生态学报  2017, Vol. 37 Issue (17): 5681-5690

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张强, 蒋国庆, 孙睿, 徐自为, 刘绍民
ZHANG Qiang, JIANG Guoqing, SUN Rui, XU Ziwei, LIU Shaomin.
张掖湿地甲烷通量动态特征及其影响因子
CH4 flux variations and main factors from a reed wetland oasis-desert area in Zhangye, China
生态学报. 2017, 37(17): 5681-5690
Acta Ecologica Sinica. 2017, 37(17): 5681-5690
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201606131130

文章历史

收稿日期: 2016-06-13
网络出版日期: 2017-04-24
张掖湿地甲烷通量动态特征及其影响因子
张强 1,2,3, 蒋国庆 1,2,3, 孙睿 1,2,3, 徐自为 1,2, 刘绍民 1,2     
1. 遥感科学国家重点实验室(北京师范大学, 中国科学院遥感应用研究所), 北京 100875;
2. 北京师范大学地理学与遥感科学学院, 北京 100875;
3. 环境遥感与数字城市北京市重点实验室, 北京 100875
摘要: 于2012年7月-2014年6月对地处干旱区的张掖湿地甲烷(CH4)通量进行观测,分析其CH4通量的变化特征及其影响因子。结果表明:CH4通量的日变化趋势总体表现为白天大于夜间;不同季节CH4通量排放特征差异明显,夏季最大,春秋次之,冬季最小;CH4通量日总量与空气温度、土壤温度之间指数相关关系显著,其中4 cm处土壤温度与之相关性最强;1-6月摩擦风速(U*)与CH4通量显著正相关;结合CO2通量观测数据,研究时段张掖湿地净碳吸收量为495.92 g C m-2 a-1,为明显碳汇。
关键词: 湿地     涡动相关     CH4通量     温度     摩擦风速    
CH4 flux variations and main factors from a reed wetland oasis-desert area in Zhangye, China
ZHANG Qiang 1,2,3, JIANG Guoqing 1,2,3, SUN Rui 1,2,3, XU Ziwei 1,2, LIU Shaomin 1,2     
1. State Key Laboratory of Remote Sensing Science, Jointly Sponsored by Beijing Normal University and the Institute of Remote Sensing Applications, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100875, China;
2. School of Geography and Remote Sensing Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;
3. Beijing Key Laboratory for Remote Sensing of Environment and Digital Cities, Beijing 100875, China
Abstract: Analyzing the characteristics and variations of CH4 flux in wetland would be very helpful in order to understand the importance of the carbon cycle in the terrestrial ecosystem. In the arid area, the Zhangye wetland features complex meteorological conditions, which have introduced obvious uncertainties into the carbon fluxes. However, there are few research studies on the carbon flux of wetland in the arid areas. It is helpful to strengthen the study of wetland ecological system in the arid areas. In order to study the dynamics of carbon flux in a wetland ecosystem, CO2 flux and CH4 flux were measured using an eddy covariance technique over a phragmites-dominated wetland in Zhangye, Gansu Province (from June in 2012 to August in 2014). In the present study, the CH4 flux variations and its main driving factors were analyzed based on the eddy covariance observations. The raw 10 Hz data were processed into 30 min mean values based on data quality control (spike detection, coordinate rotation, frequency response correction, etc.) and gap-filling (linear interpolation and Look-up Table method). The result showed the CH4 flux reaching its maximum in summer (0.34 g CH4 m-2 d-1), then spring and autumn, while getting the minimum values in winter (0.02 g CH4 m-2 d-1). Diurnal variation of CH4 flux indicated that the daytime values were higher than that of nighttime. There was an exponential relationship between CH4 flux and air temperature and soil temperature, and it was mostly correlated with the soil temperature in 4-cm depth, where the relationship was y=0.07614e0.03402x and R2 is 0.3560. CH4 fluxes also exhibited a strong relationship with friction velocity (R2=0.91 and 0.94, respectively, from January to March and from April to June). The enhanced turbulence could increase the ventilation and exchange of CH4 flux. CH4 flux significantly influenced the total carbon budget. By considering the absorption and emission of CO2 and CH4 fluxes, the net carbon uptake was 495.92 g C m-2 a-1. The carbon sink in Zhangye wetland was apparent during the study period.
Key words: wetland     eddy covariance     CH4 flux     temperature     friction velocity    

甲烷(CH4)的排放源主要包括天然湿地、稻田、天然气溢出、垃圾填埋场以及生物物质的燃烧, 其中湿地占所有天然CH4排放的70%, 占全球CH4通量的20%左右[1]。湿地生态系统水分过饱和造成的厌氧特性, 为CH4的产生提供了有利的条件[2]。CH4排放是由CH4产生、氧化和传输过程共同决定的, 这些过程受到多种因素的影响, 如温度、水位、植被状况等, 都是湿地生态系统中影响CH4通量的主要因子[1, 3]。CH4作为引起全球变暖的另一种重要气体, 虽然在大气中的浓度相较CO2偏低, 但作为一种红外辐射活性气体, 有很强的红外吸收带, 在百年尺度上, 单位质量CH4在大气中的增温效果是CO2的25倍[4]。一方面大气中CH4浓度的升高会导致全球变暖, 另一方面全球气温升高将加速北方冻土融化, 土壤中富含的有机碳分解释放到大气中, 进一步加剧了全球变暖的趋势。因此, 研究湿地CH4的变化规律及其对环境因素的响应特性, 不仅可以增加对湿地生态系统的了解, 更对加强湿地生态系统保护以及了解全球变暖的影响有重要意义。

目前, 国内外学者已从多个方面对湿地CH4变化特性和影响因素进行过研究。不同环境和植被类型, 湿地CH4通量有明显差异。黄国宏等[5]用封闭式箱法测定的辽河三角洲芦苇湿地CH4观测结果表明, 其排放有明显的季节变化规律, 淹水前土壤为CH4汇, 淹水期间有大量的CH4排放, 排水后CH4排放明显减少。Kang等[6]对英国北威尔士酸性泥炭沼泽和森林沼泽CH4的测定, 发现不同类型湿地CH4排放存在差异:酸性泥炭沼泽CH4排放高峰在春季和秋季, 而在森林沼泽, 其释放峰值出现在10月和11月。Rinne[7]等利用涡动相关技术观测北方沼泽湿地CH4排放, 发现无明显的日变化规律, 非雪期CH4排放量占全年的91%。Long[8]等分析了加拿大北部CH4的日变化和季节变化规律, CH4排放白天明显大于夜间, 且5月从0附近开始增大, 7月底达到峰值, 8月CH4排放开始变小。

张掖湿地地处河西走廊中部、黑河冲积扇形成的三角洲之上, 是由河流、草本沼泽、湿草甸等天然湿地, 以及人工湖、池塘、沟渠等人工湿地为主体构成的复合湿地生态系统, 湿地类型多样, 原生态特征突出[9]。目前关于干旱区湿地CH4通量的研究很少, 对张掖湿地CH4通量的观测研究有助于深入分析干旱区绿洲生态系统碳循环特征及变化规律, 并有利于干旱区绿洲生态系统的保护。本文基于2012年7月至2014年6月张掖湿地生态系统野外观测资料, 拟解决的关键问题如下:(1) 分析CH4通量变化特征及影响因素, 为研究干旱区CH4通量研究提供科学依据;(2) 结合CO2与CH4的吸收和排放, 准确评价干旱区湿地生态系统碳源汇功能。

1 材料与方法 1.1 研究区概况 1.1.1 地理位置

张掖市位于黑河流域中游, 其湿地共有天然湿地、人工湿地2个大类4个类型13个类别, 总面积为210420.42 hm2, 占全市国土面积的5.02%。其中天然湿地有河流湿地、湖泊湿地和沼泽湿地3个类型, 9个类别, 面积为199709.97 hm2, 占全市湿地总面积的94.90%;人工湿地有水产池塘、灌溉地、蓄水区、盐田4个类型, 面积为10710.45 hm2, 占全市湿地总面积的5.10%[9]。通量观测站位于甘肃省张掖市国家湿地公园内。张掖国家湿地公园位于张掖城区北郊(图 1), 总面积4108 hm2, 其中湿地面积1733 hm2, 多以芦苇湿地为主。

图 1 张掖湿地通量观测站地理位置(100.44640°E, 38.97514°N) Fig. 1 Position of eddy covariance tower of Zhangye wetland (100.44640°E, 38.97514°N) 红色十字标记处为通量塔位置
1.1.2 气候条件及植被长势分析

张掖地区气候属明显的温带大陆性气候, 其显著特点是:降水稀少且集中, 年内降水分布不均, 年际变化较大;蒸发强烈, 年平均蒸发量2047 mm。多大风、风沙天气, 风向以北风、西风为主;年平均气温6℃, 7月份气温最高, 1月份气温最低。

经地面调查, 湿地水位在4月和10月最高, 4月水位高是由于冰雪融化, 10月则是附近农田停止灌溉, 耗水量降低, 使湿地水位升高。此外, 由于政策原因, 在“均水”期水位也较高, 即黑河上游全线禁止灌溉, 直接供给内蒙古额济纳旗。一年内“均水”3次, 分别在6、7和9月, 每次10—15 d。

叶面积指数(LAI)是植被冠层结构的重要参数之一, 对于了解植被生长发育过程、植被长势等具有重要意义。本研究选择观测期间MODIS LAI产品(http://modis.gsfc.nasa.gov/)对张掖湿地植被长势进行分析(图 2)。生长季(5—10月)LAI均表现出先增大后减小的趋势, 非生长季LAI较小。不同年份LAI峰值有差异, LAI峰值差异体现了植被长势的差异。

图 2 研究时段MODIS LAI变化趋势 Fig. 2 MODIS LAI during the study period in Zhangye wetland
1.2 研究数据

张掖湿地通量观测站地理坐标为100.44640°E, 38.97514°N, 海拔1460.00 m, 是“黑河流域生态-水文过程综合遥感观测试验:水文气象要素与多尺度蒸散发观测试验”(Heihe Watershed Allied Telemetry Experiment Research-the Multi-Scale Observation Experiment on Evapotranspiration over heterogeneous land surfaces, HiWATER-MUSOEXE)[10-12]观测站点之一, 自2012年6月以来, 采用涡动相关系统对湿地生态系统碳通量进行连续测量。

涡动相关仪架设高度为5.2 m。涡动相关系统主要由三维超声风速仪(CSAT3, Campbell Scientific, USA)和开路CH4/H2O红外气体分析仪(Li-7500A, Licor Inc., USA)组成, 原始数据采样频率为10 Hz, 每30 min输出一组通量平均值以及10 Hz原始数据。超声风速仪朝向正北, 与CH4/H2O红外气体分析仪间距为25 cm。通量塔上配有风、温、湿梯度仪以及四分量辐射分析仪, 另外, 对塔下不同深度的土壤温度也进行测定。

1.3 数据处理 1.3.1 数据质量控制

在对CH4通量数据处理时, 基本处理步骤参考已较成熟的CO2通量处理方法[8]。采用Eddypro软件(http://www.licor.com/env/products/eddy_covariance/software.html)对涡动相关原始10 Hz数据进行处理, 主要步骤包括:野点值剔除、延迟时间校正、坐标旋转(二次坐标旋转)、频率响应修正、角度订正、超声虚温和密度(WPL)修正等[13]。由于大气稳定度、天气原因以及仪器的物理限制等影响, Eddypro软件输出的30 min通量值仍然存在一些野点, 需要进一步对通量数据进行质量控制, 剔除如下数据[14]:(1) 降雨前后1 h数据;(2) 超出仪器测量量程或者合理范围的数据;(3) 夜间摩擦风速(U*)低于临界值的数据;(4) CH4通量中的负值[15]。共剔除约60%的CH4通量无效数据。

1.3.2 数据插补

CH4通量数据插补时, 简单建立有效数据与温度或辐射的相关关系均不理想, 考虑到影响CH4通量排放的因素及现有数据, 最终利用土壤温度和辐射建立查找表分别对不同阶段的CH4通量数据进行插补。在建立查找表时, 由于CH4通量的量级较小, 微小的温度或辐射变化均会对插补结果产生较大影响。因此, 查找表中土壤温度和辐射的划分等级相对于CO2通量更为精细。利用查找表仍未插补的数据用临近值的线性平均值来代替。

2 结果 2.1 湿地CH4通量动态特征

本研究选择2013年4个不同时期CH4通量日均值分析其日变化规律:(1)3月1日至3月10日, 春季, 生长季初期;(2)7月21日至7月30日, 夏季, 生长旺季;(3)11月11日至11月20日, 秋季, 生长季末期;(4)1月21日至1月30日, 冬季, 非生长季。

图 3可以看出, CH4通量范围在0—0.5 μmol m-2 s-1之间, 整体排放量级明显小于CO2通量。日变化趋势总体表现为白天通量大于夜间通量, 且峰值集中在正午前后。不同季节CH4通量排放特征差异显著。CH4通量变化范围从冬季的0.01 μmol m-2 s-1到夏季0.1—0.4 μmol m-2 s-1, 其余两时段CH4通量均在0—0.1 μmol m-2 s-1内波动。

图 3 2013年张掖湿地不同季节CH4通量日变化规律 Fig. 3 Daily variations in CH4 flux in different seasons of Zhangye wetland

图 4可以看出, 湿地CH4通量有明显季节变化规律。冬季最小, 春秋次之, 夏季通量值最大。2012年7月至2014年6月平均CH4排放量为37.96 g CH4 m-2 a-1

图 4 CH4季节变化规律及4 cm处土壤温度变化趋势 Fig. 4 Seasonal variations of CH4 flux and soil temperature (4 cm)
2.2 CH4通量的影响因子分析 2.2.1 CH4通量对温度的响应

本文分析CH4通量日总量与空气温度、土壤温度之间的相关关系。CH4通量日总量与空气温度之间指数关系显著, 拟合关系式为y=0.07614e0.03402x, R2=0.3560。对比不同深度土壤温度与CH4通量日总量相关关系发现(表 1), 4 cm处土壤温度与之相关性最强, 即相对于其它深度的土壤温度, 4 cm处土壤温度更能代表产甲烷菌活性的最佳温度条件。

表 1 CH4通量与土壤温度拟合关系相关参数 Table1 Related relationships between CH4 flux and soil temperature
土壤深度Depth/cm a b R2
0 0.07347 0.03714 0.37419
2 0.07285 0.03804 0.37626
4 0.07315 0.03822 0.37775
10 0.07298 0.03949 0.37421
20 0.07061 0.04225 0.37106
40 0.06749 0.04865 0.37003
2.2.2 CH4通量对U*的响应

为了分析CH4通量与大气湍流之间可能的相关关系, 采用Long等[8]在2010年提出的方法进行分析。将2013年1月至11月的所有通量分为4个不同时间段:1—3月、4—6月、7—9月及10—11月。每个时间段数据按照U*排序, 并将数据等分为10组, 分别计算每组U*平均值、标准差及CH4通量平均值(图 5)。在1—3月和4—6月期间, CH4通量与U*相关性较强, 拟合关系式分别为y=0.087x+0.019, R2=0.91和y=0.170x+0.074, R2=0.94。7—9月、10—11月, CH4通量与U*相关性较弱, 拟合关系式分别为y=0.151x+0.113, R2=0.77和y=0.107x+0.080, R2=0.83。

图 5 CH4平均值与U*的相关关系 Fig. 5 Related relationship between CH4 flux and U*
2.3 湿地碳源汇分析

本研究选择2012年7月至2014年6月CH4通量数据, 结合CO2通量观测数据[16], 以月为步长分析CO2和CH4的吸收、排放关系。在图 6中, 碳的净吸收或排放为CO2和CH4的总碳排放与碳吸收之和, 正值表示碳排放, 负值表示碳吸收。可以看出, 3、4、5月由于温度增加, 生态系统呼吸大幅增加, 而受芦苇生长的影响, 光合作用固定的碳仍较小, 加之CH4排放, 湿地整体表现为碳源。除3、4、5月外, 其他月份碳吸收量均大于排放量, 为明显碳汇。

图 6 2012年7月至2014年6月张掖湿地CO2和CH4月总量变化趋势 Fig. 6 Seasonal variations of CO2 and CH4 flux of Zhangye wetland during the study period

研究时段年均碳吸收量为1287.30 g C m-2 a-1, 排放量为791.38 g C m-2 a-1, 即湿地净吸收碳495.92 g C m-2 a-1, 为碳汇。

3 讨论 3.1 CH4通量变化特征分析 3.1.1 CH4通量日变化特征

大量观测资料表明, 天然湿地CH4通量日变化大致有3种形式:日间极大值型、夜间极大值型和随机型[17]。张掖湿地CH4通量日变化特征属于日间极大值型, 不同季节日变化规律的差异主要是来自不同时期CH4排放和传输控制因素的差别。春季和冬季, 温度是制约CH4排放的主要因素;夏秋季由于天气因素、植被生长及水位变化等各种因素的综合影响, 使CH4排放的日变化更加复杂。

3.1.2 CH4通量季节变化特征

冬季由于温度较低, 产甲烷菌活性降低, CH4通量接近于零(0.02 g CH4 m-2 d-1)。春季随着温度升高, 产甲烷菌活性增强, CH4通量开始增大。同时3月底4月初有一明显的CH4排放峰值。分析4 cm处土壤温度数据可知(图 4), 该时间段温度开始回升至零度以上, 结合CH4产生的过程, 可推测是由于冬季结冰, 造成CH4传输不畅, 产生的CH4在冰面下累积, 到春季冰面消融时, 阻碍消失, 累积的CH4排放到大气中[18-19]。2013年春季CH4通量值比2014年高的原因主要是由于湿地公园通量站附近开挖河道, 一方面增加了水体覆盖的面积, 扩大了CH4产生的环境;另一方面挖取土壤有利于深层CH4的排放。夏季由于植被生长旺盛, 有足够的碳有机质底物, 并且温度较高, 产甲烷菌的活性增大, 因此CH4通量值最大(0.34 g CH4 m-2 d-1)。秋季温度降低, CH4通量开始变小。但在9、10月份出现了CH4通量峰值, Mastepanov等[19]研究也发现秋季的排放峰值, 并称之为“a late-autumn shoulder”。在关于张掖湿地水位的介绍中提到, 10月份由于农田不再需要灌溉, 湿地水位会升高。这有可能使得之前裸露地表被水覆盖, 造成更大面积的厌氧环境, 加之夏季植被生物量增加, 土壤有机质丰富, 为CH4的产生提供了充足的底物, 因此有更多的CH4气体产生。关于这一解释有待进一步探讨。

有关CH4通量季节变化的研究众多, 不同地区变化规律有一定差别。Singh等[20]发现印度北部湿地CH4排放最大值出现在夏季, 其次是雨季, 冬季最小。Khalila等[21]研究发现北半球大气中CH4出现两个峰值, 分别在春季(4月)和秋季(10月)。Song等[22]在中国三江平原的淡水湿地发现CH4排放从5月开始增加, 到7月达到最大值((30.5±23.5) mg C m-2 h-1), 8月中旬开始下降。张掖湿地CH4排放高值出现在夏季(植被生长旺盛)、秋季(水位升高)以及春季(冰雪融化)。不同湿地类型CH4排放的差别与影响因子差异有关。表 2可以看出不同湿地类型CH4年排放量差别较大, 在3—33 g CH4 m-2 a-1之间, 但均小于张掖湿地的CH4排放量。

表 2 不同湿地类型的CH4年排放量比较 Table2 Comparison of different CH4 flux in different wetland types
湿地类型
Wetland type
观测时间
Study Period
CH4年排放量
Yearly CH4 emission /
(g CH4 m-2 a-1)
地理位置
Location
参考文献
References
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西伯利亚苔原Siberia tundra 2003—2004 3.15 俄罗斯 [15]
芦苇湿地Reed wetland 2005 4 中国 [24]
北方沼泽Boreal minerotrophic fen 2005—2006 12.6 芬兰 [7]
亚寒带沼泽Subarctic mires 2006—2007 24.5、29.5 瑞典 [25]
近北极沼泽Subarctic fen 2008—2011 3.0—9.6 加拿大东北部 [26]
3.2 CH4通量影响因子分析 3.2.1 温度

温度作为影响湿地CH4排放的主要气候因子, 对CH4的产生、氧化以及传输过程都会产生影响[27], CH4通量的时间动态(日变化和季节变化)与之也有一定的相关性[1]。产甲烷菌活性的最佳温度在30—40℃, 低温会导致产甲烷菌及参与甲烷发酵过程的其他微生物活性降低从而减少CH4通量[1]

大量研究认为CH4通量与空气温度或土壤温度之间有明显的指数相关关系。Herbst等[28]发现日CH4通量与20 cm处土壤温度存在指数关系。Hanis等[26]认为CH4通量与空气温度和50 cm处土壤温度之间呈指数相关关系。Song等[22]则发现CH4通量与5 cm处土壤温度之间的相关关系最为明显。

3.2.2 摩擦风速

近地表的湍流与垂直风速密切相关, 诸多研究都表明CH4通量与大气湍流之间有一定的相关关系[29-31]。CH4通量依赖近地表的湍流可解释为水面和大气之间气体传输的扩散和湍流。湍流和风速的增大可能会产生一个薄的层流边界层, 导致在富集CH4的土壤层与湍流边界层之间有更高的CH4浓度梯度, 从而加强了CH4通量的扩散[32]。此外, 湍流的增强可以增加在平静期储存的CH4的通气和交换[33]

3.3 碳源汇分析

受气候变化等因素的影响, 湿地生态系统碳吸收与碳排放之间的平衡常常被打破。湿地能否继续作为碳汇, 或即将、已经成为碳源问题受到广泛关注[34]。Bäckstrand等[35]发现全球变暖使得北方高纬地区富含有机碳的永久冻土开始融化、分解, 由之前的碳汇变为碳源。Koehler等[36]对爱尔兰北方泥炭地进行了连续6a的观测, 发现其中有两年CH4和溶解性有机碳(DOC)的损失之和超过了CO2吸收量。Waddington等[37]发现在夏季较暖或干旱的年份, 北方泥炭地为大气碳源。

湿地生态系统碳源汇的年际差异, 主要来自于气候条件的年际变化。另外, CO2、CH4对温度的响应及湿地面积的减少, 可能导致厌氧与好氧环境相互转换, 这都可能造成张掖湿地碳源汇功能发生转变[38]

4 结论

本研究通过对张掖湿地CH4通量分析, 得出以下结论:

(1) CH4通量的日变化趋势总体表现为白天大于夜间, 在春季和冬季其变化趋势均呈倒“U”型分布, 且峰值集中在正午前后;不同季节CH4通量排放特征差异明显。夏季最大, 春秋次之, 冬季最小;

(2) CH4通量日总量与空气温度之间指数相关关系显著。不同深度土壤温度中, 4 cm处土壤温度与之相关性最强, 因此4 cm处土壤温度更能代表产甲烷菌活性的温度条件。1—6月U*与CH4通量显著正相关;

(3)2012年7月至2014年6月年张掖湿地平均年CH4排放量为37.96 g CH4 m-2 a-1。结合CO2通量观测数据, 研究时段张掖湿地净吸收碳495.92 g C m-2 a-1为碳汇。

致谢: 本文数据来自HiWATER试验, 感谢HiWATER试验全体参加人员。
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