全 文 ：三江平原毛果苔草湿地 CH4排放研究
王毅勇 , 赵志春 , 宋长春
(中国科学院东北地理与农业生态研究所 , 吉林 长春 130012)
摘要:用密闭不透明箱-气相色谱法对三江平原毛果苔草湿地进行了近两年的观测研究 ,结果表明:三江平原毛
果苔草湿地全年甲烷排放通量有着明显的季节变化 , 在非冰冻期(5 ～ 10 月)CH4 通量范围在 4.64～ 21.48 mg·
m-2·h-1之间 , 平均值为11.15 mg·m-2·h-1;冰冻期(11 月到次年4 月)CH4 通量范围在0.46～ 4.30 mg·m-2·
h-1之间 ,平均值是 1.69 mg·m-2·h-1 。经估算 ,三江平原毛果苔草湿地全年 CH4 排放总量为 0.2324 Tg/a-1 。
关　键　词:CH4 排放;毛果苔草湿地;三江平原
中图分类号:X16　文献标识码:A　文章编号:1672-5948(2005)01-037-05
　　甲烷是一种重要的温室气体 ,其温室效应是
CO2 的 21 倍。目前 ,大气中 CH4 的平均浓度约为
1.75μmol/mol ,并以每年约1%的速率增长。湿地
是大气 CH 4 的主要自然排放源 ,天然湿地每年向
大气中排放的 CH4 占全球 CH4 排放总量的
20%[ 1 , 2] 。沼泽湿地是介于陆地生态系统和水生生
态系统之间的一种地表景观 ,是在水分过饱和厌氧
条件下形成的 ,植物残体分解缓慢或不易分解 ,因
此其土壤有机质含量一般都比较高 , 表层(0 ～
10cm)约 50%左右 ,泥炭沼泽地甚至高达 90%。
这就为甲烷菌产生 CH4 提供了物质基础和厌氧环
境 ,使沼泽湿地成为大气 CH4 的一个重要来源[ 3] 。
所以 ,掌握湿地 CH4排放规律 ,准确估算湿地甲烷
排放量对于正确理解大气 CH4 的动态变化是十分
必要的 。国内一些学者分别对我国不同类型的湿
地CH4排放及影响因子进行过研究[ 3 ～ 8] ,但大多
数研究都集中在生长季的 CH4 排放研究 ,缺乏全
年的长期观测数据。国外的一些学者通过对北美
地区湿地的研究发现 ,在积雪覆盖期 ,土壤中微生
物的活性仍然存在[ 9] ;冬季北方湿地 CH4 排放量
占全年排放量的 10%左右[ 10] 。因此 ,对湿地 CH4
排放进行长期的连续野外观测研究 ,了解其全年的
变化规律是十分必要的。
三江平原是我国面积最大 、分布最集中的天然
沼泽湿地区之一 , 现有沼泽湿地面积 83.5 万
hm2[ 11] ,毛果苔草(Carex Lasiocarpa)是其最主要
的植被类型 ,属常年积水湿地[ 12 , 13] 。该群落也是
沼泽植被发育的成熟阶段。选择毛果苔草湿地进
行全年 CH4 排放研究极具代表性。
1　材料与方法
1.1　试验地概况
野外试验选在中国科学院三江平原沼泽湿地
生态试验站沼泽综合试验场内进行 ,该站位于三江
平原典型沼泽湿地分布区 ,属别拉洪河流域 ,地理
坐标47.35 N , 133.31 E ,海拔高度55.6 m ,年平均
降水量 550 mm ,年平均气温 1.9 ℃。试验场为一
典型的碟形洼地 ,从外围到核心区依次分布着灌
丛 、小叶章(Deyeuxia angust ifolia)、毛果苔草
(Carex lasiocarpa)等多种类型的湿草甸和草本沼
泽。研究中 ,选取在三江平原具有典型代表性的毛
果苔草沼泽湿地(常年积水)开展湿地生态系统
CH4 排放通量观测 。同时 ,在沼泽湿地周边地形起
伏区布置附助观测点 ,设有自动气象站和自动小气
候观测系统进行辅助气象要素的同步观测 。
1.2　样品的采集与分析
CH4 气体的采集利用静态箱法 ,装置为 50 cm
×50 cm ×50 cm 四面和顶部封闭的不锈钢材质采
样箱 ,箱顶内部装有两个小风扇和一个铂电阻温度
传感器 ,采气孔和电源插孔开在箱壁上 ,箱底基座
收稿日期:2004-03-09;修订日期:2005-02-02
基金项目:中国科学院知识创新工程重大项目(KZCX1-SW-01-06),中国科学院东北地理与农业生态研究所湿地生态与环境重点实验
室基金项目(WELF-2004-B-004)及中国科学院资源环境领域野外台站研究基金项目共同资助。
作者简介:王毅勇(1966-)男 ,甘肃省平凉人 ,副研究员 ,主要从事农业气象及湿地气候研究。 E-mai l:Wangyiyong@mail.neigae.ac.cn
第 3 卷 第 1 期
2 0 0 5 年 3 月　　　　　　　　　　　　　　　 湿　地　科　学WET LAND　SCIENCE　　　　　　　　　　　　　　Vol.3 　No .1Mar., 2 0 0 5
DOI :10.13248/j.cnki.wet landsci.2005.01.007
采用下沿带孔的不锈钢槽架 ,插入地下 20 cm ,为
了减少采样时对基座和周围环境的扰动 ,在基座上
安装了4条各1 m长的不锈钢角铁固定在地下 ,并
架设了20 m 长的栈桥 。实验设计采用 3个平行重
复同时采集气体样品 ,每周采样两次。采样时 ,在
不锈钢槽架注水密封(冬季采样用密封条密封),样
品采集用 100 mL 医用注射器抽取 ,在30 min时间
段内每隔 10 min采集 1次气体样品;同时在晴天
无风或微风时 ,利用事先架设好的管线采集贴地层
0.1 m 、0.5 m 、1.0 m 、2.0 m 和 3.0 m 高度大气样
本 ,用来分析不同高度大气 CH4 浓度梯度。气体
样品在12 h内 ,带回实验室用Agilent 4890气相色
谱仪离子火焰化检测器(FID)分析完毕。色谱仪
设置如下:柱箱温度 55 ℃, 检测器工作温度 200
℃,色谱柱采用长度为 2 m 、直径 2 mm 的 60 ～ 80
目 13XM S 填充物来分离 CH4 ,载气为高纯氮气 ,
流速 30 cm3/min。
1.3　CH4 排放通量计算
排放通量的定义为单位时间 、单位面积观测箱
内排放该气体质量的变化。可用下式表示:
F = Δm
A ·Δt =ρ· V ·ΔcA ·Δt =ρ·h ·ΔcΔt
式中　　F 为 CH4 排放通量(mg·m-2·h-1), V
为观测箱的容积 , A 为观测时包围的土壤面积 , ρ
为箱内气体密度[ ρ=n/ v =P/ RT(mol/m3), P 为
箱内气压(Pa), T 为箱内气温(℃), R 为气体常
数] , h 为采样箱高度(m), Δc/Δt 是气体在观测时
间内浓度随时间的变化 。
2　结果与讨论
2.1　毛果苔草湿地 CH4排放特征
2.1.1　毛果苔草湿地 CH4 排放季节变化
图 1 是根据实测值绘制的 2002 年 6 月至
2004年 2 月毛果苔草湿地 CH4 排放通量变化曲
线 ,从图 1可以清晰的看出毛果苔草湿地 CH4 排
放有着明显的季节变化 , 2002年的排放高值出现
在 6 ,7 ,8 ,9月内 ,排放低值出现在冬季的 11 、12月
份;2003年的 1 、2 、3月份 CH 4排放通量也比较低 ,
图 1　毛果苔草湿地 CH4 排放季节动态
Fig.1　Seasonal variation of CH4 cmission from the Carex lasiocarpa wetland
其中 2月份降到最低值 0.458 mg·m-2·h-1 ,从 4
月份开始随着气温的不断回升 ,CH4 排放通量明显
增大 , 到 5 月 底 达 到 阶 段 性 高 点 7.616
mg·m-2·h-1 ,进入 7 月份 , CH4 排放通量反而降
低 ,平均为 2.070 mg·m-2·h-1 ,观测到的最低值
为 7月 3日的 1.494 mg·m-2·h-1 ,这种异常主要
是由于季节性干旱所引起(表 1)。2003年生长季
前期的5 、6月份仅降雨34.9 mm ,大大低于历年平
均的 122.2 mm ,7 月份的前期也十分的干旱 ,7 月
28日之前仅降雨 45.4 mm ,从 28日开始旱情才有
所缓解。毛果苔草湿地的积水在 6月下旬就因强
烈蒸发而干枯 ,由于 CH4 主要是在淹水的厌氧环
38　　　　　　　　　　　　　　　　　湿　　地　　科　　学　　　　　　　　　　　　　　　　3卷
境下生成 ,故毛果苔草湿地 CH4 排放通量随着湿
地积水的干枯而迅速降低。8月份降水充沛 ,月总
降雨量高达 197.1 mm ,毛果苔草湿地又恢复积水
条件 ,因而 CH4排放通量也迅速回升 ,8月 22日达
到年排放极大值 21.481 mg·m-2·h-1 。进入秋季
后 ,气温逐渐降低 ,CH4 排放通量也逐步降低 。根
据 2002和 2003年度的的毛果苔草湿地 CH4 排放
观测 ,结合两年的天气气候特征 ,可以发现 ,水分条
件是决定湿地 CH4 产生与排放的基础 ,在积水充
分的条件下 ,受全年温度的季节变化影响 ,毛果苔
草湿地CH4 排放也有着明显的季节变化。
表 1　2002 和 2003年生长季降水量对比(mm)
Table 1　Comparison of precipitation betw een 2002 and
2003 in plant grow th season(mm)
年　份 5月 6月 7月 8月 9月
2002年 21.1 80.7 86.1 139.8 7.4
2003年 19.1 15.8 65.6 197.1 54.5
历年平均 52.6 69.5 114.5 149.9 70.2
图2是根据 2002年 6月到 2003 年 6 月实测
资料统计的各月毛果苔草湿地CH4平均排放通量 ,
图 2　毛果苔草湿地各月 CH4 平均排放通量
F ig.2　Mean monthly CH4 flux from the
Carex lasiocarpa wetland
在充分积水的环境中 CH4 排放通量的大小 ,主要
由土壤微生物的活性所决定 ,而温度要素是决定土
壤微生物活性的关键因子 。从图 2也可以看出 ,毛
果苔草湿地全年 CH4 排放与气温变化趋势很相
似 ,但比气温稍有滞后。气温在 5月份升温很快 , 7
月份达到极大值;而毛果苔草湿地 CH 4排放通量 5
月份增长较慢 , 8月份才达到极大值 ,10 月份降幅
则比气温要小 。因此 ,在常年积水的环境中 ,毛果
苔草湿地 CH4 排放通量的季节变化主要是由温度
条件所引起。
2.1.2　毛果苔草湿地 CH4 排放日变化特征
由于湿地 CH4 排放和土壤温度关系密切 ,而
在太阳辐射昼夜变化的影响下 ,土壤温度有比较明
显的日变化特征。因此 ,我们进行了毛果苔草湿地
CH4 排放通量的日变化研究 ,图 3是(2003年 5月
27日 7∶45至 28日 7∶50)毛果苔草湿地 CH4 排放
通量与箱内气温 、地表温度和地下 5 cm 地温的日
变化曲线 。可以看出 ,CH4 排放通量与地下 5 cm
地温的日变化趋势比较一致 ,CH4 排放通量虽然也
有昼夜间的差异 ,但趋势不如气温和地表温度明
显 ,排放通量在午后比较高 ,早晨比较低。这说明
沼泽湿地 CH4 主要产生在地表之下的浅层土壤
中。
图 3　毛果苔草湿地 CH4排放日变化
Fig.3　Daily change of CH4 emission from the
Carex lasiocarpa wetland
2.2　毛果苔草湿地贴地气层中 CH4 的扩散特征
采用静态箱法测量的结果是在扣箱时段内 ,所
测量对象和外界大气无气体交换的条件下得到的
结果 。实际上 ,湿地 CH4 一经排出土壤-水体-
植物连续体而进入大气 ,就立刻在近地面大气中发
生扩散 、传输等物理过程 。这种扩散和传输作用使
近地面大气 CH 4 不断向高空输送 ,图 4 是植物生
长季毛果苔草湿地贴地气层中 CH4 浓度随高度的
变化廓线 ,可以看出在冠层及冠层以下(0.5m 内)
CH4 浓度比较高 ,冠层以上随高度的增加 ,CH4 浓
度递减明显。另外 ,在毛果苔草生长初期 ,由于植
物高度较低 , 5 月 20 日平均冠层高约 20 cm , 6 月
10日平均冠层高约 30 cm ,CH4浓度在地面 0.1 m
分布较高;在植物生长的中期 , 7 ,8 月份 ,植物冠层
高度可达 0.5 ～ 0.8 m左右 ,近地面 CH4 浓度的最
391期　　　　　　　　　　　王毅勇等:三江平原毛果苔草湿地甲烷排放研究　　　　　　　　　　
大值也向上迁移 ,分别在 0.5 m 高度和 1.0 m 高度
达到最大。现有研究表明 , 稻田 CH4 的 55%～
90%是由植物体的通气组织传输的 ,湿地植物传输
CH4 的能力最大可达到总排放量的 90%[ 14] 。毛
果苔草湿地贴地气层中植物冠层附近 CH4 浓度相
应比较高 ,也从侧面佐证了植物体在 CH4 传输中
的重要作用。
图 4　毛果苔草湿地贴地气层中 CH4 浓度的变化
F ig.4　Variation of CH4 concentration in near ground
o f Carex lasiocarpa wetland
2.3　三江平原毛果苔草湿地 CH4 排放总量估算
根据 2002年至 2004年的实测资料统计结果 ,
对三江平原毛果苔草湿地 CH4 全年的排放量进行
了估算。具体方法是:从 4 ～ 10 月的排放活动期 ,
采用每周两次观测的月平均排放通量来估算;11
月到次年 3月的冰冻期 ,采用每月一次观测的实测
值来估算 。三江平原现有毛果苔草湿地面积
4 493.3 km2 ,经估算 ,毛果苔草湿地 4 月到 10月
的排放活动期 CH4 排放量为 0.2215 Tg;11月到
次年 3月冰冻期的排放量为 0.0109 Tg ,全年排放
总量为 0.2324 Tg/a。这个结果比以前用明箱估
算的 CH 4排放通量要小[ 6 ,7] 。
3　结　论
(1)毛果苔草湿地 CH4 排放通量全年变幅很
大 ,有着明显的季节变化 ,排放高值出现在 6 ～ 9月
内 ,排放低值出现在冬季的 12月份到次年的 3月
份 ,其中 8 月份达到平均排放极大值 16.005
mg·m-2·h-1;2 月份平均排放通量最低 , 仅为
0.458 mg·m-2·h-1 。
(2)水分条件是决定湿地 CH4 产生与排放的
基础 。在充分积水的环境中 , CH 4排放通量大小 ,
主要由土壤温度要素所决定 。毛果苔草湿地全年
CH4 排放与气温变化趋势很相似 ,但比气温变化稍
有滞后。
(3)毛果苔草湿地 CH4 排放通量有微弱的昼
夜间差异 ,排放通量在午后比较高 ,而早晨则相对
比较小。
(4)经估算 ,三江平原毛果苔草湿地 4 ～ 10月
的排放活动期 CH4 排放量为 0.2215 Tg;11 月到
次年 3月冰冻期的排放量为 0.0109 Tg ,全年排放
总量为 0.2324 Tg/a 。
(5)毛果苔草湿地 CH4 浓度在冠层附近比较
高 ,冠层以上随高度的增加 ,CH4 浓度递减明显。
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40　　　　　　　　　　　　　　　　　湿　　地　　科　　学　　　　　　　　　　　　　　　　3卷
Methane Emission From Carex Lasiocarpa
Wetland in The Sanjiang Plain ,China
WANG Yi-Yong , ZHAO Zhi-Chun , SONG Chang-Chun
(Northeast Institute of Geography and Agriculture Ecology , Chinese Academy of Sciences , changchun , Jilin 130012 , China)
Abstract:Methane is one of very impo rtant g reenhouse gases.Although CH4 concentration is considerably
lower than that of CO2 in the atmosphere , it is 21 times ef fect of radiated heat than CO2 per molecule (IPCC
2001).Increasing Methane concentration in the atmosphere has been stimulated in studies of CH4 emission
from terrestrial and aquatic envi ronments.Wetlands are regarded as one of the major sources , about 21% of
g lobal methane emission came from natural w etlands.Marsh-wetland is a synthetic natural ecosystem with
rich carbon ,especially in the high-latitude region , one third of global carbon are stored in it.
The Sanjiang plain is the largest and most concentrated marsh-wetland reg ion in China.The plain is lo-
cated in the No rtheast of Heilong jiang province , the total marsh-wetland area is about 83.5×104 hm2 w ith rich
carbon resources.There are many rivers and lakes in this region and wide flood plain were formed along the
river.The study w as carried out at the Ecological Experimental Station of M ire-Wetland in the Sanjiang
Plain ,Chinese Academy of Sciences ,(47°35′N ,133°31′E;56 m above sea level).The mean annual precipita-
tion was 550-600 mm and the mean annual temperature w as 1.9°C.The vegetation types are marsh and w et
meadow plants , the main soil types are marsh soil , meadow soil and peat soil.Typical and the perennial w ater-
logged Carex lasiocarpa wetland was selected to be the study sample.The methane fluxes was measured by
closed opaque chamber made of non-stained steel and gas chromatography system (Agilent 4890).The ex-
periment lasted f rom June 2002 to Feb.2004 , measured tw ice a w eek , and once daily change per month in no
frozen season;measured once a month in f rozen season , three repeats at each sampling site.Meanwhile , the in-
side and outside chamber air temperature , surface and 5cm , 10cm depth soil temperature w ere also measured at
the same time.
By more than one year s experiment , the results w as show n that there w as a obviously seasonal variety in
the methane emission f rom the perennial w aterlog ged Carex lasiocarpa marsh , the methane fluxes was 4.64-
21.48 mg·m-2·h-1 in no f rozen season (f rom May to October), average 11.15 mg·m-2·h-1;and 0.46-
4.30 mg·m-2·h-1 in f rozen season , average 1.69 mg·m-2·h-1.It w as calculated that the total annual
methane fluxes amount is 0.2324 Tg/a f rom the Carex lasiocarpa wet land in the whole Sanjiang plain.
Key words:methane emission;Carex Lasiocarpa wetland;the Sanjiang plain
411期　　　　　　　　　　　王毅勇等:三江平原毛果苔草湿地甲烷排放研究