潮汐作用對黃河三角洲鹽沼濕地甲烷排放的影響

賀文君,韓廣軒,宋維民,李培廣,張樹巖,張希濤

1 中國科學院煙臺海岸帶研究所,中國科學院海岸帶環境過程與生態修復重點實驗室,煙臺 264003 2 中國科學院大學,北京 100049 3 山東省黃河三角洲國家級自然保護區,東營 257500

黃河三角洲作為海陸相互作用最為活躍的區域之一[16]。受陸海物質交匯、咸淡水混合、地表及地下徑流和潮汐等不同水文要素的驅動,黃河三角洲發育了不同的濕地類型和植被群落[17-19],導致該區域CH4排放存在較大的復雜性和不確定性[20]。與傳統靜態箱相比,渦度相關技術可在大空間、長時間上獲得高質量分辨率的通量數據[21-22]。此外,渦度相關技術可完整捕捉到潮汐過程中CH4通量的動態變化,避免由于潮汐活動的短暫性及瞬時性,而錯過CH4排放峰值。本研究基于2016年黃河三角洲鹽沼濕地生長季數據,利用渦度相關法分析黃河三角洲鹽沼濕地CH4排放通量的季節變化規律,重點探討潮汐作用對CH4排放的影響,以期為潮汐水動力過程中濱海鹽沼濕地CH4排放提供數據支持和理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區通量塔位于潮間帶中高潮灘(37°47′20″N, 119°10′23″E),該區域地勢平坦,受半月潮影響,平均漲潮歷時6 h 30 min,平均落潮歷時9 h 24 min。潮流基本以平行于海岸界的往復流為主[27],潮汐淹水以到達研究區域為準。該區域植被群落組成簡單,以一年生草本植物鹽地堿蓬(Suaedasalsa)為建群種,伴生有蘆葦(Phragmitesaustralis),鹽地堿蓬高20—30 cm。

1.2 研究方法

在觀測場主風風向上,約90%的通量源區主要分布于200 m范圍內。通量塔安裝有開路式渦度相關系統和微氣象觀測系統。開路式渦度相關觀測系統包括安裝高度為2.8 m的開路式CH4分析儀(LI- 7700, LI-Cor, USA)和三維超聲風速儀(GILL-WM, LI-Cor, USA),原始數據采樣頻率為10 Hz,每30 min輸出平均值。微氣象觀測系統包括距地面2.8 m的光量子傳感器(LI- 190SL, LI-Cor, USA)用于測定光合有效輻射。四分量(NR01, LI-Cor, USA)距離地面2 m用于監測凈輻射,空氣溫濕度傳感器(HMP50, Vaisala, Helsinki, Finland)距離地面2 m,可同時測量空氣溫度和濕度。雨量筒位于1.5 m處(52203, RM Young Inc., Traverse City, MI, USA)。土壤因子監測主要包括5、10 cm深處的土壤溫度(TM-L10, LI-Cor, USA),所有氣象數據通過數據采集器(CR1000, LI-Cor, USA)在線采集, 并按30 min計算平均值進行存儲。潮汐水位數據根據水位計和物候遠程圖像監測系統(RR- 8140)進行監測,水位計每30 min記錄一次數據,物候遠程圖像從5：00點到19：00點自動工作,數據監測間隔2 h。其他地方有更多儀器詳細信息[28]。

1.3 通量數據質量控制

受天氣狀況、儀器機械故障、電力中斷等因素的影響,野外數據監測過程中不可避免地會產生異常數據及造成部分數據丟失,因此需對原始通量數據進行質量控制。數據控制標準為：(1) 剔除︱FCH4︱≥25 nmol CH4m-2s-1的異常值和降雨前后半個小時數據；(2) 由于夜間大氣層結比較穩定, 導致湍流發展不充分, 因而去除夜間u*<0.07 m/s所對應的CH4通量數據；(3) 剔除儀器信號值(Relative signal strength indicator, RSSI)較弱的CH4通量數據,RSSI< 25%,得到控制數據,經質量控制后所得數據占通量數據的72.5%。

1.4 數據分析

基于該區域2016年5—10月生長季CH4數據、水位和遠程圖像監測數據, 我們確定了潮汐漲落潮過程,選擇標準詳見其他地方[28],根據此標準我們共篩選出3組潮汐過程CH4通量變化數據。

在以上3組潮汐過程數據中選取1次完整潮汐漲落潮過程作為研究對象,同時根據潮汐水位的變化將潮汐過程劃分為：漲潮前(干旱階段)：7月2日22:30到7月4日19:00；漲落潮階段(淹水階段)：從7月4日22:30到7月6日19:00；落潮后(濕潤階段)：7月6日22:30到7月8日19:00。潮汐淹水階段水位最高為14.5 cm,并未完全淹沒植被,落潮后潮水完全退去。

利用配對樣本T檢驗(Paired samplet-test)分析漲潮前(干旱階段)和漲落潮(淹水階段)、漲潮前和落潮后(濕潤階段)、漲落潮淹水階段和落潮后CH4通量半小時平均值之間的差異。運用統計分析軟件SPSS 17.0進行數據統計分析,運用Sigmaplot 12.5進行數據制圖,文中數據為平均值±標準誤。

2 結果與分析

2.1 環境因子季節動態分析

5—10月整個生長季內,黃河三角洲鹽沼濕地月平均光合有效輻射(Photosynthetic active radiation, PAR)變幅為212.1—455.9 μmol m-2s-1,呈先上升后下降趨勢,其日均值波動范圍為37.5—614.2 μmol m-2s-1,夏季陰雨天氣較多,PAR呈離散模式,波動較大(圖1)。生長季空氣溫度日均值為22.3 ℃,接近30年(1978—2008)生長季平均氣溫(21.9±1.6) ℃[19],日均空氣溫度變幅為5.9—31.2 ℃。整個生長季,空氣溫度與土壤溫度變化趨勢一致,5 cm土壤溫度的日均值為23.5 ℃,其變化范圍為9.6—31.2℃；10 cm土壤溫度的日均值為23.4 ℃,其日均值變化范圍為和10.7—30.7℃(圖1)。生長季降水總量為893.6 mm,占全年降水量的95.9%,受極端天氣影響,8月8日單次降雨量達到335.3 mm(圖1)。

圖1 2016年生長季黃河三角洲濕地環境因子動態Fig.1 Variations of environmental factor during the growing season of 2016 in the Yellow River Delta

2.2 鹽沼濕地CH4通量排放特征

黃河三角洲鹽沼濕地半小時CH4排放通量和水位變化趨勢如圖2所示,因儀器故障致使部分CH4通量數據缺失。黃河三角洲鹽沼濕地地表水位高度主要受降雨和潮汐影響,土壤干濕狀況明顯,無潮汐和降雨時地面無積水。圖2中水位高度以地面為參考,表示距離地表高度。2016年5—10月觀測期間CH4通量半小時變幅為-19.7—26.6 nmol m-2s-1,6月30日達到排放日均最高值為9.9 nmol m-2s-1,最低為9月12日的-6.4 nmol m-2s-1。地表水位日均值變化范圍為0—84.4 cm,由極端降雨引起的最大瞬時水位為35 cm,而潮汐活動所引起的最大瞬時水位高度為130 cm。整個生長季,CH4排放在連續降雨及漲潮過后的濕潤階段呈逐漸增大趨勢。

由表1可知,黃河三角洲鹽沼濕地生長季表現為CH4微弱源。6月份溫度高于5月份,但6月份CH4排放總量卻低于5月份。7—8月份,降雨增多,地表水位增大的同時CH4排放量也增大,CH4排放通量在7月份達到排放峰值,最低值出現在9月。

圖2 半小時CH4通量和水位排放動態Fig.2 Half hourly variations of CH4 emission and water level

月份MonthCH4排放通量Methane emission flux/ (mg m-2 h-1)月份MonthCH4排放通量Methane emission flux/ (mg m-2 h-1)50.062 80.081 60.043 90.033 70.092 100.045

2.3 潮汐作用對CH4排放的影響

2.3.1CH4通量排放的日動態

漲落潮不同階段CH4排放通量的日動態如圖3所示。不同潮汐過程中CH4排放通量具有明顯的變幅差異。漲潮前,CH4排放通量波動較小沒有明顯的峰值變化。漲落潮淹水期間,CH4排放通量隨著潮汐水位波動出現多個峰值。漲潮初期,潮汐對土壤的濕潤過程激發了土壤中CH4的排放,CH4排放速率隨著水位的不斷上漲不斷增大。漲落潮淹水過程中,潮汐水位波動引起CH4排放通量的變化,同時,第二次潮汐水位的上漲與CH4排放通量并不同步,使CH4排放具有時間上的延遲性。落潮后的濕潤階段,CH4通量波動較大,存在多個峰值。整個潮汐階段中,CH4排放量在落潮后的濕潤階段達到整個潮汐過程的排放峰值,分別為35.6 nmol m-2s-1、15.6 nmol m-2s-1和12.5 nmol m-2s-1(圖3)。6月份,落潮后CH4集中排放持續16個小時后,由排放轉為吸收 (圖3)。

圖3 CH4排放通量隨水位排放日動態,Fig.3 Diurnal variations of CH4 emission under a tidal cycle 灰色區域表示漲潮期間

2.3.2CH4排放通量對不同潮汐階段的響應

利用配對t檢驗分析圖3中一個完整潮汐過程中不同階段CH4排放通量的差異(圖4)。結果表明：漲潮前CH4排放均值(-0.91±0.26) nmol m-2s-1顯著低于漲落潮淹水階段(1.34±0.36) nmol m-2s-1和落潮后濕潤階段(1.24±0.52) nmol m-2s-1(P<0.01),漲落潮淹水階段與落潮后CH4排放均值無顯著差異。整個潮汐過程中,CH4以排放為主,其排放均值為(0.56±0.26) nmol m-2s-1。

圖4 潮汐各階段CH4排放動態Fig.4 CH4 emission at different stages of tide

3 討論

3.1 鹽沼濕地甲烷通量排放的季節動態比較

黃河三角洲鹽沼濕地在生長季(2016年5—10月)是CH4的排放源,排放日均值為0.063 mg m-2h-1,變化范圍為-0.36—0.57 mg m-2h-1,與前人在該區域的研究數據范圍一致,而與其他類型的濱海濕地CH4通量排放水平差異較大(表2),這可能與植被生產力、水文要素、地形地貌、氣候條件等因素的差異有關[11]。

3.2 潮汐作用對CH4排放的影響

圖5為鹽沼濕地CH4排放對整個潮汐過程的響應概念圖,漲潮前無降雨和潮汐活動,鹽沼濕地土壤較為干旱以好氧過程為主,深層厭氧土壤產生的CH4由土壤剖面向大氣傳輸的過程中極易被土壤表層根際微生物氧化而導致其排放量減少[21,28,41]；漲落潮過程中,潮汐淹水既促進了厭氧層的形成又抑制了土壤氧化層的空間[3],潮汐淹水過程中,濕地土壤產生的CH4通過擴散、氣泡和植物傳輸排放到大氣中[21],其中植物傳輸約占整個CH4排放量的90%[42]。落潮后的濕潤階段,土壤厭氧層空間增加，土壤處于飽和狀態促進了CO2的吸收[20],土體中的CO2和H2相互作用生成CH4排放到大氣中[42]。

落潮后水位接近土壤表層時達到CH4排放的峰值,這種集中排放并不能維持較長時間(圖3)。氣體在水中傳輸速率遠低于空氣中,潮汐淹水階段部分CH4溶解于水中,落潮后CH4逐漸排放到大氣中被渦度設備監測到從而存在時間上的滯后性[43]。落潮后濕地土壤失去水流屏障,土壤厭氧層的空間增加有利于產生的CH4集中釋放。此外,潮水退去后滯留在土體中的CH4與大量進入土壤中的O2維持了甲烷氧化菌的活性[44],使得CH4在集中爆發后并不能持續較長時間,并逐漸由排放轉為吸收,這與汪青等[45]的研究結果一致。

本研究發現,一個潮汐循環中潮汐淹水階段和落潮后表現為CH4的顯著源,漲潮初期潮汐淹水對土壤存在瞬時激發效應,而使CH4排放隨著水位的升高不斷增加(圖3),伴隨著潮汐水位的不斷上漲,濕地土壤厭氧層不斷增加對土壤中CH4的產生起著積極作用。盡管潮汐淹水引起的靜水壓阻滯了土壤中CH4的排放[11],但本研究主要為小潮期,潮汐過程中水位并未完全淹沒鹽地堿蓬,CH4可通過植物傳輸到大氣中。此外,潮汐淹水期間大型動物的穴居生活有利于土壤滲透性的增加[46],同時潮汐淹水對螃蟹洞穴的沖刷,增加了土壤的有效表面積有利于CH4的擴散[8,47],而使漲落潮過程表現為CH4的源。

研究還發現,落潮后濕潤階段CH4排放均值顯著高于漲潮前階段(圖4),由于鹽沼濕地受到短期潮汐影響從而對CH4排放速率產生不同的影響[12]。遼河口堿蓬濕地漲落潮過程中CH4排放速率顯著低于漲潮前[48]。閩江河口潮汐濕地的研究也表明,漲潮前要比落潮后具有更大的CH4排放量,漲潮前和落潮后CH4排放速率沒有顯著差異[49]。汪青等[45]的研究表明在落潮后CH4排放的更多,這種現象的發生可能與土壤性質有關[31]。此外,水分狀況對土壤中CH4的產生起著決定性作用[50],落潮后土壤處于飽和狀態相較于漲潮前的干旱狀態更有利于CH4的產生。這種由潮汐引起的土壤干濕變化導致了CH4在落潮后脈沖式的排放,這種脈沖式的排放也可能與潮汐過程攜帶來的大量有機物質有關[51-52]。此外,潮汐活動誘導改變了土壤的氧化還原電位等理化性質[53],促使產甲烷菌和甲烷菌在土壤干濕交替模式下具有不同的活躍程度及增長速率[14,54],而使整個潮汐過程中CH4排放量存在差異。

表2 不同區域濱海濕地CH4排放通量比較

圖5 鹽沼濕地CH4排放對潮汐過程的響應概念圖Fig.5 Conceptual diagram shows how changes in tidal process regulate CH4 emission from a salt marsh wetland

短期潮汐作用可能會通過改變潮灘暴露和淹水的頻率和時長而對濕地CH4排放產生影響；同時潮汐引起的干濕循環導致CH4脈沖式的排放,很大程度上決定了較長時間尺度上溫室氣體的排放總量,可能間接影響鹽沼濕地CH4源/匯功能的轉變[41],而未來氣候變化下溫度升高和降雨季節分配引起的土壤干濕循環的變化將會對該區域CH4排放甚至碳循環產生積極影響。