量測量時,平均氣溫20℃,氣溫較低,蘆葦?shù)纳L進(jìn)入成熟期,莖葉開始變黃,光合和呼吸作用能力減弱,CO2排放通量與7月相比也明顯降低,ER區(qū)、TR區(qū)和T區(qū)表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律,即在11:30和14:30有相對較高的CO2排放通量,原因是由于這兩個時段溫度較高,沉積物和土壤中微生物的活性也較高,其呼吸作用比較強(qiáng)造成的。湖面區(qū)則表現(xiàn)為吸收CO2,可能是水體阻礙了CO2的傳輸和釋放[18]。
圖3 CO2排放通量的日變化趨勢圖
2.1.2 白洋淀濕地CH4、CO2排放通量的季節(jié)變化特征
通過對白洋淀蘆葦濕地CH4排放的連續(xù)監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn),其排放通量具有明顯的時空變化規(guī)律。ER區(qū)、TR區(qū)、W區(qū)、T區(qū)CH4排放通量表現(xiàn)出比較一致的變化趨勢,其中7、8月CH4排放通量較大,這兩個月的CH4排放通量約占到各區(qū)全年排放量的80%(圖4)。由圖4可以看出,CO2排放通量隨季節(jié)不同而異。5—7月CO2排放通量逐漸升高,7月和8月排放通量較大,9月CO2排放通量開始降低,在10月部分區(qū)域稍有回升。
2.1.3 白洋淀濕地CH4、CO2排放通量的空間變化特征
如圖4所示,CH4、CO2排放通量具有明顯的空間變化特征,其中CH4排放通量表現(xiàn)為水陸交錯帶蘆葦區(qū)(ER區(qū))>臺地蘆葦區(qū)(TR區(qū));湖面區(qū)(W區(qū))>陸地區(qū)(T區(qū))。CO2的排放通量呈現(xiàn)出與CH4排放相反的結(jié)果,具體表現(xiàn)為臺地蘆葦區(qū)(TR區(qū))>水陸交錯帶蘆葦區(qū)(ER區(qū));陸地區(qū)(T區(qū))>湖面區(qū)(W區(qū))。
圖4 CH4、CO2排放通量的月變化趨勢
2.2.1 氣溫 如圖5所示,氣溫和蘆葦群落的CH4排放量成指數(shù)相關(guān)關(guān)系,說明CH4的排放速率隨著氣溫的升高而增加,這主要是和參與CH4產(chǎn)生的微生物數(shù)量和活性有關(guān),但土壤中產(chǎn)甲烷菌的活動是溫度限制過程。
圖5 CH4排放通量與氣溫的相關(guān)性
由圖6可以看出,在7月,白洋淀湖泊濕地CO2排放通量與溫度具有一定的相關(guān)性,即隨溫度的升高,CO2排放通量呈指數(shù)增加。進(jìn)入9月,蘆葦從生長期轉(zhuǎn)入到成熟期,各種生理活性下降,地下生物量也基本停止生長,土壤呼吸作用減弱;同時,蘆葦大部分枯黃、光合作用基本消失。此時CO2排放通量與氣溫的相關(guān)性比7月份弱。
圖6 CO2排放通量與氣溫的相關(guān)性
2.2.2 土壤營養(yǎng)鹽 氮磷作為土壤生物地球化學(xué)循環(huán)過程中2類重要的營養(yǎng)元素,其含量一直是影響土壤的理化性質(zhì)及碳貯存的重要指標(biāo)[19]。結(jié)果顯示,CO2和CH4排放通量與土壤TP含量負(fù)相關(guān),與TN含量正相關(guān),其中CO2和CH4排放通量與土壤TN含量之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.9和0.867,其相關(guān)性均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。
2.2.3 植物 將相同生境下有蘆葦生長和沒有蘆葦生長區(qū)域的CH4排放通量比較,結(jié)果顯示,5—8月CH4排放量水陸交錯帶有蘆葦生長的ER區(qū)是沒有蘆葦生長的湖面W區(qū)的1.3~7.9倍;臺地有蘆葦生長的TR區(qū)是沒有蘆葦生長的陸地T區(qū)的75.7~145.9倍(圖4)。將相同生境下有蘆葦生長和沒有蘆葦生長區(qū)域的CO2排放通量比較,5—8月ER區(qū)CO2排放量是W區(qū)的3.21~8.9倍;TR區(qū)CO2排放量是T區(qū)的2.09~3.14倍。
氣溫是影響CH4和CO2排放整個過程的主要因子。對于CH4排放通量來說,氣溫的變化將改變植物的生理功能以及土壤的溫度,進(jìn)而影響到CH4產(chǎn)生微生物的活性,最終對CH4的產(chǎn)生氧化、傳輸和釋放過程均造成一定的影響[20-21]。在自然界中,大多數(shù)產(chǎn)甲烷菌為嗜溫性微生物,CH4產(chǎn)生的最低溫度為15℃、最適合溫度為35℃和最高溫度為40℃以上,參與CH4代謝的微生物區(qū)系較難適應(yīng)低溫條件,當(dāng)溫度在0~10℃左右,幾乎沒有CH4形成[22]。牛翠云等[18]研究指出,隨著季節(jié)變化,氣溫也隨之改變,氣溫的變化會影響土壤溫度的變化,而土壤溫度會對微生物的代謝活動產(chǎn)生直接影響,從而影響CH4、CO2的排放。本研究中,白洋淀湖泊濕地在7月下旬的平均溫度為38℃,而9月的平均溫度只有22℃,這可能是導(dǎo)致7月和9月CH4排放通量差異顯著的主要原因。此外,這種明顯的季節(jié)性變化還可能濕地CH4的形成機(jī)制有關(guān)。一類細(xì)菌分解復(fù)雜有機(jī)物而產(chǎn)生可為產(chǎn)甲烷菌利用的簡單有機(jī)物或H2/CO2,這些物質(zhì)被產(chǎn)甲烷菌利用形成CH4。因此,微生物是CH4產(chǎn)生多少的直接影響因素。白洋淀在7、8月是一年中溫度和濕度都比較高的時期,在這個階段大多數(shù)微生物大量生長繁殖,其各種生理活動也達(dá)到最大,因此,該時期白洋淀濕地CH4排放通量最大。對于CO2排放通量來說,溫度直接影響生物的呼吸作用和光合作用。一方面呼吸作用的主要參與者是生活在土壤中的大量微生物,微生物的生長與溫度呈正相關(guān)關(guān)系,有研究指出,含碳養(yǎng)分腐解的最大速度在30~35℃之間,也有在37℃和40℃進(jìn)行的。接近最適點的溫度大約為30~40℃之間,這范圍內(nèi)溫度的變動對分解作用影響很小,在低于最適點范圍(一般為5~30℃),隨溫度的升高,微生物活性增強(qiáng)加速了有機(jī)物的分解;另一方面植物在夏季也達(dá)到了光合作用最旺盛的時期,對呼吸作用產(chǎn)生的CO2有吸收作用[23-24]。因此,導(dǎo)致CO2排放通量與溫度呈指數(shù)關(guān)系增長。該結(jié)果與舒曉曉等[25]的研究結(jié)果一致。
土壤水分是土壤的重要組成部分,是影響濕地CH4和CO2排放的重要控制因子[26]。土壤中不斷進(jìn)行著各種物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換過程都必須在水分的參與下進(jìn)行。當(dāng)土壤含水量極低時,水的可利用性會限制微生物過程,而當(dāng)含量過高時,透氣性則成為主要的調(diào)節(jié)因子。CH4是甲烷氧化菌生長代謝的唯一能源及主要碳源,其產(chǎn)生要求有嚴(yán)格的厭氧環(huán)境,在陸地區(qū),由于沒有水體的覆蓋,土壤含水率較低,其生長環(huán)境主要為好氧層,CH4的產(chǎn)生和排放受到一定的抑制。有研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)阿拉斯加沼澤水位低于沼澤地表5 cm或更多時,CH4排放通量可降低12倍[27]。同樣,湖面區(qū)由于長期淹水,土壤含水率較高,其環(huán)境條件相對單一,沉積物處于厭氧環(huán)境中,有利于CH4的產(chǎn)生[28-29]。對CO2排放來說,臺地區(qū)由于無積水,土壤通透性好,土壤中的植物殘體、根系及有機(jī)物質(zhì)易于分解,CO2排放通量較大。水陸交錯區(qū)和湖面區(qū)水位常年積水,水位的存在阻礙了土壤呼吸產(chǎn)生CO2的排放。Freeman等[30]研究發(fā)現(xiàn),水位對于泥炭地CO2通量有顯著影響,在同一區(qū)域內(nèi),CO2通量可從水位較高時的646 mg/(m2·d)增加到水位降低時的1590 mg/(m2·d),可見CO2通量與水位存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外,溶解性有機(jī)碳是濕地土壤中微生物活動的主要來源,土壤水分變化可能會使土壤溶液中溶解的有機(jī)碳總量發(fā)生變化,當(dāng)土壤水分含量過低,土壤溶液中可溶性有機(jī)碳的擴(kuò)散受到抑制,細(xì)菌等微生物因此處于可溶性有機(jī)碳供應(yīng)不足的狀態(tài),從而導(dǎo)致濕地土壤CO2排放受到影響[31]。
CO2和CH4排放通量與土壤TN含量顯著正相關(guān)(P<0.05),可能是外源氮輸入增加了土壤中氮素的有效性,提高了植被的生產(chǎn)力和產(chǎn)甲烷菌所需有機(jī)底物的有效性,使得產(chǎn)甲烷微生物具有更多可利用的底物,促進(jìn)CH4的產(chǎn)生[32-33]。底物是CH4產(chǎn)生的主要控制因子之一,其主要來源為土壤有機(jī)質(zhì)和當(dāng)季植物的分泌物及殘留物,可以調(diào)節(jié)CH4產(chǎn)生物質(zhì)能量來源的數(shù)量與有效性[34]。然而,Kim等[35]分析了荷蘭某濕地沉積物營養(yǎng)鹽變化對CH4排放的影響,結(jié)果表明,沉積物氮磷營養(yǎng)鹽含量的增加抑制了CH4的產(chǎn)生。這可能與沉積物底物數(shù)量和質(zhì)量的差異有關(guān),從而導(dǎo)致底物中易分解有機(jī)物質(zhì)的缺乏限制了CH4的形成。
植物的生長狀況對CH4和CO2的排放起著關(guān)鍵性作用。CH4最終得以排放到大氣環(huán)境中與植物體對CH4的產(chǎn)生、氧化、傳輸?shù)冗^程顯著的作用是密不可分的,植物體根系釋放分泌物的能力、泌氧而氧化CH4的能力和傳輸CH4的能力綜合影響CH4的排放[36],同時CH4由土壤向大氣的傳輸主要依靠植物體通氣組織、液相擴(kuò)散和氣泡,所以一般情況下隨著植物生物量的增加,CH4的產(chǎn)生量與排放量也隨之增加[37]。Hirota等[38]研究發(fā)現(xiàn),濕地植株密度增大會增加CH4傳輸出的量,與本研究結(jié)果相似。蘆葦促進(jìn)CO2排放主要體現(xiàn)在:蘆葦本身的呼吸作用在生態(tài)系統(tǒng)總呼吸中占有重要的份額[39],另外通氣條件下植物通過根系分泌物為土壤微生物提供底物,刺激土壤微生物活性,促進(jìn)微生物呼吸;最后,把氧氣輸送到植物根系,形成好氧環(huán)境,提高土壤有機(jī)碳分解速率[40]。Grogan和Jonasson[41]研究了亞北極區(qū)兩種植被類型下土壤CO2排放通量的年內(nèi)變化,結(jié)果表明,與植物相關(guān)的碳庫以及土壤有機(jī)碳庫對CO2排放通量均有重要貢獻(xiàn)。
多數(shù)情況下,CH4和CO2的排放存在顯著相關(guān)的關(guān)系(P<0.05),見表1。產(chǎn)生這種相關(guān)性的原因可能主要與環(huán)境條件相關(guān),因為濕地溫室氣體的產(chǎn)生和排放都受環(huán)境條件的直接影響,如溫度、水分、生物生長等。溫度條件是影響濕地碳排放通量季節(jié)變化的主要因素。CH4和CO2的排放均受土壤水分狀況的驅(qū)動,且土壤中微生物需要從有機(jī)質(zhì)分解中獲得能量和基質(zhì)。此外,蘆葦?shù)纳L也為碳排放創(chuàng)造了條件,生長季蘆葦?shù)蚵湮锓纸?、根系分泌物及根際共生體的作用促進(jìn)了CH4和CO2的排放[42]。然而,陸地區(qū)(T區(qū))CO2排放與其他區(qū)域CH4排放無顯著相關(guān)性,這是由于陸地區(qū)的環(huán)境基本與湖面區(qū)(W區(qū))相反,W區(qū)由于長期淹水,且無大型水生植物生長,其環(huán)境條件相對單一,沉積物處于厭氧環(huán)境中;另外,ER區(qū)(水陸交錯帶蘆葦區(qū))和TR區(qū)(臺地蘆葦區(qū))有蘆葦生長時,土壤在10 cm以上基本處于相對氧化環(huán)境,抑制了CH4的排放,但不影響CO2的排放,因此相關(guān)性不顯著。
表1 CH4和CO2排放通量的Pearson相關(guān)分析
白洋淀濕地的CH4和CO2排放通量具有明顯的時空變化規(guī)律。CH4、CO2日排放通量在14:30左右達(dá)到最大值,在23:30—5:30左右相對較低。月排放通量顯示,7、8月CH4、CO2排放通量較大,9、10月相對較低。CH4排放通量表現(xiàn)為水陸交錯帶蘆葦區(qū)>臺地蘆葦區(qū)>湖面區(qū)>陸地區(qū)。CO2的排放通量表現(xiàn)為臺地蘆葦區(qū)>水陸交錯帶蘆葦區(qū)>陸地區(qū)湖面區(qū)。CH4和CO2排放通量均與溫度和土壤TN含量顯著正相關(guān)(P<0.05)。此外,多數(shù)情況下CH4和CO2的排放存在顯著正相關(guān)的關(guān)系(P<0.05)。本研究所得結(jié)果對于白洋淀濕地碳貯存庫的保護(hù)和減少溫室氣體排放具有重要意義。