免费文献传递   相关文献

Spatiotemporal variations of natural wetland CH4 emissions over China under future climate change.

未来气候变化情景下中国自然湿地CH4排放的时空变化


应用TRIPLEXGHG模型,模拟未来气候变化背景下2006—2100年中国自然湿地生态系统CH4排放的时空变化.结果表明: 保持中国现有自然湿地分布不变,在3种相对浓度路径(RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5)情境下,21世纪末,中国自然湿地CH4排放量与当前水平相比将分别增长32.0%、55.3%和90.8%.中国大陆南方自然湿地CH4排放高于中部和北方,且自西向东呈现上升趋势.CH4高通量排放区域主要集中在长江中下游湿地、东北湿地和珠江沿岸湿地.RCP4.5和RCP8.5情境下全国大部分自然湿地CH4排放通量增加,而RCP2.6情境下21世纪中后期CH4排放上升趋势得到控制并开始下降,到世纪末部分地区(尤其是青藏高原地区)CH4排放通量与当前水平相比有所降低.

Based on a new processbased model, TRIPLEX-GHG, this paper analyzed the spatiotemporal variations of natural wetland CH4 emissions over China under different future climate change scenarios. When natural wetland distributions were fixed, the amount of CH4 emissions from natural wetland ecosystem over China would increase by 32.0%, 55.3% and 90.8% by the end of 21st century under three representative concentration pathways (RCPs) scenarios, RCP2.6, RCP4.5 and RCP8.5, respectively, compared with the current level. Southern China would have higher CH4 emissions compared to that from central and northern China. Besides, there would be relatively low emission fluxes in western China while relatively high emission fluxes in eastern China. Spatially, the areas with relatively high CH4 emission fluxes would be concentrated in the middlelower reaches of the Yangtze River, the Northeast and the coasts of the Pearl River. In the future, most natural wetlands would emit more CH4 for RCP4.5 and RCP8.5 than that of 2005. However, under RCP2.6 scenario, the increasing trend would be curbed and CH4 emissions (especially from the QinghaiTibet Plateau) begin to decrease in the late 21st century.


全 文 :未来气候变化情景下中国自然湿地
CH4排放的时空变化

刘建功1  朱求安1  沈  燕2  杨延征1  罗云鹏1  彭长辉1∗∗
( 1西北农林科技大学林学院, 陕西杨凌 712100; 2中南林业科技大学生命科学与技术学院, 长沙 410004)
摘  要  应用 TRIPLEX⁃GHG模型,模拟未来气候变化背景下 2006—2100年中国自然湿地生
态系统 CH4排放的时空变化.结果表明: 保持中国现有自然湿地分布不变,在 3 种相对浓度路
径(RCP2.6、RCP4.5和 RCP8.5)情境下,21世纪末,中国自然湿地 CH4排放量与当前水平相比
将分别增长 32.0%、55.3%和 90.8%.中国大陆南方自然湿地 CH4排放高于中部和北方,且自西
向东呈现上升趋势.CH4高通量排放区域主要集中在长江中下游湿地、东北湿地和珠江沿岸湿
地.RCP4.5和 RCP8.5情境下全国大部分自然湿地 CH4排放通量增加,而 RCP2.6情境下 21世
纪中后期 CH4排放上升趋势得到控制并开始下降,到世纪末部分地区(尤其是青藏高原地区)
CH4排放通量与当前水平相比有所降低.
关键词  自然湿地生态系统; CH4; 气候变化; TRIPLEX⁃GHG
文章编号  1001-9332(2015)11-3467-08  中图分类号  P467  文献标识码  A
Spatiotemporal variations of natural wetland CH4 emissions over China under future climate
change. LIU Jian⁃gong1, ZHU Qiu⁃an1, SHEN Yan2, YANG Yan⁃zheng1, LUO Yun⁃peng1,
PENG Chang⁃hui1 ( 1College of Forestry, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi,
China; 2College of Life Science and Technology, Central South University of Forestry and Technolo⁃
gy, Changsha 410004, China) . ⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(11): 3467-3474.
Abstract: Based on a new process⁃based model, TRIPLEX⁃GHG, this paper analyzed the spatio⁃
temporal variations of natural wetland CH4 emissions over China under different future climate
change scenarios. When natural wetland distributions were fixed, the amount of CH4 emissions from
natural wetland ecosystem over China would increase by 32.0%, 55.3% and 90.8% by the end of
21st century under three representative concentration pathways ( RCPs) scenarios, RCP2. 6,
RCP4.5 and RCP8.5, respectively, compared with the current level. Southern China would have
higher CH4 emissions compared to that from central and northern China. Besides, there would be
relatively low emission fluxes in western China while relatively high emission fluxes in eastern Chi⁃
na. Spatially, the areas with relatively high CH4 emission fluxes would be concentrated in the mid⁃
dle⁃lower reaches of the Yangtze River, the Northeast and the coasts of the Pearl River. In the fu⁃
ture, most natural wetlands would emit more CH4 for RCP4.5 and RCP8.5 than that of 2005. How⁃
ever, under RCP2.6 scenario, the increasing trend would be curbed and CH4 emissions (especially
from the Qinghai⁃Tibet Plateau) begin to decrease in the late 21st century.
Key words: natural wetland ecosystem; CH4; climate change; TRIPLEX⁃GHG.
∗国家林业局“948”项目(2013⁃4⁃57)、国家自然科学基金青年基金
项目 ( 41201079 ) 和高等学校博士学科点专项科研基金项目
(20120204120007)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: peng.changhui@ uqam.ca
2015⁃01⁃29收稿,2015⁃07⁃28接受.
    CH4是一种重要的温室气体,自 1750 年以来,
CH4排放产生了 0.97(0.74 ~ 1.2)W·m
-2的辐射强
迫,约占由长寿命温室气体引发地球增温的
20%[1-2] . 2012 年 CH4 大 气 浓 度 达 到 了 1803
μg·L-1,约为工业革命前的 3 倍[1] . 20 世纪 80 年
代,大气中的 CH4浓度以每年 1%的速度剧增,90 年
代年增长率下降到 0.7%[3] .20 世纪 90 年代末大气
CH4浓度增长速率降低到 0,1999—2006年大气 CH4
浓度几乎保持不变,然而 2007 年又开始恢复了增
长[4-5] .大气 CH4浓度的异常变化引起了全世界科学
应 用 生 态 学 报  2015年 11月  第 26卷  第 11期                                                         
Chinese Journal of Applied Ecology, Nov. 2015, 26(11): 3467-3474
家的广泛关注.现阶段人们对于 CH4排放源的认识
还有很大的局限性,因此对 CH4排放源不确定性的
研究具有重要的理论和现实意义.
湿地是 CH4最大的自然排放源,基于模型的模
拟结果表明,全球自然湿地每年排放 175 ~ 217 Tg
CH4进入大气[1],说明湿地 CH4排放具有很大的不
确定性.湿地 CH4排放主要受 3 个过程控制:CH4的
产生、氧化和运输,其中,CH4运输过程又包含 3 种
途径(植物根系吸收 CH4,再通过通气组织释放;分
子扩散;含 CH4气泡在水面破裂而将 CH4释放到大
气中) [6] .湿地 CH4主要是通过生物合成途径产生
(即产 CH4微生物的厌氧呼吸),其必须在严格厌氧
条件下才能发生.CH4产生速率由土壤温度、可分解
底物的数量和质量以及土壤 pH 共同决定[7] .大量
野外观测试验表明,湿地 CH4排放的控制因素为水
位、土壤温度和含碳底物的可利用性[3,7],然而 CH4
对这些因素的敏感度仍有很大的不确定性.气候和
大气 CO2 浓度是湿地 CH4排放的重要控制因子[2,7] .
最近有研究指出,2007 年后,分别由气温和降水异
常引起的北方和热带湿地 CH4排放量增加显著影响
了全球大气 CH4浓度[8] .由于 2003—2007 年中高纬
度地区温度升高,湿地 CH4排放增长了 7%[9] .上升
的大气 CO2 浓度与湿地 CH4排放量存在正反馈关
系,当大气 CO2 浓度从 463 μg·L
-1升高到 780
μg·L-1时,湿地将多排放 13.2%的 CH4 [10] .
估算湿地 CH4排放主要通过 3 种方法:1)由野
外观测试验得到的通量数据直接推算;2)应用过程
模型模拟; 3)应用反演模型和卫星观测数据模
拟[2,11] .过程模型模拟湿地 CH4动态开始于近 30 年
前[12],是估算区域及全球尺度湿地 CH4排放的重要
手段,在近 20 年来取得了巨大的发展[11,13-17] .使用
过程模型模拟历史和近些年湿地 CH4排放已进入较
为成熟的阶段[18],然而未来湿地 CH4排放对于气候
变化的响应还缺乏深入探讨.自从政府间气候变化
专门委员会 ( Intergovernmental Panel on Climate
Change,IPCC)第 4次评估报告发布以来,在全球尺
度几个研究小组利用不同的湿地 CH4模型,以不同
情境下的气候变化数据和 CO2 升高数据作为模型
驱动因子,模拟了 21世纪全球湿地 CH4排放的时空
格局变化.结果显示,到 21世纪末,模拟的全球自然
湿地 CH4排放量范围在 50 ~ 340 Tg·a
-1,存在着巨
大的不确定性[2] .
20世纪 50 年代以来,中国自然湿地 CH4年排
放量约为 1.73~2.69 Tg·a-1 [19-21] .青藏高原和三江
平原被认为是中国自然湿地 CH4排放量最大的两个
区域[19] .基于灌溉稻田 CH4排放模型 CH4MOD的基
本原理,Li等[22-23]开发的 CH4MODwetland能够有效捕
捉中国青藏高原泥炭地和三江平原沼泽地 CH4排放
的季节性和年际动态,但模型中并未加入 CH4分子
扩散排放途径.湿地动态是自然湿地 CH4排放的重
要控制因子,例如湿地退化会使水位下降,增加土壤
的通气度,进而导致 CH4排放量降低[24] .20 世纪下
半叶至今,由于受到人类经济活动和气候变化等因
素的影响,中国自然湿地面积大幅度减少[20,25],以
三江平原为例,CH4MOD 和 CH4MODwetland模拟结果
显示,1960—2009 年间,湿地 CH4排放累计减少约
36 Tg,其中 86%由湿地围垦造成[26] .Xu 等[20]考虑
多种因素对于沼泽 CH4排放的影响,利用过程模型
DLEM模拟了 1949—2008 年中国沼泽 CH4排放的
时空格局,结果显示,中国沼泽湿地 CH4排放持续下
降,沼泽面积锐减和 O3污染是 CH4排放降低的主要
原因,但模型中植物通气组织排放 CH4过程相对单
一.全球变暖背景下,考虑到湿地生态系统 CH4排放
对大气 CH4循环极为重要的贡献,揭示过去、现在和
未来自然湿地 CH4排放在中国尺度上的空间格局和
发展趋势具有重要的研究意义.然而,目前关于中国
尺度未来自然湿地 CH4排放对气候变化的反馈还处
于空白阶段.本研究拟采用 TRIPLEX⁃GHG 模型,以
3种代表性浓度路径情景( representative concentra⁃
tion pathways,RCPs)下,第 5 阶段耦合模式比较计
划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5,
CMIP5)中的 4种全球气候模式的未来气候变化数
据结果,以及 RCPs 对应的未来 CO2 变化数据作为
模型的输入数据,在保持中国现有自然湿地分布不
变情况下,模拟未来气候变化背景下 2006—2100 年
中国自然湿地生态系统 CH4排放的时空变化,以期
为我国温室气体排放清单的制定提供参考依据,同
时也可对科学地管理湿地起到一定的辅助作用.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  研究区概况
自然湿地指水体到陆地的过渡地带.中国自然
湿地资源丰富,分布面积广,总面积约为 3􀆰 62 ×
105 km2,占中国陆地面积的 3.8%,从西部内陆到东
部沿海、从平原到高原都有分布,且一个地区内经常
出现多种湿地类型.中国沼泽面积约 1.37×105 km2,
滨海湿地面积约5 .9 × 104 km2 ,河流湿地面积约
8643 应  用  生  态  学  报                                      26卷
表 1  中国区域 TRIPLEX⁃GHG模型验证和参数校正
Table 1  TRIPLEX⁃GHG model calibration and calibrated
values for the release ratio of CH4 to CO2 and Q10 parame⁃
ters over China
站点
Site
湿地类型
Wetland type
时间段
Time

(CH4 / CO2)
Q10
青藏高原
Qinghai⁃Tibet
泥炭地 1995—2005 0.21 3.0
三江平原
Sanjiang Plain
沼泽地 2001—2006 0.45 3.5
8􀆰 2×104 km2,湖泊湿地面积约 8.4×104 km2[25] .淡水
沼泽为分布面积最广的湿地类型,主要分布在中国
东北部 ( 6. 8 × 104 km2 ) 和青藏高原地区 ( 5. 5 ×
104 km2),湖泊湿地主要分布在长江中下游和青藏
高原,其中,五大淡水湖(1.08×104 km2)全部分布在
长江中下游支流,潮汐湿地(2.1×104 km2)主要分布
在大河入海口处[27] .
1􀆰 2  TRIPLEX⁃GHG模型
TRIPLEX⁃GHG模型是新一代用于量化陆地生
态系统温室气体动态的过程模型,由全球植被动力
学模型—IBIS ( Integrated Biosphere Simulator)模型
发展而来,通过将 CH4生物地理化学模块和水位模
块整合到 IBIS模型中,可以有效反映水文、植被、土
壤和 CH4相关过程的相互作用[11] .输入数据包括气
候数据、大气 CO2 浓度、土壤特征等.
在全球尺度上,TRIPLEX⁃GHG模型的模拟结果
在 19个点进行了验证,在估算全球自然湿地 CH4排
放量级和采集时间序列上 CH4排放动态方面表现优
异,能够有效地模拟全球自然湿地 CH4排放过程,大
幅减少空间和时间尺度上 CH4排放的不确定性,可
以作为可靠的过程模型用于模拟不同类型自然湿地
在不同条件下 CH4排放的时空格局[11] .中国自然湿
地主要集中在三江平原和青藏高原,中国区域内这
两个点参与了模型验证,验证数据来源于 11篇参考
文献、1995—2006年的自然湿地 CH4排放观测数据
(表 1).经过敏感性分析, r(CH4与 CO2 的释放比
率)与 Q10 (温度系数)为最敏感的两个参数[11] .
TRIPLEX⁃GHG模型结构、结果验证、灵敏度分析和
参数设置可参考文献[11].
1􀆰 3  RCPs情景和输入数据
IPCC为第五次报告研发了新的辐射活性气体
和颗粒物排放情景———RCPs,涵盖广泛的人为气候
强迫.相比之前的单行过程情景,RCPs 采用并行的
方法,能够把社会经济预估和气候科学部分分离,更
具有综合性和一致性,可极大地缩短不同研究团体
间的时滞,方便信息整合[28] .目前 IPCC 共发布了 4
类 RCPs 情 景: RCP3⁃PD、 RCP4. 5、 RCP6 和
RCP8􀆰 5,本研究选取 3 类情景(RCP2. 6、RCP4. 5、
RCP8.5)(表 2),其中 RCP2.6 作为一种低端排放情
景,为 RCP3⁃PD中更为普遍的一种选择,考虑了政
府间应对气候变化政策,努力在 21世纪结束前将全
球升温控制在 2 ℃以内;RCP4.5 为中端稳定路径,
其优先度高于 RCP6[28];RCP8.5 为高端排放情景,
该情景下 21世纪辐射强迫一直在上升,在世纪末达
到 8.5 W·m-2 .
    本研究选用参与 CMIP5 的 4 种全球气候模式:
MPI⁃ESM⁃MR、BCC⁃CSM1⁃1、CanESM2 和 BNU⁃ESM
(表 3)分别在 RCP2.6、RCP4.5和 RCP8.5 情境下的
未来(2006—2100 年)预估气候变化数据作为模型
的输入数据 ( http: / / pcmdi9. llnl. gov / esgf⁃web⁃fe /
live),气候变量分别为月降水量(mm)、月平均温度
(℃)、月气温变化范围(℃)、月平均云覆盖度(%)、
月平均相对湿度(%)和月平均地表风速(m·s-1),
其中,月气温变化范围由月最高温度减去月最低温
度获得.运用插值软件 ANUSPLIN 4.36[29],将气候变
化数据分辨率统一为 0.25o ×0.25o .为了校正气候模
式误差,使用 4种气候模式 2006—2100 年气候变化
数据减去对应气候模式模拟的 1960—2005 年历史
平均数据,将得到的差值序列叠加到 1960—2005 年
平均观测数据作为模型最终的驱动数据,其中,历史
表 2  RCPs简介
Table 2  Introduction of RCPs
名称
Name
辐射强迫
Radiative forcing
浓度
Concentration
路径形状
Pathway trend
模型和研发团队
Development team
2100年预计升温
Projected
temperature
increase (℃)
RCP2.6 2100年之前达到 3
W·m-2的峰值后下降
2100 年之前达到 490 × 10-6
CO2 当量峰值后下降
达到峰值后下降 IMAGE (NMP) 2.4
RCP4.5 2100年之后稳定在 4. 5
W·m-2
2100年之后稳定在 650×10-6
CO2 当量
不超过目标水平达
到稳定
MiniCAM (PNNL) 3.6
RCP8.5 2100年大于 8.5 W·m-2 2100年大于 1370 × 10-6 CO2
当量
上升 MESSAGE (IIASA) 6.9
964311期                    刘建功等: 未来气候变化情景下中国自然湿地 CH4排放的时空变化         
表 3  本研究采用的 CMIP5气候模式概况
Table 3  Basic information of CMIP5 climate models used
in this study
模式
Model
单位及所属国家
Institution and
country
分辨率
Atmosphere
resolution (°)
BCC⁃CSM1⁃1 中国气候中心,中国 2.8×2.8
BNU⁃ESM 北京师范大学,中国 2.8×2.8
CanESM2 加拿大气候模式与分析
中心,加拿大
2.8×2.8
MPI⁃ESM⁃MR 马克斯⁃普朗克气象研究
所,德国
1.875×1.85
观测数据下载于 CRU⁃TS 3. 1 气候数据库 ( http:
/ / badc.nerc.ac.uk / data / cru).这一校正方法被广泛
用于模型未来预测研究中[30-31],其不仅保留了
CMIP5未来气候数据结果的年际变化,同时也与当
前观测数据保持一致性和连贯性.自 1900 年开始,
利用 1960—2005年历史平均观测气候数据驱动模
型(spin⁃up),调整土壤碳库达到相对稳定状态.
    大气 CO2 浓度数据由两部分组成,2006 年之前
使用的是 IS92a全球 CO2 数据[32],2006年之后使用
的是 3 种 RCPs 情境下的未来预估 CO2 数据( ht⁃
tp: / / tntcat.iiasa.ac. at:8787 / RcpDb).自然湿地数据
下载于全球湖泊湿地数据库(Global Lakes and Wet⁃
lands Database, GLWD, http: / / www. wwfus. org / sci⁃
ence / data.cfm).土壤分类图根据世界数字化土壤地
图(Digital Soil Map of the World, DSMW),由 FAO⁃
UNESCO DSMW 生成 ( http: / / www. fao. org / geonet⁃
work / srv / en / metadata.show? id = 14116).中国自然
湿地面积占湿地总面积百分比沿经纬度分布见图 1.
2  结果与分析
2􀆰 1  中国自然湿地 CH4排放量的年际变化
模型模拟结果显示,在 RCP2.6 情境下,中国自
然湿地 CH4排放量在 21 世纪中期之前呈缓慢上升
趋势,中后期平稳地降低,年平均最大值出现在
2075年,达到 2.78 Tg·a-1,在 2100 年中国自然湿
地生态系统平均 CH4排放量达到 2.72 Tg·a
-1,与目
前自然湿地 CH4 排放水平相比上升 32. 0%.在
RCP4.5情境下,21 世纪前中期上升速度较快,后期
逐渐趋于平稳,在 2100 年达到排放量最大值 3􀆰 2
Tg·a-1,与目前水平相比上升 55.3%.在 RCP8.5 情
境下,自然湿地 CH4排放量几乎呈直线上升趋势,平
均年通量增长率为 0. 019 Tg·a-1(P < 0. 001),在
2100年平均达到 3.93 Tg·a-1,与目前水平相比上
升 90􀆰 8%(图 2).
图 1  中国自然湿地沿经纬度分布
Fig.1  Latitudinal and longitudinal distribution of natural wet⁃
lands over China.
图 2  2006—2100年中国自然湿地 CH4排放量的年际变化
Fig.2  Variations of annual CH4 emissions from China’s natural
wetlands in the period of 2006-2100.
2􀆰 2  中国自然湿地 CH4排放通量的空间分布
在 3 种情景下,中国 2006、 2050、 2100 年和
2090—2100 年多年平均自然湿地 CH4排放通量分
布格局显示(图 3),总体而言,西部大部分自然湿地
单点 CH4排放通量小于东部,其中,青藏高原和新疆
高原湿地单点排放通量较低,由于青藏高原自然湿
地分布面积宽广,其对全国范围的自然湿地 CH4排
放贡献依然不容忽视.单点 CH4通量较高的区域为
长江中下游湿地、东北湿地和珠江沿岸及滨海湿地
等.在高端排放情景(RCP8.5)下,全国大部分自然
湿地分布区域CH4排放通量与中端(RCP4.5)和低
0743 应  用  生  态  学  报                                      26卷
图 3  中国自然湿地 CH4通量的空间分布
Fig.3  Spatial distribution of CH4 fluxes from natural wetlands over China.
端(RCP2.6)排放情景相比有所增加,CH4排放通量
最高点出现在珠江沿岸湿地,在 RCP2.6、RCP4.5 和
RCP8.5情境下 2090—2100 年平均分别达到了 78、
106和 140 g C·m-2·a-1 .
2􀆰 3  中国自然湿地 CH4排放通量沿经纬度分布
由图 4可以看出,3 种情境下中国 2090—2100
年多年平均自然湿地 CH4排放通量,沿着纬度方向,
在 29° N 自然湿地 CH4排放通量达到最大值,在
21°—25° N和 32°—35° N之间有较高排放,尽管在
中国一些高纬度地区(如 40° N 附近)湿地分布面
积较大(图 1),但其相应的 CH4排放并不高,总体而
言中国南方自然湿地 CH4排放通量高于中部和北
方;随着经度增加,自西向东 CH4排放呈现升高趋
势,尽管 80°—95° W 湿地资源丰富(图 1),但除
92°—96° W外,80°—110° W 之间 CH4排放通量较
低,在 113° W达到最大值,110°—125° W间有较高
的排放.
2􀆰 4  中国自然湿地 CH4排放通量的空间动态变化
2090—2100 年多年平均中国自然湿地 CH4排
放通量空间分布情况与 2005 年相减进行比较(图
5),整体而言,除青藏高原湿地外全国大部分自然
湿地 CH4排放通量有所增加,且东部上升趋势高于
西部,增幅明显的自然湿地主要分布在东北、西南、
长江中下游和珠江沿岸.在 RCP2.6 情景下,青藏高
原湿地区约 40%的湿地 CH4排放通量下降,而在
RCP8.5情境下,青藏高原湿地 CH4排放量下降的地
区仅为东北和西南部分地区,最大变化地区为珠江
沿岸湿地,在 RCP2.6、RCP4.5 和 RCP8.5 情境下分
别增长了约 35、60和 100 g C·m-2·a-1 .
174311期                    刘建功等: 未来气候变化情景下中国自然湿地 CH4排放的时空变化         
图 4  3种情境下 2090—2100年平均中国自然湿地 CH4通量沿经纬度变化
Fig.4  Latitudinal and longitudinal variations of mean CH4 fluxes of 2090-2100 from natural wetlands over China.
图 5  中国自然湿地(2090—2100年)CH4通量变化的空间分布(相对 2005年)
Fig.5  Spatial distribution of variations of mean CH4 fluxes (2090-2100) from China’s natural wetlands relative to 2005.
3  讨    论
湿地分布面积对自然湿地 CH4排放有很大影
响[20] .湿地分布面积受地形和土壤湿度控制,其中,
土壤湿度由降水、蒸散作用、土壤排水和地表径流共
同决定,所有这些因子在未来都会发生变化[2] .温度
上升将会增加土壤蒸散速率并降低土壤湿度,进而
对湿地分布面积产生影响.未来地域性湿地分布面
积既可能因为永冻土融化和蒸散发作用降低而增
加,也可能因为降水减少和蒸发作用增强而降
低[10] .尽管湿地数据集有很多,但是对于目前全球
湿地地理分布的认识还有很大的不确定性.湿地和
湿地 CH4排放模型比较计划(Wetland and Wetland
CH4 Inter⁃comparison of Models Project, WETCH⁃
IMP) [18]探索了目前模拟大尺度湿地分布和对应的
湿地 CH4排放特征的能力,结果显示,在时间和空间
尺度上参与 WETCHIMP 的 10个模型对于湿地分布
范围和 CH4排放的模拟差异显著.具体而言,使用水
淹数据集模拟和独立模拟湿地面积的模型结果间差
异很大,不同模型模拟的全球年平均 CH4排放量差
异达 40%.Prigent等[33]利用多卫星方法确定地表水
淹区域,这种方法可能会低估小面积的水淹区域
(尤其是植被覆盖密集区域)并且无法辨认水位在
地表之下的湿地.考虑到目前对于湿地空间分布和
面积模拟的不确定性,许多以未来湿地 CH4排放为
研究对象的模拟倾向于使用当前固定的湿地分布代
表未来湿地动态[2,34-36] .所以考虑到预估中国尺度
未来湿地分布面积的技术限制和由此带来的不确定
性,并结合前人的研究经验,本研究也使用了现阶段
固定的自然湿地分布来代表未来中国自然湿地动态.
研究表明,未来湿地 CH4排放动态对气候因子
的响应主要取决于温度和降水的综合影响[7] .未来
温度升高导致 NPP 增加会为 CH4的微生物产生途
径提供更多的发生底物,温度的增加也会使产 CH4
菌活性增强;温度通过对植物生长和有机物分解的
影响,从而影响产 CH4所需底物的量.未来降水的变
化会影响土壤水位,进而对 CH4氧化产生影响.模型
结果显示,全球增温 3.4 ℃预计会使湿地 CH4排放
量增大 78%[37] . Gedney 等[38] 研究结果表明,在
IS92A情景下,21世纪全球湿地 CH4排放量将会增
加 75%~100%,且温度上升为主导因素.在本研究
所使用的 3种情景下,到 2100年均有不同程度的增
温,中国湿地 CH4排放量与目前水平相比有不同程
度的增加,与之前的研究结果相吻合.
2743 应  用  生  态  学  报                                      26卷
通过施肥效应,升高的大气 CO2 浓度会促进
NPP 升高,进而增加湿地 CH4排放.在大多数模型模
拟结果中,升高的大气 CO2 浓度比气候变化对湿地
CH4排放具有更大的增强效应[2] .WETCHIMP 的结
果显示,模拟的湿地分布范围和 CH4排放对于大气
CO2 浓度升高具有极强的正反馈效应,当 CO2 浓度
升高到 857 μg·L-1时,对 CO2 最敏感的模型模拟的
湿地 CH4排放量将增加 160%,其他模型平均增加
55.4%~73.2%,并且热带地区比非热带地区具有更
强的增强效应[18] .若未来大气 CO2 浓度加倍,全球
湿地 CH4排放量将升高到 156~277 Tg·a
-1[37] .目前
模拟未来自然湿地生态系统 CH4排放的模型结果具
有较为统一的结论,即在未来气候变化和 CO2 浓度
升高背景下,自然湿地 CH4排放量与当前水平相比
将会不同程度地升高[2] .本研究与前人的研究结果
一致,即以气候变化和 CO2 浓度变化作为模型的输
入数据,中国尺度自然湿地 CH4年排放量与目前水
平相比有所增加,在 RCP2.6、RCP4.5 和 RCP8.5 情
境下分别增长 32.0%、55.3%和 90.8%.
综上所述,在未来气候变化情景下,保持中国现
有自然湿地分布不变,21 世纪末中国自然湿地 CH4
排放量将增长 32%~90%,其中,中国大陆自然湿地
CH4排放南方高于北方,东部高于西部,长江中下游
和珠江等沿岸湿地 CH4排放通量增幅明显.
参考文献
[1]  Kirschke S, Bousquet P, Ciais P, et al. Three decades
of global methane sources and sinks. Nature Geoscience,
2013, 6: 813-823
[2]  IPCC. Climate Change 2013: The Physical Science Ba⁃
sis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assess⁃
ment Report of the Intergovernmental Panel on Climate
Change. Cambridge: Cambridge University Press, 2013
[3]  Yao S⁃P (姚守平), Luo P (罗  鹏), Wang Y⁃F (王
艳芬), et al. Advances in the research on methane
emissions from wetlands. World Science⁃technology Re⁃
search & Development (世界科技研究与发展), 2007,
29(2): 58-63 (in Chinese)
[4]  Heimann M. Atmospheric science: Enigma of the recent
methane budget. Nature, 2011, 476: 157-158
[5]  Nisbet EG, Dlugokencky EJ, Bousquet P. Methane on
the rise⁃again. Science, 2014, 343: 493-495
[6]  Bridgham SD, Cadillo⁃Quiroz H, Keller JK, et al.
Methane emissions from wetlands: Biogeochemical,
microbial, and modeling perspectives from local to glo⁃
bal scales. Global Change Biology, 2013, 19: 1325 -
1346
[7]  O’Connor FM, Boucher O, Gedney N, et al. Possible
role of wetlands, permafrost, and methane hydrates in
the methane cycle under future climate change: A re⁃
view. Reviews of Geophysics, 2010, 48: Doi: 10.1029 /
2010RG000326
[8]  Dlugokencky EJ, Bruhwiler L, White JWC, et al. Ob⁃
servational constraints on recent increases in the atmos⁃
pheric CH4 burden. Geophysical Research Letters, 2009,
36: Doi: 10.1029 / 2009GL039780
[9]  Bloom AA, Palmer PI, Fraser A, et al. Large⁃scale
controls of methanogenesis inferred from methane and
gravity spaceborne data. Science, 2010, 327: 322-325
[10]  van Groenigen KJ, Osenberg CW, Hungate BA. In⁃
creased soil emissions of potent greenhouse gases under
increased atmospheric CO2 . Nature, 2011, 475: 214-
216
[11]  Zhu QA, Liu JX, Peng CH, et al. Modelling methane
emissions from natural wetlands by development and ap⁃
plication of the TRIPLEX⁃GHG model. Geoscientific
Model Development, 2014, 7: 981-999
[12]  Matthews E, Fung IY. Methane emission from natural
wetlands: Global distribution, area, and environmental
characteristics. Global Biogeochemical Cycles, 1987, 1:
61-86
[13]  Cao MK, Marshall S, Gregson K. Global carbon ex⁃
change and methane emissions from natural wetlands:
Application of a process⁃based model. Journal of Geo⁃
physical Research: Atmospheres, 1996, 101: 14399 -
14414
[14]  Walter BP, Heimann M. A process⁃based, climate⁃sen⁃
sitive model to derive methane emissions from natural
wetlands: Application to five wetland sites, sensitivity to
model parameters, and climate. Global Biogeochemical
Cycles, 2000, 14: 745-765
[15]  Zhang Y, Li CS, Trettin CC, et al. An integrated model
of soil, hydrology, and vegetation for carbon dynamics
in wetland ecosystems. Global Biogeochemical Cycles,
2002, 16: 1-17
[16]  Zhuang Q, Melillo JM, Kicklighter DW, et al. Methane
fluxes between terrestrial ecosystems and the atmosphere
at northern high latitudes during the past century: A ret⁃
rospective analysis with a process⁃based biogeochemistry
model. Global Biogeochemical Cycles, 2004, 18: Doi:
10.1029 / 2004GB002239
[17]  Riley WJ, Subin ZM, Lawrence DM, et al. Barriers to
predicting changes in global terrestrial methane fluxes:
Analyses using CLM4Me, a methane biogeochemistry
model integrated in CESM. Biogeosciences, 2011, 8:
1925-1953
[18]  Melton JR, Wania R, Hodson EL, et al. Present state of
global wetland extent and wetland methane modelling:
Conclusions from a model inter⁃comparison project
(WETCHIMP). Biogeosciences, 2013, 10: 753-788
[19]  Chen H, Zhu QA, Peng CH, et al. Methane emissions
from rice paddies natural wetlands, lakes in China: Syn⁃
thesis new estimate. Global Change Biology, 2013, 19:
19-32
[20]  Xu XF, Tian HQ. Methane exchange between marshland
and the atmosphere over China during 1949-2008. Glo⁃
374311期                    刘建功等: 未来气候变化情景下中国自然湿地 CH4排放的时空变化         
bal Biogeochemical Cycles, 2012, 26: Doi: 10. 1029 /
2010GB003946
[21]  Ding WX, Cai ZC. Methane emission from natural wet⁃
lands in China: Summary of years 1995- 2004 studies.
Pedosphere, 2007, 17: 475-486
[22]  Li TT, Huang Y, Zhang W, et al. CH4MOD ( wet⁃
land): A biogeophysical model for simulating methane
emissions from natural wetlands. Ecological Modelling,
2010, 221: 666-680
[23]  Li T⁃T (李婷婷), Huang Y (黄  耀), Zhang W (张
稳), et al. Modeling CH4 emissions from natural wet⁃
lands: Model modification and validation. Climatic and
Environmental Research (气候与环境研究), 2010, 15
(3): 246-256 (in Chinese)
[24]  Ding WX, Cai ZC, Tsuruta H, et al. Effect of standing
water depth on methane emissions from freshwater mar⁃
shes in northeast China. Atmospheric Environment,
2002, 36: 5149-5157
[25]  Wang ZM, Wu JG, Madden M, et al. China’s wet⁃
lands: Conservation plans and policy impacts. Ambio,
2012, 41: 782-786
[26]   Li TT, Huang Y, Zhang W, et al. Methane emissions
associated with the conversion of marshland to cropland
and climate change on the Sanjiang Plain of Northeast
China from 1950 to 2100. Biogeosciences, 2012, 9:
5199-5215
[27]  An SQ, Li HB, Guan BH, et al. China’ s natural wet⁃
lands: Past problems, current status, and future chal⁃
lenges. Ambio, 2007, 36: 335-342
[28]  Chen M⁃P (陈敏鹏), Lin E⁃D (林而达). Global
greenhouse gas emission mitigation under representative
concentration pathways scenarios and challenges to Chi⁃
na. Advances in Climate Change Research (气候变化研
究进展), 2010, 6(6): 436-442 (in Chinese)
[29]  Hutchinson MF, Gessler PE. Splines: More than just a
smooth interpolator. Geoderma, 1994, 62: 45-67
[30]  Zhu QA, Jiang H, Peng CH, et al. Evaluating the
effects of future climate change and elevated CO2 on the
water use efficiency in terrestrial ecosystems of China.
Ecological Modelling, 2011, 222: 2414-2429
[31]  Ju WM, Chen JM, Harvey D, et al. Future carbon ba⁃
lance of China’s forests under climate change and in⁃
creasing CO2 . Journal of Environmental Management,
2007, 85: 538-562
[32]  Enting I, Heimann M, Wigley T. Future Emissions and
Concentrations of Carbon Dioxide: Key Ocean / Atmos⁃
phere / Land Analyses, CSIRO Division of Atmospheric
Research Technical Paper No. 31. Canberra, Australia:
CSIRO, 1994
[33]  Prigent C, Papa F, Aires F, et al. Global inundation
dynamics inferred from multiple satellite observations,
1993-2000. Journal of Geophysical Research, 2007,
112: Doi: 10.1029 / 2006JD007847
[34]  Stocker BD, Roth R, Joos F, et al. Multiple green⁃
house⁃gas feedbacks from the land biosphere under fu⁃
ture climate change scenarios. Nature Climate Change,
2013, 3: 666-672
[35]  Volodin EM. Methane cycle in the INM RAS climate
model. Izvestiya Atmospheric and Oceanic Physics, 2008,
44: 153-159
[36]  Eliseev AV, Mokhov II, Arzhanov MM, et al. Interac⁃
tion of the methane cycle and processes in wetland eco⁃
systems in a climate model of intermediate complexity.
Izvestiya Atmospheric and Oceanic Physics, 2008, 44:
139-152
[37]  Shindell DT, Walter BP, Faluvegi G. Impacts of climate
change on methane emissions from wetlands. Geophysical
Research Letters,2004, 31:Doi:10.1029 / 2004GL021009
[38]  Gedney N, Cox PM, Huntingford C. Climate feedback
from wetland methane emissions. Geophysical Research
Letters, 2004, 31: Doi: 10.1029 / 2004GL020919
作者简介  刘建功,男,1988 年生,硕士研究生.主要从事甲
烷排放源不确定性研究. E⁃mail: brucelyl@ 163.com
责任编辑  杨  弘
4743 应  用  生  态  学  报                                      26卷