遼河口濱海濕地CH4排放特征及其影響因素

袁曉敏,楊繼松,劉 凱,鄭冬梅,鄭佳玉,劉 強

1 魯東大學資源與環境工程學院, 濱海生態高等研究院, 煙臺 264025 2 北京師范大學環境學院, 水環境模擬國家重點實驗室, 北京 100875 3 沈陽大學環境學院, 區域污染環境生態修復教育部重點實驗室, 沈陽 110044

近年來,大氣中的溫室氣體含量升高加速,是目前世界各國學者和政府都很關注的全球性環境及生態問題[1]。工業時代前80萬年間,南極大氣中CH4濃度在320×10-3mL/m3和780×10-3mL/m3之間波動[2],2012年大氣CH4濃度已達到1803×10-3mL/m3,約為工業革命前的3倍[3]。雖然CH4在大氣中的濃度較低,但其增溫潛勢為CO2的10—25倍,對溫室效應的貢獻達23%[4],并且在大氣中的平均存留時間長達10年,遠高于CO2的3年。因此減少CH4排放對緩和潛在的全球增溫趨勢比減少CO2的排放更為有效[5]。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域概況

遼河口濕地位于盤錦市境內濱海地區,地理位置40°41′03.06″—41°27′42.01″N,121°30′30.29″—122°30′21.33″E。本區域屬于溫帶季風氣候區,具有雨熱同季、干冷同期的特點,年均降水量611.6—640.1 mm,集中在7—9月,年平均氣溫9.2℃,每年11月至次年4月為凍土期。土壤鹽漬化比較嚴重,鹽化沼澤土按鹽分組成分氯化物鹽化沼澤土和硫酸鹽氯化物鹽化沼澤土兩個土屬,且沿向海方向土壤鹽分呈上升趨勢。自然濕地類型距海由遠及近依次為蘆葦濕地(Phragmitesaustraliswetland)、翅堿蓬濕地(Salineseepweedwetland)和裸灘濕地(Mudflat),優勢植被依次為蘆葦、翅堿蓬,裸灘濕地無植被覆蓋。蘆葦和翅堿蓬植株生長旺盛期均為6—9月,8月中旬左右,蘆葦植株最高2.8—3.2 m,翅堿蓬植株20—22 cm,2016年地上生物量觀測最高值分別為(2033.3±256.5) g/m2和(321.9±62.8) g/m2。本試驗以3種典型的自然濕地類型為研究樣地,選取3個固定觀測點,地理坐標分別為(41°14′03.06″N,121°50′30.29″E)(蘆葦濕地)、(40°56′03.06″N,121°49′30.29″E)(翅堿蓬濕地)、(40°57′03.06″N,121°42′30.29″E)(裸灘濕地),其中蘆葦采樣點和翅堿蓬采樣點之間的距離約10 km,翅堿蓬采樣點和裸灘采樣點之間的距離約0.5 km。

1.2 研究方法

1.2.1CH4氣體樣品采集

采用靜態箱-氣相色譜法。采樣裝置由3個部分構成：底座+連接箱+頂箱。底座材料為不銹鋼,觀測試驗前的4月中旬將底座固定在每個采樣點；連接箱和頂箱均為不透光的PVC板(厚度3 mm),規格分別為45 cm×45 cm×100 cm和45 cm×45 cm×80 cm。頂箱上安裝小風扇,以保證箱內氣體混合均勻,側壁安裝三通閥和溫度計,用于氣體樣品的采集和溫度測量。采樣時將頂箱置于底座之上(植被地上高度超過80 cm后,在底座和頂箱之間添加連接箱),并在底座凹槽中持續加水,利用液封來提高采樣裝置密閉性?？巯浜罅⒓撮_始計時,并用100 mL注射器于扣箱后的0、10、20、30 min依次采集氣體,采集的氣體通過三通閥注入鋁塑復合氣袋(化工部大連光明化工研究所生產,250 mL)?？紤]漲潮過程對CH4氣體排放的影響,在翅堿蓬濕地和裸灘濕地研究樣點,同一采樣日期內均在漲潮前2個小時采集漲潮前的氣體樣品,當潮水水位達到10 cm時,開始采集漲潮中的氣體樣品。漲潮過程中,平潮時間約30 min,潮水最高水位可達靜態箱34 cm處。采樣時間為2016年6—11月,其中7、8月份采集時間為月初和月中,其他月份每月采集1次。每個濕地類型設置3個重復觀測點。

1.2.2 土壤樣品采集與測量

采集氣體樣品的同時,在每個采樣點,用土鉆采集0—10 cm深度的土壤,3個重復。分別混合均勻后帶回實驗室,挑出明顯的根系后自然風干,研磨,過100目篩。分別用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法和開氏法測定土壤中有機碳(soil organic carbon,SOC)和全氮(total nitrogen,TN)含量[13](表1)。

表1 供試土壤有機碳、氮含量及地上生物量

SOC：soil organic carbon；TN：total nitrogen; 均值±標準差

1.2.3 環境因子和地上生物量測定

采集氣體樣品時,同步觀測環境因子的變化。本研究主要觀測的環境因子包括土壤溫度、pH、電導率值(EC)、氧化還原電位(Eh)和地上生物量,分別采用水銀溫度計、電導率儀(DDBJ- 350)和酸度計(PHBJ- 260)進行測量；采用收割法測定植物地上生物量。

1.2.4 氣體樣品分析與通量計算

氣體樣品中CH4濃度用配有FID(氫火焰離子化檢測器)的氣相色譜儀(安捷倫7890B)分析測定。載氣為氮氣,流速25 mL/min；燃氣為氫氣,流速40 mL/min；助燃氣為空氣,流速400 mL/min,檢測器溫度為250℃,柱箱溫度55℃,輔助加熱器溫度375℃。用國家標準物質中心生產的CH4標準氣體,濃度為1.99 μL/L。利用下列公式計算氣體排放通量：

(1)

式中,J為氣體排放速率(mg m-2h-1),dc/dt為采樣時氣體濃度隨時間變化的直線斜率,M為被測氣體的摩爾質量,P為采樣點氣壓(Pa),T為采樣時絕對溫度(K),V0,P0,T0分別為標準狀態下的氣體摩爾體積、空氣氣壓(Pa)和絕對溫度(K),H為水面以上采樣箱高度(m)。

1.2.5 數據處理與分析

利用SPSS 18.0軟件進行方差分析和Pearson相關性分析,Origin 8.5軟件進行制圖。

2 結果與分析

2.1 不同濕地類型CH4排放特征

3種類型濕地CH4排放呈現出不同的變化特征(圖1)。蘆葦濕地CH4排放隨時間變化呈單峰型排放特征：自6月初至8月初,CH4排放通量開始上升,7月初上升速率加快,于8月初出現排放峰值(10.40±3.82) mg m-2h-1。此后,CH4排放呈下降趨勢,至觀測結束(11月初),CH4排放通量值為(0.575±0.095) mg m-2h-1。

翅堿蓬濕地CH4排放特征與蘆葦濕地不同(圖1)：6月初,漲潮前CH4排放通量逐漸升高,并于7月中旬出現排放峰值(0.509±0.106) mg m-2h-1,8月初快速下降至(0.132±0.004) mg m-2h-1,之后,呈現波動下降趨勢；漲潮期間,CH4排放變化特征與漲潮前基本一致,但排放峰值出現在7月初,相應值為(0.353±0.052) mg m-2h-1。

裸灘濕地CH4排放特征與翅堿蓬濕地近似(圖1)：漲潮前和漲潮中的CH4排放通量均在7月中旬達到峰值,其值分別為(0.593±0.013) mg m-2h-1(漲潮前)和(0.335±0.103) mg m-2h-1(漲潮中),至11月初,CH4排放通量分別下降至(0.040±0.001) mg m-2h-1(漲潮前)和(0.018±0.0002) mg m-2h-1(漲潮中)。

圖1 3種類型濕地CH4排放通量Fig.1 CH4 flux in different types of wetlandBar線表示3個重復之間的標準誤差

整個觀測期內,蘆葦濕地的CH4排放通量均值為(3.699±3.679) mg m-2h-1,明顯高于其他兩類濕地(表2)。漲潮前,翅堿蓬濕地和裸灘濕地CH4排放通量均值分別為(0.165±0.156) mg m-2h-1和(0.198±0.191) mg m-2h-1,呈現裸灘濕地>翅堿蓬濕地,兩類濕地CH4排放通量無顯著差異(P>0.05)(表2)；漲潮過程中,翅堿蓬濕地和裸灘濕地的相應值分別為(0.119±0.132) mg m-2h-1和(0.131±0.103) mg m-2h-1,也表現為裸灘濕地>翅堿蓬濕地。根據單因素方差分析結果,3類濕地CH4排放通量具有顯著差異(P<0.05),蘆葦濕地>裸灘濕地(漲潮前)>翅堿蓬濕地(漲潮前),蘆葦濕地>裸灘濕地(漲潮中)>翅堿蓬濕地(漲潮中)。比較分析漲潮前后CH4排放通量均值,潮汐明顯降低了翅堿蓬濕地和裸灘濕地的CH4排放速率(P<0.05)。

表2 觀測期內CH4排放通量均值

均值±標準差,同行和同列之間,不同字母表示差異顯著(P<0.05)

2.2 環境因子變化特征及其對CH4排放的影響

由于蘆葦濕地無明顯的潮汐過程,故將漲潮前的翅堿蓬和裸灘濕地CH4排放與之對比分析環境因子的影響。3類濕地土壤溫度8月中旬之前在25.0—28.5℃之間變動,之后,開始快速下降,至11月初觀測結束溫度降為7.0—9.0℃(圖2)。翅堿蓬濕地和裸灘濕地電導率(EC)值變化范圍(均值)為21.0—31.4(25.0±4.17) mS/cm與22.1—31.3(25.2±3.61) mS/cm,二者變化趨勢大致相同(圖2),且高于蘆葦濕地相應值2.50—8.09(5.24±1.88) mS/cm；單因素方差分析表明,蘆葦濕地電導率(EC)值明顯區別于翅堿蓬和裸灘濕地(P<0.01)。觀測期內,3種濕地土壤水pH變化也呈波動特征,同時具有下降趨勢,相應的變化范圍分別為6.77—8.14、6.94—7.90和6.82—8.54(圖2)。3種類型濕地氧化還原電位(Eh)變化均呈波動特征,變化范圍依次為-110—220、54—233 mV 和-38—70 mV(圖2)。除EC外,3種類型濕地間土壤溫度、pH和氧化還原電位(Eh)差異均不明顯(P>0.05)。

圖2 觀測期內環境因子變化Fig.2 Variations of environmental factors during the observation period

Pearson相關分析表明(表3),不同濕地類型間,CH4排放通量與EC呈極顯著負相關(r=-0.665,P<0.01),與土壤溫度、pH和Eh相關性不顯著(P>0.05)。翅堿蓬濕地漲潮前CH4排放通量與pH相關性極其顯著(r=0.852,P<0.01),與土壤溫度、EC和Eh無相關性(P>0.05)；蘆葦濕地和裸灘濕地漲潮前CH4排放則與土壤溫度、EC、pH和Eh相關性均不顯著(P>0.05)。以上結果表明,鹽分是影響不同濕地類型間CH4排放的重要環境因子,同時,pH對翅堿蓬濕地漲潮前CH4排放通量有一定的影響。

表3 CH4排放通量與環境因子間的Pearson相關系數

*表示在α=0.05水平上顯著相關; **在α=0.01水平上極顯著相關；EC：電導率,electric conductivity；Eh：氧化還原電位

3 討論

3.1 不同類型濕地CH4排放特征

不同類型濕地甲烷排放速率差異顯著,表現為蘆葦濕地>裸灘濕地(漲潮前)>翅堿蓬濕地(漲潮前),蘆葦濕地>裸灘濕地(漲潮中)>翅堿蓬濕地(漲潮中)這與濕地土壤有機質(SOC)和上覆植被有重要關系。有研究表明SOC含量是造成不同濕地CH4生成潛力差異的主要原[14]；吳家梅等[15]進一步揭示了甲烷排放的主要底物為易氧化有機碳組分。本研究結果顯示,蘆葦濕地的土壤有機質含量為(24.02±0.79) g/kg,遠高于翅堿蓬濕地和裸灘濕地(表1),而且蘆葦濕地地上生物量高達(2033.3±256.5) g/m2,這可以增加土壤有機質的輸入,為CH4產生提供底物來源,從而影響CH4排放[16]。同時,植物通氣組織可以將地下CH4有效運輸至大氣。長江口的研究中發現,蘆葦生長季對CH4排放的促進量達1.99 mg m-2h-1[17],蘆葦的存在增加了大約41.5%—69%的CH4釋放,割除蘆葦導致長期淹沒樣點CH4釋放顯著減少[18]。

然而,裸灘地表無植被覆蓋,其CH4排放通量高于翅堿蓬濕地,這可能與裸灘濕地相對于翅堿蓬濕地土壤含水量更高有關。黃河三角洲的研究也發現,近海的潮灘濕地CH4排放高于靠陸的潮灘濕地,且光灘的CH4排放通量與土壤含水量呈正相關[19- 20]。Hirota等[21]認為土壤水分的多少直接影響O2可利用率、氣體擴散速率和微生物活性等,水分增加促進厭氧環境的形成。根據實測結果(圖2),同一采樣時段內,裸灘濕地的氧化還原電位(Eh)均低于翅堿蓬濕地,這說明裸灘濕地的厭氧條件更好,更有利于CH4生成。此外,不同植物群落地下根系深度的不同也會造成CH4排放的差異,當優勢種根系分布較淺時,由根系輸送的O2會使土壤的氧化性更強,導致生成的CH4被氧化[22]。較高的CH4生成和較低的CH4氧化,最終導致裸灘濕地的CH4排放通量略高于翅堿蓬濕地。

3.2 水位與CH4排放

潮汐作為濱海濕地獨有的自然現象,對濕地土壤最直觀的影響是水位變化。漲潮過程中,淹水條件通過改變土壤孔隙中O2的分布和濃度可影響CH4的生成和氧化[8],平衡后的CH4或從土壤或通過近地面植物體莖部先排放到CH4濃度較低的潮水中,之后,進入潮水中的CH4一部分被潮水氧化,一部分溶解在潮水中,然后逐漸間接擴散到大氣環境[16]。目前,CH4排放通量與高潮水位之間的關系沒有統一的定論。閩江口的研究顯示,2007年CH4排放通量與高潮水位顯著正相關,2008年無顯著相關性,2009年漲落潮過程中CH4排放通量平均每月比漲潮前下降59.25%,但其與最高潮水位的正負相關性存在月份差異[23]。Van der Nat 等[24]認為,當潮水水位低于8 cm的時候,CH4排放通量增長明顯,而超過地表一定高度后,CH4排放量將會銳減。仝川等[16]研究則表明,蘆葦濕地平均排放到潮水中的CH4顯著高于排放到大氣中的CH4通量,為其1.43倍。

本研究采樣所得氣體通量均為濕地土壤CH4生成后最終進入大氣的部分,采樣期間潮汐水位變化范圍為10—34 cm,翅堿蓬濕地植株在6—8月份生長至最高值20—22 cm,較高的水位使得部分植株被淹沒；裸灘濕地沒有植被覆蓋,土壤產生的CH4在淹水狀態下直接進入潮水,然后通過擴散的形式排放到大氣。綜上,兩種類型濕地在漲潮過程中,進入潮水中的CH4比例增大,導致最終排放到大氣中的CH4較漲潮前有所下降。Yang等[25]在淡水濕地的研究表明,淹水2—14 cm促進了CH4排放,這可能是由于水位“脈沖”變化對CH4排放的影響與長期淹水對其影響存在差異。遼河口濕地屬于周期性潮汐地區,每日周期性的漲落潮使其土壤狀況與季節性淹水地區相比更具特殊性,因此CH4排放對其響應也不同。

3.3 鹽分與CH4排放

同時,較高的離子強度會引起微生物細胞的滲透勢變化,表現為低鹽刺激微生物活性,高鹽則形成離子脅迫,干擾微生物的生長繁殖[32],甚至引起群落結構變化[33]。模擬海水入侵過程中,鹽度低于5的海水添加無顯著影響,鹽度大于5的海水添加,對土壤CH4產生潛力表現出顯著的抑制作用[14]。余晨興和曾志華等[4- 35]在閩江口的研究也表明,產甲烷菌群落組成及豐度差異與鹽度有極顯著相關關系,且相比其他環境因子,鹽度對其影響更大。

3.4 pH與CH4排放

以往研究表明,產甲烷菌可以忍受的土壤pH范圍為5.50—9.00,最適宜的范圍為6.80—7.20,該范圍內CH4生成率隨著pH的升高明顯增加[14]；超出最適范圍,CH4排放較低[36]。根據原位監測,翅堿蓬濕地的pH在6.94—7.90之間變化,基本上能夠保證產甲烷菌活性處于最佳水平,相關性分析也表明,該區域CH4排放與pH呈顯著的正相關。而蘆葦濕地和裸灘濕地的pH變化范圍分別為6.77—8.14和6.82—8.54,更寬幅度的pH變化可能是導致其與CH4排放的相關性不顯著的原因之一。王純等在感潮區淡水沼澤濕地的研究中也有類似結果[14]。

3.5 溫度、氧化還原電位與CH4排放

溫度在CH4的生成、氧化和排放過程中有重要作用,是CH4季節排放動態的重要影響因素[16]。一般而言,濕地CH4排放表現為夏秋高冬春低[24,27- 28]。Kankaala等研究發現,土壤溫度可解釋蘆葦濕地50.3%—60.7%的CH4排放[37]。另有研究表明,生長季內CH4排放通量幾乎與整個0—90 cm土層的溫度都具有顯著正相關關系,相關性系數最高可達0.91[38]。研究認為,土壤溫度主要是通過影響微生物活性[39]和改變產甲烷菌群落組成[40]來改變土壤CH4的產生和排放。本研究中不同類型濕地CH4排放通量均在7、8月份最大,且與溫度具有一定的正相關性(表3),但溫度對CH4排放的影響不顯著,這與其他類型濕地的研究結果不同。

氧化還原電位(Eh)在一定程度上可反映土壤的厭氧狀況。以往的研究表明,CH4生成過程需要保證嚴格的厭氧條件,然而,本研究過程中發現,在Eh>0 mV的情況下,3類濕地中均能觀測到CH4排放。這說明,非厭氧條件下可能仍有部分CH4生成。關于Eh對CH4排放的影響,不同學者得出結論存在一定差異。室內控制試驗結果顯示,CH4生成所需Eh閾值存在很大的不確定性,其值變化在-300—70 mV[20,22]；有學者認為,厭氧條件建立起來以后,就有CH4生成；Peters等也發現,原位條件下產甲烷菌在有氧環境中生存良好,其數量相比厭氧條件下僅低10倍左右[43]。此外,本研究實測所得Eh測量深度為地下5 cm,測量深度以下土壤生成的CH4及前期淹水狀態下生成的CH4完全排放進入大氣均需要一定的時間。

4 結論

(1)遼河口3類典型自然濕地CH4排放通量具有明顯的季節特征,隨時間變化呈先上升后下降趨勢,并于7—8月份出現排放峰值。不同類型濕地間CH4排放通量差異顯著,表現為蘆葦濕地>裸灘濕地(漲潮前)>翅堿蓬濕地(漲潮前),蘆葦濕地>裸灘濕地(漲潮中)>翅堿蓬濕地(漲潮中)。

(2)潮汐帶來的水鹽變化對3類濕地土壤CH4排放有顯著影響。漲潮過程明顯降低了翅堿蓬濕地和裸灘濕地的CH4排放通量；不同濕地類型間CH4排放通量與EC呈極顯著負相關,表明鹽分對CH4排放過程具有一定的抑制作用。而關于CH4排放與pH的相關性有待進一步研究。