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定了草海濕地CH4、CO2排放通量及沉積物孔隙水CH4濃度。結果表明：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、株高對沉積物孔隙水CH4濃度分布有顯著影響。

關鍵詞：草海濕地；CH4通量；CO2通量；孔隙水；CH4濃度

中圖分類號： X171.4文獻標志碼： A

文章編號：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率及氧化還原能力而成為極其重要的生物地球化學活躍的場所[1]。大多數濕地是碳匯[2]，通過濕地生態(tài)系統(tǒng)的物質交換作用，可將大氣中大量的CO2固定形成碳匯；同時，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的排放通量有強烈的時空異質性[6-7]。雖然國內學者開展了大量研究，但多數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，關于貴州省高原湖泊濕地溫室氣體排放的研究尚未見報道，[JP2]其變化趨勢以及受控機制尚不明確。大量研究表明，植物與溫室氣體的排放密切相關。在有植被覆蓋的濕地生態(tài)系統(tǒng)內，Koh等研究發(fā)現，植被對CH4、CO2排放有重要影響[16]；Sun等研究發(fā)現，濱河濕地CH4、CO2排放與植被等因素顯著相關[17]。Maltais-Landry等研究發(fā)現，植物種類的不同會對溫室氣體的排放有不同的潛在影響[18]。濕地土壤中產生的CH4，有很大一部分通過植物傳輸、液相擴散、氣泡傳輸等方式排放到大氣中，也有相當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，從而會對濕地CH4排放通量估測產生潛在影響[19-20]。本研究選取貴州省草海濕地為對象，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，為國家一級重要濕地，是以天然淡水湖為主的濕地生態(tài)系統(tǒng)保護區(qū)[21]。草海屬亞熱帶高原季風冬干夏濕氣候，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區(qū)為研究對象，沿上游至下游走向，根據植被群落不同，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個區(qū)域。樣點分布見圖1。

利用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法測定CH4、CO2通量，采樣箱為不銹鋼材質的靜態(tài)暗箱（50 cm×50 cm×50 cm）。采樣時間為08：00—11：30。采氣時，將靜態(tài)箱倒扣在采樣點上，30 min 內每隔10 min用100 mL醫(yī)用注射器抽取1次，氣體儲存在鋁復合膜氣體采樣袋中，氣體樣品運回實驗室后1周內完成測定。

利用柱狀采樣器采集各樣點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分別取出5 mL用于孔隙水CH4濃度測定，其余樣品裝入聚乙烯袋內避光保存，運回實驗室測定DOC、SOC、pH值等理化指標。同時采集地上生物量，并現場同步記錄氣溫、氣壓、土壤溫度、土壤氧化還原電位（Eh）等參數。土壤理化性質見表1。[FL）]

1.3樣品測定

CH4、CO2濃度用島津GC-2014型氣相色譜儀測定，FID檢測器，分離柱為13-01-003型碳分子篩（1 m×3 mm）。CH4測試條件：進樣口溫度為250 ℃，檢測器溫度280 ℃，柱溫120 ℃，載氣（高純氮氣）流速為30 mL/min。CO2測試條件：CO2通過轉化爐，在高純氫氣和鎳催化劑條件下轉化為CH4，轉化爐溫度380 ℃，進樣口溫度為50 ℃，檢測器溫度105 ℃，柱溫85 ℃，載氣（高純氫氣）流速為40 mL/min。測定沉積物孔隙水CH4濃度的樣品處理方法參照文獻[22]，測試條件同上。沉積物DOC測定參照文獻[23]，SOC測定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化容量法，土壤pH值用pH計測定。

1.4數據處理

CH4、CO2排放通量計算參照文獻[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為被測氣體的摩爾質量（g/mol）；P為采樣時氣壓（Pa）；T為采樣時溫度（K）；V0、P0、T0為標準狀態(tài)下的氣體摩爾體積、空氣絕對氣壓、溫度；H為靜態(tài)箱在水面以上的高度（m）；dC/dt為采樣時氣體濃度隨時間變化的斜率。

土壤孔隙水CH4濃度（C）的計算式為[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為頂空瓶內空氣體積（mL）；VP為頂空瓶里孔隙水體積（mL）；T0、T分別為標準溫度和室溫（℃）。

利用Excel 2010軟件對數據進行統(tǒng)計，SPSS 18.0軟件進行單因素方差（One-Way ANOVA）、一元線性回歸和相關性分析，繪圖使用Origin 8.5軟件完成。

2結果與分析

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濃度表現出不同趨勢，A區(qū)、D區(qū)從表層向下層表現出先增加后減少的規(guī)律，B區(qū)呈現出先減少后增加的特征，C區(qū)則表現為一直減少。

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

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

上顯著相關。下表同。[HT][FK）]

一元線性回歸分析表明，DOC對0～40 cm沉積物孔隙水CH4濃度的影響較為顯著，SOC對表層沉積物孔隙水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)溫室氣體通量表現出明顯的空間異質性（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，表現出強烈的空間異質性。隨著植被由挺水植被向沉水植被過渡，CO2排放通量呈現先增加后減少的規(guī)律，與CH4排放特征相似。CO2排放通量最高點出現在B區(qū)，為533.3 mg/（m2·h），D區(qū)表現為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進行Pearson相關性分析，結果顯示，草海濕地CH4排放通量與沉積物DOC、SOC含量呈極顯著正相關（表4）。對于CO2排放通量，與水位呈極顯著負相關，與生物量和0～50 cm沉積物pH值呈極顯著正相關（表4）。

[3.1討論

3.1.1CH4排放通量及影響因素

CH4的排放是CH4產生、氧化及運輸過程的綜合結果，植被一般是通過影響這3個過程來實現對CH4排放的影響。Galand等認為，植被類型的不同會導致產甲烷菌群落的差異，而產甲烷菌的數量和類型直接影響了CH4的產生[26]。Koelbener等認為，植被將根際部位產生的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認為，不同類型植被對CH4傳輸能力不同[28]。段曉男等對烏梁素海湖泊濕地的甲烷排放研究發(fā)現，蘆葦樣方的甲烷排放速率遠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行光合作用，通氣組織發(fā)達，因此傳輸CH4的能力增強。另外，C區(qū)不僅較A區(qū)、B區(qū)水位高，而且積水時間更長，植株水面以下的部分長期處于淹水厭氧狀態(tài)，為甲烷菌的活動創(chuàng)造了條件。

3.1.2CO2排放通量及影響因素

不同植被覆蓋下CO2排放通量有明顯差異，當植被由挺水植物過渡到沉水植物時，草海濕地也發(fā)生由CO2“源”向“匯”的轉變。盧妍等認為，植物在生態(tài)系統(tǒng)CO2排放中占有重要地位[30]。植被根系的分泌物刺激微生物的活性，加速微生物的代謝活動，同時植物生命活動產生的CO2也是大氣中CO2的重要來源。

本研究中，以D區(qū)為代表的光葉眼子菜群落表現為CO2的“匯”，在高水位環(huán)境中，植物呼吸作用和微生物活動受到抑制，不利于CO2的產生和排放，但此環(huán)境狀態(tài)下有利于沉水植被的光合作用，大量CO2通過水-氣界面進入水體參與植物的代謝活動。此外應當注意的是，在觀測期間內，草海水質整體表現出一定的堿性，游離的CO2轉化為碳酸鹽儲存在水體中，水體中CO2濃度的降低與大氣中的CO2形成壓差，促使大氣中的CO2進入水體，使水體表現為CO2的“匯”，這與Therrien等觀測水庫CO2通量時結論[31]一致。草海濕地CO2通量與水位呈顯著負相關，與pH值呈顯著正相關，這進一步解釋了這一現象。這些特征綜合反映了湖泊濕地中水位不僅決定植被的類型及分布，還影響到CO2排放[32-33]，另外由于有機質的不完全分解，導致大多數濕地中碳和營養(yǎng)物質的積累直接影響氧的可利用率、氣體的擴散率及微生物的活性[34]。

3.1.3沉積物孔隙水CH4濃度垂直空間差異

本研究中，孔隙水CH4濃度剖面均值隨著植被的演替呈先增加后減少的規(guī)律，具體表現為C區(qū)>B區(qū)>A區(qū)>D區(qū)，與CH4、CO2排放通量變化規(guī)律相似。從沉積物剖面來看，不同區(qū)域有不同規(guī)律，A區(qū)、B區(qū)、D區(qū)土壤表層（0～30 cm）與底層（30～50 cm）CH4濃度相差不大，而C區(qū)表層CH4濃度明顯大于底層，這可能是由于表層土壤產甲烷菌所需底物以及溫度高于深層土壤，因此表層孔隙水具有較高的CH4濃度。朱曉艷等對三江平原泥炭沼澤孔隙水CH4濃度變化動態(tài)研究中指出，表層沉積物中的CH4濃度要高于深層沉積物，溫度是其決定因素[9]。楊文燕等在研究三江平原濕地孔隙水CH4濃度時發(fā)現，隨著沉積物深度增加，孔隙水CH4濃度出現增加—減少—增加—減少的趨勢，并指出DOC對孔隙水CH4濃度有重要影響。DOC作為沉積物中的活性物質，易于在剖面中遷移和分解[32]。因此可以認為，DOC在濕地CH4的產生發(fā)揮著重要的作用。本研究結果與之一致。

此外，郭瑩瑩等在對九龍江河口的研究中得出孔隙水CH4濃度隨沉積物深度的增加而增加的結論，硫酸鹽控制著沉積物中CH4的產生速率[22]。因此，草海濕地不同區(qū)域沉積物剖面中孔隙水CH4濃度分布可能是各種因素綜合作用的結果，其成因還需進一步研究。

3.1.4沉積物孔隙水CH4濃度與各因子的關系

本研究表明，不同深度土壤孔隙水CH4濃度受到不同因子的影響。土壤孔隙水CH4濃度與CH4排放通量之間具有顯著的相關性。Ding等研究三江平原毛苔草潛育沼澤發(fā)現，土壤表層孔隙水中CH4濃度能夠解釋甲烷排放通量的91%[35]。本研究中，20 cm沉積物孔隙水CH4濃度能夠解釋CH4排放通量的 29.5%，而深層土壤與甲烷排放通量無顯著相關，這可能是由于甲烷排放是甲烷產生、氧化、傳輸的復雜過程，表層土壤甲烷傳輸更為頻繁，因此表層土壤孔隙水CH4濃度與CH4排放表現出較好的相關性[9]。

孔隙水CH4濃度與水位呈極顯著負相關，與CH4排放通量一致；底層孔隙水CH4濃度與生物量呈極顯著正相關，其原因可能是較多的植物體被埋藏在底層，加上底層厭氧環(huán)境不利于有機質分解，給甲烷菌提供了充足底物和良好環(huán)境，因此底層沉積物孔隙CH4濃度與生物量呈極顯著正相關。除上述因子外，土壤容重、pH值、鮮土含水率、CO2排放通量、株高對底層孔隙水中CH4濃度也有影響，說明影響孔隙水CH4濃度的環(huán)境因子具有復雜多樣性。由于采樣次數的局限性以及草海特殊的水文環(huán)境，具體原因和機制需要進一步研究。

3.2結論

CH4通量范圍為0.50～8.57 mg/（m2·h），草海濕地不同植被區(qū)均表現為CH4排放的“源”，隨著植被由挺水植被向沉水植被的更替，CH4排放通量呈先增后減的規(guī)律，其中A區(qū)最低，C區(qū)最高，最高值出現在土壤剖面0～10 cm；土壤DOC、SOC含量對CH4排放通量有重要影響。

CO2排放通量變化規(guī)律與CH4排放通量規(guī)律類似，通量范圍為-59.62～547.33 mg/（m2·h），也呈先增后減的規(guī)律，B區(qū)排放最高，D區(qū)最低，即表現為CO2的“匯”。水位、生物量、沉積物pH值是導致CO2排放通量差異的主要環(huán)境因子，反映高原湖泊草海的特殊水文環(huán)境對溫室氣體排放的重要影響。

草海濕地沉積物孔隙水CH4濃度剖面均值隨著植被從挺水到沉水的演替，表現出先增加后減少的規(guī)律，剖面垂直變化規(guī)律并不一致，DOC對孔隙水CH4濃度有重要影響。

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