李楠,康鐵鑫,安睿,戴偉男,白雅溶

(1.黑龍江省林業(yè)廳,黑龍江 哈爾濱150090;2.大興安嶺韓家園林業(yè)局,黑龍江 大興安嶺165124)

濕地與森林、海洋并稱為全球三大生態(tài)系統(tǒng),是人類賴以生存和發(fā)展的重要自然資源,在維護(hù)生態(tài)安全、氣候安全、糧食安全、淡水安全以及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮著極端重要的作用,也為人類文明永續(xù)發(fā)展提供不可替代的支撐和保障。濕地是過渡性生態(tài)系統(tǒng)類型,介于陸地和水域生態(tài)系統(tǒng)間,是極為重要的生物地球化學(xué)場所,生產(chǎn)力和氧化還原能力較高。生物多樣性豐富和生態(tài)服務(wù)功能重要是自然濕地的重要特征,作為重要功能性過程的甲烷排放,在濕地生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用。因此,準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)濕地甲烷排放的機(jī)理和過程以及相關(guān)的影響因素,對(duì)于濕地的有效保護(hù)、科學(xué)管理和合理利用具有重要意義[1]。

近代大氣中甲烷的濃度從工業(yè)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濕地、稻田、廢渣填埋、反芻動(dòng)物、生物物質(zhì)燃燒以及植物體和凋落物等。除了非生物活動(dòng)產(chǎn)生的碳源,例如化石燃料燃燒、天然氣、石油和煤炭,地球上生物活動(dòng)輸出的碳源量占全球甲烷碳源總量的70%以上。在生物活動(dòng)碳源中,自然濕地是主要的輸出場所之一。因此,確定自然濕地向大氣排放甲烷的能力是十分重要的。確定大氣中甲烷的碳源和碳匯,對(duì)于今后緩解大氣中甲烷的增加和氣候變暖尤為重要[2,3]。

我國的自然濕地資源十分豐富,在20世紀(jì)后半段經(jīng)歷了一段濕地面積減少和功能退化的時(shí)期[4]。在這段時(shí)期內(nèi),我國的環(huán)境狀況也出現(xiàn)了大氣污染和氣候等變化[5]。沼澤濕地作為我國濕地主要類型之一,對(duì)于CH4通量仍然缺乏深入的研究,特別是在大尺度區(qū)域水平上研究,包括相關(guān)環(huán)境條件因子的變化以及如何改變沼澤濕地甲烷對(duì)于全球生態(tài)系統(tǒng)反饋和氣候系統(tǒng)的區(qū)域性研究,這些成果對(duì)整個(gè)中國節(jié)能減排、氣候變暖以及制定的相應(yīng)政策目標(biāo)都帶來深遠(yuǎn)的影響[6]。

1　濕地甲烷排放過程

濕地甲烷排放主要由甲烷的產(chǎn)生、甲烷的氧化和甲烷向大氣釋放3個(gè)相互聯(lián)系的基本過程組成。過往的研究認(rèn)為,甲烷的產(chǎn)生主要是在土壤中產(chǎn)甲烷細(xì)菌在厭氧條件下,利用低碳有機(jī)物(如乙酸)、H2、CO2等為底物,通過乙酸的C還原反應(yīng)和甲基轉(zhuǎn)移反應(yīng)2種途徑產(chǎn)生[7,8]。最新研究證實(shí)了植物體及凋落物也產(chǎn)生甲烷,其產(chǎn)生的甲烷排放通量占每年排入大氣甲烷通量的10%～30%[9],因此植物也是重要的甲烷排放源,但關(guān)于這一途徑產(chǎn)生甲烷的研究較少,需要更深層次的研究和證明。不同土壤中,由于不同的土壤有機(jī)物種類及含量差異和土壤微生物菌族等,甲烷的產(chǎn)生量及途徑也不同。

土壤中甲烷主要由甲烷氧化菌,通過“高效率氧化”和“低效率氧化”2種氧化方式：甲烷→甲醇→甲醛→甲酸→CO2[10]。在泥炭地沼澤、稻田等生產(chǎn)甲烷的環(huán)境里,甲烷的氧化都是低效率氧化,發(fā)生在有氧條件下的根際、水稻根內(nèi)、土壤氧化層和其挺水的葉鞘內(nèi)[11]。關(guān)于甲烷氧化過程的研究相對(duì)較多,但還需要借助其他學(xué)科的手段在更深的層次上利用分子生物學(xué)等方法進(jìn)一步深化甲烷氧化過程機(jī)理的研究。

土壤中的CH4主要通過3種途徑排入大氣中：(1)大部分CH4被植株根系等吸收,經(jīng)植物體的通氣組織排放到大氣中;(2)形成含CH4的氣泡,在水面破裂而噴射到大氣中;(3)少量CH4隨土壤及水中濃度梯度分子擴(kuò)散排出。CH4向大氣傳輸途徑的暢通能夠使土壤中的CH4很快排向大氣,避免在氧化區(qū)域長時(shí)間停留,因此CH4傳輸效率是影響CH4排放率的重要因素。目前對(duì)濕地甲烷排放的研究發(fā)現(xiàn),濕地甲烷排放具有較大的空間差異和時(shí)間差異。對(duì)稻田生態(tài)系統(tǒng)的觀測發(fā)現(xiàn),水稻生長季內(nèi)甲烷排放有3個(gè)峰值,分別出現(xiàn)在水稻生長的返青期、分蘗期和成熟期。稻田甲烷排放通量的晝夜變化一般是在下午溫度較高的時(shí)候出現(xiàn)峰值,夜間和上午排放通量較小。森林濕地在冬季常出現(xiàn)負(fù)排放;并且在七八月份測得沼澤CH4排放通量,夜間比白天大2倍至1個(gè)數(shù)量級(jí),而在同一地點(diǎn)10月份測得的值卻白天比夜間大2倍[12]。

2　濕地甲烷排放的監(jiān)測方法和排放模型的應(yīng)用

監(jiān)測的濕地甲烷排放方法主要有微氣象法和箱法。作為微氣象學(xué)觀測方法中常使用的渦度相關(guān)法,近年來廣泛應(yīng)用于濕地甲烷排放觀測,其優(yōu)點(diǎn)是能夠克服在小尺度空間上甲烷排放的變異性,響應(yīng)快并且覆蓋面積大。但該方法造價(jià)較高,并對(duì)大氣穩(wěn)定度和下墊面要求高,對(duì)傳感器的靈敏度和速度要求非常嚴(yán)格,因此在野外觀測中受到了限制[13]。箱法最為常用且簡單易操作,在實(shí)際野外觀測中具有移動(dòng)便利、靈敏度高和擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn),但缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)的覆蓋面比較小,通常在0.05～1.0 m2[14]。

構(gòu)建濕地甲烷排放模型廣泛應(yīng)用于估算區(qū)域尺度和全球范圍內(nèi)的甲烷排放。考慮到大氣中甲烷碳匯集相比較而言是一個(gè)常數(shù)不變量,因此估測釋放到大氣的甲烷的能力成為全球變化主要研究問題之一。

大尺度上濕地生態(tài)系統(tǒng)甲烷凈輸出量一般有3種估測的方法：(1)樣地水品的濕地測量和觀察的直接外推法;(2)基于過程的建模方法(自下而上的方法);(3)逆建模方法(自上而下的方法)?；谶^程的建模方法提供在一段相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi),區(qū)域性地球的甲烷通量碳源獲取能力,同時(shí)要考慮到生態(tài)系統(tǒng)屬性的空間異質(zhì)性和氣候條件,同時(shí)在估測區(qū)域性天然濕地甲烷通量使用較為廣泛。大量的研究通過使用基于過程的建模方法了對(duì)區(qū)域自然濕地甲烷釋放強(qiáng)度進(jìn)行估算;然而以前的研究中沒有同時(shí)考慮到多個(gè)全球氣候變化的因素的影響,例如氣候變化、臭氧層污染、沼澤濕地的退化消逝和大氣中不斷上升的(CO2)濃度,因此無法用于階乘歸屬。

最新的研究中,使用了DLEM模型來估測了全國范圍內(nèi)沼澤濕地甲烷通量的大小。同時(shí)通過調(diào)查1949年至2008年間中國的沼澤濕地CH4通量的時(shí)空格局,進(jìn)一步把甲烷通量中時(shí)空的變化歸根于許多的全球變化因素,包括沼澤濕地的退化消失、大氣中CO2濃度升高、空氣污染、氣候變化以及通過大氣沉積增長的氮輸入。這個(gè)模型是一個(gè)高度綜合的過程生態(tài)模型。它可以用來做陸地上的碳、水、氮通量和碳儲(chǔ)量研究,同時(shí)可以考慮復(fù)雜的自然因素和認(rèn)為干擾因素的影響。DLEM(動(dòng)態(tài)陸地生態(tài)模型)包含了生物物理學(xué)、植物生理學(xué)、生物地球化學(xué)、植被動(dòng)態(tài)、土地利用和管理五個(gè)子模塊。同時(shí)也可以考慮進(jìn)颶風(fēng)、火災(zāi)、蟲害等干擾行為等影響因素。DLEM模型甲烷模塊主要來模擬甲烷的產(chǎn)生、消費(fèi)和傳輸過程。由于其他基底的甲烷貢獻(xiàn)量很小DLEM模型僅僅考慮從有機(jī)碳(DOC)釋放出來的甲烷,這些直接受土壤p H值、溫度和土壤含水率等環(huán)境因素的直接控制。

在DLEM模型模擬中,多種全球變化因素直接或間接的影響甲烷的產(chǎn)生過程。大氣二氧化碳濃度、臭氧的污染、土壤含水量、空氣溫度和光合有效輻射的吸收通過對(duì)光合作用的影響直接影響甲烷的產(chǎn)生過程。N的輸入通過影響光合作用和生態(tài)呼吸系統(tǒng)直接影響甲烷的產(chǎn)生過程。土壤溫度和濕度通過直接影響甲烷的產(chǎn)生和氧化直接控制甲烷的產(chǎn)生。同時(shí),土壤溫度、p H值和濕度直接影響甲烷的產(chǎn)生,而臭氧的污染和N的輸入通過影響生態(tài)系統(tǒng)的物理過程間接的影響甲烷的產(chǎn)生。土地利用的變化對(duì)甲烷的影響是通過其刺激的生物基底的改變和生物化學(xué)過程來影響的。值得注意的是一些其他的對(duì)甲烷產(chǎn)生有影響的環(huán)境因素在這里沒被考慮進(jìn)來。例如：土壤p H、土壤的結(jié)構(gòu)等。

3　我國沼澤濕地CH 4排放現(xiàn)狀分析

我國沼澤濕地最新研究結(jié)果CH4排放數(shù)值為13.63～14.98 gC m-2a-2與另外一篇研究中結(jié)果美國陸地CH4排放的19.64 gC m-2a-2相比較低,同樣中國的沼澤濕地分布區(qū)的CH4排放速率也比總體的CH4排放要低,原因很可能是中國東北部分布有大量的沼澤濕地,當(dāng)?shù)氐牡蜏貤l件降低了CH4的排放速率。過去的60年里,一致認(rèn)為沼澤濕地的退化喪失是CH4排放減少的主要原因,因?yàn)榕c其他生態(tài)系統(tǒng)相比沼澤濕地有著較高的CH4排放速率。O3的污染減少了CH4的排放,它通過減少系統(tǒng)中碳的同化而產(chǎn)生抑制CH4產(chǎn)生的作用?；谥袊珖秶鷥?nèi)高的空間異質(zhì)性的原因,模擬的沼澤濕地CH4排放速率表現(xiàn)出了豐富的空間變化(土壤條件的不同、N沉積和O3污染會(huì)導(dǎo)致CH4排放空間變化的多樣)。相對(duì)于南方地區(qū)來講,氣候變化在我國的北方地區(qū)特別是東北對(duì)于CH4排放有著更為重要的意義,會(huì)產(chǎn)生較大的影響。原因是北方地區(qū)氣候變化速率較大,氣象數(shù)據(jù)顯示北方地區(qū)溫度上升相比南方明顯,同時(shí)北方地區(qū)土壤有機(jī)物對(duì)于氣候變化有著較高敏感性(北方地區(qū)具有溫度極限條件)。因此,中高緯度地區(qū)的自然濕地可能對(duì)于全球氣候變化下碳的儲(chǔ)存和釋放問題帶來更重要的影響。

4　結(jié)語

濕地生態(tài)系統(tǒng)作為一個(gè)重要的生態(tài)系統(tǒng),其碳循環(huán)過程是全球碳循環(huán)的重要組成部分。全球變化是一個(gè)十分復(fù)雜的問題,包含著環(huán)境中不同方面的變化和它們之間的相互作用。提高大氣CO2濃度和氮沉積都可以提高CH4排放,然而如果兩者聯(lián)合作用的話卻會(huì)對(duì)CH4排放有抑制的影響。因此多重因素的相互作用對(duì)于CH4排放的影響對(duì)于進(jìn)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現(xiàn)為：沼澤濕地退化喪失、氣候變化、大氣CO2濃度升高、氮沉積和O3污染的相互作用,產(chǎn)生抑制或者促進(jìn)作用的變化取決于時(shí)期、位置和其他因素。

沼澤濕地的退化和喪失對(duì)于生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能產(chǎn)生消極的影響,但是它減少了CH4氣體向大氣中的排放量。與此同時(shí)變化著的全球環(huán)境條件包括大氣CO2濃度升高和氮輸入刺激了CH4的排放?？紤]到大面積的沼澤濕地已經(jīng)退化轉(zhuǎn)變了土地利用的模式,并且現(xiàn)在的沼澤濕地正在經(jīng)歷著一些環(huán)境條件的改變,多重分析和野外試驗(yàn)方法將對(duì)于更好地了解沼澤濕地的CH4排放和潛在的機(jī)制是必不可少的。同樣,建模方法需要更多的相關(guān)的野外研究,這對(duì)于更好地對(duì)大尺度下CH4通量供應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析是十分必要的,數(shù)據(jù)-模型聯(lián)合的方法將是未來對(duì)CH4通量估計(jì)和穩(wěn)定研究的主要方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚守平,羅鵬,王艷芬,等.濕地甲烷排放簡述[J].世界科技研究與發(fā)展,2007(29)：58-63

[2]Dlugokencky,E J,et al.Observational constraints on recent increases in the atmospheric CH4burden[J].Geophys.Res.Lett.,2009：36,L18803,doi：10.1029/2009GL039780

[3]Forster,P,et al.Changes in atmospheric constituents and in radiative forcing,in Climate Change 2007：The Physical Science Basis.Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmanetal Panel on Climate Change,edited by S.Solomon et al.,Cambridge Univ.Press,Cambridge,U.K,2007：140-143

[4]An,S.,et al.China’s natural wetlands：Past problems,current status,and future challenges[J].Ambio,2007,36(4)：335-342

[5]Mitsch,W J,et al.,Wetlands,4th ed[M].New York：John Wiley,2007

[6]趙魁義.中國沼澤志[M].北京：科學(xué)出版社,1999

[7]Schutz H,Seiler W,Conrad R,et al.Processes involved in formation and emission in rice paddies[J].Biogeochemistry,1989(7)：33-53

[8]Svensson B H,Rossw al.In situ methane production from acid peat in plant communities with different moisture regimens in a subarctic mire.Oikos,1984(43)：341-350

[9]Keppler F,Hamilton J T,Brass M,et al.Methane emissions from terrestrial plants under aerobic conditions.Nature,2006(439)：187-191

[10]Hirota M,Tang Y,Hu Q,et al.Methane emission from different vegetation zones in a Qinghai-Tibetan plateau wetland[J].Soil Biology and Biochemistry,2004(36)：737-748

[11]Bosse U,Frenzel P.Activity and distribution of methane-oxidizing bacteria in flooded rice soil microcosms and in rice plants(Oryzasativa)[J].Applied and Environmental Microbiology,1997,63：1199-1207

[12]Bubier J L,Moore T R,Roulet N T,et al.Methane emissions from wetlands in the mid-boreal region of northern Ontario,Canada[J].Ecology,1993(74)：2240-2254

[13]郝慶菊,王躍思,江長勝,等.濕地甲烷排放研究若干問題的探討[J].生態(tài)學(xué)雜志,2005,24(2)：170-175

[14]王躍思,劉廣仁,王迎紅,等.一臺(tái)氣相色譜同時(shí)測定陸地生態(tài)系統(tǒng)CO2、CH4和N2O排放[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2003,4(10)：84-90