模拟水位变化对杭州湾芦苇湿地夏季温室气体日通量的影响

盛宣才，吴　明,*，邵学新，李长明，梁　雷，叶小齐

1 中国林业科学研究院亚热带林业研究所，国家林业局杭州湾湿地生态系统定位观测研究站，杭州　310036 2 杭州师范大学生命与环境科学学院，杭州　310036



模拟水位变化对杭州湾芦苇湿地夏季温室气体日通量的影响

盛宣才1，吴明1,*，邵学新1，李长明2，梁雷2，叶小齐1

1 中国林业科学研究院亚热带林业研究所，国家林业局杭州湾湿地生态系统定位观测研究站，杭州310036 2 杭州师范大学生命与环境科学学院，杭州310036

水位是影响湿地温室气体排放的重要因子。采用静态箱-气相色谱法研究了模拟条件下不同水位(0、5、10 cm和20 cm)对芦苇湿地温室气体(CO2、CH4、N2O) 夏季昼夜通量变化的影响。结果表明，1)4种不同水位CO2通量日变化均表现为昼低夜高，且白天为汇，夜间为源，整体均表现为CO2的汇；不同水位CH4通量日变化则均表现为昼高夜低，且整体上均表现为CH4的源；N2O通量总体上水淹后均表现为昼高夜低而0cm水位表现为昼低夜高；2)随着水位的增加CH4和CO2平均通量呈现先增加后降低的趋势，且10cm水位下CH4和CO2平均通量最高，N2O通量则在5cm水位最高；3)通过相关性和主成分分析表明，气温、水温是土壤CH4、N2O通量日变化的主导因子，而土壤温度是CO2日变化通量的主导因子，同时，土壤pH、Eh及水体pH、Eh是CO2通量日变化的重要因子之一。

水位；温室气体；日变化；温度；pH；Eh

近年来，CO2、CH4和N2O作为大气中3种主要的温室气体，越来越受到科学研究的重视。而湿地是一种水陆相互作用形成的特殊自然综合体，是3种温室气体(CO2、CH4和N2O)的重要的源或汇[1-2]。土壤、植被、水文是湿地生态系统中最重要的三大因子，其中水位波动是土壤中有机碳循环过程和温室气体排放的重要影响因素[3-4]。一方面，水位通过影响水体的氧化还原电位与溶解氧浓度[5]，进而改变微生物种类与活性[6]，从而影响温室气体的排放；另一方面，水位是通过影响水生植物的分布和生长而影响温室气体的传输过程[7- 8]。目前，关于水位波动对温室气体的影响研究已有很多[9- 13]，但仍尚未明确。例如万忠梅[14]通过模拟发现CH4排放通量随水位增加呈显著增加趋势，而丁维新等[9]研究认为CH4排放通量随水位增加呈先增加后降低趋势。因此，水位对温室气体的影响还需要进一步探究。

杭州湾湿地目前不断地被围垦利用，其中围垦区80%以上面积由沼泽、池塘和浅水滩构成，平均水深维持在0.5m左右。此外，目前围垦区高等水生植物以芦苇(Phragmitesaustralis)为主，而芦苇是富集营养化水体湿地修复和人工湿地的代表性植物，同时也是土壤温室气体排放重要的传输者[15]。目前关于杭州湾湿地方面只研究了自然滩涂芦苇湿地的温室气体排放[16]，而围垦区尤其是不同水位波动下的温室气体排放尚不清楚。因此，本文通过选取杭州湾围垦区芦苇湿地的土壤，采用室内盆栽模拟试验，研究不同水位芦苇湿地温室气体CO2、CH4和N2O排放通量的昼夜变化，着重探讨包括温度、水位在内的环境因素在昼夜变化尺度上对土壤温室气体排放通量的影响，从而为实施杭州湾围垦湿地低排放生态恢复工程提供理论依据。

1　材料与方法

1.1研究区域概况

图1　采样区地理位置Fig.1　Location of study area

杭州湾位于浙江省东部，西接钱塘江，东至东海，呈喇叭口形状，属河口海湾(图1)。气候为北亚热带季风气候，四季分明，年均气温16℃，年均降水量1273 mm，日照2038 h，无霜期244 d。2014年7月气温27.2—34.5℃，月降水量129 mm，月平均风速1.8m/s，8月气温为25.3—31.8℃，月降水量136 mm，月平均风速1.5m/s。

1.2实验设计及样品采集

2013年12月，挖取杭州湾围垦区芦苇湿地0—30cm土壤运回杭州湾生态站进行风干混合备用。2014年3月初，在杭州湾生态站境内采集芦苇幼苗后在常温下预培养1个月。同时将事先备好的土壤，装入高60 cm、内径25cm的PVC特制盆钵(顶部带有水槽，水槽宽度3cm)，4月份移植到PVC特制盆钵里，每盆移栽大小一致的芦苇2—3株，平均株高30cm。移栽7 d、待芦苇植株生长稳定后，模拟围垦区芦苇分布的水位梯度，水位梯度为0、5、10、20cm，每个处理4个重复。同时每隔一天灌水以维持水位，加水取自当地的原位湖水，水的pH为8.50，盐度为1.95‰。实验采用静态明箱-气相色谱法采集温室气体。静态箱为直径30cm，高100cm。顶箱中部设置一个3cm长的硅胶管作为采气管道(外径为6mm，内径为4mm)，同时设置一根短硅胶管(50cm)连接箱体内外大气，以保持箱体内外压强的一致(图2)。日变化采样时间为2014年7月15—16日和8月16—17日。06: 00开始采样，每间隔4 h 采样1次，每个观测点罩箱30 min，罩箱后立即采集第一个气体样品，之后每隔10 min采集1次，30 min内共采集4个气体样品。用IQ150pH计记录水体温度、pH、Eh以及5 cm处的土壤温度、pH和Eh。同时测定了7月、8月不同水位芦苇的株数和株高(表1)。

图2　温室气体采集装置Fig.2　A mesocosm system for measurement of greenhouse gases

1.3分析方法

采集的温室气体采用Agilent 6820气相色谱仪检测，甲烷检测器为FID，载气为氮气，流速30mL/min，燃气为氢气，流速30 mL/ min，助燃气为空气，流速为400 mL/min，检测器温度为200℃，分离柱温度为55 ℃。

温室气体排放通量的计算公式为[17]：

式中，F(mg m-2h-1)为温室气体排放通量(正值表示气体排放到大气，负值表示气体的吸收)；M(g)为温室气体的摩尔质量；V(L)为标准状态下1mol 温室气体的体积；dc/dt为采样期间静态箱内温室气体的浓度变化率；H(m)为静态箱高度；T(℃)为静态箱内的平均温度。

1.4数据统计与分析方法

使用Excel软件、SPSS18.0软件和origin软件进行数据处理及统计分析，所有数据使用单因素方差分析，LSD法显著性检验(P<0.05)，主成分分析和pearson相关性分析数据均采用7月和8月取样测量值，并在 0.05水平上进行显著性分析。

表1　7月和8月不同水位芦苇株数、株高

2　结果与分析

2.1不同水位温室气体通量日变化规律

4种不同水位梯度下3种温室气体(CH4、CO2、N2O)表现出不一样的昼夜变化规律，且昼夜差异较大(见图3)。对CH4而言，除8月0cm水位表现为微弱的汇外，其他3个水位梯度都基本呈现CH4的源，并且随着水位的加深，CH4排放先升高后降低。不同水位甲烷排放日动态基本呈单峰模式，14:00为排放高峰，02:00为排放低峰。对于CO2而言，7月和8月4种水位梯度皆表现出昼低夜高的规律，并且白天CO2呈现吸收状态，夜晚CO2呈现排放状态。且均表现为10:00左右为CO2吸收高峰，10:00左右为CO2排放高峰，而0cm水位表现为02:00为CO2排放高峰，早上06:00为吸收高峰。总体上，不同水位平均CO2通量表现7月大于8月。对于N2O而言，7月和8月4种水位梯度总体上均表现为微弱的排放或吸收状态，且在不同时段表现出不一样的变化，其中0cm水位基本表现出吸收状态，除了06:00和凌晨02:00有少量的排放外，而5cm水位、10cm水位、20cm水位在白天皆呈现出排放状态，在夜间则呈现吸收状态。

图3　不同水位CH4、CO2、N2O通量日变化Fig.3　Diurnal Variation of CH4、CO2 and N2O flux at different water levels

图4　7月不同水位环境因子昼夜变化Fig.4　Diurnal Variation of environmental factors at different water levels in July

图5　8月不同水位环境因子昼夜变化Fig.5　Diurnal Variation of environmental factors at different water levels in August

2.2土壤、水体等环境因素与不同水位CH4、CO2、N2O通量关系

2.2.1土壤、水体等环境因素变化

在测量水位CH4、CO2、N2O通量日变化的同时同步测定了气温、土壤温度5cm温度、pH、Eh以及水体温度、pH、Eh等一些环境因素变化(图4、图5)，由于0cm水位是未淹水的，因此这里就没有0cm水位的水体温度pH、Eh。测定结果显示，总体上7月和8月环境因子表现出一致的昼夜变化。气温由于受太阳辐射的影响因而昼夜温差较大，白天气温较高，其中7月在29.2—39. 4℃范围内波动，日间平均气温为34.6℃；夜间气温在28.0—30.2℃范围内波动，夜间平均气温为28.9℃。昼夜气温差可达差可达到5. 5℃。8月气温在22.0—39.2℃范围内波动，日间平均气温为31.4℃；夜间气温在22.0—26.2℃范围内波动，夜间平均气温为24.3℃。昼夜气温差可达差可达到7.1℃。水温24h 内波动受气温影响也存在一定的差异，但差异不显著(P>0.05)；其中7月5cm水位平均水温为29.1℃，10cm水位平均水温为28.8℃，20cm水位平均水温为29.7℃；8月5cm水位平均水温为25.5℃，10cm水位平均水温为25.6℃，20cm水位平均水温为25.8℃。7月和8月不同水位土壤 Eh 以及水体的Eh昼夜变化也表现较为一致的趋势，总体上不同水位土壤以及水体Eh值从6:00开始先是缓慢上升，接着10:00以后又开始下降至2:00达到最低之后又开始上升，呈现“S”增长，不同水位pH 值均呈碱性，同Eh值一样没有明显的昼夜规律，最小值出现在10:00左右，最小值出现在凌晨02:00。

2.2.2土壤、水体等环境因素与不同水位CH4、CO2、N2O通量的相关关系

不同水位CH4、CO2、N2O通量日变化与温度、pH、Eh之间的相关关系见表2。结果得出气温、水温与不同水位CH4、N2O通量日变化之间呈显著相关(P<0.05)，而与CO2之间相关关系不显著(P>0.05)。土壤pH、Eh以及水体pH、Eh对不同水位CH4、CO2、N2O通量日变化皆不显著(P>0.05)。而土壤温度对不同水位CH4、CO2、N2O通量日变化各不相同。其中土壤温度对不同水位CH4排放也呈现较强的正相关，其中与0cm和5cm水位相关性达到显著(P<0.05)；而不同水位N2O通量与土壤温度皆不显著(P>0.05)。土壤温度对不同水位CO2通量均呈现显著的正相关，其中与5cm水位、10水位、20cm水位相关性达到极显著(P<0.01)。

表2　土壤、水体等环境因素与不同水位CH4、CO2、N2O通量的相关关系

*表示显著相关(P<0.05);**表示极显著相关(P<0.01);—表示无相关关系

3　讨论

3.1不同水位下CH4、CO2、N2O通量的日变化规律

本研究中不同水位CH4通量的日变化均表现出一致的昼夜变化规律，且均表现为昼高夜低，这与相关研究得到的结果相似[18-20]，原因是白天光照充足且温度高甲烷以传输效率较高的对流传输方式为主，而夜间则以传输效率较低的分子扩散为主，同时，由于夜间积累的甲烷在白天通过对流传输释放到大气中，这也是导致芦苇湿地白天甲烷排放量高的原因。此外，本研究中除8月0cm水位下甲烷排放白天表现为排放状态，夜间表现为吸收状态外，其他水位全天均表现为排放状态。这是因为在CH4排放方面，湿地水位越低，沼泽产生和排放CH4就越少[7]。而当芦苇没有水淹情况下夜晚由于CH4排放较少，可能全部被氧化，因而0cm水位情况下CH4通量夜晚可能呈吸收状态。总体上，夏季芦苇湿地各水位均表现为CH4的源。这是因为随着水位的加深，水体中溶解氧质量浓度是影响水体与大气间CH4通量日变化的主要环境因子[21]，当水位较高时所形成的甲烷气泡在逐渐上升的过程逐渐被氧化为CO2，从而降低了扩散到大气中的甲烷。研究中不同水位CO2通量全天整体上均表现为CO2的汇，且均表现为昼低夜高，这与张发兵[22]等在太湖春季研究得出的结果一致，但与黄文敏[23]等在香溪河水-气界面秋季测量的结果相反。说明CO2通量日变化在不同季节具有不同的变化规律。而本文研究得出昼低夜高的原因可能是白天太阳光辐射增强，水体温度升高，植物的光合作用也增强，有利于CO2从大气进入水体；太阳光辐射减弱, 水温降低，光合作用减弱，有利于水体中的CO2进入大气。汪青[24]对崇明东滩温室气体排放的研究表明，无论是围垦湿地还是自然湿地，温室气体排放通量都有明显的日变化规律，表现出夜高于昼，极大值和极小值分别出现在凌晨和上午。研究中10cm水位下CO2通量高于其他水位，这是因为土壤淹水深度直接影响到土壤的氧化还原环境，进而影响微生物活动和CO2的排放。也有研究指出，CO2排放与湿地水位呈负相关关系[25-26]，这与本研究存在一定的出入。N2O排放是硝化-反硝化共同作用的结果，而在湿地环境中，因为土壤水淹的条件，较低的含氧量和丰富的碳，氮营养物质，一般把反硝化作用认为是湿地N2O排放的主要因素[27]。可能与沉积物中参与硝化-反硝化作用的微生物活性对环境温度的响应存在滞后效应有关。相关研究[28-30]也表明，N2O 排放通量的日变化受环境温度的影响极为明显，且其变化与温度变化存在明显的时间滞后性。此外，8月份深水位(10、20cm水位)CH4排放略高于7月份，这可能与与芦苇不同时期的生物量和植株密度等密切相关[31-32]，随着水位增加芦苇的株高、分蘖数也相应增加，且气体“通道”较多，植物对CH4传输的阻力减小。

3.2环境因子对温室气体通量日变化的影响

图6　不同水位环境因子的主成分分析Fig.6　Principal component analysis based on environmental factors of different water level

通过主成分分析对气温、水温、土温、土壤pH、Eh、水体pH、Eh以及风速等8个环境指标与温室气体通量日变化的影响进行进一步的筛选(图5)，分析得出气温和水温是影响湿地土壤CH4和N2O通量日变化的主导因子，土壤温度是影响湿地土壤CO2通量日变化的主导因子。同时通过相关性分析也得出气温与CH4通量均呈显著正相关，说明气温是影响CH4通量的重要因子；气温对N2O通量的影响有所不同，0cm水位下与N2O通量呈显著负相关，而与其他水位下(5、10、20cm水位)呈显著正相关，这是因为在0cm水位土壤N2O主要有土壤硝化作用主导，而当水淹后由反硝化作用主导，随着温度升高硝化作用会减弱，反硝化速率则会随着增强[33]。气温与CO2通量的相关性不显著，这可能与采样时研究区风速较高有关(平均风速高达3.5m/s)。黄文敏[23]等研究也指出风速较高时，CO2通量与气温的相关性降低。土壤温度与0、5cm水位下CH4通量呈显著正相关，而与10、20cm水位下CH4通量相关性不显著，表明土壤温度对未淹水或低水位的CH4通量影响要明显大于对较深水位CH4通量影响。这是由于随着水位加深土壤温度日变化波动减小，因而对土壤微生物的活性影响减弱，故相关性分析中得出了较深水位与CH4通量相关性不明显的结果。土壤温度与各水位CO2通量均呈显著正相关，其中与5、10、20cm水位相关性达到极显著。水温与5、10、20cm水位CH4、N2O通量相关系数较高，且均达到显著的正相关，分析原因如下：随着水体温度的升高气体的溶解度降低，从而有利于气体由水面扩散到大气中；而当水体温度降低时气体更易从空气中进入水体。此外，水体的温度还能影响水中气泡的形成，有报导指出，水温较高的水体中扩散到水中的甲烷量低于沉积物中积累的甲烷量，使得甲烷过饱和而形成气泡[34]。水温与5、10、20 cm水位CO2通量的相关系数分别为0.238、0.499、0.625(P>0.05)，表明水温与CO2通量之间没有明显的相关关系，这与香溪河温室气体通量日变化研究得到的结果一致。

本研究结果显示土壤和水体pH、Eh与不同水位CH4和N2O通量相关性相对较弱，这是因为在昼夜尺度上壤和水体pH、Eh波动不大，因而它不是造成土壤CH4和N2O昼夜和小时尺度波动的主要原因[35]。而土壤和水体pH、Eh与不同水位CO2通量相对较强，这是因为pH可以直接影响水体碳酸盐的平衡[36]，而Eh可以改变土壤通透性和供氧状况，因而与CO2通量之间具有直接的关系。

4　结论

(1)观测期间，夏季不同水位CH4、CO2、N2O通量具有明显的日变化特征。不同水位CO2日变化通量均表现为昼低夜高，且白天为汇，夜间表现为源，且整体上均表现为CO2的汇；不同水位CH4日变化通量同样均表现为昼高夜低，且整体上均表现为CH4的源；N2O通量总体上水淹后均表现为昼高夜低而0 cm水位表现为昼低夜高，全天5、10 cm水位表现为N2O的源，0、20 cm水位表现为N2O的汇。

(2)在不同水位温室气体日变化过程中，气温、水温是土壤CH4、N2O日变化通量的主导因子，而土壤温度是CO2日变化通量的主导因子，同时，土壤pH、Eh及水体pH、Eh是CO2日变化通量的重要因子之一。

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Effects of simulated water levels on diurnal variation in the emission of three greenhouse gases in reed wetlands in summer

SHENG Xuancai1, WU Ming1,*, SHAO Xuexin1, LI Changming2, LIANG Lei2,YE Xiaoqi1

1WetlandEcosystemResearchStationofHangzhouBay,StateForestryAdministration,ResearchInstituteofSubtropicalForestry,ChineseAcademyofForestry,Hangzhou310036,China2CollegeofLifeandEnvironmentSciences,HangzhouNormalUniversity,Hangzhou310036,China

Water level affects greenhouse gas fluxes in wetlands. A static chamber-gas chromatographic technique was used to study the release of three greenhouse gases, CO2, CH4, and N2O at simulated water levels (0, 5, 10, and 20 cm) of reed wetlands in the Hangzhou Bay area. The results indicated that, 1) the CO2flux was higher at night and lower during the day—acting as sink during daytime and source at night—with a net flux as sink of CO2irrespective of water level. CH4was lower at night and higher during the day with a net flux as source of CO2. N2O flux was lower at night but higher during the day, except at 0 cm; 2) the CH4flux and the CO2flux increased, followed by a decrease, with increasing water level. The water levels for the highest average fluxes were 10 cm for CH4and 5 cm for CO2; and 3) correlation and principal component analysis showed that water temperature was the dominant factor for the daily variation in soil CH4and N2O flux, and soil temperature was the dominant factor for the daily variation in CO2flux. Meanwhile, soil pH, soil Eh, water pH, and water Eh were all important factors for the variation in CO2flux.

Water level; Greenhouse gases; diurnal variation; temperature; pH; Eh

国家林业公益性行业科研专项(201404305, 201404210)；中国林科院基本科研业务费专项(CAFYBB2014MA002)；国家“十二五”科技支撑计划专题(2012BAC13B02- 2)

2015- 01- 12;

2015- 06- 05

Corresponding author.E-mail: hangzhoubay@126.com

10.5846/stxb201501120087

盛宣才，吴明，邵学新，李长明，梁雷，叶小齐.模拟水位变化对杭州湾芦苇湿地夏季温室气体日通量的影响.生态学报,2016,36(15):4792- 4800.

Sheng X C, Wu M, Shao X X,Li C M, Liang L,Ye X Q.Effects of simulated water levels on diurnal variation in the emission of three greenhouse gases in reed wetlands in summer.Acta Ecologica Sinica,2016,36(15):4792- 4800.