全 文 ：扎龙芦苇湿地生长季的甲烷排放通量*
黄璞祎1 摇 于洪贤1**摇 柴龙会1 摇 柴方营2 摇 张万峰3
(1 东北林业大学野生动物资源学院, 哈尔滨 150040; 2 黑龙江省水利厅, 哈尔滨 150040; 3 哈尔滨市环境监测站, 哈尔滨
150076)
摘摇 要摇 为研究高寒地区天然淡水芦苇湿地的甲烷排放特征,采用静态箱鄄气相色谱法,测定
了扎龙不同水位芦苇湿地生长季的甲烷排放通量.结果表明:观测期内,扎龙芦苇湿地甲烷排
放通量平均为 7郾 67 mg·m-2·h-1(-21郾 18 ~ 46郾 15 mg·m-2·h-1),其中深水区(平均水深
100 cm)和浅水区(平均水深 25 cm)的平均甲烷排放通量分别为 5郾 81 和 9郾 52 mg·m-2·h-1,
排放峰值分别出现在 8 月和 7 月,最低值均出现在 10 月.深水区夏季(6—7 月)的甲烷排放通
量显著低于浅水区,而春(5 月)、秋(8—10 月)季节显著高于浅水区.生长季甲烷排放通量的
变化为夏季>秋季>春季;昼夜排放量为 12:00 和 14:00 最高,0:00 最低.温度和水位是高寒地
区淡水芦苇湿地甲烷排放通量变化的主要影响因子.
关键词摇 甲烷摇 排放通量摇 芦苇摇 扎龙湿地
文章编号摇 1001-9332(2011)05-1219-06摇 中图分类号摇 X144摇 文献标识码摇 A
Methane emission flux of Zhalong Phragmites australis wetlands in growth season. HUANG
Pu鄄yi1, YU Hong鄄xian1, CHAI Long鄄hui1, CHAI Fang鄄ying2, ZHANG Wan鄄feng3 ( 1College of
Wildlife Resources, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China; 2Heilongjiang Water Re鄄
sources Bureau, Harbin 150040, China; 3Harbin Environmental Monitoring Station, Harbin
150076, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2011,22(5): 1219-1224.
Abstract: Static chamber / gas chromatogram method was adopted to measure the methane emission
flux of Zhalong Phragmites australis wetlands with different water levels in a growth season from May
to October, 2009, aimed to understand the methane emission pattern in natural freshwater P. aust鄄
ralis wetland in frigid region. During the observation period, the average methane emission flux of
test wetlands ranged from -21郾 18 to 46郾 15 mg·m-2·h-1, with a mean of 7郾 67 mg·m-2·h-1 .
In deep water zone ( average water level 100 cm) and shallow water zone ( average water level
25 cm), the average methane emission flux was 5郾 81 and 9郾 52 mg·m-2·h-1, with a peak in Au鄄
gust and July, respectively, and the minimum in October. In summer ( from June to July), the
methane emission flux in deep water zone was significantly lower than that in shallow water zone;
while in spring (May) and autumn (from August to October), a reversed trend was observed. The
methane emission flux had a seasonal pattern of summer > autumn > spring, and a diurnal pattern of
being the highest at 12:00 and 14:00 and the lowest at 0:00. Temperature and water level were the
major factors affecting the methane emission flux in freshwater P. australis wetlands in frigid region.
Key words: methane; emission flux; Phragmites australis; Zhalong wetland.
*中央高校基本科研业务费专项资金(DL09BA17)资助.
**通讯作者. E鄄mail: China. yhx@ 163. com
2010鄄11鄄04 收稿,2011鄄02鄄25 接受.
摇 摇 甲烷是大气中仅次于二氧化碳(CO2)的第二大
温室气体,其辐射强度为 CO2 的 21 倍[1],对全球变
暖具有重要意义.湿地是最大的天然甲烷源,其甲烷
排放量占全球甲烷排放量的 24郾 8% [2],因此,研究
湿地的甲烷排放特征是预测全球气候变化趋势的前
提.以往的研究显示,湿地甲烷排放存在较大的时空
差异[3],植被类型[4-5]、水位[6]、底质类型[7] 及气
候[8]等影响甲烷产生、氧化和传输过程的因子都将
引起甲烷排放通量的变化[9] .
芦苇(Phragmites australis)湿地是全球分布最
广、生产力最高的湿地类型[10],同时也是重要的甲
烷排放源[11] .目前关于芦苇湿地甲烷排放的研究主
要集中于人工湿地[11]与河口地区[12-13],而对高寒
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 5 月摇 第 22 卷摇 第 5 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, May 2011,22(5): 1219-1224
地区天然淡水芦苇湿地的研究还很少[14] .扎龙芦苇
湿地位于我国黑龙江省西部,隶属于扎龙国家级自
然保护区,是我国面积最大、相对原始和完整的淡水
芦苇沼泽湿地.但是关于扎龙芦苇湿地的甲烷排放
特征及其控制因子至今尚不清楚. 本研究通过对扎
龙芦苇湿地生长季甲烷通量的监测,分析芦苇湿地
甲烷排放的季节和日变化规律,及其与环境因子的
关系,以期为天然淡水芦苇湿地的甲烷排放量估算
提供数据支持.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
扎龙湿地位于我国黑龙江省西部,松嫩平原乌
裕尔河下游、齐齐哈尔市东南、林甸县西南和杜尔伯
特蒙古族自治县西北交界地,地理坐标为 46毅52忆—
47毅32忆 N,123毅47忆—124毅37忆 E,平均海拔144郾 0 m,
面积 2100 km2 . 该地区属中温带大陆性季风气候,
年均温 3郾 5 益,年均降水量 420 mm. 扎龙湿地以芦
苇沼泽和水域生态系统为主. 研究地点位于扎龙湿
地中部的龙湖沿岸带. 龙湖面积4 km2,敞水区面积
0郾 7 km2,沿岸带横断面长 200 ~ 250 m,分布有大量
挺水植物,优势种为芦苇.
1郾 2摇 研究方法
1郾 2郾 1 试验设计 摇 试验于 2009 年 5—10 月对扎龙
芦苇湿地的甲烷排放通量进行逐月测定. 其中 6 月
为芦苇的快速生长期,每隔 10 d 测定 1 次甲烷通
量,共测定 8 次.为研究不同水深芦苇湿地的甲烷排
放特征,将最接近龙湖敞水区的芦苇湿地设为深水
区芦苇湿地,以远离敞水区(相距约180 m)的芦苇
湿地作为浅水区芦苇湿地,试验期间,深水区和浅水
区芦苇湿地的研究地点固定不变.
1郾 2郾 2 甲烷气体取样和分析 摇 采用静态箱鄄气相色
谱法测定甲烷通量.静态箱由底座、中箱和顶箱 3 部
分组成.其中,底座为50 cm伊50 cm伊30 cm的不锈钢
材料;中箱和顶箱分别由 50 cm伊50 cm伊100 cm 有
机玻璃材料组成,顶箱一面封顶.箱与箱之间的连接
处有水槽结构,试验期间注水密封.顶箱上部安装 2
个小风扇以混合箱内气体,侧面安装气体采样接口,
内部安装水银温度计以方便读取箱内气温. 在芦苇
植株高度 <1 m时,仅用底座和顶箱测定;当高度
>1 m时,用底座、中箱和顶箱测定.为防止对样地的
干扰和方便取样,在样地搭设长250 m、宽2 m、高
1郾 2 m的木制栈桥. 气体采集时间分别为14:00、
18:00、0:00、4:00、8:00和12:00.罩箱后立即采集气
体 40 mL,然后每隔 5 min 采集 1 次气体,连续采集
3 次,每次 40 mL,用于气体样品分析,每个采样点
3 ~ 5个重复.在气体采样的同时,用水银温度计测定
采样箱内、外温度,以及采样点的气温、水温和地温
(地表下5 cm),同时记录采样点的气压. 气体样本
在 24 h内送回实验室进行分析.
甲烷浓度采用 SP鄄2100 气相色谱仪(Beifen Co.
Produced, 中国)进行分析.甲烷色谱柱为长 2 m、内
径 4 mm 的不锈钢管,管内填充 GDX鄄502 高分子多
孔聚合物,检测器 FID,柱温 80 益,检测室温度
120 益,汽化室温度 120 益, 载气 ( N2 ) 流量为
50 mL·min-1 .甲烷通量的计算方法[15]:
F = 籽 VA
P
P0
T0
T
dC t
dt
式中:F为甲烷通量,正值表示甲烷由湿地向大气中
排放,负值表示吸收;V为箱内空气体积;A为箱子覆
盖面积;dC t / dt代表甲烷浓度变化率;籽为标准状态
下甲烷气体密度;T0和 P0分别为标准状态下的空气
绝对温度(273郾 15 K)和气压(1013郾 25 hPa);P为采
样地点的气压;T为采样时的绝对温度.
1郾 2郾 3 芦苇地上生物量测定摇 分别在深水区和浅水
区芦苇湿地设置 3 ~ 5 个 1 m伊1 m 样方,统计样方
内芦苇的密度,之后在样方内随机齐地割取芦苇 30
株,标号后带回实验室测定单株质量(60 益,48 h).
以平均单株质量乘以密度得到样方内的地上生物
量.
1郾 3摇 数据处理
采用 T检验比较深水区和浅水区芦苇湿地甲
烷通量、芦苇地上生物量的差异显著性;采用 Pear鄄
son相关系数评价甲烷通量与气温、水温、地温和芦
苇地上生物量的相关关系. 所有数据均采用 SPSS
17郾 0 软件进行分析;图中数据为 mean依SD.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 扎龙芦苇湿地生长季环境因子的变化
由图 1 可以看出,试验期间,扎龙芦苇湿地的气
温、水温和地温均表现出先上升后下降的变化趋势,
7 月温度最高,10 月温度最低. 湿地的气温平均为
18郾 7 益(-3郾 0 益 ~41郾 0 益),其中深水区和浅水区
的气温平均为 17郾 4 益 和 17郾 7 益;水温平均为
17郾 1 益(0 益 ~ 29郾 0 益 ),其中深水区和浅水区的
平均水温和地温分别为16郾 8 益、15郾 4 益和14郾 3 益、
12郾 9 益 .
芦苇湿地深水区和浅水区的水位平均为100 cm
0221 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
图 1摇 扎龙芦苇湿地生长季温度和水位的变化
Fig. 1 摇 Variations of temperature and water level in Zhalong
Phragmites australis wetland during the growth season.
玉:深水区 Deep water zone;域:浅水区 Shallow water zone. 下同 The
same below. Ta:气温 Air temperature;Tw:水温 Water temperature;Tg:
地温 Ground temperature.
(25 ~ 141 cm)和25 cm(0 ~ 47 cm),呈先增加后降
低的趋势.其中,5 月水位最低,之后水位不断上升,
8 月达到最高值(深水区和浅水区的水位分别为
141 cm和 47 cm),随后大幅度下降.
2郾 2摇 扎龙芦苇湿地生长季甲烷排放通量的日变化
由图 2 可以看出,芦苇湿地生长季节中深水区
和浅水区的甲烷排放通量均具有明显的昼夜变化规
律,其日变化通常表现为:14:00和12:00的甲烷排放
通量最高,0:00最低.深水区和浅水区芦苇湿地白天
和夜间甲烷排放通量的平均值分别为 8郾 52、13郾 14
mg·m-2·h-1和 3郾 09、5郾 91 mg·m-2·h-1 .
2郾 3摇 扎龙芦苇湿地生长季甲烷排放通量的季节变
化
研究期间,扎龙芦苇湿地的甲烷排放通量存在
明显的季节变化(图 3). 夏季(6 月中旬至 8 月)是
芦苇湿地甲烷排放的高峰期,其中深水区的甲烷排
放峰值为(10郾 30 依6郾 91) mg·m-2 ·h-1,出现在 8
月,浅水区甲烷排放最高值为 ( 19郾 97 依 11郾 38 )
mg·m-2·h-1,出现在 7 月,而在春末夏初(5 月和 6
月上旬)和秋季(9、10 月),芦苇湿地的甲烷排放相
对较少.
经 T检验,采样期间深水区与浅水区芦苇湿
图 2摇 扎龙芦苇湿地生长季甲烷通量日变化
Fig. 2 摇 Diurnal variations of methane flux in Zhalong Phrag鄄
mites australis wetland duriong the growth season.
图 3摇 扎龙芦苇湿地甲烷通量的季节变化
Fig. 3 摇 Seasonal variations of methane flux in Zhalong Phrag鄄
mites australis wetland.
**P<0郾 01. 下同 The same below.
地的甲烷通量均存在极显著差异(P<0郾 01),深水区
芦苇湿地 6—7 月的甲烷排放通量显著低于浅水区
(P<0郾 01);而在 5 月和 8—10 月则显著高于浅水区
(P<0郾 01).
2郾 4摇 芦苇地上生物量的变化
由图 4 可以看出, 研究期间,深水区和浅水区 5
月的芦苇地上生物量分别为(127依61)和(81依50)
g·m-2,随着生长季节的延长,地上生物量大幅度增
加,在 7 月和 8 月达到最大值,分别为(1646依574)
和(388依235) g·m-2 ,而在9月和10月,芦苇地上
12215 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 黄璞祎等: 扎龙芦苇湿地生长季的甲烷排放通量摇 摇 摇 摇 摇
表 1摇 甲烷排放通量(y)与环境因子(x)的相关关系
Table 1摇 Correlation between methane flux (y) and environmental factors (x)
样地
Sampling site
气温
Ta
水温
Tw
地温
Tg
芦苇地上生物量
Aboveground biomass
of P. australis
深水区
Deep water zone
y=0郾 1951x+2郾 8989
R2 =0郾 193*
y=0郾 2361x+1郾 7784
R2 =0郾 123*
y=0郾 2207x+2郾 8054
R2 =0郾 056
y=0郾 0023x+3郾 7153
R2 =0郾 104
浅水区
Shallow water zone
y=0郾 7597x-5郾 8229
R2 =0郾 634**
y=1郾 0834x-8郾 6638
R2 =0郾 678**
y=0郾 9217x-4郾 8126
R2 =0郾 436**
y=0郾 0378x+0郾 1466
R2 =0郾 147
* P<0郾 05;** P<0郾 01.
图 4摇 扎龙湿地芦苇地上生物量
Fig. 4摇 Aboveground biomass of Phragmites australis in Zhalong
wetland.
生物量出现不同程度的下降. 深水区芦苇地上生物
量均显著高于浅水区(P<0郾 01).
2郾 5摇 甲烷排放通量与环境因子的相关分析
由表 1 可以看出,深水区芦苇湿地的甲烷排放
通量分别与气温、水温存在显著正相关(P<0郾 05);
浅水区芦苇湿地的甲烷通量分别与气温、水温和地
温存在显著正相关(P<0郾 01).不同水位芦苇湿地的
甲烷通量与芦苇地上生物量之间的相关性不显著.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 芦苇湿地甲烷排放的日变化特征
扎龙芦苇湿地生长季深水区和浅水区的甲烷排
放通量的日变化均表现出昼高夜低趋势,日间平均
甲烷排放通量(10郾 83 mg·m-2·h-1)是夜间(4郾 50
mg·m-2·h-1)的 2郾 4 倍,排放高峰均出现在12:00
和 14:00,而 0:00 最低,这与以往的研究结果基本
一致[14,16] .
光照、温度是影响芦苇湿地甲烷排放日变化的
主要环境因子[7] .光照通过影响芦苇湿地甲烷传输
机制的转换,从而引起甲烷排放的昼夜变化[7,17] .
Grunfeld和 Brix[7]指出,植株内部气流传输的昼夜
变化是引起芦苇湿地甲烷排放昼高夜低的主要驱动
因子 郾 因为白天光照充足时甲烷以传输效率较高的
对流传输方式为主,而夜间则以传输效率较低的分
子扩散为主[17] . 此外,夜间积累的甲烷在白天通过
对流传输释放到大气中,也是导致芦苇湿地白天甲
烷排放量高的原因[18] .
温度也是影响芦苇湿地甲烷排放日变化的重要
因子.扎龙芦苇湿地甲烷排放与温度的昼夜变化趋
势基本一致,即0:00和4:00最低,12:00和14:00最
高.仝川等[13]也发现,闽江河口芦苇湿地的甲烷排
放通量为 9:00—10:00 较高,5:00—6:00 较低. 这
主要是由于清晨气温和地温均处于最低值,而且缺
乏光照,不利于甲烷的产生和输送.
湿地甲烷排放的昼夜变化规律并非完全一致.
曹景荣和洪业汤[19]发现,在正午的强太阳辐射和高
温下,某些品种水稻为了避免体内水分过度散失而
将气孔完全关闭,完全阻断了甲烷的对流传输途径,
导致中午阳光最强烈时甲烷释放率最低,而凌晨或
夜晚水稻田的甲烷排放量最高. 这与本研究结果相
反. Hyv觟nen等[20]报道,以分子扩散为甲烷主要传
输途径的溪木贼(Equisetum fluviatile),其甲烷排放
没有明显的日变化规律. 这主要是由于分子扩散更
易受温度的影响.
3郾 2摇 芦苇湿地甲烷排放的季节变化特征
扎龙芦苇湿地的甲烷排放存在明显的季节变
化.其中,夏季甲烷排放通量最高,深水区和浅水区
分别在 8 月和 7 月达到峰值 [(10郾 30 依 6郾 91)和
(19郾 97依11郾 38) mg·m-2·h-1 ],而春秋季节排放
较低. 这与以往的研究结果基本一致[13-14,21] . 其原
因主要是,扎龙芦苇湿地夏季温度较高,有利于湿地
土壤的甲烷产生[22] . 此外,保护区于 6 月对扎龙湿
地进行了人为补水,水位升高增强了土壤的厌氧条
件,有利于甲烷产生,而且淹水后大量有机质分解,
为甲烷产生提供了充足的碳源,从而导致夏季甲烷
高排放. Brix等[11]也发现,高水位和丰富的有机质
是引起丹麦芦苇湿地甲烷大量排放的主要原因.
湿地甲烷排放的季节变化还与甲烷传输方式有
关.在成熟的芦苇湿地中,超过 90%的甲烷通过植
2221 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
物传输到大气中[17] .芦苇在夏季对气体传输的阻力
降低,而在生长季节末期阻力增强[23],也可能是造
成扎龙芦苇湿地夏季甲烷高排放的原因之一.
由于冬季芦苇地上部分死亡,甲烷的对流传输
受阻[16],而且低温抑制产甲烷细菌的活性[13],因
此,芦苇湿地冬季甲烷排放率低且无明显日变化规
律[11,24] . Kim 等[24]报道,冬季芦苇湿地的甲烷排放
量不超过全年排放量的 20% ,而且这一比例可能更
低[11] 郾 因此本研究未测定扎龙芦苇湿地冬季的甲
烷排放量.
3郾 3摇 芦苇湿地甲烷排放通量的影响因子
3郾 3郾 1 温度摇 温度在甲烷产生、氧化和排放过程中
起着重要作用,是控制甲烷排放动态变化的主要影
响因子.温度升高不仅能促进芦苇植株的生长、分
蘖,为甲烷产生提供更多底物和传输通道[14],而且
也增强了土壤微生物活性,加快土壤中氧的消耗,使
氧化还原电位下降,有利于产甲烷细菌的生长[13],
从而促进芦苇湿地的甲烷排放. Kim 和 Verma[25]发
现,美国内布拉斯加州芦苇湿地的甲烷排放与土壤
温度存在显著正相关;Kankaala 等[26-27]研究表明,
芦苇湿地甲烷排放的季节变化与底质温度密切相
关,土壤温度对甲烷排放贡献率可达 50% ~ 61% .
本研究中,扎龙深水区芦苇湿地的甲烷通量分别与
气温、水温存在显著正相关;浅水区芦苇湿地的甲烷
通量分别与气温、水温和地温存在显著正相关.这与
以往报道相似[13,21,28] .
深水区芦苇湿地的甲烷排放通量与地温之间相
关性不显著,可能是由于温度的升高,使甲烷产生速
率增加,同时提高了甲烷的氧化速率,从而减少甲烷
的产生和排放[29] . 此外,由于温度对土壤微生物的
影响不同所引起的土壤有机质分解产物差异[13],也
增加了温度与甲烷排放之间关系的不确定性[30] .
3郾 3郾 2 水位摇 水位变化可以影响土壤的通气状况,
而且决定了湿地生长季的植物淹没量,从而影响甲
烷产生所需的有机碳数量[21],对湿地甲烷排放有显
著影响[28,31] . Duan等[14]发现,水位上升促进了乌梁
素海芦苇湿地的甲烷排放.本研究中,扎龙芦苇湿地
深水区的平均甲烷排放通量(5郾 81 mg·m-2·h-1)
低于浅水区(9郾 52 mg·m-2·h-1),主要与扎龙水位
的季节变化有关. 这是因为春季(5 月)扎龙芦苇湿
地浅水区处于干旱状态,缺乏嫌气条件,因此甲烷排
放通量 (2郾 80 mg·m-2 ·h-1 )低于深水区 (3郾 13
mg·m-2·h-1);夏季(6—7 月)由于降水和生态补
水,浅水区水位上升、厌氧条件增强,同时,淹水后大
量有机质分解,为甲烷产生提供了必要底物,因此,
浅水区芦苇湿地的甲烷通量显著高于深水区;秋季
(8—10 月),浅水区温度下降幅度大于深水区,产甲
烷细菌受到抑制,因此排放通量低于深水区.
3郾 3郾 3 芦苇生物量摇 植物功能群和生物量也是影响
湿地甲烷排放的重要因子[32] .扎龙湿地芦苇生物量
与甲烷通量之间存在正相关,但相关性不显著.
Duan等[14]指出,芦苇根部分泌物增加可以促进湿地
土壤中的甲烷产生,而且随着芦苇植株的生长,甲烷
传输能力增强.因此,扎龙湿地夏季芦苇密度和地上
生物量较高,也可能是引起夏季甲烷高排放的原因
之一.
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作者简介摇 黄璞祎,女,1980 年生,博士.主要从事气候变化
与湿地生态研究. E鄄mail: loser2005623@ 163. com
责任编辑摇 李凤琴
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