濕地甲烷排放研究概述

李楠,康鐵鑫,安睿,戴偉男,白雅溶

(1.黑龍江省林業廳,黑龍江 哈爾濱150090;2.大興安嶺韓家園林業局,黑龍江 大興安嶺165124)

濕地與森林、海洋并稱為全球三大生態系統,是人類賴以生存和發展的重要自然資源,在維護生態安全、氣候安全、糧食安全、淡水安全以及促進經濟社會可持續發展等方面發揮著極端重要的作用,也為人類文明永續發展提供不可替代的支撐和保障。濕地是過渡性生態系統類型,介于陸地和水域生態系統間,是極為重要的生物地球化學場所,生產力和氧化還原能力較高。生物多樣性豐富和生態服務功能重要是自然濕地的重要特征,作為重要功能性過程的甲烷排放,在濕地生態系統循環中發揮著重要的作用。因此,準確認識濕地甲烷排放的機理和過程以及相關的影響因素,對于濕地的有效保護、科學管理和合理利用具有重要意義[1]。

近代大氣中甲烷的濃度從工業革命前的0.7×10-6增加到1.8×10-6。甲烷的排放源主要有自然濕地、稻田、廢渣填埋、反芻動物、生物物質燃燒以及植物體和凋落物等。除了非生物活動產生的碳源,例如化石燃料燃燒、天然氣、石油和煤炭,地球上生物活動輸出的碳源量占全球甲烷碳源總量的70%以上。在生物活動碳源中,自然濕地是主要的輸出場所之一。因此,確定自然濕地向大氣排放甲烷的能力是十分重要的。確定大氣中甲烷的碳源和碳匯,對于今后緩解大氣中甲烷的增加和氣候變暖尤為重要[2,3]。

我國的自然濕地資源十分豐富,在20世紀后半段經歷了一段濕地面積減少和功能退化的時期[4]。在這段時期內,我國的環境狀況也出現了大氣污染和氣候等變化[5]。沼澤濕地作為我國濕地主要類型之一,對于CH4通量仍然缺乏深入的研究,特別是在大尺度區域水平上研究,包括相關環境條件因子的變化以及如何改變沼澤濕地甲烷對于全球生態系統反饋和氣候系統的區域性研究,這些成果對整個中國節能減排、氣候變暖以及制定的相應政策目標都帶來深遠的影響[6]。

1　濕地甲烷排放過程

濕地甲烷排放主要由甲烷的產生、甲烷的氧化和甲烷向大氣釋放3個相互聯系的基本過程組成。過往的研究認為,甲烷的產生主要是在土壤中產甲烷細菌在厭氧條件下,利用低碳有機物(如乙酸)、H2、CO2等為底物,通過乙酸的C還原反應和甲基轉移反應2種途徑產生[7,8]。最新研究證實了植物體及凋落物也產生甲烷,其產生的甲烷排放通量占每年排入大氣甲烷通量的10%～30%[9],因此植物也是重要的甲烷排放源,但關于這一途徑產生甲烷的研究較少,需要更深層次的研究和證明。不同土壤中,由于不同的土壤有機物種類及含量差異和土壤微生物菌族等,甲烷的產生量及途徑也不同。

土壤中甲烷主要由甲烷氧化菌,通過“高效率氧化”和“低效率氧化”2種氧化方式：甲烷→甲醇→甲醛→甲酸→CO2[10]。在泥炭地沼澤、稻田等生產甲烷的環境里,甲烷的氧化都是低效率氧化,發生在有氧條件下的根際、水稻根內、土壤氧化層和其挺水的葉鞘內[11]。關于甲烷氧化過程的研究相對較多,但還需要借助其他學科的手段在更深的層次上利用分子生物學等方法進一步深化甲烷氧化過程機理的研究。

土壤中的CH4主要通過3種途徑排入大氣中：(1)大部分CH4被植株根系等吸收,經植物體的通氣組織排放到大氣中;(2)形成含CH4的氣泡,在水面破裂而噴射到大氣中;(3)少量CH4隨土壤及水中濃度梯度分子擴散排出。CH4向大氣傳輸途徑的暢通能夠使土壤中的CH4很快排向大氣,避免在氧化區域長時間停留,因此CH4傳輸效率是影響CH4排放率的重要因素。目前對濕地甲烷排放的研究發現,濕地甲烷排放具有較大的空間差異和時間差異。對稻田生態系統的觀測發現,水稻生長季內甲烷排放有3個峰值,分別出現在水稻生長的返青期、分蘗期和成熟期。稻田甲烷排放通量的晝夜變化一般是在下午溫度較高的時候出現峰值,夜間和上午排放通量較小。森林濕地在冬季常出現負排放;并且在七八月份測得沼澤CH4排放通量,夜間比白天大2倍至1個數量級,而在同一地點10月份測得的值卻白天比夜間大2倍[12]。

2　濕地甲烷排放的監測方法和排放模型的應用

監測的濕地甲烷排放方法主要有微氣象法和箱法。作為微氣象學觀測方法中常使用的渦度相關法,近年來廣泛應用于濕地甲烷排放觀測,其優點是能夠克服在小尺度空間上甲烷排放的變異性,響應快并且覆蓋面積大。但該方法造價較高,并對大氣穩定度和下墊面要求高,對傳感器的靈敏度和速度要求非常嚴格,因此在野外觀測中受到了限制[13]。箱法最為常用且簡單易操作,在實際野外觀測中具有移動便利、靈敏度高和擴展性強等特點,但缺點是實驗的覆蓋面比較小,通常在0.05～1.0 m2[14]。

構建濕地甲烷排放模型廣泛應用于估算區域尺度和全球范圍內的甲烷排放。考慮到大氣中甲烷碳匯集相比較而言是一個常數不變量,因此估測釋放到大氣的甲烷的能力成為全球變化主要研究問題之一。

大尺度上濕地生態系統甲烷凈輸出量一般有3種估測的方法：(1)樣地水品的濕地測量和觀察的直接外推法;(2)基于過程的建模方法(自下而上的方法);(3)逆建模方法(自上而下的方法)。基于過程的建模方法提供在一段相當長的時期內,區域性地球的甲烷通量碳源獲取能力,同時要考慮到生態系統屬性的空間異質性和氣候條件,同時在估測區域性天然濕地甲烷通量使用較為廣泛。大量的研究通過使用基于過程的建模方法了對區域自然濕地甲烷釋放強度進行估算;然而以前的研究中沒有同時考慮到多個全球氣候變化的因素的影響,例如氣候變化、臭氧層污染、沼澤濕地的退化消逝和大氣中不斷上升的(CO2)濃度,因此無法用于階乘歸屬。

最新的研究中,使用了DLEM模型來估測了全國范圍內沼澤濕地甲烷通量的大小。同時通過調查1949年至2008年間中國的沼澤濕地CH4通量的時空格局,進一步把甲烷通量中時空的變化歸根于許多的全球變化因素,包括沼澤濕地的退化消失、大氣中CO2濃度升高、空氣污染、氣候變化以及通過大氣沉積增長的氮輸入。這個模型是一個高度綜合的過程生態模型。它可以用來做陸地上的碳、水、氮通量和碳儲量研究,同時可以考慮復雜的自然因素和認為干擾因素的影響。DLEM(動態陸地生態模型)包含了生物物理學、植物生理學、生物地球化學、植被動態、土地利用和管理五個子模塊。同時也可以考慮進颶風、火災、蟲害等干擾行為等影響因素。DLEM模型甲烷模塊主要來模擬甲烷的產生、消費和傳輸過程。由于其他基底的甲烷貢獻量很小DLEM模型僅僅考慮從有機碳(DOC)釋放出來的甲烷,這些直接受土壤p H值、溫度和土壤含水率等環境因素的直接控制。

在DLEM模型模擬中,多種全球變化因素直接或間接的影響甲烷的產生過程。大氣二氧化碳濃度、臭氧的污染、土壤含水量、空氣溫度和光合有效輻射的吸收通過對光合作用的影響直接影響甲烷的產生過程。N的輸入通過影響光合作用和生態呼吸系統直接影響甲烷的產生過程。土壤溫度和濕度通過直接影響甲烷的產生和氧化直接控制甲烷的產生。同時,土壤溫度、p H值和濕度直接影響甲烷的產生,而臭氧的污染和N的輸入通過影響生態系統的物理過程間接的影響甲烷的產生。土地利用的變化對甲烷的影響是通過其刺激的生物基底的改變和生物化學過程來影響的。值得注意的是一些其他的對甲烷產生有影響的環境因素在這里沒被考慮進來。例如：土壤p H、土壤的結構等。

3　我國沼澤濕地CH 4排放現狀分析

我國沼澤濕地最新研究結果CH4排放數值為13.63～14.98 gC m-2a-2與另外一篇研究中結果美國陸地CH4排放的19.64 gC m-2a-2相比較低,同樣中國的沼澤濕地分布區的CH4排放速率也比總體的CH4排放要低,原因很可能是中國東北部分布有大量的沼澤濕地,當地的低溫條件降低了CH4的排放速率。過去的60年里,一致認為沼澤濕地的退化喪失是CH4排放減少的主要原因,因為與其他生態系統相比沼澤濕地有著較高的CH4排放速率。O3的污染減少了CH4的排放,它通過減少系統中碳的同化而產生抑制CH4產生的作用。基于中國全國范圍內高的空間異質性的原因,模擬的沼澤濕地CH4排放速率表現出了豐富的空間變化(土壤條件的不同、N沉積和O3污染會導致CH4排放空間變化的多樣)。相對于南方地區來講,氣候變化在我國的北方地區特別是東北對于CH4排放有著更為重要的意義,會產生較大的影響。原因是北方地區氣候變化速率較大,氣象數據顯示北方地區溫度上升相比南方明顯,同時北方地區土壤有機物對于氣候變化有著較高敏感性(北方地區具有溫度極限條件)。因此,中高緯度地區的自然濕地可能對于全球氣候變化下碳的儲存和釋放問題帶來更重要的影響。

4　結語

濕地生態系統作為一個重要的生態系統,其碳循環過程是全球碳循環的重要組成部分。全球變化是一個十分復雜的問題,包含著環境中不同方面的變化和它們之間的相互作用。提高大氣CO2濃度和氮沉積都可以提高CH4排放,然而如果兩者聯合作用的話卻會對CH4排放有抑制的影響。因此多重因素的相互作用對于CH4排放的影響對于進一步了解CH4的排放和固定是十分重要的。多重因素相互作用表現為：沼澤濕地退化喪失、氣候變化、大氣CO2濃度升高、氮沉積和O3污染的相互作用,產生抑制或者促進作用的變化取決于時期、位置和其他因素。

沼澤濕地的退化和喪失對于生物多樣性和生態系統服務功能產生消極的影響,但是它減少了CH4氣體向大氣中的排放量。與此同時變化著的全球環境條件包括大氣CO2濃度升高和氮輸入刺激了CH4的排放。考慮到大面積的沼澤濕地已經退化轉變了土地利用的模式,并且現在的沼澤濕地正在經歷著一些環境條件的改變,多重分析和野外試驗方法將對于更好地了解沼澤濕地的CH4排放和潛在的機制是必不可少的。同樣,建模方法需要更多的相關的野外研究,這對于更好地對大尺度下CH4通量供應進行統計分析是十分必要的,數據-模型聯合的方法將是未來對CH4通量估計和穩定研究的主要方向。

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