神農架大九湖泥炭濕地二氧化碳和甲烷排放化學計量比研究

李永福，葛繼穩，翁聞暢，劉明盟，斯南雍茜，程臘梅，張志麒

(1.中國地質大學(武漢)盆地水文過程與濕地生態恢復學術創新基地，湖北 武漢 430074; 2.中國地質大學(武漢)濕地演化與生態恢復湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074; 3.中國地質大學(武漢)生態環境研究所，湖北 武漢 430074;4.武漢偉特倫生態環境研究所， 湖北 武漢 430079；5.神農架國家公園管理局，湖北 神農架林區 442400)

碳的自然平衡遭到破壞是大氣中溫室氣體濃度增加的根本原因，而濕地排放的溫室氣體約占自然排放源的70%[1-2]。已有研究表明，二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)對長壽命溫室氣體輻射強迫的貢獻率分別約為65%和17%[3]。2016年全球大氣中CO2和CH4的平均濃度創下新高，且過去十年來大氣中CO2和CH4的濃度以每年2.21 ppm和6.8 ppb的速度增長[3]。濕地生態系統是陸地生態系統的重要組成部分，具有巨大的能量與物質循環功能，對全球范圍的碳循環影響顯著[4-6]。因此，研究不同濕地生態系統的碳收支狀況及其運行機制對精確估算全球碳收支具有重要意義[7-8]。濕地厭氧的土壤環境為長期有機土內的碳儲存提供了獨特條件，但是這個過程卻與濕地CH4的排放密切相關[9]。濕地的低氧環境產出溫室氣體CH4和CO2，同時其碳源和碳匯功能近來也成為全球氣候變化研究關注的重點問題[10]。

生態化學計量學主要研究生態系統中化學元素的比例關系,目前主要集中在碳(C)、氮(N)、磷(P)元素的化學計量關系研究[11]。關于生態系統初級生產(CO2固定)和CH4排放的化學計量學特征在國外已開展了一些研究[12]，已有研究主要是以濕地CH4的初級控制[13]、低緯度沼澤[9]和加利福尼亞水稻稻田[14]為研究對象，目前尚未見以亞高山泥炭濕地為研究對象，運用渦度相關技術觀測并對其生態系統中碳釋放產物(CO2和CH4)排放化學計量比的動態變化及其影響因子的相關研究報道。

泥炭濕地是世界分布最廣的濕地類型，在全球碳循環和氣候變化中起著重要的作用[15-17]。即使在土壤有機碳超過90%的濕地生態系統中，也有強有力的證據表明，植物光合產物以根際分泌物的形式促進了CH4的產生，而頑固性土壤有機質的貢獻有限[18]。但是，濕地排放的CH4與驅動這些通量的生物物理過程之間的數量關系仍然存在相當大的不確定性，且凈CO2吸收可在多大程度上抵消CH4排放的輻射效應，目前尚不確定。而測量泥炭濕地CO2和CH4通量，并計算CO2與CH4通量的比值，能夠評估氣體通量之間轉化的潛力[19]。基于此，本文選擇神農架大九湖泥炭濕地為研究對象，運用渦度相關技術連續原位觀測，對該泥炭濕地CO2和CH4兩種碳釋放產物的排放特征及其相關性、CO2與CH4排放化學計量比的日/月動態變化及其與環境因子的相關性進行了分析，并對該泥碳濕地CO2與CH4排放化學計量比的動態變化進行了研究。研究CO2與CH4排放化學計量比對建立濕地生態系統碳交換模型十分有效，可為增加濕地碳固定、減少碳源溫室氣體排放提供重要的理論依據。

1 研究區概況

研究區神農架大九湖亞高山泥炭濕地位于湖北省西北部的神農架林區神農架大九湖國家濕地公園內，地理坐標為31°15′～31°75′N、109°56′～110°58′E之間，是華中地區最大的泥炭蘚沼澤類濕地。神農架地區主要受季風控制，屬于過渡性亞熱帶—暖溫帶山地季風氣候,全年日照較少，溫度較低，無霜期短，降水多，相對濕度大。據海拔1 990 m處大九湖站的多年氣象記錄，該地區年均降水量為1 535 mm，年均溫度為7.2℃，7月平均溫度為17.1℃，1月平均溫度為-2.4℃，其獨特的氣候條件造就了大九湖亞高山濕地資源。研究區濕地生態系統保存完好，具有原生性、典型性和代表性，在濕地保護、科學研究、監測等方面具有重要意義。

本研究使用的渦度相關觀測系統設置在神農架大九湖國家濕地公園3號湖附近，地理坐標為31°28′44.45″N、110°00′14.61″E，海拔高度為1 758 m。研究區成土母巖主要為沖積物和湖積物，土壤類型以沼澤土、草甸沼澤土和草甸土為主。該地區植被資源較為單一，喬木和灌木層缺失，草本層主要有泥炭蘚(Sphagnumpalustre)、苔草(Carexfulvorubescens)、紫羊茅(Festucarubra)、乳漿大戟(Euphorbiaesula)、地榆(Sanguisorbaofficinalis)、大金發蘚(Polytrichumcommune)、圓葉茅膏菜(Droserarotundifolia)、湖北老鸛草(Geraniumrosthornii)等。

2 研究方法與數據處理

2. 1 研究方法

本研究在大九湖泥炭濕地設立了通量觀測系統，主要由開路式CH4分析儀(LI-7700，LI-Cor，USA)、開路式CO2/H2O分析儀(LI-7500，LI-Cor，USA)和三維超聲風速儀(CAST3，LI-Cor，USA)組成，采樣頻率為10 Hz，在線通量系統(SMARTFlux)計算并存儲每30 min的CH4通量、CO2通量、摩擦風速等平均值結果。同時，還在大九湖泥炭濕地安裝了7900-103生物氣象輔助傳感器系統，用于測定空氣溫度/相對濕度(Vaisala HMP 155)、降雨量(TR-525USW)、光合有效輻射(LI-190SB)、凈輻射(CNR4)以及地面以下10 cm、20 cm、30 cm處3層土壤溫度(TM-L10)、土壤含水量(CS616)、土壤熱通量(HFP01SC)等環境因子，并通過Sutron數據采集器進行數據在線采集。定期進行現場儀器檢查與維護、數據下載及質量檢查等工作。

本次研究選用2017年3月至2018年2月共12個月的數據。其中，2017年3～5月代表春季，2017年6～8月代表夏季，2017年9～11月代表秋季，2017年12月至2018年2月代表冬季。生長季為5～10月，非生長季為11月到次年4月。

2. 2 數據質量控制與插補

因儀器故障或天氣突變等原因導致部分數據缺失或異常，故需要對收集的數據進行剔除和插補。

(1) 環境因子數據處理：先剔除環境因子數據異常值(即與平均值相差超過4倍標準差的數據，下同)；剔除異常值后對缺失的環境因子數據進行插補，本文采用“滑動窗口法”[20]對缺失的環境因子數據進行插補。

(2) CO2通量數據處理：首先剔除同期降雨的CO2通量數據，剔除低于摩擦風速(u*)臨界值的CO2通量數據(本文摩擦風速臨界值取0.15 m/s)，剔除超出CO2通量閾值的數據[即指-22.72 μmol/(m2·s)≤CO2通量≤22.72 μmol/(m2·s)以外的數據]，剔除夜間CO2通量小于零的數據，剔除CO2通量的異常值；然后對CO2通量缺失數據進行插補，具體插補方法如下：

①對于白天缺失的凈生態系統CO2通量數據采用Michaaelis-Menten[21-22]公式進行擬合后插補：

(1)

式中：NEE為渦度相關系統測得的CO2通量數據；Re為白天生態系統暗呼吸速率[μmol CO2/(m2·s)]；PPFD為光量子通量密度[μmol/(m2·s)]；α為生態系統表觀光量子效率(μmolCO2/μmol)；Amax為最大光合速率[μmol CO2/(m2·s)]，即為PPFD趨于極大值時的生態系統凈光合速率。

②對于生長季夜間缺失的凈生態系統CO2通量數據采用Van't Hoff[23-24]公式進行擬合后插補：

Re=aexp(bTs)

(2)

式中：Re為渦度相關系統測得的CO2通量數據；a和b為擬合系數；Ts為土壤溫度(℃)。

③對于非生長季夜間缺失的凈生態系統CO2通量數據采用“滑動窗口法”進行插補。

(3) CH4通量數據處理：先剔除降雨時刻的CH4通量數據，剔除低于一定摩擦風速臨界值的CH4通量數據，剔除CH4通量的異常值；然后對CH4通量缺失數據采用“滑動窗口法”進行插補。

2. 3 數據處理

本文利用Excel和Origin軟件對數據進行統計與處理，研究大九湖泥炭濕地的主要環境因子、CO2和CH4通量的日/月動態變化特征，并利用SPSS軟件對CO2與CH4排放化學計量比及其與環境因子的相關性進行分析。其中，CO2與CH4排放化學計量比(CO2∶CH4比值)采用CO2與CH4物質的量之比。

3 研究結果與分析

3.1 大九湖泥炭濕地CO2和CH4排放特征分析

3.1.1 CO2和CH4通量的日動態變化

2017年3月1日至2018年2月28日，神農架大九湖泥炭濕地CH4和CO2通量的日動態變化，見圖1。

圖1 大九湖泥炭濕地CO2和CH4通量的日動態變化Fig.1 Daily average dynamics variation of CO2 and CH4 fluxes in Dajiuhu peat wetland

由圖1可見，大九湖泥炭濕地CH4通量的日平均變化范圍為-0.000 266 212 μmol/(m2·s)～0.055 064 179 μmol/(m2·s),最小值在2017年4月9日，最大值在2017年9月9日，全年CH4通量的日平均值為0.016 724 164 μmol/(m2·s)；CO2通量的日平均變化范圍為-1.620 857 89 μmol/(m2·s)～2.844 654 89 μmol/(m2·s)，最小值在2017年7月17日，最大值在2018年1月9日，全年CO2通量的日平均值為0.543 265 083 μmol/(m2·s)。

3.1.2 CO2和CH4通量的月動態變化

2017年3月至2018年2月，神農架大九湖泥炭濕地CH4和CO2通量的月動態變化，見圖2。

由圖2可見，2017年3月至2018年2月大九湖泥炭濕地CH4通量的月平均值分別為0.002 948 434 μmol/(m2·s)、0.004 066 08 μmol/(m2·s)、0.006 570 031 μmol/(m2·s)、0.018 200 944 μmol/(m2·s)、0.033 555 93 μmol/(m2·s)、0.043 221 581 μmol/(m2·s)、0.043 887 734 μmol/(m2·s)、0.019 501 647 μmol/(m2·s)、0.010 649 19 μmol/(m2·s)、0.006 012 035 μmol/(m2·s)、0.004 828 508 μmol/(m2·s)、0.006 586 373 μmol/(m2·s)，均表現為排放，CH4通量的月平均變化為從2017年3月至9月逐漸上升至最高，后從2017年9月至2018年1月下降再升高；2017年3月至2018年2月大九湖泥炭濕地CO2通量的月平均值分別為0.859 413 309 μmol/(m2·s)、0.682 302 153 μmol/(m2·s)、0.222 694 235 μmol/(m2·s)、-0.178 809 695 μmol/(m2·s)、-0.406 196 101 μmol/(m2·s)、0.069 264 079 μmol/(m2·s)、0.182 846 088 μmol/(m2·s)、0.158 505 376 μmol/(m2·s)、1.094 837 476 μmol/(m2·s)、1.118 725 479 μmol/(m2·s)、1.672 676 943 μmol/(m2·s)、1.082 460 41 μmol/(m2·s)，均表現為先排放、后吸收再排放，CO2通量的月平均變化為從2017年3月至7月逐漸下降至最低，后上升至2018年1月最高再下降。

圖2 大九湖泥炭濕地CO2和CH4通量的月動態變化Fig.2 Monthly average dynamics variation of CO2 and CH4 fluxes in Dajiuhu peat wetland

3.2 大九湖泥炭濕地CO2與CH4的排放關系分析

CO2和CH4是濕地生態系統土壤碳分解的兩種主要產物，由于在濕地土壤環境中，分解產生的CO2經過氫還原可以生成CH4，厭氧分解產生的CH4可以被甲烷氧化菌氧化生成CO2，因此兩種產物在理論上應存在一定的聯系。本文針對神農架大九湖泥炭濕地CO2與CH4通量的日平均關系、不同季節月平均關系進行了線性、二次函數和指數擬合，得到大九湖泥炭濕地CO2與CH4排放的相關性擬合結果，見表1。

表1 大九湖泥炭濕地CO2與CH4排放的相關性擬合結果

注：“**”表示在 0.01 水平(雙側)上顯著相關；“*”表示在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。

大九湖泥炭濕地CO2與CH4通量的日平均關系擬合結果，見圖3。

圖3 大九湖泥炭濕地CO2與CH4通量的日平均關系擬合結果Fig.3 Fitting result of the relationship between CO2 and CH4 daily average flux in Dajiuhu peat wetland

由圖3可見，大九湖泥炭濕地在CO2與CH4通量的日平均關系擬合下，各季節CO2與CH4排放的相關性均表現為一元二次的擬合效果最佳，其中夏季呈正相關關系，而春、秋和冬季呈負相關關系，其中春季呈極顯著負相關關系，秋季呈顯著負相關關系。

大九湖泥炭濕地CO2與CH4通量的月平均關系擬合結果，見圖4。

由圖4可見，大九湖泥炭濕地在CO2與CH4通量的月平均關系擬合下，各季節CO2與CH4排放的相關性在夏、秋季表現為一元二次擬合效果最佳，而春、冬季則表現為線性擬合效果最佳，其中春季呈顯著負相關關系。

3.3 大九湖泥炭濕地CO2與CH4排放化學計量比的日/月動態變化分析

大九湖泥炭濕地CO2與CH4排放化學計量比(CO2∶CH4比值)的日動態變化及其擬合曲線，見圖5。

由圖5可見，大九湖泥炭濕地CO2∶CH4比值的日平均最小值[-106.359 139 2 μmol/(m2·s)]出現在2017年5月4日，最大值[920.813 512 4 μmol/(m2·s)]出現在2018年1月12日；全年CO2∶CH4比值的日動態整體變化趨勢為先降低再升高，符合二項式擬合，即y=0.013x2-67 328.822 02x+8.274 67×1010，R2為0.154 01；春、冬季CO2∶CH4比值的日動態變化離散程度較大，而夏、秋季其聚合程度較好；2017年3月至2018年2月全年CO2∶CH4比值的日平均值為153.463 122 2 μmol/(m2·s)。

大九湖泥炭濕地CO2與CH4排放化學計量比(CO2∶CH4比值)的月動態變化及其似合曲線，見圖6。

由圖6可見，大九湖泥炭濕地CO2∶CH4比值的月平均最小值[-12.105 046 91 μmol/(m2·s)]出現在2017年7月，最大值[346.416 912 2 μmol/(m2·s)]出現在2018年1月；全年CO2∶CH4比值的月動態整體變化趨勢從1月份至7月份降低，后上升至1月份達到峰值后下降。

3.4 大九湖泥炭濕地CO2與CH4排放化學計量比的日/月動態變化與環境因子的相關性分析

根據大九湖泥炭濕地已有的相關通量研究成果,本文選擇共同影響CO2和CH4的敏感環境因子作為研究影響大九湖泥炭濕地CO2∶CH4比值的日/月動態變化的環境因子。大九湖泥炭濕地CO2與CH4排放化學計量比(CO2∶CH4比值)的日/月動態變化與環境因子的相關性分析結果，見表2。

圖4 大九湖泥炭濕地CO2與CH4通量的月平均關系擬合結果Fig.4 Fitting result of the relationship between CO2 and CH4 monthly average flux in Dajiuhu peat wetland

圖5 大九湖泥炭濕地CO2與CH4排放化學計量比 (CO2∶CH4比值)的日動態變化及其擬合曲線Fig.5 Daily dynamic variation and fitting curve of CO2∶CH4 in Dajiuhu peat wetland

圖6 大九湖泥炭濕地CO2與CH4排放化學計量比 (CO2∶CH4比值)的月動態變化及其擬合曲線Fig.6 Monthly dynamics variation and fitting curve of CO2∶CH4 in Dajiuhu peat wetland

表2 大九湖泥炭濕地CO2與CH4排放化學計量比(CO2∶CH4比值)的日/月動態變化與環境因子的相關性分析

注：“**”表示在 0.01 水平(雙側)上顯著相關；Ta為空氣溫度平均值;Ts10為地面以下10 cm處土壤溫度;Ts20為地面以下20 cm處土壤溫度;Ts30為地面以下30 cm處土壤溫度;SWC10為地面以下10 cm處土壤含水量;SWC20為地面以下20 cm處土壤含水量;SWC30為地面以下30 cm處土壤含水量。

由表2可知，空氣溫度、土壤溫度和土壤含水量在不同程度上影響著大九湖泥炭濕地CO2和CH4的排放，作為關鍵環境影響因子，其對CO2與CH4比值也會有較大影響，其中CO2∶CH4比值與空氣溫度、土壤溫度呈極顯著負相關，CO2∶CH4比值與土壤含水量呈極顯著正相關；CO2∶CH4比值除與SWC20月平均不顯著外，其與其他環境因子均呈現極顯著相關。

4 結論與討論

(1) 從CO2和CH4排放特征來看，大九湖泥炭濕地整體表現為CH4的源，這與李艷元等[25]的研究結果一致，且泥炭濕地全年CH4通量表現出較明顯的月和季節變化規律，CH4排放峰值出現在9月份；泥炭濕地全年CO2通量具有明顯的月和季節變化規律，生態系統生長季 CO2通量的日變化規律明顯，整體呈“U”型曲線，這與彭鳳姣等[26](2017)的研究結果一致；泥炭濕地全年CO2排放尺度大于CH4。

(2) 從CO2與CH4排放的相關性擬合結果來看，大九湖泥炭濕地總體上各季節CO2與CH4排放的月平均關系擬合效果較好，而其日平均關系的擬合效果較差；CO2與CH4排放的月平均關系表現為線性擬合或一元二次的擬合效果最佳，而CO2與CH4排放的日平均關系均表現為一元二次的擬合效果較好；CO2與CH4排放的日平均關系擬合中春季和秋季的擬合效果優于夏季和冬季。分析原因認為：第一，由于CO2與CH4排放的月平均關系擬合中，擬合數據為平均值，且數據量較少，故而擬合效果好且多為線性擬合效果最佳，而在CO2與CH4排放的日平均關系擬合中，由于數據量大且每日碳源溫室氣體排放量變化不穩定，故而其擬合效果不佳；第二，由于大九湖泥炭濕地夏季和冬季的環境較為極端，故而數據變化浮動較大，為了與文獻報道數據進行對比，利用SPSS軟件對2017年7月至10月大九湖泥炭濕地CO2與CH4的日平均排放數據進行Pearson相關性分析，可知該時間段內泥炭濕地CO2與CH4的日平均排放之間呈正相關關系，相關系數為0.157(N=123)但不顯著，此結果與郝慶菊等[27]和宋長春等[28]研究得出的三江平原沼澤濕地土壤中CO2與CH4排放之間呈顯著正相關關系的研究結論較為相符，但后者試驗采用靜態暗箱法且采樣頻率較低。另外，廖稷[29]在閩江河口蘆葦濕地的研究也表明CH4與CO2排放之間呈極顯著正相關關系，但鄒建文等[30]針對稻田的研究表明整個生長季或淹水狀態下CH4與CO2排放之間無明顯的相關性。

(3) 大九湖泥炭濕地CO2∶CH4比值的日動態變化較符合一元二次擬合，而CO2∶CH4比值的月動態從2017年3月到2018年1月呈現“U”型曲線，1月達到最大值后下降，因為2月溫度逐漸升高；該泥炭濕地全年CO2∶CH4比值的日平均與CO2呈極顯著正相關關系，其相關系數為0.436(N=365，p<0.01)。在本研究區域，CO2∶CH4比值在很大程度上取決于CO2排放量的大小，這是因為該泥炭濕地全年CH4多為排放，而CO2在夏季多為吸收，且CO2通量的數量級要遠大于CH4。建議后續研究增加年份變化的樣本數據，在更大的時間尺度上來對比探討大九湖泥炭濕地CO2∶CH4比值的變化規律，從而對泥炭濕地碳源溫室氣體通量之間的關系與排放估算提供有力依據。

(4) 本文將大九湖泥炭濕地CO2∶CH4比值與環境溫度、土壤溫度、土壤含水量進行了相關性分析，結果表明：CO2∶CH4比值的日平均變化與環境因子均顯著相關。由于泥炭濕地中CH4多為排放(正值)，所以CO2∶CH4比值的正負多取決于CO2的排放。大九湖泥炭濕地CO2∶CH4比值與環境溫度和土壤溫度呈負相關關系，說明溫度升高，泥炭濕地CO2的排放降低(或吸收)。這是因為：在缺氧和土壤還原的條件下，隨著溫度的升高，泥炭中產甲烷菌活性增強，CH4產生量也越高，而泥炭濕地生態系統植物光合作用的增強導致泥炭濕地CO2呈吸收狀態，故CO2∶CH4比值降低；溫度下降，泥炭中產甲烷菌活性減弱，CH4產生量也降低，而泥炭濕地生態系統呼吸作用的增強導致泥炭濕地CO2的排放增加，故CO2∶CH4比值上升。泥炭濕地CO2∶CH4比值與土壤含水量呈正相關關系，這是由于土壤含水量在植被生長季較低，而在非生長季較高，這種變化狀況與CO2的變化相似：在植物生長季，光線較強，溫度較高，土壤中水分蒸發較大，導致植物光合作用強烈，泥炭濕地為CO2的匯；而在植物非生長季，土壤中水分蒸發較小，土壤水分保持較好，而此時泥炭濕地為CO2的源，故CO2∶CH4比值與土壤含水量呈正相關關系。