夏季互花米草植物體介導(dǎo)的甲烷排放日進(jìn)程特征

摘要 利用懸管裝置，在夏季對(duì)閩江河口濕地外來(lái)入侵種互花米草植物體介導(dǎo)的甲烷傳輸排放途徑日進(jìn)程氣樣進(jìn)行采集，氣相色譜測(cè)定甲烷濃度，同時(shí)利用靜態(tài)箱+氣相色譜法測(cè)定了互花米草沼澤濕地甲烷排放通量的日進(jìn)程動(dòng)態(tài)。結(jié)果表明：在夏季一個(gè)日進(jìn)程中互花米草植物體介導(dǎo)的甲烷傳輸排放量呈動(dòng)態(tài)變化，在18：00達(dá)到相對(duì)高峰值。互花米草植株0～20 cm部位甲烷傳輸釋放能力最強(qiáng)，占整株甲烷傳輸排放量的50%以上，上半株甲烷排放能力最弱；各測(cè)定時(shí)刻互花米草植物體甲烷傳輸排放量對(duì)于相應(yīng)時(shí)刻互花米草沼澤濕地甲烷排放通量的貢獻(xiàn)率呈波動(dòng)變化，變化范圍分別為5.41%～21.08%，平均為10.42%；針對(duì)互花米草沼澤濕地，甲烷排放通量平均值為52.31 mg/（m2·h）。

關(guān)鍵詞 日進(jìn)程；植物體傳輸途徑；互花米草

中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2023）06–0182-03

全球變暖已成為當(dāng)今世界普遍關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題之一，作為重要溫室氣體之一的甲烷在全球變暖中也有著較大的貢獻(xiàn)。CH4的排放是CH4產(chǎn)生、氧化和傳輸綜合作用的結(jié)果，濕地為CH4的產(chǎn)生提供了良好的厭氧環(huán)境和產(chǎn)生底物，濕地甲烷傳輸主要包括液相傳輸、氣泡傳輸、植物傳輸3種方式[1]。目前，互花米草已成為我國(guó)東南沿海河口海灣潮汐沼澤濕地主要的外來(lái)入侵種。仝川等[2]（2009）原位測(cè)定了閩江河口互花米草濕地甲烷排放通量的季節(jié)動(dòng)態(tài)，但是關(guān)于互花米草的甲烷傳輸日進(jìn)程變化特征當(dāng)前還極少見(jiàn)報(bào)道。以閩江口互花米草沼澤濕地為研究對(duì)象，夏季以不破壞植株為前提，對(duì)互花米草CH4傳輸日變化特征進(jìn)行觀測(cè)探討，以更深入地認(rèn)識(shí)濕地植物傳輸甲烷的能力及其規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鱔魚灘濕地是閩江河口區(qū)面積最大的感潮濕地，地理坐標(biāo)為119°34′12″E～119°40′40″E，26°00′36″N～26°03′426″N，降水多發(fā)生在3—9月。

鱔魚灘濕地中高潮灘分布有較多的濕地物種，包括本地物種和外來(lái)入侵物種，其中主要的本地優(yōu)勢(shì)植物為蘆葦（Phragmites australis）和短葉茳芏（Cyperus?malaccensis Lam. var. brevifolius Bocklr.）。

近年來(lái)，外來(lái)植物互花米草在閩江河口鱔魚灘濕地的入侵速率較快，尤其是在適合其生長(zhǎng)的潮灘和近高潮灘，生長(zhǎng)十分迅速，區(qū)域內(nèi)已存在大面積的入侵斑塊，在區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)重要位置。在鱔魚灘濕地中西部的中偏高潮灘地段選擇1個(gè)互花米草入侵斑塊，設(shè)置1個(gè)面積為20 m×20 m的大樣方開(kāi)展研究。

1.2 植物體介導(dǎo)的甲烷排放途徑氣樣采集

為減少取樣時(shí)的踐踏干擾，搭設(shè)木制棧橋直通取樣測(cè)定樣地。2009年夏季的1個(gè)小潮日進(jìn)行互花米草植物體甲烷傳輸日進(jìn)程24 h采樣，采樣時(shí)間均為第1天的12：00至翌日12：00，采樣時(shí)間間隔為3 h。

為了采集到互花米草整株和植株不同高度部位的甲烷傳輸排放的氣樣，對(duì)Lars等[3]測(cè)定植物體甲烷傳輸?shù)难b置進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了可調(diào)整高度，且更適合互花米草植株測(cè)定的懸管裝置。在研究樣地共選擇12個(gè)高度和長(zhǎng)勢(shì)相近的互花米草植株，3個(gè)為1組，分別用以測(cè)定不同高度部位及整株的甲烷傳輸排放量。懸管用透明有機(jī)玻璃管制成，壁厚2 mm，直徑10 cm，頂部密閉并安裝風(fēng)扇，采樣時(shí)，打開(kāi)風(fēng)扇以混勻管內(nèi)氣體。采樣時(shí)，將支架提前安放在樣地，用有機(jī)玻璃管罩住植株，在有機(jī)玻璃管上纏上1圈鐵絲，將鐵絲掛在支架上使管懸空。將透明塑料薄膜裁成圓形，取圓形透明塑料薄膜從邊緣裁剪至圓心處，根據(jù)試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)，將整株或植株不同部位套上薄膜，使得塑料薄膜圓心與植株莖稈接觸并用膠帶黏合，薄膜裁剪處也用膠帶黏合，最后將塑料薄膜與懸管底部外側(cè)用醫(yī)用止血帶扎緊，保證氣密性（圖1）。在每個(gè)3 h內(nèi)，用100 mL帶三通閥的注射器抽氣樣4次（間隔15 min采集氣樣1次），1次采樣量為50 mL，采樣結(jié)束后，將氣樣帶回實(shí)驗(yàn)室立刻進(jìn)行測(cè)定。

1.3 互花米草沼澤濕地甲烷通量氣樣采集

在測(cè)定互花米草植物體甲烷傳輸能力的同時(shí)，同步采用靜態(tài)箱采集互花米草濕地甲烷排放通量的測(cè)定氣樣，在以上大樣方內(nèi)設(shè)置3個(gè)靜態(tài)箱重復(fù)。靜態(tài)箱由底座、中箱和頂箱3個(gè)部分組成，底座由不銹鋼材料制成，長(zhǎng)、寬和高分別為35、35和30 cm；中箱和頂箱由2 cm厚的透明有機(jī)玻璃板制成，箱體高度因不同生長(zhǎng)階段互花米草植株高度而定做，采樣時(shí)間同以上植物體甲烷傳輸氣樣采集。

1.4 測(cè)定甲烷濃度設(shè)備及參數(shù)

采用島津GC-2010氣相色譜儀分析氣樣的甲烷含量。甲烷檢測(cè)器為FID（氫離子火焰化檢測(cè)器），載氣為氮?dú)?，流?0 mL/min；氫氣為燃?xì)猓魉贋?7 mL/min；空氣為助燃?xì)?，流速?00 mL/min，檢測(cè)器溫度為130 ℃，分離柱溫度為60 ℃。

1.5 植物體傳輸排放量及甲烷排放通量計(jì)算

懸管法植物體介到的甲烷傳輸排放量（F）計(jì)算公式：

式（1）中，F(xiàn)[（mg/（株·h）]為植物體介導(dǎo)的甲烷傳輸排放量；M（g）為甲烷的分子量；V（L）為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1 mol甲烷的體積；dc/dt（×10-6/h）為甲烷含量變化率；T（℃）為懸管內(nèi)溫度；V1（L）為懸管體積。甲烷含量變化率通過(guò)對(duì)每次采集的3個(gè)氣樣的甲烷含量測(cè)定值進(jìn)行線性回歸分析獲得[4-6]。為了保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量，只有當(dāng)以上線性回歸分析中的相關(guān)系數(shù)R2＞0.9時(shí)，才認(rèn)為數(shù)據(jù)有效。

互花米草濕地甲烷排放通量計(jì)算公式參照王德宣等[7]和仝川等[2]。

互花米草植株不同高度部位甲烷排放量計(jì)算公式：

式（2）中，F(xiàn)0為地面以上20 cm植株部位甲烷排放量計(jì)算值；F單為互花米草整株傳輸排放甲烷量的測(cè)定值；F1為地面以上20 cm以上植株部位甲烷排放量測(cè)定值；F2為20 cm至半株高部位甲烷排放量計(jì)算值；F半為半株高以上部位甲烷排放量測(cè)定值。

互花米草植株不同高度部位甲烷傳輸排放量對(duì)整株植物甲烷傳輸排放量貢獻(xiàn)率計(jì)算公式：

C=100%×F部位/F單（3）

式（3）中，C為不同高度部位甲烷傳輸排放量占整株植物甲烷傳輸排放量的百分比；F部位為公式（2）中的F0、F2或F半，F(xiàn)單為互花米草整株傳輸排放甲烷量測(cè)定值，以此計(jì)算互花米草0～20 cm，20 cm至半株高部位、半株高以上部位的甲烷排放量對(duì)整株植物傳輸排放量的貢獻(xiàn)率。

單位面積互花米草沼澤濕地互花米草植物體甲烷傳輸排放量計(jì)算公式：

F種群=F單×d（4）

式（4）中，F(xiàn)種群[mg/（m2·h）]為單位面積（m2）互花米草沼澤濕地互花米草植物體甲烷傳輸排放量；F單為互花米草單株甲烷傳輸排放量；d （株/m2）為互花米草種群密度。

互花米草植物體甲烷傳輸排放量占互花米草濕地甲烷排放通量的貢獻(xiàn)率：

P=100%×F種群/F濕地（5）

式（5）中，P（%）為互花米草植物體甲烷傳輸排放量占濕地甲烷排放通量的百分比，F(xiàn)種群為互花米草沼澤濕地單位面積互花米草植物體甲烷傳輸排放量，F(xiàn)濕地為互花米草沼澤濕地甲烷通量。

1.6 環(huán)境因子測(cè)定

土壤（20 cm深度）溫度、pH值和氧化還原電位分別用IQ150便攜式pH/氧化還原電位計(jì)（IQ Scientific Instruments）測(cè)定；土壤鹽度（以電導(dǎo)率表征）采用2265FS便攜式電導(dǎo)鹽分/溫度計(jì)（Spec-trum Technologies Inc.）測(cè)定。

1.7 數(shù)據(jù)處理及分析

此次野外試驗(yàn)煙研究的各項(xiàng)指標(biāo)均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差可使用工作中常用的EXCEL軟件進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)分析，再利用常規(guī)數(shù)理統(tǒng)計(jì)常用的SPSS 13軟件進(jìn)行結(jié)果統(tǒng)計(jì)，SPSS 13軟件中的One-Way ANONY分析白天和夜間植物體介導(dǎo)的甲烷傳輸排放量的差異[8-12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏季植株介導(dǎo)的整株互花米草甲烷傳輸排放量日進(jìn)程動(dòng)態(tài)

夏季互花米草植物體甲烷傳輸排放量的日進(jìn)程變化（圖2）在18：00達(dá)到1個(gè)甲烷排放的相對(duì)峰值，為112.5 μg/（株·h），而在00：00降到了1 d的最低值，49.0 μg/（株·h）。通過(guò)對(duì)各測(cè)定時(shí)段之間互花米草植株甲烷傳輸排放量的顯著性比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們之間并無(wú)顯著性差異（P＞0.05）。對(duì)于植物體介導(dǎo)的互花米草整株甲烷傳輸排放量，以測(cè)定日中06：00～18：00時(shí)段的平均值作為白天平均值，得出為84.5 μg/（株·h），測(cè)定日中21：00至翌日03：00時(shí)段的值的平均值夜間平均值為68.5 μg/（株·h），白天甲烷排放量大于夜間，但他們之間差異性不顯著（P＞0.05）；夏季互花米草植物體甲烷傳輸日平均值為52.3 μg/（株·h）。

2.2 夏季互花米草沼澤濕地甲烷排放通量的日進(jìn)程變化

夏季互花米草沼澤濕地甲烷排放通量日進(jìn)程具有較明顯的動(dòng)態(tài)變化，在15：00和03：00分別達(dá)到2個(gè)排放高峰值，分別為67.43 mg/（m2·h）和66.89 mg/（m2·h），而在21：00降至1 d排放的最低值31.11 mg/（m2·h），其余測(cè)量時(shí)間點(diǎn)之間的值差異并不大（圖3）。白天（55.30 mg/（m2·h）與夜間（47.33 mg/（m2·h）的互花米草沼澤濕地甲烷傳輸通量并沒(méi)有顯著的差異（P＞0.05）。利用每個(gè)時(shí)段測(cè)定結(jié)果計(jì)算其日平均值，夏季測(cè)定日互花米草沼澤濕地甲烷通量平均值為52.31 mg/（m2·h）。

3 結(jié)論與討論

本研究在不破壞植物體與其生長(zhǎng)環(huán)境的情況下對(duì)夏季閩江河口互花米草沼澤濕地進(jìn)行了不同部位植物甲烷傳輸、濕地甲烷排放通量與環(huán)境因子的日變化的測(cè)定。結(jié)果表明：互花米草植物體介導(dǎo)的甲烷傳輸排放量具有明顯的日變化特征，在第1天的18：00達(dá)到最大值，隨后有先下降后上升的趨勢(shì)，白天平均傳輸排放量大于夜間。出現(xiàn)此現(xiàn)象主要與甲烷的傳輸機(jī)制有關(guān)，傳輸機(jī)制包括有分子擴(kuò)散和對(duì)流傳輸，濕地范圍內(nèi)植物種類較多，植物內(nèi)部管徑不同，傳輸?shù)穆窂讲灰恢乱才c不同植物種類的內(nèi)部管徑結(jié)構(gòu)相關(guān)。

互花米草白天采用的傳輸機(jī)制是對(duì)流傳輸，夜間的傳輸機(jī)制擇轉(zhuǎn)為分子擴(kuò)散，因此，白天傳輸?shù)牧看笥谝雇怼Ｓ醒芯勘砻?，光合有效輻射被認(rèn)為是影響甲烷排放日變化的重要因素，表現(xiàn)在完成擴(kuò)散主導(dǎo)向?qū)α髦鲗?dǎo)的傳輸方式的轉(zhuǎn)換，增加氣孔導(dǎo)度，以及產(chǎn)生更多的與甲烷產(chǎn)生密切相關(guān)的光合作用碳（photosynthesized carbon）。

互花米草沼澤濕地甲烷排放通量在1 d中具有一定的波動(dòng)性，其變化趨勢(shì)表現(xiàn)為雙峰型。在首日的15：00和翌日的03：00均出現(xiàn)1個(gè)較大值；白天均值也大于夜間，產(chǎn)生的原因較多，如溫度的晝夜差異、白天相對(duì)較高的土壤溫度是造成濕地甲烷排放通量白天高于夜間的原因之一[13]；同時(shí)，濕地甲烷排放過(guò)程受到許多物理，化學(xué)，生物因素的共同影響，單因子關(guān)系不足以解釋甲烷排放的差異[14]，Ding等[15]在東北三江平原沼澤濕地甲烷通量日變化研究的結(jié)果為甲烷通量最大值出現(xiàn)在09：00，最低值出現(xiàn)在00：00。

綜合圖2、圖3可以看出，在首日12：00～15：00植物介導(dǎo)的甲烷傳輸升高的同時(shí)，濕地甲烷傳輸通量也在增加，此時(shí)所得到的植物體甲烷傳輸貢獻(xiàn)并沒(méi)有很大變化，但隨后出現(xiàn)了的植物體甲烷傳輸貢獻(xiàn)的上升到最大值，表明濕地甲烷排放中的植物介導(dǎo)的甲烷傳輸占有更大的比重，而氣泡和液相傳輸?shù)呢暙I(xiàn)率變得較小。

為了在24 h內(nèi)以每3 h間隔連續(xù)采集互花米草植物體介導(dǎo)的甲烷傳輸排放氣樣集，本研究選定在小潮日進(jìn)行觀測(cè)和取樣，小潮日研究樣地基本無(wú)潮水水淹，因此，研究結(jié)果揭示的只是河口互花米草沼澤濕地小潮日互花米草植物體介導(dǎo)的甲烷傳輸排放日進(jìn)程特征。在今后的研究中，需要進(jìn)一步揭示在有潮水水淹情況下（大、中潮日）的互花米草植物體介導(dǎo)的甲烷傳輸排放日進(jìn)程規(guī)律，但如何采集一天內(nèi)潮水水淹階段（漲落潮階段，為7～8 h）互花米草植物體介導(dǎo)的排放到大氣和潮水中的甲烷氣樣，需要?jiǎng)?chuàng)新采樣氣室設(shè)計(jì)，目前還未見(jiàn)對(duì)于包括潮水水淹過(guò)程的植物體介導(dǎo)的甲烷傳輸排放日進(jìn)程的文獻(xiàn)報(bào)道。

參考文獻(xiàn)

[1] 王維奇，曾從盛，仝川.蘆葦濕地甲烷排放機(jī)理及排放通量研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究，2008（1）：20-25.

[2] 仝川，閆宗平，王維奇，等.閩江河口感潮濕地入侵種互花米草甲烷通量及影響因子[J].地理科學(xué)，2008，28（6）：826-832.

[3] Lars Kutzbach， Dirk W， Eva-Maria P. Effect of microrelief and vegetation on methane emission from wet polygonal tundra， Lena Delta， Northern Siberia[J]. Biogeochemistry， 2004（69）： 341-362.

[4] Gauci V， Dise N， Fowler D. Controls on suppression of methane flux from a peat bog subjected to simulated acid rain sulfate deposition[J]. Global Biogeochemcy， 2002（16）： 1-4， 12．

[5] Song C C， Xu X F， Tian H Q， et al. Ecosystem-atmosphere exchange of CH4 and N2O and ecosystem in wetlands in the San jiang Plain， Northeastern China[J]. Global Change Biol， 2009（15）： 692-705．

[6] Hirota M， Tang Y H， Hu Q W， et al. Methane emission from different vegetation zones in a Qinghai-Tibetan plateau wetland[J]. Soil Biol Biochemcy， 2004（36）： 737-748．

[7] 王德宣，丁維新，王毅勇.若爾蓋高原與三江平原沼澤濕地CH4排放差異的主要環(huán)境影響因素[J].濕地科學(xué)，2003（1）：63-67.

[8] Chanton J P，Whiting G J， Happell J D，et a1. Contrasting rates and diurnal patterns of methane emission from emergent aquatic macrophytes[J]. Aquatic Botany， 1993（46）： 111-128．

[9] Hwang Y H， Morris J T. Evidence for hgrometric pressurization in the internal gas space of Spartina alterniflora[J]. Plant Physiol， 1991（96）： 166-171.

[10] Whitng G J， Chanton J P. Control of the diurnal pattern o f methane emission from emergent aquatic macrophytes by gas transport mechanism[J]. Aquatic Botany， 1996（54）： 237-253．

[11] Vander Nat F J W A， Middelburg J J， Van Meteren D， et a1. Diel methane emission patterns from Scirpus lacustris and Phragmites australis[J]. Biogeochemistry， 1998（41）： 1-22．

[12] Morrissey L A， Zobel D B， Livingston G P. Significance of stomatal control on methane release from Carex -dominated wetlands[J]. Chemosphere， 1993（26）： 339-355．

[13] 段曉男，王效科，歐陽(yáng)志云.維管植物對(duì)自然濕地甲烷排放的影響[J].生態(tài)?學(xué)報(bào)，2005，25（12）：3377-3379．

[14] Mikkela C， Sundh I， Svensson B H et al. Diurnal variation in methane emission in relation to the water table， soil temperature， climate and vegetation cover in a Swedish acid mire[J]. Biogeochemistry， 1995（28）： 93-114．

[15] Ding W X， Cai Z C， Tsuruta H. Diel variation in methane emissions from the stands of Carex lasiocarpa and Deyeuxia angustifolia in a cool temperate freshwater marsh[J]. Atmos Environ， 2004（38）： l8l-l88．

責(zé)任編輯：黃艷飛

Daily Process Cha-racteristics of Methane Emission Mediated by Sporobolus alterniflorus Plants in Summer

Xu Zheng-fang （Hunan Zhongsheng Ecological Environment Technology Co.， Ltd， Changsha， Hunan 410000）

Abstract The diurnal variation of the plant mediated methane transport from Sporobolus alterniflorus and the methane flux from Sporobolus alterniflorus marsh were measured by using hanging chamber and the enclosed static chamber. The diurnal pattern of Sporobolus alterniflorus plant mediated methane transport and emission， over the course of the 24 hour of measurements in summer， Sporobolus alterniflorus plant mediated methane transport and emission all exhibited one peak at 18：00. The methane transport and emission was the highest in the plant section of 0～20 cm height from the soil surface， and reached more than 50% of the gross methane mediated by plant transport and emission， and it was the lowest in the above parts. The ratio of Sporobolus alterniflorus plant mediated methane transport and emission to gross methane flux from Sporobolus alterniflorus marsh at measured times in measured date in summer varied from 5.41% to 21.08%， the averaged values were 10.42% ;

the methane emission from Sporobolus alterniflorus marsh was 52.31 mg/（m2·h） at measured date in summer.

Key words Diurnal variation; Plant mediated methane transport and emission; Sporobolus alterniflorus

作者簡(jiǎn)介 徐正方（1987—），男，江西撫州人，工程師，主要從事環(huán)保咨詢工作。

收稿日期 2023-03-22