張掖濕地甲烷通量動態特征及其影響因子

張 強,蔣國慶,孫 睿,*,徐自為,劉紹民

1 遙感科學國家重點實驗室(北京師范大學,中國科學院遙感應用研究所),北京 100875 2 北京師范大學地理學與遙感科學學院,北京 100875 3 環境遙感與數字城市北京市重點實驗室,北京 100875

張掖濕地甲烷通量動態特征及其影響因子

張 強1,2,3,蔣國慶1,2,3,孫 睿1,2,3,*,徐自為1,2,劉紹民1,2

1 遙感科學國家重點實驗室(北京師范大學,中國科學院遙感應用研究所),北京 100875 2 北京師范大學地理學與遙感科學學院,北京 100875 3 環境遙感與數字城市北京市重點實驗室,北京 100875

于2012年7月—2014年6月對地處干旱區的張掖濕地甲烷(CH4)通量進行觀測,分析其CH4通量的變化特征及其影響因子。結果表明：CH4通量的日變化趨勢總體表現為白天大于夜間；不同季節CH4通量排放特征差異明顯,夏季最大,春秋次之,冬季最小；CH4通量日總量與空氣溫度、土壤溫度之間指數相關關系顯著,其中4 cm處土壤溫度與之相關性最強；1—6月摩擦風速(U*)與CH4通量顯著正相關；結合CO2通量觀測數據,研究時段張掖濕地凈碳吸收量為495.92 g C m-2a-1,為明顯碳匯。

濕地；渦動相關；CH4通量；溫度；摩擦風速

Abstract： Analyzing the characteristics and variations of CH4flux 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, CO2flux and CH4flux 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 CH4flux 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 CH4flux reaching its maximum in summer (0.34 g CH4m-2d-1), then spring and autumn, while getting the minimum values in winter (0.02 g CH4m-2d-1). Diurnal variation of CH4flux indicated that the daytime values were higher than that of nighttime. There was an exponential relationship between CH4flux and air temperature and soil temperature, and it was mostly correlated with the soil temperature in 4-cm depth, where the relationship wasy=0.07614e0.03402xandR2is 0.3560. CH4fluxes 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 CH4flux. CH4flux significantly influenced the total carbon budget. By considering the absorption and emission of CO2and CH4fluxes, the net carbon uptake was 495.92 g C m-2a-1. The carbon sink in Zhangye wetland was apparent during the study period.

KeyWords: wetland; eddy covariance; CH4flux; temperature; friction velocity

目前,國內外學者已從多個方面對濕地CH4變化特性和影響因素進行過研究。不同環境和植被類型,濕地CH4通量有明顯差異。黃國宏等[5]用封閉式箱法測定的遼河三角洲蘆葦濕地CH4觀測結果表明,其排放有明顯的季節變化規律,淹水前土壤為CH4匯,淹水期間有大量的CH4排放,排水后CH4排放明顯減少。Kang等[6]對英國北威爾士酸性泥炭沼澤和森林沼澤CH4的測定,發現不同類型濕地CH4排放存在差異：酸性泥炭沼澤CH4排放高峰在春季和秋季,而在森林沼澤,其釋放峰值出現在10月和11月。Rinne[7]等利用渦動相關技術觀測北方沼澤濕地CH4排放,發現無明顯的日變化規律,非雪期CH4排放量占全年的91%。Long[8]等分析了加拿大北部CH4的日變化和季節變化規律,CH4排放白天明顯大于夜間,且5月從0附近開始增大,7月底達到峰值,8月CH4排放開始變小。

張掖濕地地處河西走廊中部、黑河沖積扇形成的三角洲之上,是由河流、草本沼澤、濕草甸等天然濕地,以及人工湖、池塘、溝渠等人工濕地為主體構成的復合濕地生態系統,濕地類型多樣,原生態特征突出[9]。目前關于干旱區濕地CH4通量的研究很少,對張掖濕地CH4通量的觀測研究有助于深入分析干旱區綠洲生態系統碳循環特征及變化規律,并有利于干旱區綠洲生態系統的保護。本文基于2012年7月至2014年6月張掖濕地生態系統野外觀測資料,擬解決的關鍵問題如下：(1)分析CH4通量變化特征及影響因素,為研究干旱區CH4通量研究提供科學依據；(2)結合CO2與CH4的吸收和排放,準確評價干旱區濕地生態系統碳源匯功能。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

1.1.1 地理位置

張掖市位于黑河流域中游,其濕地共有天然濕地、人工濕地2個大類4個類型13個類別,總面積為210420.42 hm2,占全市國土面積的5.02%。其中天然濕地有河流濕地、湖泊濕地和沼澤濕地3個類型,9個類別,面積為199709.97 hm2,占全市濕地總面積的94.90%；人工濕地有水產池塘、灌溉地、蓄水區、鹽田4個類型,面積為10710.45 hm2,占全市濕地總面積的5.10%[9]。通量觀測站位于甘肅省張掖市國家濕地公園內。張掖國家濕地公園位于張掖城區北郊(圖1),總面積4108 hm2,其中濕地面積1733 hm2,多以蘆葦濕地為主。

圖1 張掖濕地通量觀測站地理位置(100.44640°E, 38.97514°N)Fig.1 Position of eddy covariance tower of Zhangye wetland (100.44640°E, 38.97514°N)紅色十字標記處為通量塔位置

1.1.2 氣候條件及植被長勢分析

張掖地區氣候屬明顯的溫帶大陸性氣候,其顯著特點是：降水稀少且集中,年內降水分布不均,年際變化較大；蒸發強烈,年平均蒸發量2047 mm。多大風、風沙天氣,風向以北風、西風為主；年平均氣溫6℃,7月份氣溫最高,1月份氣溫最低。

經地面調查,濕地水位在4月和10月最高,4月水位高是由于冰雪融化,10月則是附近農田停止灌溉,耗水量降低,使濕地水位升高。此外,由于政策原因,在“均水”期水位也較高,即黑河上游全線禁止灌溉,直接供給內蒙古額濟納旗。一年內“均水”3次,分別在6、7和9月,每次10—15 d。

葉面積指數(LAI)是植被冠層結構的重要參數之一,對于了解植被生長發育過程、植被長勢等具有重要意義。本研究選擇觀測期間MODIS LAI產品(http://modis.gsfc.nasa.gov/)對張掖濕地植被長勢進行分析(圖2)。生長季(5—10月)LAI均表現出先增大后減小的趨勢,非生長季LAI較小。不同年份LAI峰值有差異, LAI峰值差異體現了植被長勢的差異。

圖2 研究時段MODIS LAI變化趨勢Fig.2 MODIS LAI during the study period in Zhangye wetland

1.2 研究數據

張掖濕地通量觀測站地理坐標為100.44640°E,38.97514°N,海拔1460.00 m,是“黑河流域生態-水文過程綜合遙感觀測試驗：水文氣象要素與多尺度蒸散發觀測試驗”(Heihe Watershed Allied Telemetry Experiment Research-the Multi-Scale Observation Experiment on Evapotranspiration over heterogeneous land surfaces, HiWATER-MUSOEXE)[10- 12]觀測站點之一,自2012年6月以來,采用渦動相關系統對濕地生態系統碳通量進行連續測量。

渦動相關儀架設高度為5.2 m。渦動相關系統主要由三維超聲風速儀(CSAT3, Campbell Scientific, USA)和開路CH4/H2O 紅外氣體分析儀(Li- 7500A, Licor Inc., USA)組成,原始數據采樣頻率為10 Hz,每30 min輸出一組通量平均值以及10 Hz原始數據。超聲風速儀朝向正北,與CH4/H2O紅外氣體分析儀間距為25 cm。通量塔上配有風、溫、濕梯度儀以及四分量輻射分析儀,另外,對塔下不同深度的土壤溫度也進行測定。

1.3 數據處理

1.3.1 數據質量控制

在對CH4通量數據處理時,基本處理步驟參考已較成熟的CO2通量處理方法[8]。采用Eddypro軟件(http://www.licor.com/env/products/eddy_covariance/software.html)對渦動相關原始10 Hz數據進行處理,主要步驟包括：野點值剔除、延遲時間校正、坐標旋轉(二次坐標旋轉)、頻率響應修正、角度訂正、超聲虛溫和密度(WPL)修正等[13]。由于大氣穩定度、天氣原因以及儀器的物理限制等影響,Eddypro軟件輸出的30 min通量值仍然存在一些野點,需要進一步對通量數據進行質量控制,剔除如下數據[14]：(1)降雨前后1 h數據；(2)超出儀器測量量程或者合理范圍的數據；(3)夜間摩擦風速(U*)低于臨界值的數據；(4)CH4通量中的負值[15]。共剔除約60%的CH4通量無效數據。

1.3.2 數據插補

CH4通量數據插補時,簡單建立有效數據與溫度或輻射的相關關系均不理想,考慮到影響CH4通量排放的因素及現有數據,最終利用土壤溫度和輻射建立查找表分別對不同階段的CH4通量數據進行插補。在建立查找表時,由于CH4通量的量級較小,微小的溫度或輻射變化均會對插補結果產生較大影響。因此,查找表中土壤溫度和輻射的劃分等級相對于CO2通量更為精細。利用查找表仍未插補的數據用臨近值的線性平均值來代替。

2 結果

2.1濕地CH4通量動態特征

本研究選擇2013年4個不同時期CH4通量日均值分析其日變化規律：(1)3月1日至3月10日,春季,生長季初期；(2)7月21日至7月30日,夏季,生長旺季；(3)11月11日至11月20日,秋季,生長季末期；(4)1月21日至1月30日,冬季,非生長季。

從圖3可以看出,CH4通量范圍在0—0.5 μmol m-2s-1之間,整體排放量級明顯小于CO2通量。日變化趨勢總體表現為白天通量大于夜間通量,且峰值集中在正午前后。不同季節CH4通量排放特征差異顯著。CH4通量變化范圍從冬季的0.01 μmol m-2s-1到夏季0.1—0.4 μmol m-2s-1,其余兩時段CH4通量均在0—0.1 μmol m-2s-1內波動。

圖3 2013年張掖濕地不同季節CH4通量日變化規律Fig.3 Daily variations in CH4 flux in different seasons of Zhangye wetland

圖4可以看出,濕地CH4通量有明顯季節變化規律。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排放量為37.96 g CH4m-2a-1。

圖4 CH4季節變化規律及4 cm處土壤溫度變化趨勢Fig.4 Seasonal variations of CH4 flux and soil temperature (4 cm)

2.2CH4通量的影響因子分析

2.2.1CH4通量對溫度的響應

本文分析CH4通量日總量與空氣溫度、土壤溫度之間的相關關系。CH4通量日總量與空氣溫度之間指數關系顯著,擬合關系式為y=0.07614e0.03402x,R2=0.3560。對比不同深度土壤溫度與CH4通量日總量相關關系發現(表1),4 cm處土壤溫度與之相關性最強,即相對于其它深度的土壤溫度,4 cm處土壤溫度更能代表產甲烷菌活性的最佳溫度條件。

表1 CH4通量與土壤溫度擬合關系相關參數

2.2.2CH4通量對U*的響應

圖5 CH4平均值與U*的相關關系Fig.5 Related relationship between CH4 flux and U*

為了分析CH4通量與大氣湍流之間可能的相關關系,采用Long等[8]在2010年提出的方法進行分析。將2013年1月至11月的所有通量分為4個不同時間段：1—3月、4—6月、7—9月及10—11月。每個時間段數據按照U*排序,并將數據等分為10組,分別計算每組U*平均值、標準差及CH4通量平均值(圖5)。在1—3月和4—6月期間,CH4通量與U*相關性較強,擬合關系式分別為y=0.087x+0.019,R2=0.91和y=0.170x+0.074,R2=0.94。7—9月、10—11月,CH4通量與U*相關性較弱,擬合關系式分別為y=0.151x+0.113,R2=0.77和y=0.107x+0.080,R2=0.83。

2.3 濕地碳源匯分析

本研究選擇2012年7月至2014年6月CH4通量數據,結合CO2通量觀測數據[16],以月為步長分析CO2和CH4的吸收、排放關系。在圖6中,碳的凈吸收或排放為CO2和CH4的總碳排放與碳吸收之和,正值表示碳排放,負值表示碳吸收。可以看出,3、4、5月由于溫度增加,生態系統呼吸大幅增加,而受蘆葦生長的影響,光合作用固定的碳仍較小,加之CH4排放,濕地整體表現為碳源。除3、4、5月外,其他月份碳吸收量均大于排放量,為明顯碳匯。

研究時段年均碳吸收量為1287.30 g C m-2a-1,排放量為791.38 g C m-2a-1,即濕地凈吸收碳495.92 g C m-2a-1,為碳匯。

圖6 2012年7月至2014年6月張掖濕地CO2和CH4月總量變化趨勢Fig.6 Seasonal variations of CO2 and CH4 flux of Zhangye wetland during the study period

3 討論

3.1CH4通量變化特征分析

3.1.1CH4通量日變化特征

大量觀測資料表明,天然濕地CH4通量日變化大致有3種形式：日間極大值型、夜間極大值型和隨機型[17]。張掖濕地CH4通量日變化特征屬于日間極大值型,不同季節日變化規律的差異主要是來自不同時期CH4排放和傳輸控制因素的差別。春季和冬季,溫度是制約CH4排放的主要因素；夏秋季由于天氣因素、植被生長及水位變化等各種因素的綜合影響,使CH4排放的日變化更加復雜。

3.1.2CH4通量季節變化特征

冬季由于溫度較低,產甲烷菌活性降低,CH4通量接近于零(0.02 g CH4m-2d-1)。春季隨著溫度升高,產甲烷菌活性增強,CH4通量開始增大。同時3月底4月初有一 明顯的CH4排放峰值。分析4 cm處土壤溫度數據可知(圖4),該時間段溫度開始回升至零度以上,結合CH4產生的過程,可推測是由于冬季結冰,造成CH4傳輸不暢,產生的CH4在冰面下累積,到春季冰面消融時,阻礙消失,累積的CH4排放到大氣中[18-19]。2013年春季CH4通量值比2014年高的原因主要是由于濕地公園通量站附近開挖河道,一方面增加了水體覆蓋的面積,擴大了CH4產生的環境；另一方面挖取土壤有利于深層CH4的排放。夏季由于植被生長旺盛,有足夠的碳有機質底物,并且溫度較高,產甲烷菌的活性增大,因此CH4通量值最大(0.34 g CH4m-2d-1)。秋季溫度降低,CH4通量開始變小。但在9、10月份出現了CH4通量峰值,Mastepanov等[19]研究也發現秋季的排放峰值,并稱之為“a late-autumn shoulder”。在關于張掖濕地水位的介紹中提到,10月份由于農田不再需要灌溉,濕地水位會升高。這有可能使得之前裸露地表被水覆蓋,造成更大面積的厭氧環境,加之夏季植被生物量增加,土壤有機質豐富,為CH4的產生提供了充足的底物,因此有更多的CH4氣體產生。關于這一解釋有待進一步探討。

有關CH4通量季節變化的研究眾多,不同地區變化規律有一定差別。Singh等[20]發現印度北部濕地CH4排放最大值出現在夏季,其次是雨季,冬季最小。Khalila等[21]研究發現北半球大氣中CH4出現兩個峰值,分別在春季(4月)和秋季(10月)。Song等[22]在中國三江平原的淡水濕地發現CH4排放從5月開始增加,到7月達到最大值((30.5±23.5) mg C m-2h-1),8月中旬開始下降。張掖濕地CH4排放高值出現在夏季(植被生長旺盛)、秋季(水位升高)以及春季(冰雪融化)。不同濕地類型CH4排放的差別與影響因子差異有關。表2可以看出不同濕地類型CH4年排放量差別較大,在3—33 g CH4m-2a-1之間,但均小于張掖濕地的CH4排放量。

表2 不同濕地類型的CH4年排放量比較

3.2CH4通量影響因子分析

3.2.1 溫度

溫度作為影響濕地CH4排放的主要氣候因子,對CH4的產生、氧化以及傳輸過程都會產生影響[27],CH4通量的時間動態(日變化和季節變化)與之也有一定的相關性[1]。產甲烷菌活性的最佳溫度在30—40℃,低溫會導致產甲烷菌及參與甲烷發酵過程的其他微生物活性降低從而減少CH4通量[1]。

大量研究認為CH4通量與空氣溫度或土壤溫度之間有明顯的指數相關關系。Herbst等[28]發現日CH4通量與20 cm處土壤溫度存在指數關系。Hanis等[26]認為CH4通量與空氣溫度和50 cm處土壤溫度之間呈指數相關關系。Song等[22]則發現CH4通量與5 cm處土壤溫度之間的相關關系最為明顯。

3.2.2 摩擦風速

近地表的湍流與垂直風速密切相關,諸多研究都表明CH4通量與大氣湍流之間有一定的相關關系[29-31]。CH4通量依賴近地表的湍流可解釋為水面和大氣之間氣體傳輸的擴散和湍流。湍流和風速的增大可能會產生一個薄的層流邊界層,導致在富集CH4的土壤層與湍流邊界層之間有更高的CH4濃度梯度,從而加強了CH4通量的擴散[32]。此外,湍流的增強可以增加在平靜期儲存的CH4的通氣和交換[33]。

3.3 碳源匯分析

受氣候變化等因素的影響,濕地生態系統碳吸收與碳排放之間的平衡常常被打破。濕地能否繼續作為碳匯,或即將、已經成為碳源問題受到廣泛關注[34]。B?ckstrand等[35]發現全球變暖使得北方高緯地區富含有機碳的永久凍土開始融化、分解,由之前的碳匯變為碳源。Koehler等[36]對愛爾蘭北方泥炭地進行了連續6a的觀測,發現其中有兩年CH4和溶解性有機碳(DOC)的損失之和超過了CO2吸收量。Waddington等[37]發現在夏季較暖或干旱的年份,北方泥炭地為大氣碳源。

濕地生態系統碳源匯的年際差異,主要來自于氣候條件的年際變化。另外,CO2、CH4對溫度的響應及濕地面積的減少,可能導致厭氧與好氧環境相互轉換,這都可能造成張掖濕地碳源匯功能發生轉變[38]。

4 結論

本研究通過對張掖濕地CH4通量分析,得出以下結論：

(1)CH4通量的日變化趨勢總體表現為白天大于夜間,在春季和冬季其變化趨勢均呈倒“U”型分布,且峰值集中在正午前后；不同季節CH4通量排放特征差異明顯。夏季最大,春秋次之,冬季最小；

(2)CH4通量日總量與空氣溫度之間指數相關關系顯著。不同深度土壤溫度中,4 cm處土壤溫度與之相關性最強,因此4 cm處土壤溫度更能代表產甲烷菌活性的溫度條件。1—6月U*與CH4通量顯著正相關；

(3)2012年7月至2014年6月年張掖濕地平均年CH4排放量為37.96 g CH4m-2a-1。結合CO2通量觀測數據,研究時段張掖濕地凈吸收碳495.92 g C m-2a-1為碳匯。

致謝：本文數據來自HiWATER試驗,感謝HiWATER試驗全體參加人員。

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CH4fluxvariationsandmainfactorsfromareedwetlandoasis-desertareainZhangye,China

ZHANG Qiang1,2,3, JIANG Guoqing1,2,3, SUN Rui1,2,3,*, XU Ziwei1,2, LIU Shaomin1,2

1StateKeyLaboratoryofRemoteSensingScience,JointlySponsoredbyBeijingNormalUniversityandtheInstituteofRemoteSensingApplications,ChineseAcademyofSciences,Beijing100875,China2SchoolofGeographyandRemoteSensingSciences,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China3BeijingKeyLaboratoryforRemoteSensingofEnvironmentandDigitalCities,Beijing100875,China

國家自然科學基金(41471349)；國家重點研發計劃項目(2016YFB0501502);國家科技支撐計劃項目(2013BAC03B02)；中央高校基本科研業務費專項(2014kJJCA02)

2016- 06- 13; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 04- 24

10.5846/stxb201606131130

*通訊作者Corresponding author.E-mail: sunrui@bnu.edu.cn

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Zhang Q, Jiang G Q, Sun R, Xu Z W, Liu S M.CH4flux variations and main factors from a reed wetland oasis-desert area in Zhangye, China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(17):5681- 5690.