神农架大九湖泥炭湿地二氧化碳和甲烷排放化学计量比研究

李永福，葛继稳，翁闻畅，刘明盟，斯南雍茜，程腊梅，张志麒

(1.中国地质大学(武汉)盆地水文过程与湿地生态恢复学术创新基地，湖北 武汉 430074; 2.中国地质大学(武汉)湿地演化与生态恢复湖北省重点实验室，湖北 武汉 430074; 3.中国地质大学(武汉)生态环境研究所，湖北 武汉 430074;4.武汉伟特伦生态环境研究所， 湖北 武汉 430079；5.神农架国家公园管理局，湖北 神农架林区 442400)

碳的自然平衡遭到破坏是大气中温室气体浓度增加的根本原因，而湿地排放的温室气体约占自然排放源的70%[1-2]。已有研究表明，二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)对长寿命温室气体辐射强迫的贡献率分别约为65%和17%[3]。2016年全球大气中CO2和CH4的平均浓度创下新高，且过去十年来大气中CO2和CH4的浓度以每年2.21 ppm和6.8 ppb的速度增长[3]。湿地生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，具有巨大的能量与物质循环功能，对全球范围的碳循环影响显著[4-6]。因此，研究不同湿地生态系统的碳收支状况及其运行机制对精确估算全球碳收支具有重要意义[7-8]。湿地厌氧的土壤环境为长期有机土内的碳储存提供了独特条件，但是这个过程却与湿地CH4的排放密切相关[9]。湿地的低氧环境产出温室气体CH4和CO2，同时其碳源和碳汇功能近来也成为全球气候变化研究关注的重点问题[10]。

生态化学计量学主要研究生态系统中化学元素的比例关系,目前主要集中在碳(C)、氮(N)、磷(P)元素的化学计量关系研究[11]。关于生态系统初级生产(CO2固定)和CH4排放的化学计量学特征在国外已开展了一些研究[12]，已有研究主要是以湿地CH4的初级控制[13]、低纬度沼泽[9]和加利福尼亚水稻稻田[14]为研究对象，目前尚未见以亚高山泥炭湿地为研究对象，运用涡度相关技术观测并对其生态系统中碳释放产物(CO2和CH4)排放化学计量比的动态变化及其影响因子的相关研究报道。

泥炭湿地是世界分布最广的湿地类型，在全球碳循环和气候变化中起着重要的作用[15-17]。即使在土壤有机碳超过90%的湿地生态系统中，也有强有力的证据表明，植物光合产物以根际分泌物的形式促进了CH4的产生，而顽固性土壤有机质的贡献有限[18]。但是，湿地排放的CH4与驱动这些通量的生物物理过程之间的数量关系仍然存在相当大的不确定性，且净CO2吸收可在多大程度上抵消CH4排放的辐射效应，目前尚不确定。而测量泥炭湿地CO2和CH4通量，并计算CO2与CH4通量的比值，能够评估气体通量之间转化的潜力[19]。基于此，本文选择神农架大九湖泥炭湿地为研究对象，运用涡度相关技术连续原位观测，对该泥炭湿地CO2和CH4两种碳释放产物的排放特征及其相关性、CO2与CH4排放化学计量比的日/月动态变化及其与环境因子的相关性进行了分析，并对该泥碳湿地CO2与CH4排放化学计量比的动态变化进行了研究。研究CO2与CH4排放化学计量比对建立湿地生态系统碳交换模型十分有效，可为增加湿地碳固定、减少碳源温室气体排放提供重要的理论依据。

1 研究区概况

研究区神农架大九湖亚高山泥炭湿地位于湖北省西北部的神农架林区神农架大九湖国家湿地公园内，地理坐标为31°15′～31°75′N、109°56′～110°58′E之间，是华中地区最大的泥炭藓沼泽类湿地。神农架地区主要受季风控制，属于过渡性亚热带—暖温带山地季风气候,全年日照较少，温度较低，无霜期短，降水多，相对湿度大。据海拔1 990 m处大九湖站的多年气象记录，该地区年均降水量为1 535 mm，年均温度为7.2℃，7月平均温度为17.1℃，1月平均温度为-2.4℃，其独特的气候条件造就了大九湖亚高山湿地资源。研究区湿地生态系统保存完好，具有原生性、典型性和代表性，在湿地保护、科学研究、监测等方面具有重要意义。

本研究使用的涡度相关观测系统设置在神农架大九湖国家湿地公园3号湖附近，地理坐标为31°28′44.45″N、110°00′14.61″E，海拔高度为1 758 m。研究区成土母岩主要为冲积物和湖积物，土壤类型以沼泽土、草甸沼泽土和草甸土为主。该地区植被资源较为单一，乔木和灌木层缺失，草本层主要有泥炭藓(Sphagnumpalustre)、苔草(Carexfulvorubescens)、紫羊茅(Festucarubra)、乳浆大戟(Euphorbiaesula)、地榆(Sanguisorbaofficinalis)、大金发藓(Polytrichumcommune)、圆叶茅膏菜(Droserarotundifolia)、湖北老鹳草(Geraniumrosthornii)等。

2 研究方法与数据处理

2. 1 研究方法

本研究在大九湖泥炭湿地设立了通量观测系统，主要由开路式CH4分析仪(LI-7700，LI-Cor，USA)、开路式CO2/H2O分析仪(LI-7500，LI-Cor，USA)和三维超声风速仪(CAST3，LI-Cor，USA)组成，采样频率为10 Hz，在线通量系统(SMARTFlux)计算并存储每30 min的CH4通量、CO2通量、摩擦风速等平均值结果。同时，还在大九湖泥炭湿地安装了7900-103生物气象辅助传感器系统，用于测定空气温度/相对湿度(Vaisala HMP 155)、降雨量(TR-525USW)、光合有效辐射(LI-190SB)、净辐射(CNR4)以及地面以下10 cm、20 cm、30 cm处3层土壤温度(TM-L10)、土壤含水量(CS616)、土壤热通量(HFP01SC)等环境因子，并通过Sutron数据采集器进行数据在线采集。定期进行现场仪器检查与维护、数据下载及质量检查等工作。

本次研究选用2017年3月至2018年2月共12个月的数据。其中，2017年3～5月代表春季，2017年6～8月代表夏季，2017年9～11月代表秋季，2017年12月至2018年2月代表冬季。生长季为5～10月，非生长季为11月到次年4月。

2. 2 数据质量控制与插补

因仪器故障或天气突变等原因导致部分数据缺失或异常，故需要对收集的数据进行剔除和插补。

(1) 环境因子数据处理：先剔除环境因子数据异常值(即与平均值相差超过4倍标准差的数据，下同)；剔除异常值后对缺失的环境因子数据进行插补，本文采用“滑动窗口法”[20]对缺失的环境因子数据进行插补。

(2) CO2通量数据处理：首先剔除同期降雨的CO2通量数据，剔除低于摩擦风速(u*)临界值的CO2通量数据(本文摩擦风速临界值取0.15 m/s)，剔除超出CO2通量阈值的数据[即指-22.72 μmol/(m2·s)≤CO2通量≤22.72 μmol/(m2·s)以外的数据]，剔除夜间CO2通量小于零的数据，剔除CO2通量的异常值；然后对CO2通量缺失数据进行插补，具体插补方法如下：

①对于白天缺失的净生态系统CO2通量数据采用Michaaelis-Menten[21-22]公式进行拟合后插补：

(1)

式中：NEE为涡度相关系统测得的CO2通量数据；Re为白天生态系统暗呼吸速率[μmol CO2/(m2·s)]；PPFD为光量子通量密度[μmol/(m2·s)]；α为生态系统表观光量子效率(μmolCO2/μmol)；Amax为最大光合速率[μmol CO2/(m2·s)]，即为PPFD趋于极大值时的生态系统净光合速率。

②对于生长季夜间缺失的净生态系统CO2通量数据采用Van't Hoff[23-24]公式进行拟合后插补：

Re=aexp(bTs)

(2)

式中：Re为涡度相关系统测得的CO2通量数据；a和b为拟合系数；Ts为土壤温度(℃)。

③对于非生长季夜间缺失的净生态系统CO2通量数据采用“滑动窗口法”进行插补。

(3) CH4通量数据处理：先剔除降雨时刻的CH4通量数据，剔除低于一定摩擦风速临界值的CH4通量数据，剔除CH4通量的异常值；然后对CH4通量缺失数据采用“滑动窗口法”进行插补。

2. 3 数据处理

本文利用Excel和Origin软件对数据进行统计与处理，研究大九湖泥炭湿地的主要环境因子、CO2和CH4通量的日/月动态变化特征，并利用SPSS软件对CO2与CH4排放化学计量比及其与环境因子的相关性进行分析。其中，CO2与CH4排放化学计量比(CO2∶CH4比值)采用CO2与CH4物质的量之比。

3 研究结果与分析

3.1 大九湖泥炭湿地CO2和CH4排放特征分析

3.1.1 CO2和CH4通量的日动态变化

2017年3月1日至2018年2月28日，神农架大九湖泥炭湿地CH4和CO2通量的日动态变化，见图1。

图1 大九湖泥炭湿地CO2和CH4通量的日动态变化Fig.1 Daily average dynamics variation of CO2 and CH4 fluxes in Dajiuhu peat wetland

由图1可见，大九湖泥炭湿地CH4通量的日平均变化范围为-0.000 266 212 μmol/(m2·s)～0.055 064 179 μmol/(m2·s),最小值在2017年4月9日，最大值在2017年9月9日，全年CH4通量的日平均值为0.016 724 164 μmol/(m2·s)；CO2通量的日平均变化范围为-1.620 857 89 μmol/(m2·s)～2.844 654 89 μmol/(m2·s)，最小值在2017年7月17日，最大值在2018年1月9日，全年CO2通量的日平均值为0.543 265 083 μmol/(m2·s)。

3.1.2 CO2和CH4通量的月动态变化

2017年3月至2018年2月，神农架大九湖泥炭湿地CH4和CO2通量的月动态变化，见图2。

由图2可见，2017年3月至2018年2月大九湖泥炭湿地CH4通量的月平均值分别为0.002 948 434 μmol/(m2·s)、0.004 066 08 μmol/(m2·s)、0.006 570 031 μmol/(m2·s)、0.018 200 944 μmol/(m2·s)、0.033 555 93 μmol/(m2·s)、0.043 221 581 μmol/(m2·s)、0.043 887 734 μmol/(m2·s)、0.019 501 647 μmol/(m2·s)、0.010 649 19 μmol/(m2·s)、0.006 012 035 μmol/(m2·s)、0.004 828 508 μmol/(m2·s)、0.006 586 373 μmol/(m2·s)，均表现为排放，CH4通量的月平均变化为从2017年3月至9月逐渐上升至最高，后从2017年9月至2018年1月下降再升高；2017年3月至2018年2月大九湖泥炭湿地CO2通量的月平均值分别为0.859 413 309 μmol/(m2·s)、0.682 302 153 μmol/(m2·s)、0.222 694 235 μmol/(m2·s)、-0.178 809 695 μmol/(m2·s)、-0.406 196 101 μmol/(m2·s)、0.069 264 079 μmol/(m2·s)、0.182 846 088 μmol/(m2·s)、0.158 505 376 μmol/(m2·s)、1.094 837 476 μmol/(m2·s)、1.118 725 479 μmol/(m2·s)、1.672 676 943 μmol/(m2·s)、1.082 460 41 μmol/(m2·s)，均表现为先排放、后吸收再排放，CO2通量的月平均变化为从2017年3月至7月逐渐下降至最低，后上升至2018年1月最高再下降。

图2 大九湖泥炭湿地CO2和CH4通量的月动态变化Fig.2 Monthly average dynamics variation of CO2 and CH4 fluxes in Dajiuhu peat wetland

3.2 大九湖泥炭湿地CO2与CH4的排放关系分析

CO2和CH4是湿地生态系统土壤碳分解的两种主要产物，由于在湿地土壤环境中，分解产生的CO2经过氢还原可以生成CH4，厌氧分解产生的CH4可以被甲烷氧化菌氧化生成CO2，因此两种产物在理论上应存在一定的联系。本文针对神农架大九湖泥炭湿地CO2与CH4通量的日平均关系、不同季节月平均关系进行了线性、二次函数和指数拟合，得到大九湖泥炭湿地CO2与CH4排放的相关性拟合结果，见表1。

表1 大九湖泥炭湿地CO2与CH4排放的相关性拟合结果

注：“**”表示在 0.01 水平(双侧)上显著相关；“*”表示在 0.05 水平(双侧)上显著相关。

大九湖泥炭湿地CO2与CH4通量的日平均关系拟合结果，见图3。

图3 大九湖泥炭湿地CO2与CH4通量的日平均关系拟合结果Fig.3 Fitting result of the relationship between CO2 and CH4 daily average flux in Dajiuhu peat wetland

由图3可见，大九湖泥炭湿地在CO2与CH4通量的日平均关系拟合下，各季节CO2与CH4排放的相关性均表现为一元二次的拟合效果最佳，其中夏季呈正相关关系，而春、秋和冬季呈负相关关系，其中春季呈极显著负相关关系，秋季呈显著负相关关系。

大九湖泥炭湿地CO2与CH4通量的月平均关系拟合结果，见图4。

由图4可见，大九湖泥炭湿地在CO2与CH4通量的月平均关系拟合下，各季节CO2与CH4排放的相关性在夏、秋季表现为一元二次拟合效果最佳，而春、冬季则表现为线性拟合效果最佳，其中春季呈显著负相关关系。

3.3 大九湖泥炭湿地CO2与CH4排放化学计量比的日/月动态变化分析

大九湖泥炭湿地CO2与CH4排放化学计量比(CO2∶CH4比值)的日动态变化及其拟合曲线，见图5。

由图5可见，大九湖泥炭湿地CO2∶CH4比值的日平均最小值[-106.359 139 2 μmol/(m2·s)]出现在2017年5月4日，最大值[920.813 512 4 μmol/(m2·s)]出现在2018年1月12日；全年CO2∶CH4比值的日动态整体变化趋势为先降低再升高，符合二项式拟合，即y=0.013x2-67 328.822 02x+8.274 67×1010，R2为0.154 01；春、冬季CO2∶CH4比值的日动态变化离散程度较大，而夏、秋季其聚合程度较好；2017年3月至2018年2月全年CO2∶CH4比值的日平均值为153.463 122 2 μmol/(m2·s)。

大九湖泥炭湿地CO2与CH4排放化学计量比(CO2∶CH4比值)的月动态变化及其似合曲线，见图6。

由图6可见，大九湖泥炭湿地CO2∶CH4比值的月平均最小值[-12.105 046 91 μmol/(m2·s)]出现在2017年7月，最大值[346.416 912 2 μmol/(m2·s)]出现在2018年1月；全年CO2∶CH4比值的月动态整体变化趋势从1月份至7月份降低，后上升至1月份达到峰值后下降。

3.4 大九湖泥炭湿地CO2与CH4排放化学计量比的日/月动态变化与环境因子的相关性分析

根据大九湖泥炭湿地已有的相关通量研究成果,本文选择共同影响CO2和CH4的敏感环境因子作为研究影响大九湖泥炭湿地CO2∶CH4比值的日/月动态变化的环境因子。大九湖泥炭湿地CO2与CH4排放化学计量比(CO2∶CH4比值)的日/月动态变化与环境因子的相关性分析结果，见表2。

图4 大九湖泥炭湿地CO2与CH4通量的月平均关系拟合结果Fig.4 Fitting result of the relationship between CO2 and CH4 monthly average flux in Dajiuhu peat wetland

图5 大九湖泥炭湿地CO2与CH4排放化学计量比 (CO2∶CH4比值)的日动态变化及其拟合曲线Fig.5 Daily dynamic variation and fitting curve of CO2∶CH4 in Dajiuhu peat wetland

图6 大九湖泥炭湿地CO2与CH4排放化学计量比 (CO2∶CH4比值)的月动态变化及其拟合曲线Fig.6 Monthly dynamics variation and fitting curve of CO2∶CH4 in Dajiuhu peat wetland

表2 大九湖泥炭湿地CO2与CH4排放化学计量比(CO2∶CH4比值)的日/月动态变化与环境因子的相关性分析

注：“**”表示在 0.01 水平(双侧)上显著相关；Ta为空气温度平均值;Ts10为地面以下10 cm处土壤温度;Ts20为地面以下20 cm处土壤温度;Ts30为地面以下30 cm处土壤温度;SWC10为地面以下10 cm处土壤含水量;SWC20为地面以下20 cm处土壤含水量;SWC30为地面以下30 cm处土壤含水量。

由表2可知，空气温度、土壤温度和土壤含水量在不同程度上影响着大九湖泥炭湿地CO2和CH4的排放，作为关键环境影响因子，其对CO2与CH4比值也会有较大影响，其中CO2∶CH4比值与空气温度、土壤温度呈极显著负相关，CO2∶CH4比值与土壤含水量呈极显著正相关；CO2∶CH4比值除与SWC20月平均不显著外，其与其他环境因子均呈现极显著相关。

4 结论与讨论

(1) 从CO2和CH4排放特征来看，大九湖泥炭湿地整体表现为CH4的源，这与李艳元等[25]的研究结果一致，且泥炭湿地全年CH4通量表现出较明显的月和季节变化规律，CH4排放峰值出现在9月份；泥炭湿地全年CO2通量具有明显的月和季节变化规律，生态系统生长季 CO2通量的日变化规律明显，整体呈“U”型曲线，这与彭凤姣等[26](2017)的研究结果一致；泥炭湿地全年CO2排放尺度大于CH4。

(2) 从CO2与CH4排放的相关性拟合结果来看，大九湖泥炭湿地总体上各季节CO2与CH4排放的月平均关系拟合效果较好，而其日平均关系的拟合效果较差；CO2与CH4排放的月平均关系表现为线性拟合或一元二次的拟合效果最佳，而CO2与CH4排放的日平均关系均表现为一元二次的拟合效果较好；CO2与CH4排放的日平均关系拟合中春季和秋季的拟合效果优于夏季和冬季。分析原因认为：第一，由于CO2与CH4排放的月平均关系拟合中，拟合数据为平均值，且数据量较少，故而拟合效果好且多为线性拟合效果最佳，而在CO2与CH4排放的日平均关系拟合中，由于数据量大且每日碳源温室气体排放量变化不稳定，故而其拟合效果不佳；第二，由于大九湖泥炭湿地夏季和冬季的环境较为极端，故而数据变化浮动较大，为了与文献报道数据进行对比，利用SPSS软件对2017年7月至10月大九湖泥炭湿地CO2与CH4的日平均排放数据进行Pearson相关性分析，可知该时间段内泥炭湿地CO2与CH4的日平均排放之间呈正相关关系，相关系数为0.157(N=123)但不显著，此结果与郝庆菊等[27]和宋长春等[28]研究得出的三江平原沼泽湿地土壤中CO2与CH4排放之间呈显著正相关关系的研究结论较为相符，但后者试验采用静态暗箱法且采样频率较低。另外，廖稷[29]在闽江河口芦苇湿地的研究也表明CH4与CO2排放之间呈极显著正相关关系，但邹建文等[30]针对稻田的研究表明整个生长季或淹水状态下CH4与CO2排放之间无明显的相关性。

(3) 大九湖泥炭湿地CO2∶CH4比值的日动态变化较符合一元二次拟合，而CO2∶CH4比值的月动态从2017年3月到2018年1月呈现“U”型曲线，1月达到最大值后下降，因为2月温度逐渐升高；该泥炭湿地全年CO2∶CH4比值的日平均与CO2呈极显著正相关关系，其相关系数为0.436(N=365，p<0.01)。在本研究区域，CO2∶CH4比值在很大程度上取决于CO2排放量的大小，这是因为该泥炭湿地全年CH4多为排放，而CO2在夏季多为吸收，且CO2通量的数量级要远大于CH4。建议后续研究增加年份变化的样本数据，在更大的时间尺度上来对比探讨大九湖泥炭湿地CO2∶CH4比值的变化规律，从而对泥炭湿地碳源温室气体通量之间的关系与排放估算提供有力依据。

(4) 本文将大九湖泥炭湿地CO2∶CH4比值与环境温度、土壤温度、土壤含水量进行了相关性分析，结果表明：CO2∶CH4比值的日平均变化与环境因子均显著相关。由于泥炭湿地中CH4多为排放(正值)，所以CO2∶CH4比值的正负多取决于CO2的排放。大九湖泥炭湿地CO2∶CH4比值与环境温度和土壤温度呈负相关关系，说明温度升高，泥炭湿地CO2的排放降低(或吸收)。这是因为：在缺氧和土壤还原的条件下，随着温度的升高，泥炭中产甲烷菌活性增强，CH4产生量也越高，而泥炭湿地生态系统植物光合作用的增强导致泥炭湿地CO2呈吸收状态，故CO2∶CH4比值降低；温度下降，泥炭中产甲烷菌活性减弱，CH4产生量也降低，而泥炭湿地生态系统呼吸作用的增强导致泥炭湿地CO2的排放增加，故CO2∶CH4比值上升。泥炭湿地CO2∶CH4比值与土壤含水量呈正相关关系，这是由于土壤含水量在植被生长季较低，而在非生长季较高，这种变化状况与CO2的变化相似：在植物生长季，光线较强，温度较高，土壤中水分蒸发较大，导致植物光合作用强烈，泥炭湿地为CO2的汇；而在植物非生长季，土壤中水分蒸发较小，土壤水分保持较好，而此时泥炭湿地为CO2的源，故CO2∶CH4比值与土壤含水量呈正相关关系。