草海湿地不同植被区沉积物中孔隙水CH4浓度分布与CH4、CO2排放通量研究

陈忠婷 夏品华 卫晓松 葛皓 郭光霞

摘要：利用静态暗箱-气相色谱法和顶空法测定了草海湿地CH4、CO2排放通量及沉积物孔隙水CH4浓度。结果表明：草海湿地CH4排放通量为0.50～8.57 mg/（m2·h），浅水区轮藻（Charophyceae）+水葱（Scirpus validus Vahl）群落最大，落干区灯芯草（Juncus effusus L.）群落最低；CO2排放通量为-59.62～547.33 mg/（m2·h），干湿过渡区藨草（Scirpus triqueter L.）群落最大，沉水区光叶眼子菜（Potamogeton lucens L.）群落最低；沉积物孔隙水CH4浓度剖面均值为2.07～3.81 μmol/L，与CH4排放通量变化规律基本一致，即轮藻+水葱群落>藨草群落>灯芯草群落>光叶眼子菜群落，垂直剖面上从表层至底层逐渐降低，不同区域沉积物孔隙水CH4浓度剖面变化规律并不一致。Pearson相关性分析表明，沉积物DOC、SOC含量是影响草海湿地CH4排放的重要因子，水位、生物量、沉积物pH值是影响CO2排放的重要因子。沉积物DOC、容重、土壤pH值、CO2通量、水位、土壤含水率、生物量、株高对沉积物孔隙水CH4浓度分布有显著影响。

关键词：草海湿地；CH4通量；CO2通量；孔隙水；CH4浓度

中图分类号： X171.4文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）11-0230-06[HS）][HT9.SS]

湿地是介于水生生态系统和陆地生态系统之间的过渡性生态系统类型，由于其具有很高的生产率及氧化还原能力而成為极其重要的生物地球化学活跃的场所[1]。大多数湿地是碳汇[2]，通过湿地生态系统的物质交换作用，可将大气中大量的CO2固定形成碳汇；同时，由于其低温和厌氧环境，湿地生境又是全球大气CH4主要的自然来源[3-4]，天然湿地每年向大气排放的CH4达到全球CH4排放量的15%～40%[5]。中国有着丰富的湿地资源，但由于自然环境不同，CH4、CO2的排放通量有强烈的时空异质性[6-7]。虽然国内学者开展了大量研究，但多数集中在三江平原沼泽湿地[8-9]、闽江河口地[10-12]、若尔盖高原湿地[13-15]等地，关于贵州省高原湖泊湿地温室气体排放的研究尚未见报道，[JP2]其变化趋势以及受控机制尚不明确。大量研究表明，植物与温室气体的排放密切相关。在有植被覆盖的湿地生态系统内，Koh等研究发现，植被对CH4、CO2排放有重要影响[16]；Sun等研究发现，滨河湿地CH4、CO2排放与植被等因素显著相关[17]。Maltais-Landry等研究发现，植物种类的不同会对温室气体的排放有不同的潜在影响[18]。湿地土壤中产生的CH4，有很大一部分通过植物传输、液相扩散、气泡传输等方式排放到大气中，也有相当一部分溶解在孔隙水中，但是这部分CH4往往被忽略。人为或气候变化等原因可将溶解在土壤孔隙水中的CH4碳库释放到大气中，从而会对湿地CH4排放通量估测产生潜在影响[19-20]。本研究选取贵州省草海湿地为对象，研究不同植被区土壤CH4、CO2的排放通量特征、沉积物孔隙水不同剖面CH4浓度的空间分布特征，探讨高原湖泊草海湿地植被在CH4、CO2排放过程中的作用和土壤孔隙水CH4浓度差异性分布关键影响因子，旨在为深入了解高原湖泊湿地碳循环提供参考。[JP]

1材料与方法

1.1研究区域概况

草海湿地（26°49′～ 26°53′N，104°12′～104°17′E）位于云贵高原中部，海拔2 173 m，水域面积20.98 km2，平均水深2～3 m，是我国“三大高原湖泊”之一，为国家一级重要湿地，是以天然淡水湖为主的湿地生态系统保护区[21]。草海属亚热带高原季风冬干夏湿气候，1月多年平均气温-1.9 ℃，7月多年平均气温17.7 ℃，年均气温10.5 ℃，年均降水量 960 mm，无霜期208.6 d。草海地区代表性植物有光叶眼子菜（Potamogeton lucens L.）、轮藻（Charophyceae）、水葱（Scirpus validus Vahl）、藨草（Scirpus triqueter L.）、灯芯草（Juncus effusus L.）等。

1.2样品采集

选取草海湿地核心保护区为研究对象，沿上游至下游走向，根据植被群落不同，选取A区（灯芯草群落）、B区（藨草群落）、C区（轮藻+水葱群落）、D区（光叶眼子菜群落）4个区域。样点分布见图1。

利用静态暗箱-气相色谱法测定CH4、CO2通量，采样箱为不锈钢材质的静态暗箱（50 cm×50 cm×50 cm）。采样时间为08：00—11：30。采气时，将静态箱倒扣在采样点上，30 min 内每隔10 min用100 mL医用注射器抽取1次，气体储存在铝复合膜气体采样袋中，气体样品运回实验室后1周内完成测定。

利用柱状采样器采集各样点0～50 cm的沉积物，按 10 cm 分层，共5层，每层用去头的注射器从采样管两侧分别取出5 mL用于孔隙水CH4浓度测定，其余样品装入聚乙烯袋内避光保存，运回实验室测定DOC、SOC、pH值等理化指标。同时采集地上生物量，并现场同步记录气温、气压、土壤温度、土壤氧化还原电位（Eh）等参数。土壤理化性质见表1。[FL）]

1.3样品测定

CH4、CO2浓度用岛津GC-2014型气相色谱仪测定，FID检测器，分离柱为13-01-003型碳分子筛（1 m×3 mm）。CH4测试条件：进样口温度为250 ℃，检测器温度280 ℃，柱温120 ℃，载气（高纯氮气）流速为30 mL/min。CO2测试条件：CO2通过转化炉，在高纯氢气和镍催化剂条件下转化为CH4，转化炉温度380 ℃，进样口温度为50 ℃，检测器温度105 ℃，柱温85 ℃，载气（高纯氢气）流速为40 mL/min。测定沉积物孔隙水CH4浓度的样品处理方法参照文献[22]，测试条件同上。沉积物DOC测定参照文献[23]，SOC测定采用高温外热重铬酸钾氧化容量法，土壤pH值用pH计测定。

1.4数据处理

CH4、CO2排放通量计算参照文献[24]，公式如下：

[JZ（]F=[SX（]MV0[SX）] [SX（]PP0[SX）] [SX（]T0T[SX）] H [SX（]dCdt[SX）]。[JZ）][JY]（1）

式中：F为气体通量[mg/（m2·h）]；M为被测气体的摩尔质量（g/mol）；P为采样时气压（Pa）；T为采样时温度（K）；V0、P0、T0为标准状态下的气体摩尔体积、空气绝对气压、温度；H为静态箱在水面以上的高度（m）；dC/dt为采样时气体浓度随时间变化的斜率。

土壤孔隙水CH4浓度（C）的计算式为[25]：

[JZ（]C=[SX（]Ch×Vh×To22.4×VP×T[SX）]。[JZ）][JY]（2）

式中：C单位为μmol/L；Ch为顶空瓶上部空气中CH4含量（μmol/mol）；Vh为顶空瓶内空气体积（mL）；VP为顶空瓶里孔隙水体积（mL）；T0、T分别为标准温度和室温（℃）。

利用Excel 2010软件对数据进行统计，SPSS 18.0软件进行单因素方差（One-Way ANOVA）、一元线性回归和相关性分析，绘图使用Origin 8.5软件完成。

2结果与分析

2.1沉积物孔隙水CH4浓度空间分布特征

草海湿地不同植被区域沉积物孔隙水CH4浓度分布特征如图2所示。A区、D区沉积物孔隙水CH4剖面平均值分别为2.17、2.07 μmol/L，差异不显著（P>0.05）。C区孔隙水CH4剖面平均值最高，为3.81 μmol/L，与A区、D区差异达到极显著（P<0.001）。B区孔隙水CH4剖面平均值为 3.38 μmol/L，略低于C区（P>0.05），与A区、D区差异达到极显著（P<0.01）。沉积物孔隙水CH4浓度变化特征随着植被干湿过渡区植被-浅水区植被-沉水区植被的演替，表现出先增后减的规律。从沉积物剖面来看，不同区域孔隙水CH4浓度表现出不同趋势，A区、D区从表层向下层表现出先增加后减少的规律，B区呈现出先减少后增加的特征，C区则表现为一直减少。

[CM（24]Pearson相关性分析（表2）显示，沉积物孔隙水CH4浓度[CM）]

与土温、土壤Eh无相关性，土壤表层（0～20 cm）孔隙水CH4浓度与土壤理化性质均无相关性。30～40 cm孔隙水CH4浓度与容重、pH值呈显著正相关，与鲜土含水率、株高呈显著负相关，与水位呈极显著负相关。40～50 cm孔隙水CH4浓度与CO2通量、生物量呈极显著正相关。

上显著相关。下表同。[HT][FK）]

一元线性回归分析表明，DOC对0～40 cm沉积物孔隙水CH4浓度的影响较为显著，SOC对表层沉积物孔隙水CH4浓度影响较大，10～20 cm沉积物孔隙水CH4浓度能够解释CH4排放通量的29.5%，DOC、SOC不是50 cm沉积物CH4浓度的影响因素（表3）。

2.2草海湿地CH4、CO2排放通量特征

草海湿地不同植被区温室气体通量表现出明显的空间异质性（图3）。草海湿地不同植被区CH4排放通量均为正值（图3-a），表现为CH4“源”，排放通量值为0.50～8.57 mg/（m2·h），其中A区CH4排放通量最低，C区CH4排放通量最高，是A区的17倍，B区排放通量略大于D区。方差分析显示，A区与B区的排放通量间差异显著（P<005），A区与C区、D区与C区差异达到极显著（P<0.01）。

由图3-b可见，草海湿地不同植被区CO2排放通量的变化范围为-59.62～547.33 mg/（m2·h），表明草海湿地既存在CO2的排放，又存在CO2的吸收，表现出强烈的空间异质性。随着植被由挺水植被向沉水植被过渡，CO2排放通量呈现先增加后减少的规律，与CH4排放特征相似。CO2排放通量最高点出现在B区，为533.3 mg/（m2·h），D区表现为CO2吸收，吸收值为-54.2 mg/（m2·h）。方差分析显示，C区与D区之间差異不显著（P>0.05），其余各区之间差异均达到极显著水平（P<0.01）。

将草海湿地CH4、CO2排放通量与沉积物DOC、SOC含量、水位、生物量、pH进行Pearson相关性分析，结果显示，草海湿地CH4排放通量与沉积物DOC、SOC含量呈极显著正相关（表4）。对于CO2排放通量，与水位呈极显著负相关，与生物量和0～50 cm沉积物pH值呈极显著正相关（表4）。

[3.1讨论

3.1.1CH4排放通量及影响因素

CH4的排放是CH4产生、氧化及运输过程的综合结果，植被一般是通过影响这3个过程来实现对CH4排放的影响。Galand等认为，植被类型的不同会导致产甲烷菌群落的差异，而产甲烷菌的数量和类型直接影响了CH4的产生[26]。Koelbener等认为，植被将根际部位产生的CH4通过植物体传输至大气，避免了CH4的氧化，从而增加了CH4的排放[27]。Strand认为，不同类型植被对CH4传输能力不同[28]。段晓男等对乌梁素海湖泊湿地的甲烷排放研究发现，芦苇样方的甲烷排放速率远大于龙须眼子菜样方[29]。

本研究中，随着植被群落的演替，CH4的排放通量呈先增加后减少的规律，具体表现为C区>B区>D区>A区。光叶眼子菜群落CH4排放通量仅为藨草群落的56.8%。光叶眼子菜为沉水植被，仅能将CH4传输至水体，而藨草则可以将沉积物中的CH4通过体内传输直接排放至大气，从而避免了CH4的氧化。水葱群落CH4排放通量最高，水葱生活型为挺水植物，植株水面以上的部分可以充分进行光合作用，通气组织发达，因此传输CH4的能力增强。另外，C区不仅较A区、B区水位高，而且积水时间更长，植株水面以下的部分长期处于淹水厌氧状态，为甲烷菌的活动创造了条件。