白洋淀芦苇型水陆交错带湿地CH4和CO2的排放特征

牛翠云， 王树涛， 郭艳杰， 刘 微， 张俊梅

(1.河北农业大学资源与环境科学学院，河北保定 071001； 2.河北农业大学国土资源学院，河北保定 071001；3.河北省农田生态环境重点实验室，河北保定 071001； 4.河北大学化学与环境科学学院，河北保定 071002)

碳(C)是全球气候变化的重要影响因素之一，在大气圈碳库中主要以甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)的形式存在。其中，作为主要温室气体的甲烷对全球气候变暖的贡献率达到了20%～39%[联合国政府间气候变化专门委员会(intergovernmental panel on climate change，简称IPCC)，2007年]。大气中的CH4含量已从工业革命前(1750年)的 0.72 μmol/mol 上升到了2012年的1.82 μmol/mol，提高了约1.5倍(IPCC，2014年)。CO2浓度已经从工业革命前的 280 μmol/mol 增加到现在的393 μmol/mol(IPCC，2014)[1]。土壤碳库也是地球碳库的一个重要组成系统，土壤碳库与大气碳库间的循环对于温室气体的排放影响最大[2]。大气圈环境与土壤圈环境间存在着密切联系[3]，特别是大气圈与土壤圈之间的碳循环[4]。与此同时，湿地面积虽然只占土地面积及淡水面积的6%～8%，但是却储存了约15%的地球上陆地有机碳含量[5]。湿地系统是否是碳循环的源或汇，与碳在湿地系统中迁移转化和循环的过程关系密切，因此，研究碳在湿地中的迁移转化过程对于研究碳库循环的意义重大[6]。

水陆交错带是处于水生态系统和陆地生态系统之间的重要界面区，其特殊的边界效应使其往往成为流域生物地球化学循环的“热区”[6-7]。水陆交错带是具有特殊功能的环境过渡带，其在水陆系统之间的能量流动和物质循环中都发挥着独特的作用且具有显著的生态边缘效应。健康的水陆交错带对流经的河流水体及其所携带的物质具有较强的截留和过滤作用[8]。近年来，国内外学者对水陆交错带的研究主要集中在湿地的开发利用和保护上，对生物多样性、水体净化及其截留、滤过作用也有一些研究[9-10]，但是关于该生态区域碳素循环特征的研究很少涉及。本研究以白洋淀地区具有代表性的芦苇型水陆交错带湿地区域为研究对象，对其甲烷、二氧化碳排放的时空规律及相关土壤环境因子进行研究，以期深入理解和认识芦苇型水陆交错带湿地的固碳功能及碳循环的变化特点，为研究大气圈与土壤圈之间的碳循环特征及利用湿地进行碳减排提供参考依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

白洋淀地处38°43′～39°02′N、115°38′～116°07′E，由白洋淀、藻苲淀、马棚淀、腰葫芦淀等143个大小不等的淀泊组成，总面积为366 km2(水面大沽高程为10.5 m)[11]，其中85.6%的水域在安新境内，几乎占据安新县总面积的1/2。淀区地势自西北向东南倾斜，自然坡度为1 ∶7 000。白洋淀总流域面积为31 199 km2，占大清河水系流域面积的96.13%。该区地处暖温带大陆性季风气候区，年降水量为506.5 mm，年平均气温为7～12 ℃。白洋淀上游主要有8条入淀河流，近年来入淀径流量很少，除府河外，其他河流基本已断流。白洋淀不同于其他内陆淡水湖泊，其间有台田、水道纵横分布于白洋淀各大淀区之间[12]，其台地植被主要以芦苇群落为主。在全淀范围内，水陆交错带发育相对良好，主要有芦苇植被群落、苇地间沟壕和开阔淀水，其中以芦苇植被为景观特征的水陆交错带面积约占36%[13]。

1.2 采样点设置

本研究依据白洋淀污染源及污染的空间分布特点，并兼顾采样的可行性和代表性，选择了2个典型水陆交错带样点，分别为东里庄(S1点，地理位置38°49.653′ N、115°58.711′ E)和南刘庄(S2点，地理位置38°53.990′ N、115°56.635′ E)。2个采样点芦苇发育均良好，生长旺盛，面积适中，且基本无人为破坏。S1点周边临近村庄，生活污水乱排、垃圾乱堆现象严重，受生活污染影响较大。S2点周边临近养鱼场，有封闭式或开放式鱼塘，鱼塘定期投放饵料，受渔业生产污染影响相对较大。确定采样点后，于2015年3—11月，历经近1年的时间，定期对采样点处的气体CH4和CO2、土壤等样品进行采集。

1.3 样品的采集与测定

1.3.1 气体的采集与测定 甲烷、二氧化碳气体采用密闭式静态箱法测定。箱体由2个部分组成：上部箱体为圆柱体形式的聚氯乙烯(polyvinyl chloride，简称PVC)箱(直径14 cm、高15 cm)，箱体顶部设1个气体取样口，底部开口可以罩在PVC底座上；下部底座为四周有水槽的圆柱体，测定前将底座插入表层土中。抽气取样时，将水封槽内注满水，然后将气密室密封罩罩上，形成1个密闭性气体空间，然后从箱体顶端的取样口用50 mL注射器取气体样品。气体样品采用CA-6气体样品进样仪进样，利用Agilent 7890A型气相色谱仪进行分析。N2O检测器为电子捕获检测器(ECD)，分离柱内填充料为80～100目Porpak Q，载气为高纯N2，流量为 30 mL/min，检测器温度为330 ℃，分离柱温度为55 ℃。

利用以下公式计算气体通量：

F=ρ·(V/A)·(ΔC/ΔT)·273/(273+T)=ρ·H·(ΔC/ΔT)·273/(273+T)。

式中：F为被测气体通量，μg/(m2·h)；A为采样箱底座所包围的土壤面积，m2；V为采样箱的容积，m3；ΔC/ΔT为采样箱内被测气体质量随时间的变化，一般气体浓度以体积比计，因此该项单位为h-1；ρ为标准状态下温室气体的密度，μg/m3；H为采样箱高度，m。

1.3.2 土壤样品的采集及测定 土样采集后自然风干，磨碎并过100目筛后备用。土壤pH值采用电位计法测定；土壤含水率采用烘干法测定；有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定。

所有数据均为所设置重复的平均值，数据处理分别采用Excel作图，用SPSS 19.0统计软件进行数据的相关统计分析。

2 结果与分析

2.1 芦苇型水陆交错带土壤CH4排放的季节变化特征

如图1所示，白洋淀湿地水陆交错带土壤CH4排放通量具有明显的季节变化规律，且不同采样点CH4排放通量均表现出一致的变化趋势。夏季CH4排放通量最大，秋、冬季次之，春季较小。在不同的月份，CH4的排放通量各不相同，从3月到11月，2个采样点的CH4排放通量均呈现出先增加后减少的变化趋势。从3月到8月，2个采样点的CH4排放通量呈现出逐渐上升的趋势，并在8月芦苇生长最旺盛时期达到最大值，8月之后则呈现出迅速下降的趋势，在春季的3、4、5月以及秋冬季的9、10、11月，CH4的排放通量处于较低水平，但是秋冬季节的排放通量略高于春季。2个采样点CH4排放通量的最大值均出现在夏季的8月，分别是406.27、435.91 μg/(m2·h)，S2采样点略高于S1采样点；比较2个采样点的最小值可知，S1采样点的最小值出现在4月，为 26.66 μg/(m2·h)，S2采样点的最小值出现在3月，为 15.91 μg/(m2·h)；分析2个采样点CH4全年排放通量中值(平均值)可知，S1、S2采样点分别为144.35、146.48 μg/(m2·h)，处于同一水平。季节排放差异主要是受温度的影响，尤其是土壤温度对土壤微生物活性和CH4的产生排放都有非常重要的影响，它主要制约有机质的分解，调节参与CH4形成的微生物活性，同时对CH4的氧化输送起着至关重要的作用[14]。2个具有不同环境特点的水陆交错带湿地CH4排放通量随季节变化呈现出良好的一致性，且季节性变化规律明显。很多研究表明，CH4排放量在夏季最高，在冬季和早春季节最低[15-17]，这与本研究的观测结果是一致的。

2.2 芦苇型水陆交错带土壤CO2排放的季节变化特征

如图2所示，在不同的月份，CO2的排放通量各不相同，从3月到4月出现了小幅度的下降，从4月到11月均呈现出先增加后减少的变化趋势。与CH4排放通量的变化稍有区别，CO2的排放通量在春季的3、4、5月和冬季的11月出现排放低谷期，2个采样点的最小值出均现在4月，最大值均出现在8月。对于采样点1，CO2的排放通量在夏季的6、7、8月呈现出较高水平，中值(平均值)为337.77 mg/(m2·h)，该排放高峰期的最大值出现在8月，为356.53 mg/(m2·h)，在8月之后出现下降趋势。对于采样点2，CO2排放高峰期较长，从夏季的6月一直持续到秋季的10月，其中值(平均值)为392.44 mg/(m2·h)，最大值出现在夏季的8月，为 533.09 mg/(m2·h)，CO2排放低谷期为春季的3、4、5月，最小值出现在4月，为18.39 mg/(m2·h)。分析2个采样点CO2在全年排放通量的中值(平均值)可知，S1、S2分别为178.49、262.21 mg/(m2·h)，采样点2的CO2全年排放通量的均值明显高于采样点1，说明2个具有不同环境特点的水陆交错带湿地CO2排放通量随季节变化呈现出良好的一致性，且季节性变化规律明显，但由于其具体环境特点的不同，导致其CO2排放通量在各个月份的具体值及全年排放通量均值有所差别。

2.3 土壤中有机碳含量的季节变化特征及其与气体排放的关系

甲烷、二氧化碳分别是有机质厌氧分解和有氧分解的最终产物。由图3可以看出，2个采样点土壤中有机碳含量在不同季节的变化趋势大致相同，都随着土壤深度的加深，土壤中有机碳的含量呈现出先下降后平稳的趋势，且在不同的季节具有同样的变化趋势，即表层土壤(0～20 cm深度)中的有机碳含量明显大于其他各个土层，2个采样点表层土壤(0～20 cm深度)中的有机碳含量平均值分别为13.44、14.19 g/kg，采样点2略大于采样点1，而在深层土壤中的有机碳含量基本维持在7.0 g/kg左右的水平。另外，不同季节表层土壤中有机碳的含量也有一定的规律，夏季的含量整体上低于春季、秋季和冬季，由于夏季温度较高，土壤中微生物的代谢活动较活跃，微生物的代谢活动以土壤中的有机碳为碳源，而秋冬季节温度较低，较低的温度限制了微生物的活动，同时，湿地地上部分的植物萎蔫也造成了表层碳素的积累。但是土壤有机碳的这种季节性变化和CH4、CO2排放通量的季节性变化特征正好相反，CH4、CO2的排放通量均在夏季出现了高峰期。我国学者黄国宏等对辽河三角洲芦苇湿地甲烷排放的研究也表明，甲烷排放具有明显的季节变化，在夏季淹水期，芦苇旺盛生长，温度较高，存在良好的嫌气条件，甲烷排放通量较高，秋季虽然底物输入量增加，但温度和含水量的降低，使得甲烷排放通量明显减少[18-19]。

分析不同季节表层土壤中的有机碳含量可知，S2采样点均大于S1采样点。由于土壤有机碳是土壤有机质的一部分，所以土壤有机碳含量从侧面反映了土壤中有机质含量的高低，2地周边环境的差异及不同的碳素来源是造成土壤中有机碳含量差别的主要原因。同时，CH4、CO2的生成都是微生物对土壤碳素利用的结果，有研究表明，高土壤有机质含量是甲烷排放的重要潜在源[20]，同时甲烷在富营养化类型湿地系统中的排放量相对较大[21]。分析2个采样点CH4、CO2的排放高峰期可知，2种温室气体的排放通量均表现为夏季的排放量较大，春季与秋冬季节排放量较低，比较全年排放量均值及累计排放量可知，S2采样点明显大于S1采样点，这很有可能是由于2个采样点的具体环境特点不同造成的，也可能与土壤中有机碳含量有密切关系。

2.4 CH4和CO2的排放通量与各类环境因子的相关关系

湿地中CH4、CO2排放的具体变化特征是由CH4、CO2在湿地土壤介质中的产生、氧化、传输这几个复杂过程共同决定的，这些过程同时受到各类环境因子的影响，如土壤的各种物理、化学性质，具体有温度、氧化还原电位、土壤含水率、pH值等。由表1、表2所列的2个采样点的CH4、CO2排放通量和各环境指标之间的相关关系可知，2个采样点CH4、CO2的排放通量均在0.01水平(双侧)上呈现出极显著正相关关系(S1采样点：r=0.832，n=27，P<0.01；S2采样点：r=0.748，n=27，P<0.01)。

2.4.1 CH4、CO2的排放通量季节变化与土壤含水率的关系 经分析表明，2个采样点CO2、CH4的排放通量与表层土壤含水率均在0.01水平(双侧)上呈现显著正相关关系，详见图4。土壤含水率会影响土壤含氧量，而厌氧条件有利于甲烷的产生，有氧条件有利于二氧化碳的产生，故这2种温室气体的产生与排放与土壤含水率有着密切的关系。土壤含水率在夏季也应明显高于秋冬季节，土壤水分含量较高，可同时为植物的生长和微生物的生命活动提供必要的条件，因此土壤含水率是影响CH4、CO2排放的主要环境因子。

表1 采样点1的CH4和CO2排放通量和各环境指标之间的相关性

注：“**”表示在0.01水平上(双侧)呈现显著相关；“*”表示在0.05水平上(双侧)呈现显著相关。表2同。

表2 采样点2的CH4和CO2排放通量和各环境指标之间的相关性

2.4.2 CH4和CO2的排放通量季节变化与土壤温度的关系 关于CH4、CO2排放通量和温度的关系，目前的研究中还没有统一的结论。一些研究表明，CH4、CO2的排放通量与温度的变化密切相关[22]，但也有报道指出，CH4和CO2排放通量的季节变化与土壤温度的相关性较差或没有明显的相关关系[23]。如表1所示，经过相关性分析，2种温室气体在不同季节的排放通量与取气箱中温度及5、15 cm土壤温度均存在极显著正相关关系。可以看出，随着季节变化，气温也随之改变，气温的变化会影响土壤温度的变化，但是两者的变化并不是同步的，土壤温度的变化会滞后于大气温度的变化，而土壤温度会对微生物的代谢活动产生直接影响，从而影响CH4、CO2的排放。

2.4.3 CH4、CO2的排放通量季节变化与土壤温度、pH值的关系 白洋淀土壤母质主要是第四纪冲积物，淀内以沼泽土为主，土壤养分含量较高，土壤肥沃，质地黏重，土壤pH值呈弱碱性。经测定，2个采样点表层土壤pH值在7.93～8.49之间，且不同季节的pH值变化幅度非常小，都稳定在8左右，因此pH值并不是影响这2种温室气体季节性排放变化的主要环境因素。土壤pH值是影响土壤微生物量碳含量的主要因子，当pH值<5时，会抑制土壤中微生物的生长，致使土壤微生物量明显减少，从而抑制土壤CO2、CH4气体的排放[24]。

事实上，无论是CH4还是CO2气体的排放都是诸多环境因子综合作用的结果，但是目前对各类环境因子的交互效应的研究较为缺乏，因此，对此方面进行深入探究的意义重大。

3 结论

(1)2处典型水陆交错带湿地的CH4、CO2气体排放通量有相对一致的季节变化特点，均在夏季达到排放通量的最大值，春季、秋冬季节的排放通量明显低于夏季；2个具有不同环境特点的水陆交错带湿地CH4、CO2的排放通量随季节变化呈现出良好的一致性，且季节性变化规律明显。(2)2个采样点在不同季节土壤中有机碳含量的垂直变化趋势相对一致，即表层土壤有机碳含量最高，随着土壤深度的加深，土壤中有机碳的含量呈现出先下降后平稳的趋势；不同季节表层土壤中有机碳含量表现出的趋势为夏季的含量整体上低于春季、秋季和冬季，与CH4、CO2排放通量的季节性变化特征正好相反。(3)CH4、CO2的排放通量与土壤含水率、取气箱中温度及5、15 cm层次土壤温度均在0.01水平(双侧)上呈现出显著正相关关系，在本研究中与土壤pH值没有相关关系。