湿地甲烷排放研究概述

李楠,康铁鑫,安睿,戴伟男,白雅溶

(1.黑龙江省林业厅,黑龙江 哈尔滨150090;2.大兴安岭韩家园林业局,黑龙江 大兴安岭165124)

湿地与森林、海洋并称为全球三大生态系统,是人类赖以生存和发展的重要自然资源,在维护生态安全、气候安全、粮食安全、淡水安全以及促进经济社会可持续发展等方面发挥着极端重要的作用,也为人类文明永续发展提供不可替代的支撑和保障。湿地是过渡性生态系统类型,介于陆地和水域生态系统间,是极为重要的生物地球化学场所,生产力和氧化还原能力较高。生物多样性丰富和生态服务功能重要是自然湿地的重要特征,作为重要功能性过程的甲烷排放,在湿地生态系统循环中发挥着重要的作用。因此,准确认识湿地甲烷排放的机理和过程以及相关的影响因素,对于湿地的有效保护、科学管理和合理利用具有重要意义[1]。

近代大气中甲烷的浓度从工业革命前的0.7×10-6增加到1.8×10-6。甲烷的排放源主要有自然湿地、稻田、废渣填埋、反刍动物、生物物质燃烧以及植物体和凋落物等。除了非生物活动产生的碳源,例如化石燃料燃烧、天然气、石油和煤炭,地球上生物活动输出的碳源量占全球甲烷碳源总量的70%以上。在生物活动碳源中,自然湿地是主要的输出场所之一。因此,确定自然湿地向大气排放甲烷的能力是十分重要的。确定大气中甲烷的碳源和碳汇,对于今后缓解大气中甲烷的增加和气候变暖尤为重要[2,3]。

我国的自然湿地资源十分丰富,在20世纪后半段经历了一段湿地面积减少和功能退化的时期[4]。在这段时期内,我国的环境状况也出现了大气污染和气候等变化[5]。沼泽湿地作为我国湿地主要类型之一,对于CH4通量仍然缺乏深入的研究,特别是在大尺度区域水平上研究,包括相关环境条件因子的变化以及如何改变沼泽湿地甲烷对于全球生态系统反馈和气候系统的区域性研究,这些成果对整个中国节能减排、气候变暖以及制定的相应政策目标都带来深远的影响[6]。

1　湿地甲烷排放过程

湿地甲烷排放主要由甲烷的产生、甲烷的氧化和甲烷向大气释放3个相互联系的基本过程组成。过往的研究认为,甲烷的产生主要是在土壤中产甲烷细菌在厌氧条件下,利用低碳有机物(如乙酸)、H2、CO2等为底物,通过乙酸的C还原反应和甲基转移反应2种途径产生[7,8]。最新研究证实了植物体及凋落物也产生甲烷,其产生的甲烷排放通量占每年排入大气甲烷通量的10%～30%[9],因此植物也是重要的甲烷排放源,但关于这一途径产生甲烷的研究较少,需要更深层次的研究和证明。不同土壤中,由于不同的土壤有机物种类及含量差异和土壤微生物菌族等,甲烷的产生量及途径也不同。

土壤中甲烷主要由甲烷氧化菌,通过“高效率氧化”和“低效率氧化”2种氧化方式：甲烷→甲醇→甲醛→甲酸→CO2[10]。在泥炭地沼泽、稻田等生产甲烷的环境里,甲烷的氧化都是低效率氧化,发生在有氧条件下的根际、水稻根内、土壤氧化层和其挺水的叶鞘内[11]。关于甲烷氧化过程的研究相对较多,但还需要借助其他学科的手段在更深的层次上利用分子生物学等方法进一步深化甲烷氧化过程机理的研究。

土壤中的CH4主要通过3种途径排入大气中：(1)大部分CH4被植株根系等吸收,经植物体的通气组织排放到大气中;(2)形成含CH4的气泡,在水面破裂而喷射到大气中;(3)少量CH4随土壤及水中浓度梯度分子扩散排出。CH4向大气传输途径的畅通能够使土壤中的CH4很快排向大气,避免在氧化区域长时间停留,因此CH4传输效率是影响CH4排放率的重要因素。目前对湿地甲烷排放的研究发现,湿地甲烷排放具有较大的空间差异和时间差异。对稻田生态系统的观测发现,水稻生长季内甲烷排放有3个峰值,分别出现在水稻生长的返青期、分蘖期和成熟期。稻田甲烷排放通量的昼夜变化一般是在下午温度较高的时候出现峰值,夜间和上午排放通量较小。森林湿地在冬季常出现负排放;并且在七八月份测得沼泽CH4排放通量,夜间比白天大2倍至1个数量级,而在同一地点10月份测得的值却白天比夜间大2倍[12]。

2　湿地甲烷排放的监测方法和排放模型的应用

监测的湿地甲烷排放方法主要有微气象法和箱法。作为微气象学观测方法中常使用的涡度相关法,近年来广泛应用于湿地甲烷排放观测,其优点是能够克服在小尺度空间上甲烷排放的变异性,响应快并且覆盖面积大。但该方法造价较高,并对大气稳定度和下垫面要求高,对传感器的灵敏度和速度要求非常严格,因此在野外观测中受到了限制[13]。箱法最为常用且简单易操作,在实际野外观测中具有移动便利、灵敏度高和扩展性强等特点,但缺点是实验的覆盖面比较小,通常在0.05～1.0 m2[14]。

构建湿地甲烷排放模型广泛应用于估算区域尺度和全球范围内的甲烷排放。考虑到大气中甲烷碳汇集相比较而言是一个常数不变量,因此估测释放到大气的甲烷的能力成为全球变化主要研究问题之一。

大尺度上湿地生态系统甲烷净输出量一般有3种估测的方法：(1)样地水品的湿地测量和观察的直接外推法;(2)基于过程的建模方法(自下而上的方法);(3)逆建模方法(自上而下的方法)。基于过程的建模方法提供在一段相当长的时期内,区域性地球的甲烷通量碳源获取能力,同时要考虑到生态系统属性的空间异质性和气候条件,同时在估测区域性天然湿地甲烷通量使用较为广泛。大量的研究通过使用基于过程的建模方法了对区域自然湿地甲烷释放强度进行估算;然而以前的研究中没有同时考虑到多个全球气候变化的因素的影响,例如气候变化、臭氧层污染、沼泽湿地的退化消逝和大气中不断上升的(CO2)浓度,因此无法用于阶乘归属。

最新的研究中,使用了DLEM模型来估测了全国范围内沼泽湿地甲烷通量的大小。同时通过调查1949年至2008年间中国的沼泽湿地CH4通量的时空格局,进一步把甲烷通量中时空的变化归根于许多的全球变化因素,包括沼泽湿地的退化消失、大气中CO2浓度升高、空气污染、气候变化以及通过大气沉积增长的氮输入。这个模型是一个高度综合的过程生态模型。它可以用来做陆地上的碳、水、氮通量和碳储量研究,同时可以考虑复杂的自然因素和认为干扰因素的影响。DLEM(动态陆地生态模型)包含了生物物理学、植物生理学、生物地球化学、植被动态、土地利用和管理五个子模块。同时也可以考虑进飓风、火灾、虫害等干扰行为等影响因素。DLEM模型甲烷模块主要来模拟甲烷的产生、消费和传输过程。由于其他基底的甲烷贡献量很小DLEM模型仅仅考虑从有机碳(DOC)释放出来的甲烷,这些直接受土壤p H值、温度和土壤含水率等环境因素的直接控制。

在DLEM模型模拟中,多种全球变化因素直接或间接的影响甲烷的产生过程。大气二氧化碳浓度、臭氧的污染、土壤含水量、空气温度和光合有效辐射的吸收通过对光合作用的影响直接影响甲烷的产生过程。N的输入通过影响光合作用和生态呼吸系统直接影响甲烷的产生过程。土壤温度和湿度通过直接影响甲烷的产生和氧化直接控制甲烷的产生。同时,土壤温度、p H值和湿度直接影响甲烷的产生,而臭氧的污染和N的输入通过影响生态系统的物理过程间接的影响甲烷的产生。土地利用的变化对甲烷的影响是通过其刺激的生物基底的改变和生物化学过程来影响的。值得注意的是一些其他的对甲烷产生有影响的环境因素在这里没被考虑进来。例如：土壤p H、土壤的结构等。

3　我国沼泽湿地CH 4排放现状分析

我国沼泽湿地最新研究结果CH4排放数值为13.63～14.98 gC m-2a-2与另外一篇研究中结果美国陆地CH4排放的19.64 gC m-2a-2相比较低,同样中国的沼泽湿地分布区的CH4排放速率也比总体的CH4排放要低,原因很可能是中国东北部分布有大量的沼泽湿地,当地的低温条件降低了CH4的排放速率。过去的60年里,一致认为沼泽湿地的退化丧失是CH4排放减少的主要原因,因为与其他生态系统相比沼泽湿地有着较高的CH4排放速率。O3的污染减少了CH4的排放,它通过减少系统中碳的同化而产生抑制CH4产生的作用。基于中国全国范围内高的空间异质性的原因,模拟的沼泽湿地CH4排放速率表现出了丰富的空间变化(土壤条件的不同、N沉积和O3污染会导致CH4排放空间变化的多样)。相对于南方地区来讲,气候变化在我国的北方地区特别是东北对于CH4排放有着更为重要的意义,会产生较大的影响。原因是北方地区气候变化速率较大,气象数据显示北方地区温度上升相比南方明显,同时北方地区土壤有机物对于气候变化有着较高敏感性(北方地区具有温度极限条件)。因此,中高纬度地区的自然湿地可能对于全球气候变化下碳的储存和释放问题带来更重要的影响。

4　结语

湿地生态系统作为一个重要的生态系统,其碳循环过程是全球碳循环的重要组成部分。全球变化是一个十分复杂的问题,包含着环境中不同方面的变化和它们之间的相互作用。提高大气CO2浓度和氮沉积都可以提高CH4排放,然而如果两者联合作用的话却会对CH4排放有抑制的影响。因此多重因素的相互作用对于CH4排放的影响对于进一步了解CH4的排放和固定是十分重要的。多重因素相互作用表现为：沼泽湿地退化丧失、气候变化、大气CO2浓度升高、氮沉积和O3污染的相互作用,产生抑制或者促进作用的变化取决于时期、位置和其他因素。

沼泽湿地的退化和丧失对于生物多样性和生态系统服务功能产生消极的影响,但是它减少了CH4气体向大气中的排放量。与此同时变化着的全球环境条件包括大气CO2浓度升高和氮输入刺激了CH4的排放。考虑到大面积的沼泽湿地已经退化转变了土地利用的模式,并且现在的沼泽湿地正在经历着一些环境条件的改变,多重分析和野外试验方法将对于更好地了解沼泽湿地的CH4排放和潜在的机制是必不可少的。同样,建模方法需要更多的相关的野外研究,这对于更好地对大尺度下CH4通量供应进行统计分析是十分必要的,数据-模型联合的方法将是未来对CH4通量估计和稳定研究的主要方向。

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