夏季互花米草植物體介導的甲烷排放日進程特征

摘要 利用懸管裝置，在夏季對閩江河口濕地外來入侵種互花米草植物體介導的甲烷傳輸排放途徑日進程氣樣進行采集，氣相色譜測定甲烷濃度，同時利用靜態箱+氣相色譜法測定了互花米草沼澤濕地甲烷排放通量的日進程動態。結果表明：在夏季一個日進程中互花米草植物體介導的甲烷傳輸排放量呈動態變化，在18：00達到相對高峰值?；セ撞葜仓?～20 cm部位甲烷傳輸釋放能力最強，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；各測定時刻互花米草植物體甲烷傳輸排放量對于相應時刻互花米草沼澤濕地甲烷排放通量的貢獻率呈波動變化，變化范圍分別為5.41%～21.08%，平均為10.42%；針對互花米草沼澤濕地，甲烷排放通量平均值為52.31 mg/（m2·h）。

關鍵詞 日進程；植物體傳輸途徑；互花米草

中圖分類號： 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）06–0182-03

全球變暖已成為當今世界普遍關注的環境問題之一，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。CH4的排放是CH4產生、氧化和傳輸綜合作用的結果，濕地為CH4的產生提供了良好的厭氧環境和產生底物，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東南沿海河口海灣潮汐沼澤濕地主要的外來入侵種。仝川等[2]（2009）原位測定了閩江河口互花米草濕地甲烷排放通量的季節動態，但是關于互花米草的甲烷傳輸日進程變化特征當前還極少見報道。以閩江口互花米草沼澤濕地為研究對象，夏季以不破壞植株為前提，對互花米草CH4傳輸日變化特征進行觀測探討，以更深入地認識濕地植物傳輸甲烷的能力及其規律。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

鱔魚灘濕地是閩江河口區面積最大的感潮濕地，地理坐標為119°34′12″E～119°40′40″E，26°00′36″N～26°03′426″N，降水多發生在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入侵物種，其中主要的本地優勢植物為蘆葦（Phragmites australis）和短葉茳芏（Cyperus?malaccensis Lam. var. brevifolius Bocklr.）。

近年來，外來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的潮灘和近高潮灘，生長十分迅速，區域內已存在大面積的入侵斑塊，在區域的生態系統中占據重要位置。在鱔魚灘濕地中西部的中偏高潮灘地段選擇1個互花米草入侵斑塊，設置1個面積為20 m×20 m的大樣方開展研究。

1.2 植物體介導的甲烷排放途徑氣樣采集

為減少取樣時的踐踏干擾，搭設木制棧橋直通取樣測定樣地。2009年夏季的1個小潮日進行互花米草植物體甲烷傳輸日進程24 h采樣，采樣時間均為第1天的12：00至翌日12：00，采樣時間間隔為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Lars等[3]測定植物體甲烷傳輸的裝置進行改進，設計了可調整高度，且更適合互花米草植株測定的懸管裝置。在研究樣地共選擇12個高度和長勢相近的互花米草植株，3個為1組，分別用以測定不同高度部位及整株的甲烷傳輸排放量。懸管用透明有機玻璃管制成，壁厚2 mm，直徑10 cm，頂部密閉并安裝風扇，采樣時，打開風扇以混勻管內氣體。采樣時，將支架提前安放在樣地，用有機玻璃管罩住植株，在有機玻璃管上纏上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，根據試驗處理設計，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用醫用止血帶扎緊，保證氣密性（圖1）。在每個3 h內，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，采樣結束后，將氣樣帶回實驗室立刻進行測定。

1.3 互花米草沼澤濕地甲烷通量氣樣采集

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

1.4 測定甲烷濃度設備及參數

采用島津GC-2010氣相色譜儀分析氣樣的甲烷含量。甲烷檢測器為FID（氫離子火焰化檢測器），載氣為氮氣，流速20 mL/min；氫氣為燃氣，流速為47 mL/min；空氣為助燃氣，流速為400 mL/min，檢測器溫度為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算

懸管法植物體介到的甲烷傳輸排放量（F）計算公式：

式（1）中，F[（mg/（株·h）]為植物體介導的甲烷傳輸排放量；M（g）為甲烷的分子量；V（L）為標準狀態下1 mol甲烷的體積；dc/dt（×10-6/h）為甲烷含量變化率；T（℃）為懸管內溫度；V1（L）為懸管體積。甲烷含量變化率通過對每次采集的3個氣樣的甲烷含量測定值進行線性回歸分析獲得[4-6]。為了保證數據的質量，只有當以上線性回歸分析中的相關系數R2＞0.9時，才認為數據有效。

互花米草濕地甲烷排放通量計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算公式：

式（2）中，F0為地面以上20 cm植株部位甲烷排放量計算值；F單為互花米草整株傳輸排放甲烷量的測定值；F1為地面以上20 cm以上植株部位甲烷排放量測定值；F2為20 cm至半株高部位甲烷排放量計算值；F半為半株高以上部位甲烷排放量測定值。

互花米草植株不同高度部位甲烷傳輸排放量對整株植物甲烷傳輸排放量貢獻率計算公式：

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單為互花米草整株傳輸排放甲烷量測定值，以此計算互花米草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整株植物傳輸排放量的貢獻率。

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算公式：

F種群=F單×d（4）

式（4）中，F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濕地為互花米草沼澤濕地甲烷通量。

1.6 環境因子測定

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（IQ Scientific Instruments）測定；土壤鹽度（以電導率表征）采用2265FS便攜式電導鹽分/溫度計（Spec-trum Technologies Inc.）測定。

1.7 數據處理及分析

此次野外試驗煙研究的各項指標均值和標準誤差可使用工作中常用的EXCEL軟件進行計算統計分析，再利用常規數理統計常用的SPSS 13軟件進行結果統計，SPSS 13軟件中的One-Way ANONY分析白天和夜間植物體介導的甲烷傳輸排放量的差異[8-12]。

2 結果與分析

2.1 夏季植株介導的整株互花米草甲烷傳輸排放量日進程動態

夏季互花米草植物體甲烷傳輸排放量的日進程變化（圖2）在18：00達到1個甲烷排放的相對峰值，為112.5 μg/（株·h），而在00：00降到了1 d的最低值，49.0 μg/（株·h）。通過對各測定時段之間互花米草植株甲烷傳輸排放量的顯著性比較，結果發現它們之間并無顯著性差異（P＞0.05）。對于植物體介導的互花米草整株甲烷傳輸排放量，以測定日中06：00～18：00時段的平均值作為白天平均值，得出為84.5 μg/（株·h），測定日中21：00至翌日03：00時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程變化

夏季互花米草沼澤濕地甲烷排放通量日進程具有較明顯的動態變化，在15：00和03：00分別達到2個排放高峰值，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），其余測量時間點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有顯著的差異（P＞0.05）。利用每個時段測定結果計算其日平均值，夏季測定日互花米草沼澤濕地甲烷通量平均值為52.31 mg/（m2·h）。

3 結論與討論

本研究在不破壞植物體與其生長環境的情況下對夏季閩江河口互花米草沼澤濕地進行了不同部位植物甲烷傳輸、濕地甲烷排放通量與環境因子的日變化的測定。結果表明：互花米草植物體介導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達到最大值，隨后有先下降后上升的趨勢，白天平均傳輸排放量大于夜間。出現此現象主要與甲烷的傳輸機制有關，傳輸機制包括有分子擴散和對流傳輸，濕地范圍內植物種類較多，植物內部管徑不同，傳輸的路徑不一致也與不同植物種類的內部管徑結構相關。

互花米草白天采用的傳輸機制是對流傳輸，夜間的傳輸機制擇轉為分子擴散，因此，白天傳輸的量大于夜晚。有研究表明，光合有效輻射被認為是影響甲烷排放日變化的重要因素，表現在完成擴散主導向對流主導的傳輸方式的轉換，增加氣孔導度，以及產生更多的與甲烷產生密切相關的光合作用碳（photosynthesized carbon）。

互花米草沼澤濕地甲烷排放通量在1 d中具有一定的波動性，其變化趨勢表現為雙峰型。在首日的15：00和翌日的03：00均出現1個較大值；白天均值也大于夜間，產生的原因較多，如溫度的晝夜差異、白天相對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，濕地甲烷排放過程受到許多物理，化學，生物因素的共同影響，單因子關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果為甲烷通量最大值出現在09：00，最低值出現在00：00。

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

為了在24 h內以每3 h間隔連續采集互花米草植物體介導的甲烷傳輸排放氣樣集，本研究選定在小潮日進行觀測和取樣，小潮日研究樣地基本無潮水水淹，因此，研究結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的甲烷傳輸排放日進程特征。在今后的研究中，需要進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的甲烷傳輸排放日進程規律，但如何采集一天內潮水水淹階段（漲落潮階段，為7～8 h）互花米草植物體介導的排放到大氣和潮水中的甲烷氣樣，需要創新采樣氣室設計，目前還未見對于包括潮水水淹過程的植物體介導的甲烷傳輸排放日進程的文獻報道。

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責任編輯：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

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

收稿日期 2023-03-22