人为补水对扎龙芦苇湿地甲烷排放的影响

杨荐　关爱洁　陈碧琪　王嘉伟　黄璞祎　于洪贤

摘要为研究人为补水对芦苇湿地甲烷排放的影响，分别在补水前5 d、补水后10、20和30 d测定了扎龙芦苇湿地淹水区RH和未淹水区RA的甲烷排放通量。结果表明，补水后30 d RH水深由20 cm上升至120 cm，甲烷排放通量由3.13 mg/（m2·h）增至9.60 mg/（m2·h），是对照组CH的1.62倍；RA在补水后30 d水深达到10 cm，甲烷排放通量由2.80 mg/（m2·h）上升至18.96 mg/（m2·h），为对照组CA的5.31倍。补水期间，RH的水深增加刺激了芦苇生长，从而为甲烷产生提供了更多底物，并增强了厌氧条件，导致甲烷排放增大；RA淹水后，大量有机质分解为甲烷产生提供了碳源以及通气状况的改变是促进其甲烷大量排放的原因。研究表明人为补水过程促进了淹水区和非淹水区的甲烷排放，建议在评估湿地甲烷排放时应考虑人为补水因素。

关键词人为补水；芦苇湿地；甲烷排放

中图分类号S728.9；X144文献标识码A文章编号0517-6611（2014）22-07456-03

湿地是最大的天然甲烷源，其排放量占天然甲烷排放量的70.0%，全球甲烷排放量的24.8%[1]。但是湿地的甲烷排放存在很大的不确定性[2]，任何影响甲烷产生、氧化、传输过程的因子都将引起甲烷排放的变化[3]，例如植被类型[4]、水位[5]、气候[6]和人为影响[7]。因此研究不同类型湿地的甲烷排放特征对于预测全球气候变化趋势具有重要意义。芦苇湿地是全球分布最广泛、生产力最高的湿地类型[8]，芦苇湿地将土壤中经厌氧分解产生的甲烷释放到大气中[9-10]。由于芦苇分布广泛、生境复杂，而且甲烷产生和释放机制的途径多样，使得甲烷产生、氧化和净排放通量存在较大差异[9]。目前关于芦苇湿地甲烷排放的研究主要集中于河口地区[11]，而对天然淡水芦苇湿地的相关研究却很少。

扎龙芦苇湿地是我国面积最大、相对原始和完整的淡水芦苇湿地。由于上游截留、农业灌溉等人为影响，扎龙湿地水资源严重缺乏，芦苇湿地面积不断萎缩。人为补水已成为扎龙湿地生态恢复的重要手段。在补水过程中，水位上升、淹水过程和有机质分解都将影响芦苇湿地的甲烷排放通量。该研究通过对比补水前后扎龙芦苇湿地淹水区及非淹水区的甲烷通量变化，确定人为补水对芦苇湿地甲烷排放的影响，以期为计算芦苇湿地的甲烷排放提供数据支持。

1 材料与方法

1.1研究地概况扎龙湿地位于中国黑龙江省西部，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°52′～47°32′N，123°47′～124°37′E，面积2 100 km2。湿地以芦苇沼泽和水域生态系统为主，全区平均海拔144 m，年平均温度3.5 ℃，年平均降水量420 mm，属中温带大陆性季风气候。扎龙地区6月份的月平均降水总量为64.3 mm。

试验地点为扎龙湿地中部的龙湖沿岸带。龙湖面积4 km2，其中敞水区面积0.7 km2，沿岸带宽200～250 m，为典型的天然淡水芦苇湿地。人为补水于2009年5月27日进行，补水地点为龙湖以北约15 km的翁海，补水来源于嫩江水和农业灌溉水，补水量5 000万m3，补水期20～30 d。

1.2试验设计分别于补水前5 d（5月22日）、补水后10 d（6月6日）、20 d（6月16日）、30 d（6月26日）测定不同淹水状态芦苇湿地的甲烷排放通量。将补水前5 d水位最深处设置为RH（试验测得水深20 cm）代表淹水区的芦苇湿地，同时围隔出10 m ×10 m的样方作为RH的对照组CH；未淹水的芦苇湿地设置为RA，并围隔出10 m ×10 m的样方作为RA的对照组CA。补水引起RH水位上升，RA淹水。试验期间CH水位维持在20 cm，CA干露。

1.3气体采集和分析采用静态箱-气相色谱法测定芦苇的甲烷通量。静态箱的结构，气体采集和分析方法见黄璞祎等[12]研究。气体采集时间为14：00， 18：00， 24：00 （0：00）， 4：00， 8：00和12：00。甲烷通量计算方法见陈泮勤等[13]研究。

1.4数据分析应用SPSS软件中T检验（Onesamples T test）比较RH和CH，RA与CA的甲烷通量。

2 结果与分析

2.1补水前后芦苇湿地淹水区RH的甲烷排放通量补水前5 d，RH的日均甲烷排放通量为3.13±3.41 mg/（m2·h）（图1）。补水后，RH的甲烷排放通量均呈上升趋势，在补水后10、20和30 d，RH的甲烷排放通量分别是对照组CH的0.97、1.19和1.62倍（图2～4）。T检验显示，人为补水后RH和CH的甲烷通量之间差异不显著。芦苇湿地的日甲烷排放整体表现为昼高夜低，其排放峰值出现在12：00，而最低值出现在夜晚0：00和清晨4：00。

图1补水前5 d芦苇湿地甲烷通量的昼夜变化图2补水后10 d芦苇湿地甲烷通量的昼夜变化图3补水后20 d芦苇湿地甲烷通量的昼夜变化图4补水后30 d芦苇湿地甲烷通量的昼夜变化2.2补水前后芦苇湿地未淹水区RA的甲烷排放通量 补水前5 d， RA的日均甲烷排放通量是2.80±3.29 mg/（m2·h）（图1）。在补水后10、20和30 d，RA的甲烷排放通量分别是对照组CA的2.21、5.14和5.31倍（图2～4）。T检验显示，人为补水后RA的甲烷通量显著高于CA（P<0.05）。

3结论与讨论

3.1人为补水对淹水区RH甲烷排放的影响大量文献表明，水深变化可以显著影响芦苇湿地的甲烷产生、氧化、传输和排放[3，14-15]。Juutinen[16]发现，地下水位降低会引起湿地的甲烷排放减少。此次人为补水引起扎龙芦苇湿地淹水区RH的水深增加了100 cm，其甲烷排放通量由3.13 mg/（m2·h）增至 9.60 mg/（m2·h）。与对照组CH相比，补水30 d后RH由于水深增加引起甲烷通量增加了3.66 mg/（m2·h），说明在较高水深条件下甲烷排放通量增加。

补水过程中淹水区RH的水深增加，刺激了芦苇的分蘖和生长，为甲烷产生提供了更多的底物和传输通道，引起甲烷排放增强。据报道，排放到大气中的甲烷，有60%～90%是通过植物传输[3，17-18]，在成熟的芦苇湿地中超过90%的甲烷通过植物传输到大气中[19]，特别是在芦苇的快速生长阶段甲烷传输速率最高[15]。与对照组CH相比，RH较高的株密度和地上生物量为甲烷传输和产生提供了有利条件[20]：一方面RH具有较高的株密度，为甲烷排放提供了更多的传输途径，另一方面较大的生物量带来更多的根部分泌物质，为甲烷产生提供更多的底物，从而促进甲烷排放[17]。不仅如此，水深增加还可以抑制甲烷氧化细菌的活性，进而通过增强厌氧条件来减少甲烷氧化[3，10]，进一步增加甲烷排放。

值得一提的是，不同环境条件下水深增加也可能会引起甲烷排放减少。例如，河口芦苇湿地涨潮时，水位增加但甲烷排放通量减少，这一观测结果可能是由于涨潮增加了水中的溶氧，从而使水中的甲烷大部分被氧化而不排放到大气中[15，17]。而且，当水深增加到淹没新发芽的芦苇植株时，甲烷传输的植物途径将被阻断，也会导致甲烷排放减少[16，21]。

3.2人为补水对非淹水区RA甲烷排放的影响人为补水为非淹水区RA带来了一个淹水过程，引起甲烷排放显著增加，在补水后30 d RA的甲烷排放通量比对照组CA增加了15.39 mg/（m2·h）。Kelly等[22]发现随着输入底质的有机物增加，甲烷产生量也增加；Casper[23]也发现随着湖泊营养状态升高，底质的产甲烷能力增强。此次补水过程中 RA被淹，大量有机质如凋落物、死根以及芦苇根部的分泌物被分解，其TOC和DOC浓度达到348.00 mg/L和62.40 mg/L，明显高于其他采样点[20]，也反映出有机质分解产生的大量碳源为甲烷产生提供了更多的底物[24]，引起RA的甲烷产生增加、排放持续增强，至补水后30 d其甲烷通量增至对照组CA的5.31倍。类似的，黄国宏等[17]也发现辽河三角洲的芦苇湿地在淹水期间有大量的甲烷排放。

通气状况的改变也是造成RA在补水后甲烷大量排放的原因之一。甲烷是有机质厌氧分解的最终产物。补水前，RA的通气状况良好，产生的甲烷大量被氧化[17]，因此甲烷排放维持在一个较低水平；补水后，RA的土壤为厌氧条件，使得甲烷氧化过程受到抑制，而产甲烷细菌的活性增强[25]，最终引起甲烷排放通量增加[10]。补水过程中RA芦苇的株高、株密度和地上生物量与对照组CA之间均不存在显著差异[20]，说明芦苇并不是引起RA甲烷大量排放的主要原因。

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