劉孝富，王文杰 ，王維，蔣衛(wèi)國(guó)，劉海江，畢軍平，溫月雷，陳強(qiáng)

1.北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875

2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境信息研究所，北京 100012

3.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站生態(tài)室，北京 100012

4.湖南省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，湖南 長(zhǎng)沙 410014

5.東北師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024

甲烷是重要的溫室氣體，其較強(qiáng)的增溫作用，是導(dǎo)致全球氣候變化的關(guān)鍵因素之一［1-2］。大氣甲烷的主要排放源為濕地、化石燃料開采、固體廢物堆存、反芻家畜飼養(yǎng)以及生物質(zhì)燃燒等［3-4］，其中濕地(包括天然濕地、稻田)是全球大氣甲烷的最大排放源，而天然濕地排放的甲烷達(dá)到全球甲烷總排放量的20%～39%［5-9］。開展?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)甲烷監(jiān)測(cè)對(duì)于研究全球氣候變化具有重要意義。

目前濕地生態(tài)系統(tǒng)甲烷的監(jiān)測(cè)主要通過(guò)野外實(shí)地測(cè)量和樣品實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)2種手段［10］。野外實(shí)地測(cè)量側(cè)重于研究甲烷排放通量，而樣品實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)側(cè)重研究甲烷產(chǎn)生和排放機(jī)理。野外實(shí)地測(cè)量甲烷排放通量的方法主要有箱法、微氣象法、紅外光譜法及同位素法，其中最常用的是微氣象法和箱法［11］。微氣象法是通過(guò)測(cè)量近地層湍流狀況和微量氣體的濃度變化來(lái)推導(dǎo)地表氣體排放通量，包括渦度相關(guān)法、松弛渦度累積法、空氣動(dòng)力學(xué)廓線法、能量平衡法［12-16］等。微氣象法的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快、覆蓋面積大，但對(duì)下墊面、大氣穩(wěn)定度以及儀器的靈敏度要求較高［17-18］，使用條件和高昂的成本限制了微氣象法的應(yīng)用。箱法是將特殊材料制成的箱體罩在土壤中，通過(guò)測(cè)定箱體中待測(cè)氣體濃度的變化以及通過(guò)箱體入口和出口待測(cè)氣體的濃度差異來(lái)計(jì)算排放通量，主要包括密閉式靜態(tài)箱、開放式動(dòng)態(tài)箱、密閉式動(dòng)態(tài)箱［12，19-22］。箱法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，成本低廉［23］，已廣泛用于不同濕地類型甲烷排放通量觀測(cè)中［24-31］。但由于箱體的封閉和半封閉性改變了箱體內(nèi)溫度、濕度等條件，干擾了被觀測(cè)對(duì)象［6］，使觀測(cè)數(shù)據(jù)存在較大的誤差。此外，采樣箱多由底座、延長(zhǎng)箱和頂箱三部分組成，每部分都占用一定的空間，當(dāng)同時(shí)需對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，數(shù)量和空間的增大會(huì)導(dǎo)致采樣箱運(yùn)輸?shù)牟槐悖@成為箱法監(jiān)測(cè)濕地甲烷排放通量的瓶頸之一。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者開展了采樣箱的設(shè)計(jì)，基本樣式分為圓柱體和立方體2種，蓋地面積為0.1～0.4 m2，高15 ～90 cm［32-37］。材料多由有機(jī)玻璃(又稱丙烯酸薄板、壓克力板)［33，36，38-39］、不銹鋼［19，35，40］、鋁片［41-42］、PVC(乙烯基聚合物)材料以及HDPE(高密度聚乙烯)材料［43］組成。筆者在前人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)采樣箱進(jìn)行改造和完善，提高采樣箱的便攜性，減少對(duì)被觀測(cè)對(duì)象的影響，并通過(guò)實(shí)地觀測(cè)，驗(yàn)證箱法的科學(xué)性、客觀性和精確性，為濕地甲烷的箱法監(jiān)測(cè)發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 采樣箱設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則

采樣箱設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)攜帶的便利性和采樣數(shù)據(jù)的可靠性，需遵循以下準(zhǔn)則。

尺寸的合理性。一般來(lái)說(shuō)采樣箱覆蓋的地表面積越大，所獲數(shù)據(jù)的精確性越高［24］，但多個(gè)體積過(guò)大的采樣箱，給設(shè)備運(yùn)輸造成困難，也給野外人工攜帶帶來(lái)不便。因此，在進(jìn)行甲烷野外觀測(cè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)運(yùn)輸車輛大小和所測(cè)定地表覆蓋的類型確定合理的采樣箱尺寸。地表覆蓋較均勻時(shí)，采樣箱的尺寸可較小，常采用0.5 m×0.5 m，甚至更小;地表覆蓋較復(fù)雜時(shí)，采樣箱的尺寸應(yīng)適當(dāng)增大，但地表覆蓋面積不宜超過(guò)1 m2，整體高度不宜超過(guò)1.5 m。

結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展性。當(dāng)需要用同一設(shè)備測(cè)量不同類型甲烷排放情況時(shí)，在盡量不割除地表植被的情況下，采樣箱需調(diào)節(jié)不同的高度，這就要求采樣箱結(jié)構(gòu)靈活，具有擴(kuò)展性。一般的采樣箱底座和頂箱數(shù)量、大小基本固定不變，要使采樣箱結(jié)構(gòu)具有擴(kuò)展性，則要求延長(zhǎng)箱的數(shù)量和體積是可變的。

材料的多功能性。采樣箱的材料要滿足多重功能:1)質(zhì)地堅(jiān)硬，要求能插入土壤當(dāng)中;2)在長(zhǎng)期的搬運(yùn)過(guò)程中，不易破碎;3)材料無(wú)異味，不易揮發(fā)，以免影響被測(cè)氣體濃度;4)材料具有一定隔熱性，以免箱內(nèi)溫度升高過(guò)快;5)材料為透明和半透明體，以免影響地表植物光合作用。

配件布置的完整性。采樣箱的配件包括電風(fēng)扇、溫度計(jì)、取樣管等。電風(fēng)扇用于混合箱內(nèi)氣體，其布置應(yīng)不受箱體內(nèi)植被的干擾;溫度計(jì)測(cè)量箱體內(nèi)氣相參數(shù)，水銀溫度計(jì)應(yīng)布置在肉眼容易觀測(cè)的位置，數(shù)字溫度計(jì)探頭應(yīng)設(shè)置在采樣箱中部;取樣管用于從箱體內(nèi)抽取樣品，其進(jìn)口端位于箱體中心。

2 洞庭湖濕地甲烷監(jiān)測(cè)采樣箱設(shè)計(jì)

2.1 洞庭湖濕地甲烷的監(jiān)測(cè)

洞庭湖濕地位于我國(guó)湖南省境內(nèi)，面積1.3萬(wàn)km2，主要濕地類型包括蘆葦、苔草、楊樹林、稻田和泥沙灘地。洞庭湖濕地甲烷的野外監(jiān)測(cè)要求:1)在一定時(shí)間內(nèi)，用靜態(tài)采樣箱-氣相色譜法監(jiān)測(cè)洞庭湖不同濕地類型甲烷平均排放通量;2)通過(guò)布設(shè)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，建立點(diǎn)排放通量到面排放通量遙感反演模型，并計(jì)算研究范圍內(nèi)濕地甲烷的年排放總量。根據(jù)采樣箱設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則和野外監(jiān)測(cè)要求，開展適合洞庭湖濕地甲烷監(jiān)測(cè)特色的靜態(tài)采樣箱設(shè)計(jì)。

2.2 嵌套式靜態(tài)采樣箱設(shè)計(jì)

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

嵌套式靜態(tài)采樣箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)借鑒收音機(jī)天線形式，通過(guò)伸縮調(diào)節(jié)長(zhǎng)度和體積。當(dāng)運(yùn)輸時(shí)，通過(guò)嵌套壓縮體積;當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)，通過(guò)展開疊加擴(kuò)大體積。表1為嵌套式靜態(tài)采樣箱的結(jié)構(gòu)說(shuō)明。靜態(tài)采樣箱的主體結(jié)構(gòu)仍為底座、延長(zhǎng)箱和頂箱，所不同的是在運(yùn)輸和不使用時(shí)頂箱嵌套在延長(zhǎng)箱中，既可扣在底座上也可扣在延長(zhǎng)箱上。當(dāng)需要監(jiān)測(cè)低矮植被時(shí)，使用底座+頂箱組合;當(dāng)需要監(jiān)測(cè)較高植被時(shí)，使用底座+延長(zhǎng)箱+頂箱組合(圖1)。

表1 嵌套式靜態(tài)采樣箱結(jié)構(gòu)說(shuō)明Table 1 Structure description of nested sampling chamber

圖1 不同植被高度下的結(jié)構(gòu)組合Fig.1 Components assembly under different plant height

2.2.2 尺寸設(shè)計(jì)

洞庭湖濕地中蘆葦?shù)母叨瘸＿_(dá)到2～3 m;水稻高度為0.3～1 m;苔草和泥沙灘地植被相對(duì)較矮，一般不超過(guò)0.5 m。在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，蘆葦過(guò)高需割除監(jiān)測(cè)，而其他濕地類型盡可能覆蓋植被監(jiān)測(cè)，因此采樣箱的尺寸設(shè)計(jì)至少需滿足水稻的生長(zhǎng)。綜合考慮得出洞庭湖濕地甲烷監(jiān)測(cè)靜態(tài)采樣箱的尺寸，底座為50 cm×50 cm×20 cm(卡條1 cm×50 cm×2 cm，交換孔直徑20 mm);延長(zhǎng)箱為50 cm×50 cm×50 cm(卡條1 cm×50 cm×2 cm);頂箱為48 cm×48 cm×48 cm(卡條1 cm×50 cm×1 cm)。

2.2.3 材料選擇

由靜態(tài)箱設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則可知，材料需具備多功能性。不銹鋼材料不易損壞，可多次使用，無(wú)疑是較好的選擇，但不銹鋼密度較大，若按上述尺寸設(shè)計(jì)，整體質(zhì)量達(dá)到10～15 kg，給野外人工搬運(yùn)和安裝造成不便。因此筆者在靜態(tài)箱的設(shè)計(jì)上選用不同的材料相結(jié)合，其中底座采用不銹鋼，不銹鋼較薄可以方便地插入土壤中。延長(zhǎng)箱和頂箱選用有機(jī)玻璃(亞克力)或PVC材料。由于有機(jī)玻璃透明度較高，容易引起箱體內(nèi)溫度升高過(guò)快，因此在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)在箱體兩側(cè)覆蓋一層不透明紙或其他薄的不透明材料。

2.2.4 配套裝置

設(shè)計(jì)的靜態(tài)采樣箱配套裝置包括采樣管、數(shù)字溫度計(jì)、小風(fēng)扇、電池、三通閥、注射器、夾子和氣體采樣袋(圖2)。在頂箱左側(cè)和頂部分別開2個(gè)小孔，左側(cè)小孔用于安裝采樣管，采樣管為銅質(zhì)金屬管，由頂箱上部直插箱體中部;頂部小孔用于插入小風(fēng)扇電源導(dǎo)線、數(shù)字溫度計(jì)傳感器等。小風(fēng)扇用于混勻箱內(nèi)氣體，粘貼于頂箱上部?jī)?nèi)側(cè)。數(shù)字溫度計(jì)有多種型號(hào)，但要求其精度至少達(dá)到0.1℃。三通閥分別連接采樣管、注射器和采樣袋。

圖2 靜態(tài)采樣箱配件Fig.2 Accessories of static sampling chamber

3 嵌套式采樣箱在洞庭湖濕地甲烷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 操作規(guī)程

3.1.1 儀器準(zhǔn)備

儀器設(shè)備包括整套采樣箱、電瓶、注射器、數(shù)字溫度計(jì)、氣體采樣袋、樣品收集箱、卷尺、剪刀、玻璃膠及推進(jìn)器、野外試驗(yàn)記錄表、標(biāo)簽紙等，以及其他可選的參數(shù)測(cè)量設(shè)備，如土壤濕度計(jì)，溫度計(jì)，pH計(jì)和Eh計(jì)等。氣體采樣袋可重復(fù)使用，應(yīng)確保采樣前為真空態(tài)。

3.1.2 采樣箱安裝

野外根據(jù)植被高度，采用底座+延長(zhǎng)箱+頂箱安裝(植被較高)和底座+頂箱安裝(植被較低)方式。安裝時(shí)先按采樣箱尺寸選定范圍，將地表植物往圈內(nèi)靠攏，以免連接箱體時(shí)擠壓植株，影響監(jiān)測(cè)箱的密封性;將底座平穩(wěn)地插入土壤，使下面的交換孔全部沒入土壤中，注意盡量不要壓壞植物根系。各箱體扣上后，用玻璃膠封住交接處，將水注入水槽直到水溢出，以使箱體完全封閉。

采樣箱主體結(jié)構(gòu)安裝完畢后，插入采樣管，連接三通閥、注射器和采樣袋;接通小風(fēng)扇電源，插入數(shù)字溫度計(jì)傳感器，從而完成整個(gè)采樣箱的安裝。

3.1.3 采樣與簡(jiǎn)易參數(shù)測(cè)量

采樣箱靜止2 min后，開始采集箱體內(nèi)氣體原始樣。如圖2所示，首先打開夾子A，用注射器抽取一定體積樣品;關(guān)閉夾子A，打開夾子B，將注射器中的氣體推入氣體采樣袋中，該樣品設(shè)為原始樣品，編號(hào)為1。開啟小風(fēng)扇，開始混合箱內(nèi)氣體，每間隔10 min取樣1次，連續(xù)取樣7次，依次編號(hào)為2～8，每次取樣須記錄箱內(nèi)的溫度，樣品放入四周填充泡沫的塑料封閉箱內(nèi)儲(chǔ)存。取樣完畢后，切斷風(fēng)扇電源。拔出底座，測(cè)量底座插入土壤深度，進(jìn)入下個(gè)樣點(diǎn)采樣。

采樣期間，同時(shí)測(cè)量該點(diǎn)的簡(jiǎn)易參數(shù)，如大氣溫度，土壤溫度，土壤水分，土壤pH，土壤Eh，地表水位等。

3.2 采樣箱在稻田甲烷排放觀測(cè)中的應(yīng)用

3.2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

通過(guò)野外考察，在南洞庭湖區(qū)所屬的沅江市茈湖口鎮(zhèn)選定6個(gè)典型點(diǎn)位，開展嵌套式采樣箱甲烷觀測(cè)試驗(yàn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位和采樣箱采樣過(guò)程如圖3和圖4所示。

3.2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠性分析

采樣時(shí)間為2011年4月19日09:00—15:00，依次對(duì)6個(gè)稻田點(diǎn)位進(jìn)行樣品采集。樣品采集后立即送回實(shí)驗(yàn)室，并用氣相色譜法分析甲烷濃度，通過(guò)甲烷濃度的變化率計(jì)算稻田甲烷排放通量。野外共采集48個(gè)樣品，表2為各樣品甲烷濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)甲烷濃度的變化如圖5所示。由圖5可見，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在初始40 min甲烷濃度基本保持上升趨勢(shì)，40 min以后呈現(xiàn)波動(dòng)不穩(wěn)定性，這可能是由于隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加，箱體內(nèi)溫度、濕度變化太大，極大改變了箱體內(nèi)植被的生存環(huán)境，從而間接導(dǎo)致甲烷排放的不穩(wěn)定，建議采樣操作最好在40 min內(nèi)完成。

表2 稻田樣品甲烷濃度Table 2 Methane concentration of samples of paddy field

圖5 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)甲烷濃度隨時(shí)間變化Fig.5 Methane concentration changes with time of each monitoring point

以初始40 min的甲烷濃度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行線性分析，各點(diǎn)線性方程如表3所示。由表3可以看出，6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的甲烷濃度變化率為0.227～0.424 mg/(m3·min)，平均濃度變化率為 0.32 mg/(m3·min)。采樣箱箱體的覆蓋面積為0.25 m2，采樣時(shí)采用底座和頂箱結(jié)構(gòu)組合，除去插入土壤部分，箱體總體積為0.135 m3，計(jì)算得到稻田甲烷的平均排放通量為10.37 mg/(m2·h)。有研究表明我國(guó)華中地區(qū)稻田甲烷的平均排放通量為4.5～22.1 mg/(m2·h)［44-45］或 7.6 ～ 11.5 mg/(m2·h)［46］;也有研究表明亞熱帶紅壤性稻田甲烷排放通量為10 mg/(m2·h)［47］。筆者所選試驗(yàn)區(qū)位于我國(guó)華中地區(qū)，為亞熱帶紅壤性稻田，因此觀測(cè)數(shù)據(jù)與已有同類研究所取得的結(jié)果基本相符。

表3 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)甲烷濃度與時(shí)間線性關(guān)系Table 3 Linear relationship between methane concentration and time of each monitoring point mg/(m3·min)

4 結(jié)論

(1)嵌套式靜態(tài)采樣箱的主要?jiǎng)?chuàng)新在于高度和體積的可調(diào)節(jié)性。在不使用或運(yùn)輸時(shí)能夠?qū)㈨斚溲b入延長(zhǎng)箱中，起到壓縮體積的作用;在監(jiān)測(cè)采樣時(shí)，可以將頂箱扣在延長(zhǎng)箱上，從而擴(kuò)大體積。在實(shí)際操作中可根據(jù)不同的情況通過(guò)增加和減少延長(zhǎng)箱數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)箱體高度。

(2)嵌套式靜態(tài)采樣箱通過(guò)延長(zhǎng)箱和頂箱的套裝設(shè)計(jì)，具有攜帶方便、操作簡(jiǎn)單的特性，適用于不同植被類型甲烷通量的觀測(cè)。

(3)利用嵌套式靜態(tài)采樣箱監(jiān)測(cè)濕地甲烷排放通量數(shù)據(jù)與同類研究結(jié)果相符，但采樣操作最好在40 min內(nèi)完成，若采樣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，箱體內(nèi)溫度、濕度的變化間接改變了植物原有的生長(zhǎng)環(huán)境，從而導(dǎo)致甲烷排放的不穩(wěn)定性。

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