（自然地理学专业论文）闽江河口湿地不同土地利用方式下甲烷排放研究.pdf

福建师范大学学位论文使用授权声明 至q q 曼璺q ! ! 专业自然垫堡堂：所呈交的论文：闽江逦 旦湿丝丕回丝型旦友式工里煊( 些2 挂趑硒窒：是我个人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。本人了解福建师范大学有 关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交的学位论文并允许论文被查 阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容；学校可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名j 址指导教师签名一 签名日期 5 9 福建师范大学雷波硕士学位论文 捅斐 本研究以闽江河口天然湿地类型蕉草( s c i r p u sm a r i q u e t e r ) 湿地和人工湿 地水稻( p a d d y ) 田为研究对象，采用野外定位观测和室内实验分析相结合的方法， 测定了甲烷( c h 。) 排放通量，并对其主要影响因素进行了研究。 涨潮前蔗草湿地c h 。排放通量季节动态范围为0 3 9 - - - 9 0 8m g m - 2 h - 1 ，平均值为 4 2 2m g m - 2 h ；落潮后排放通量范围为0 9 5 - - 1 2 7 8m g m 之h - 1 ，平均值为5 8 2 m g r n - 2 h - 1 。落潮后c h 4 排放通量高于涨潮前。 水稻田( 夏季) c h 。排放通量季节动态范围为- 0 1 6 , - - , 3 1 8 9m g m - 2 h - 1 。在水稻生 长期间出现3 个排放高峰期，分别出现在水稻分蘖末期、孕穗期、成熟期。其c h , 排放 通量与地下5 c m 处土温显著相关( 相关系数：辟o 7 6 2 ，p 红树林 光滩；与此同时对河口红树林湿地c h 。排放的日动态进行了研究，发现潮汐是影响湿 地c h 4 排放日变化的主要因子，而温度效应不明显，可能是潮汐导致的水位变化屏蔽 了温度效应n 引：黄国宏等n 钉在辽河三角洲对芦苇湿地c h 4 排放以及环境影响因子进行 了分析，发现水分是主要的影响因子，温度对c h 。排放也有一定的影响：程晓莉n 5 3 对 长江1 ：3 九段沙湿地c h 4 排放进行了研究，探讨了植物生长和水淹对温室气体排放的影 响；杨红霞等n 印对长江1 3 崇明东滩潮滩湿地一大气界面碳通量特征进行了观测：王维 奇n 7 3 等以福建闽江河口为对象对湿地c h 4 产生的影响因子进行了研究；杨文燕n 踟等在 三江平原研究了影响c h 4 排放的主要控制因子；徐华等n 刚以江苏水稻田为研究对象， 重点探讨了氧化还原电位( e h ) 和温度对c h 4 排放的影响。 1 2 3 湿地c h 。生成、氧化及传输机理 湿地c h 。排放通量为单位面积的湿地一大气界面在单位时间内向大气排放c h 。的 量，它是湿地产生的c h 。量扣除氧化量、库量增加量和水平传输量后经扩散传输、气泡 6 第l 章绪言 传输和( 或) 植物体传输而进入大气的c h 。量。湿地c h 。排放通量与产生量、氧化量、库 量和水平传输量的定量关系可表述为砸1 ： c h 。通量= 产生量一氧化量一库量增加量一水平传输量 湿地c h 。排放通量是由c h 。产生过程、氧化过程和传输过程共同决定的汹一1 。 1 2 3 1 湿地c h 。产生c h 4 是土壤有机物厌氧分解过程中产生的乜。土壤中多种细菌 形成一个复杂的食物网，对有机底物进行厌氧分解，最后一步是由c 地产生菌完成，最 终产生c h 4 ( 1 ) 湿地产c h 。菌产c h 。菌是一类形态多样且具有特殊细胞成分和产c h 功能的厌氧 细菌，迄今已分离到7 0 余种。目前已发现的产c h 。细菌有2 6 个属，其中只有7 个属的c h , 菌存在于水稻f 日中并己分离鉴定，它们是m e t h a n o b a c t e r i u m ( c h 。杆菌属) 、 m e t h a n o s a r c i n a ( c h 4 八叠球菌属) 、m e t h a n o b r e v i b a c t e r ( c h 4 短杆菌属) 、 m e t h a n o c u l l e u s ( c h 。挑选菌属) 、m e t h a n o g e n i u m ( 产c h d 菌属) 、m e t h a n o s a e t a ( c h 4 毛状 菌属) 以及m e t h a n o s p i ri ll u m ( c l 4 螺菌属) 2 2 一驯。 充足的底物供应和适宜的产c h 。菌生长环境是c h 4 形成的先决条件拉利。土壤中残留 的氧气逐渐被好氧或兼性细菌消耗掉，迫使兼性或专性厌氧细菌依次利用n 0 。一、m n 4 + 、 f e 3 + 、s o 。2 。、c 0 ：作为电子受体进行呼吸作用和分解有机碳以获取生长和繁衍所需的碳 源和能源，从而逐步形成还原环境。 产c h 。菌为严格厌氧细菌，需要较强的还原条件，临界e h 为- 1 5 0 m v ，并且产c h 量随e h 降低而增加。产c h 细菌对p h 值很敏感，通常只能生活在p h 为6 8 的较窄范 围内，但产c h 4 菌能适应相对较弱的酸性环境。c r o z i e r 等于1 9 9 5 年就曾报道在海岸 湿地c h 。排放最适的p h 值为7 7 。产c h 。菌还对温度敏感，一般只能在0 , - 一3 5o c 保持相 对显著的活力，最佳温度是2 5 3 5 度啪瑚3 。 ( 2 ) 湿地c h 。产生途径产c h 。菌能够利用的底物十分有限，有的仅能够利用一种， 一般为最简单的一碳或二碳化合物，例如c o 。、c h 。o h 、c h 。c o o h 和甲胺类等，大部分产 c h 。菌能利用氢气( h 。) 作为电子供体来还原c 0 2 。通常，生态系统中c h 。的产生有两种 方式，第一，细菌对复杂有机物分解产生的简单有机酸或有机酸继续降解的产物c 0 ：、 h ：在c h 。产生菌的作用下，产生c 也；第二，细菌作用下，复杂有机物直接产生c 0 ：、h 。 c h 。产生的两种方式如下： 产酸过程： c 。h ，o 。+ 2 h 。0 = 2 c h 。c o o h + 2 c 0 ：+ 4 h ： 7 福建师范大学雷波硕士学位论文 c h 3 c o o h = c h , + c o z c 0 2 + 4 h 2 = c h 4 + 2 h 2 0 不产酸过程： c 6 h l z 0 6 + 2 h 2 0 + 2 0 2 = 6 c 0 2 + 8 h 2 c 0 2 + 4 h 2 = c h 4 + 2 h 2 0 c h 。的产生以哪种方式为主，取决于底物的含量，当底物来源丰富，则以产酸过程 为主；相反，以不产酸过程为皿钔。 1 2 3 2 湿地c h 氧化湿地产c 心菌产生的c h 4 并不能全部排放到大气中，而是大部分 被土壤中的c h 4 氧化菌氧化。b a n k e r 等3 的研究表明，如果没有土壤表层的氧化，水 稻土壤排放的c h 。将增加5 ，- - i 0 倍，根围的c h 也有3 0 被氧化菌氧化。土壤中c 心氧 化既可以发生在非淹水土壤例如林地、旱地、沙漠、雪地等，也可以发生在淹水土壤 ( 湿地) ，例如沼泽、水稻田等。前者主要氧化大气中的c 乩，以降低大气中c 乩浓度， 后者主要氧化湿地自身产生的内源c 心，以减少向大气排放。 湿地产生的c h 4 既可被好氧性c h 4 氧化菌氧化，也可被厌氧c h 。氧化菌氧化n 】。目 前，科学界对土壤中c h 4 的两种氧化途径已经有了比较全面的认识。第一种途径称为 “高亲和力氧化( h i g ha f f i n i t yx i d a t i o n ) ，这类氧化在c h 4 浓度接近大气c 心浓度 时即可发生，该类型也存在于c l 浓度较小的所有土壤中。据估计，这一类型的c h 4 氧 化占总c h 4 氧化的1 0 渤1 ；第二种途径称为“低亲和力氧化( 1 0 wa f f i n i t yo x i d a t i o n ) ”， 这类氧化在c 心浓度高于4 0 1 0 6 时才会发生。在湿地中，低亲和力氧化往往发生在土 壤氧化层、有氧条件下的根际、水稻根内以及其淹水的叶鞘内啪1 1 2 3 3 湿地c h 4 传输湿地土壤中c h , 在厌氧环境中产生，然后通过3 种方式进入大 气：扩散，气泡，植物通气组织传输。 ( 1 ) 扩散由于土壤剖面不同深度中c h 4 浓度不同，表层二般低于下层，而大气中 c h 。浓度又低于表层，从而在大气和土壤之间形成一个c h 。浓度梯度体系，c h 4 在液相中 凭借浓度梯级可以扩散进入大气瞳劓。由于气体在液相中扩散速率比气相慢三个数量 级，因此，c h 4 通过液相扩散的速率比气相扩散为主的植物通气组织传输要慢的多。 ( 2 ) 气泡当水相中气体浓度达到一定值就会产生气泡，土壤中含c 乩的气泡进入 大气实现c h 4 排放，这是三种传输途径中效率最高的一种。由于气泡中没有氧气存在， 其中的c h 4 被氧化的可能性很小。在有停滞水的土壤中，气泡可能是c h 。向外排放的 个主要途径曙3 。 8 第1 章绪言 ( 3 ) 植物传输在有通气组织的植物存在时，c 地通过植物的释放速率是通过水相扩 散的i 0 0 0 0 倍，而气泡的出现则要求水溶液中c h 4 浓度较高并足以产生一定的压力， 因此气泡和液相扩散一般不到c h 4 排放总量的1 0 口羽。土壤中的c h 4 可以高达9 0 通过 植株的通气组织排放到大气汹瑚1 。c h 4 通过植物排放的可能机制是：由于根周围的土壤 溶液与根系通气组织之间存在着一定的c l - h 浓度梯度，因此c 心首先从土壤溶液扩散到 根表面水膜中，然后进入根皮层的溶液瞳4 3 耵。在根皮层的c h 4 极易气化，植物中c h 4 浓度比大气中高2 9 0 0 倍口甜。凭借浓度梯度c h 。经细胞间空隙和通气组织由下向上扩散 转运到茎部3 。n o u c h i 口3 1 等认为c h 。最后要通过位于低位叶的叶鞘下端的微孑l 排放进 入大气。 实验表明，不同的湿地类型，三种传输途径的排放量比例也有很大差别，甚至在 有植物生长的湿地中在植物生长的不同阶段，三种传输方式对c h 。排放的贡献率也不 同。如上官行健等口5 3 研究发现，在早稻和晚稻的整个生长季节中，c h 通过水稻植物体 传输的排放平均分别占总c h 。排放的7 3 1 8 和5 4 9 8 ，但在水稻生长初期，它作为c 心 传输途径的作用还相当小，之后随水稻的生长而增大，并在抽穗中期达到最大，之后 又随着水稻的成熟其传输能力降低。这是由于生长初期植物本还未发育成熟，其通气 组织比较弱小，另外根系没有成熟，对气泡的阻碍作用较弱，土壤中产生的c h 。通过气 泡及气体扩散排向大气，之后随着水稻的生长水稻植物体传输c h d 的相对重要性不断增 大，至抽穗中期以后由于植物体老化，活性传输c h 。的能力降低，水稻植物体传输c 心 的重要性也随之降低。 1 3 本文主要研究内容及意义 本文以“福建省海峡西岸资源环境科技创新能力建设重点学科建设项目闽江 河1 ：3 湿地生态系统过程及新世纪优秀人才计划闽江河口及周边滨海湿地土壤碳库 特征和温室气体排放为依托，利用静态箱法与气相色谱法相结合，在闽江河口区最 大的湿地鳝鱼滩湿地，以闽江河口天然湿地类型藤草( s c i r p u sm a r i q u e t e r ) 湿地和人工湿地水稻( p a d d y ) 田为研究对象，探讨藤草湿地和水稻m c h 。排放规 律以及其各自不同影响因子，研究的主要内容如下： ( 1 ) 全球气候变化与湿地c h ；排放的基本理论。 ( 2 ) 蔗草湿地、水稻田c h 。排放过程的特点、时空变化规律。 ( 3 ) 蔗草湿地、水稻田c h 。排放通量对比。 ( 4 ) 涨潮落潮造成的水位变化以及土壤温度、p h 值、e h 等环境因子对c 心排放 9 福建师范大学雷波硕士学位论文 的影响。 ( 5 ) 人类对湿地利用方式的改变对湿地c h ；排放的影响。 ( 6 ) 有关减排方法的探讨。 全文由七个部分组成。第一部分主要综述了本研究的选题背景及当前国内外研 究进展：第二部分主要介绍了研究区域概况；第三部分主要介绍了实验设计情况；第 四部分阐述了闽江河口蔗草湿地与水稻田c h 4 排放特点及二者比较；第五部分主要揭 示主要环境因子对闽江河口蔗草湿地与水稻田c h 4 排放的影响：第六部分主要说明人 类活动对闽江河口湿地c h 。排放通量的影响并简要介绍了有关减排的措施；最后一部 分为结论，总结了本文的主要研究成果，并对今后的研究作出了展望。 闽江河口湿地是东南沿海地区重要湿地，然而目前这一区域温室气体排放的研 究基本处于空白，本研究通过野外实地观测、室内实验及数据分析，积累了大量数据， 有利于完善全球c 也排放清单的编制，为更深层次的研究提供了宝贵的数据基础，具 有重要的科研价值。 我国自然湿地c h 4 排放与水稻田c h 4 排放的研究对比，在研究的广度和深度上均 处于初始阶段，天然河口湿地和人工湿地c h 4 排放对比的研究成果，更是鲜有出现。 当前，闽江河口湿地被大规模围垦、改造，湿地生态过程及生态功能都发生重大变化。 本文选取天然湿地类型蔗草湿地和人工湿地水稻田作对比研究，对于进一步 揭示闽江河口湿地c 心排放的时空变化规律及影响c h 4 排放通量的主要环境因子、阐 明人类通过对湿地利用方式的改变对河口湿地c 地排放地影响等具有重要意义。 1 0 第2 章研究区概况 第2 章研究区概况 2 1 范围 闽江发源于福建与江西交界的武夷山东麓及仙霞岭南麓，干流全长近5 7 7 k m ，流 域面积约为6 0 9 9 2 k m ，西自闽侯竹岐，东至连江串石岛，地理坐标为1 1 9 。5 7 3 6 1 1 9 。4 1 7 5 ”e ，2 5 。5 0 4 3 ” - - 2 6 。9 4 2 ”n 。研究区位于闽江下游感潮区的水域、 沿江滩洲、沿海滩涂和浅海区( 低潮是水深不超过6 m 的水域) 等天然湿地，总面积为 2 4 9 7 2 3 k m 2 ，其中滩涂面积为2 6 1 8 1 k m2 ，占总面积的1 0 5 。面积较大的滩涂有鳝鱼 滩、蝙蝠滩、浦下洲、道庆洲、塔礁洲、江中洲、橘园洲、六十份洲、雁行洲、长岸 洲等，其面积数百至数千公顷不等( 图2 - i ) 。 图2 1 闽江河口主要湿地及其分布 f i g 2 一id i s t r i b u t i o no fw e t l a n d si nm i n j i a n gr i v e re s t u a r y 2 2 自然概况 该区位于南亚热带，气候暖热湿润，年太阳总辐射量平均约为1 0 4 6 k a c m 2 ，辐射 量与雨热同季，年均气温为1 9 3 。c ，年际变化较大。冬季风向为e n e 和n e ，2 至8 月 风向为s e 。由于濒临东海，气候具有较强的海洋性，海陆风盛行。受季风气候影i 句， 降水集中在每年的3 - 9 月，这7 个月的降水量占全年的8 2 7 ，其中3 ，- - 4 月为春雨 福建师范大学雷波硕士学位论文 季，降水量约占全年的1 7 , - - , 2 0 ，5 - 6 月为梅雨季，是最重要的降水季节，降水量约 占全年的2 9 - - 一3 6 。7 9 月为台风雨季，1 0 月至次年2 月为干季，降水量大致在2 0 0 - 3 5 0 m m 之间。平均年降雨量在1 3 8 0 r n f n 左右。雨量年际变化较大，各年间相差悬殊。 本区来水主要是在河口区以上地区，其次是汇入河口区的支流，水量丰富，含沙 量小，洪枯流量悬殊；源于太平洋的潮波传到闽江河口，以复流形式进入该区长江水 道和梅花水道。无论在枯水期还是洪水期，本区水分特征均为咸淡水混合型。 本区土壤类型为滨海盐土和沙土，含盐量较高。受海潮浸淹，土壤处于盐渍化和 脱盐化交替过程中，土壤中含有一定盐分，呈碱性反应，全土层厚度多在几米以上。 养分含量较高，质地比较粘重。受潮汐影响，含盐量随着潮位的增高而增大。高潮时 含盐量最大，低潮时含盐量最小。潮位变化过程与含盐量变化过程关系极为密切，一 般可达o 5 1 。土壤p h 值偏酸性，温度随着季节变化而变化。 由于临江濒海，这一带气候宜人。据调查统计，闽江口鳝鱼滩湿地共有维管束植 物7 2 科1 7 5 属2 4 7 种，有红树林、沙生植被、浅水植被、沼泽植被等植被类型。包 括秋茄( k a n d e i ac a n d e t ) 群落、芦苇( p h r a g m f t e sa u s t r a l i s ) 群落、藤草( s c i r p u s t r i q u e t e r ) 群落、咸草汜m a l a c c e n s i sl a m v a t ) 群落、铺地黍( p a n i c u mr e p e n s ) 群落、互花米草( s p a r t i n aa l t e r n i f l o r a ) 群落，其中，芦苇、成草、互花米草是 该湿地的优势种，分布面积大，范围广，常组成单优势种。 2 3 开发利用状况 闽江河口区经济发达，为区域社会经济发展的主要载体。近年来，由于经济快速 发展和人口的巨大压力，天然湿地不断被开发利用，区内的天然湿地面积逐年缩小， 湿地土地利用类型已经并正在发生着巨大的变化( 图2 2 ) 。目前闽江河口湿地遭大面 积围垦，其主要开发利用途径是围垦造田从事农业生产( 主要是水稻种植) 。 湿地围垦从事水稻种植，能够有效缓解人口增长与粮食、能源之间的矛盾，促进 经济社会发展，但是无限度的盲目开发带来的则是湿地生态环境的巨大破坏。在湿地 开发利用过程中，湿地生态过程受到影响，包括湿地土壤碳储存和c h 4 气体的排放， 这对于全球气候变化都具有深远的影响。 1 2 第2 章研究区概况 z 雩鞭” 图2 2 闽江口湿地开发利用状况 f i g 2 - 2e x p l o it u r eo fw e t l a n di nm i n j i a n gr i v e re s t u a r y 第3 章样地选择与实验设计 第3 章样地选择与实验设计 3 1 样地选择 实验地选在鳝鱼滩湿地( 图2 - 1 ) 。 鳝鱼滩湿地地处闽江入海口，分布于琅岐岛与长乐市潭头一文岭一梅花之间的梅 花水道中，偏潭头一梅花一侧，是闽江水流自上游搬运来的泥沙在梅花水道中淤积而 形成的河口浅滩。是目前闽江河口地区面积最大的砂泥质洲滩天然湿地，主要由沙洲、 草滩、砂质海滩等组成，为一条西北东南走向，长约2 5 公里，宽约3 0 0 米的沙 洲。 本区为感潮湿地，受潮汐影响强烈。每月发生两次大小潮：初一、十五的时候日、 地、月三者大致一线，引潮力叠加，为天文大潮；上下弦( 初七、八和二十二、二十 三) 三者成9 0 度交角，为天文小潮。由于海水的摩擦力，受引潮力作用的效果稍有 滞后，所以大潮时间不严格出现在初一和十五。发生高潮的时间每天推迟5 0 分钟， 每次推迟1 2 时2 5 分钟。湿地水源包括天然降水、闽江河水、潮水以及稻田回归水。 3 2 实验设计 3 2 1 实验对象选择 本文选取蔗草湿地、水稻田作为实验对象。 在闽江河口区藤草湿地和水稻田所处位置向海距离基本相同，同属鳝鱼滩湿地， 大致位于中潮带下部，但由于湿地围垦，堤坝将两处隔离在堤坝内外。蔗草湿地受潮 汐影响强烈，水稻田则主要受人为干扰。通过对这两种湿地类型c 心排放通量的观测 比较，对于揭示c 乩排放规律，阐明各环境因子及人类活动干扰对c h 4 排放的影响具有 重要意义。 3 2 2 藤草、水稻生长特性及实验设置 在实验区蔗草呈片状镶嵌分布，平均高度为2 5 一- - 4 0 c m ，主要通过地下球茎进行营 养繁殖，繁殖能力很强，每年5 月至l o 月是其生长旺盛期。 水稻采用在福建省广泛种植的优质高产杂交稻。施行稻一芹菜轮作方式，采用三 角稀植，即行窝距为4 0 c m x 4 0 c m ，每窝以三角形方式栽3 苗，苗间距约6 a m 。移植后约1 0 天分蘖，至一月后达到分蘖末期，5 0 天左右开始孕穗，约8 0 天成熟。水分管理为当地 农民惯常采用的间歇灌溉，即前期淹水，分蘖后期晒田，孕穗前回水后干湿交替，收获 前1 周排水。夏季整个实验田种植水稻，冬季在实验田一侧种植水稻，一侧种植芹菜， 用高田埂隔离。 1 5 福建师范大学雷波硕士学位论文 3 2 3 采样时间及观测方法 3 2 。3 。1 采样时间在2 0 0 7 年1 月、3 月、5 月、6 月、7 月、8 月、9 月、l o 月、1 1 月、1 2 月分别对蔗草湿地气样进行采集( 由于人为原因2 月、4 月数据显著异常，不 合格，舍去) 。 实验地水稻分冬夏两季，生长时间分别为9 月中旬至1 1 月中旬和5 月初至6 月 初。根据水稻生长特点，分别在5 月2 日、5 月9 日、5 月1 6 日、5 月3 0 曰、6 月1 5 日、6 月2 7 日、7 月1 2 日、7 月2 5 日和8 月1 日对夏季水稻田c h 4 排放进行了气样采 集，其排放通量作为水稻田c h 。排放通量季节动态值。冬季采样时间没有考虑水稻不 同生长阶段，分别在9 月1 3 日、1 0 月1 4 日、1 1 月1 2 日对其排放进行了观测。 为了在保证人们正常经济生活前提下实现c h 4 排放减少，本文对人类合理生产方 式进行了探讨，所以在冬季水稻c h 。气样采集的同时在同一地块采集了芹菜地c h 气样。 藤草湿地c h 4 排放通量日动态气样分为夏冬两季( 生长季和非生长季) ，分别于 7 月1 2 日和1 2 月1 6 日采集；水稻田c 心排放通量日动态则只在夏季进行了观测。 对蔗草湿地c 地排放通量季节动态气样的采集每月初三左右进行。潮前、潮后各 采集一次，每次按间隔半个小时为准抽取三次气体。水稻田及芹菜地气样采集则无潮 前潮后之分。对于日动态气样采集每4 个小时进行一次，一天6 次，每次按半小时为 间隔抽取三次。每种植物排放气样采集都设置三个重复，其样点布置如图3 - 1 所示。 樗革2 兽草3 压 个 幼 l 最墓l l 一 3 图3 - 1 样点布置情况 f i g 3 1d i s t r i b u t i o no fs a m p l e 3 2 3 2 观测方法c h 4 气样采用前端装备三通阀的l o o m l 密闭针管采集，便于抽气和 抽气后的保存；样点观测采用目前国际通用的较为简便易行的静态箱法。首先将专用 不锈钢底座插入土中，再将一个5 0 c m 5 0 c m x 5 0 c m 的不透明顶箱置于底座之上，然 后在底座和顶箱接触的槽中加水密封。顶箱顶部有1 个小电扇和1 个采气孔，电扇用 1 6 第3 章样地选择与实验设计 于搅匀箱内气体。在顶箱放置后的o m i n 、3 0 m i n 、6 0 m i n 分别用针管缓慢抽气约l o o m l ， 然后通过三通阀密闭气体。抽气结束后同时测定样点的p h 值、e h 、含水量、5 c m 深处 土温、气温、盐度等环境因子。 每一个观测日气体采集结束后记下样点附近蔗草2 5 2 5 c m 范围内植株数及植株 的平均高度。对于水稻田，同时记录稻田水位，并在采集结束后随机拔取一株完整水 稻鲜样，带回实验室后使用通风高温烘炉于1 0 5 。c 杀青，7 0 。c 烘干至恒重，记录植株高 度、地上、地下部分干重及总重。 3 2 4 气体采集主要技术问题 样品采集及分析是整个研究工作的第一步，样品在采集和分析过程中能否达到一 定精度，是研究成果是否准确的前提。由于c h 。是一种微量气体，因此，在采样和分析 过程为保证精度制定了严格的操作规范。在湿地中取样，任何的人为扰动都会影响到 所取c h 。样品的精度。为此，在采样点附近搭建木栈桥，取样人员在栈桥上作业，并在 采样箱内加装风扇，以搅匀气体，保证样品精度。夏季阳光过于强烈，照射在不锈钢 顶箱上，在箱内形成一个独立“温室 ，导致c h 。排放通量与箱内温度不对应，为解决 这个问题，在夏天阳光强烈时打开风扇搅匀气体，箱外铺上厚棉被，并在棉被上加盖 铝箔纸以反射强光。 在c h 。样品的分析过程中，严格按照仪器使用规范进行操作。为了保证分析结果的 正确，每分析一定数量的样品，用c h 。标准气体对仪器进行次标定。 除以上注意事项外还有几个技术问题在实验过程中都要重点考虑： ( 1 ) 保证注射器清洁m 1 。注射器使用后，其内部易出现细小杂质，在注射样气进入 机器内部分析时，就有可能将杂质注入机器内部，污染色谱柱，使分析结果出现异常， 因此每次实验后都应及时将注射器清洗，尤其是在雨天取样后更应如此。 ( 2 ) 及时分析。每次气样采集后取样人员将样品带回实验室，保证2 4 小时内进行 分析。样品放置时间越长，漏气的可能性越大。 ( 3 ) 仪器的防潮。氢焰离子气相色谱仪是高精密仪器，其内部电子零件如若受潮， 分析得到的数据就会出现严重偏差。 为判断判断氢焰色谱分析仪是否受潮，实验人员通过仪器开机后的自检来判断。 如果积分仪在打印纸上划出的线条又细又直，说明仪器状态越良好，如果是斜线、曲线， 则表明仪器受潮或出现其它异常情况，严重时线条呈波浪状或线条较粗并有明显的横 向线条。为了预防仪器受潮，实验室设置在6 楼，内部装备空调，并长期处于除湿状态， 福建师范大学雷波硕士学位论文 且空调的出气口避免直吹仪器的出气口，保证仪器的正常排气。 3 2 5 气样的g c 分析 c 乩浓度的分析不论是在国外还是国内，基本上都是采用各种型号的色谱仪进行。 本研究也使用气相色谱仪进行c 心样品的分析。 样品分析在福建省资源与环境重点实验室进行，使用日本岛津公司生产g c 一2 0 1 0 气相色谱仪进行分析。该仪器具有保留时间、峰面积及峰高均具有良好的重现性、适 应窄径毛细柱的快速分析，有效降低分析成本、丰富的载气控制功能等优点。色谱柱 填料采用高纯氮气作为载气，c h 。检测器为氢火焰离子化检测器( f i d ) ，氢焰检测器的气 化室、分离柱、检测器的温度分别为1 0 0 、1 4 0 和1 6 0 。 3 2 6c h 。排放通量计算方法 f ：丝生日旦l yd t2 7 3 + 丁 式中：f ：c h 。排放通量( m g m - e h - 1 ) ：m ：c h 。分子量；v ：标准状态下1 摩尔c h 。的体 积；d c d t ：c h 。浓度变化率；t ：采样箱内温度；h ：采样箱的箱高。 第4 章蔗草湿地及水稻田c h 。排放 第4 章藤草湿地及水稻田c h 4 排放 4 1 藤草湿地c h 。排放通量动态 4 1 1 藤草湿地c h 。排放通量季节动态 对蔗草湿地c 心排放通量季节动态气样的采集在2 0 0 7 年每月初三左右进行，潮前、 潮后各采集一次。 4 1 1 1 涨潮前蔗草湿地c h 。排放通量季节动态涨潮前蔗草湿地c h 排放通量季节动态 如图4 - 1 所示。从图4 1 看到，涨潮前蔗草湿地c h 4 排放特征为：1 月，3 月维持低排 放，5 月出现一个前半年排放高峰值，至6 月略有下降，到7 月排放显著增加，出现全 年排放的最高值，之后从7 月一直到1 2 月，排放通量不断下降。 1 月3 月5 月6 月7 月8 月9 月l o 月1 1 月1 2 月 。 图4 - 1 涨潮前藤草湿地c h t 排放通量季：带动态 f i g 4 一lc h 4f l u x e s ( s e a s o n a lc h a n g e s ) f r o ms c i r p u sm a r i q u e t e rw e t l a n d sb e f o r et h e t i d e w a t e r 4 1 1 2 落潮后蔗草湿地c h 。排放通量季节动态落潮后蔗草湿地c h 排放通量季节动态 如图4 - 2 所示。从图4 2 看到，落潮后藤草湿地c h 4 排放特征为：l 、3 月份维持低排放， 从5 月一直到8 月出现高排放，然后从8 月一直到1 2 月排放量逐渐递减。 1 9 o 9 8 7 6 5 4 3 2 l o iqhui删圈 福建师范大学雷波硕士学位论文 1 月3 月5 月6 月7 月8 月9 月1 0 月1 1 月 1 2 月 图4 - 2 落潮后蔗草湿地c h 。排放通量季节动态 f i g 4 - 2c h 4f l u x e s ( s e a s o n a lc h a n g e s ) f r o ms c i r p u sm a r i q u e t e rw e t l a n d sa f t e rt h e ti d e w a t e r 4 1 1 3 潮前潮后藤草湿地c h 4 排放通量季节动态对比为揭示涨落潮对蔗草湿地c h 4 排放通量的影响，将潮前潮后蔗草湿地c h 4 排放通量季节动态做出对比，如图4 3 所 示。由图4 - 3 得出涨潮前的通量最高值出现在7 月份，为9 0 8m g m h 1 ，最小值出现 在3 月份，为0 3 9m g m - 2 h ，平均值为4 2 2m g m - 2 h - 1 ；落潮后排放通量最高值出 现在8 月份，为1 2 7 8m g m - 2 h 一，最小值出现在1 月份，为0 9 5m g m 之h 1 ，平均值为 5 8 2m g m - 2 h 。落潮后c h 4 排放通量平均值高于涨潮前。从1 月份到8 月份及1 2 月 份，落潮后通量都高于涨潮前，而9 、1 0 、1 1 三个月份落潮后排放通量低于涨潮前。 1 4 1 2 1 0 通量m 分m - ，h - l 8 6 4 2 o 1 月3 月5 月6 月7 月8 月9 月1 0 月1 1 月1 2 b 图4 - 3 潮前潮后蔗草湿地c h 4 排放通量季节动态对比 f i g 4 - 3c o m p a r i s o no fm e t h a ne m is s i o n ( s e a s o n a lc h a n g e s ) f o r ms c i r p u sm a r i q u e t e rw e t l a n d s b e f o r et h et i d e w a t e ra n da f t e r 4 2 o 8 6 4 2 o j每h隹暑眦删鼎 第4 章蔗草湿地及水稻田c 地排放 4 1 1 4 生长季与非生长季藤草湿地c h 。排放通量季节动态对比蔗草生长期从3 月下 旬至u 1 1 , , 9 下旬 ，在本实验区内蔗草旺盛生长期为5 月至1 0 月。本研究选取3 月到1 0 月 作为蔗草生长季，1 月、1 1 月、1 2 月为蔗草非生长季。将每个观测日涨潮前和落潮后 c h 4 排放通量取平均值进行生长季与非生长季c h 4 排放通量的对比( 图4 - 4 ) ，结果表明生 长季蔗草湿地c h 。排放通量显著高于非生长季，显示出植物在c h 4 排放中的重要作用。 3 月5 月6 月7 h8 月9 月1 0 月1 月1 1 月1 2 ) 1 图4 - 4 生长季与非生长季蔗草湿地c e a b 放通量季节动态对比 f i g 4 - 4c o m p a r i s o no fm e t h a ne m i s s i o nf r o ms c i r p u sm a r i q u e t e rw e t l a n d si nt h es e a s o n t h a tp l a n tc a ng r o w t ha n dt h es e a s o nt h a tp l a n tw a sd e a d 4 1 2 藤草湿地c h 。排放通量日动态 湿地c & a b 放通量的日变化研究是正确估算大时间尺度下c h 4 排放量的基础，因而 对于湿地c h 4 排放通量的研究，首先必须了解其日动态模式。 4 1 2 1 生长季蔗草湿地c h 。排放通量日动态在2 0 0 7 年7 月1 2 日，从1 0 点开始， 每间隔4 个小时对蔗草湿地c h 4 排放通量进行测定。生长季蔗草湿地c h 。排放通量日动 态如图4 - 5 所示。 从图4 - 5 中可以看出从1 0 点到1 4 点，排放通量显著升高；1 4 点到1 8 点，通量 降低；1 8 点到2 2 点，通量继续降低；2 2 点到2 点通量升高；2 点到6 点通量降低。 总体来看夜间的排放通量低于白天，这是由于夜间的温度较低所致。全天排放峰值出 现在1 4 点，此时正好对应较高的土温和气温。白天和晚上的排放最低值分别出现在 1 0 点和2 2 点，分别为5 2 1m g m - 2 h - 1 、2 4 3m g m - 2 h - 1 。 2 o 8 6 4 2 o h眦m，嘲赠 福建师范大学雷波硕士学位论文 _ ! ； 冒 l一i 一 _ 4 1 2 2 非生长季藤草湿地c h 4 排放通量日动态在2 0 0 7 年1 2 月1 6 日对蔗草湿地c h 4 排放通量日动态进行了观测。为避免潮水淹及植物体，对c h 4 排放通量日动态产生干 扰，此次测定避开潮水，从8 点半开始，每间隔四个小时测定一次。蔗草湿地非生长 季c h 4 排放通量日动态如图4 6 所示。 从图4 - 6 中可以看出白天和夜晚的排放峰值分别出现在白天和夜晚1 2 点半，分别 为1 3 0m g m - 2 h1 、0 5 6m g m - 2 h 一。 下 于 甲 乒 管 鲫 圈 o 2 o 图4 6 蔗草湿地非生长季( 冬季) c 地排放通量日动态 f i g 4 - 6c h 4f l u x e s ( d i u r n a ld y n a m i c ) f r o ms c i r p u sm a r i q u e t e rw e t l a n d si nw i n t e r 4 1 2 3 生长季与非生长季藤草湿地c h 4 排放通量日动态对比生长季与非生长季蔗 草湿地c h 4 排放通量日动态对比如图4 - 7 所示。 由图4 7 可见生长季c h 4 排放通量显著高于非生长季，其排放通量平均值分别为 | | | _ 1 ，l | | | | | | | | | | | | | ? | | | |- 4 2 l 8 6 4 l l o o o 第4 章蔗草湿地及水稻田c h 。排放 5 9 2m g m - 2 h 一、0 6 3m g m - 2 h - 1 ，显示出植物在c h 4 排放中的重要作用。 1 4 1 2 1 0 甲烷通量m g - 2 h l 8 6 4 2 0 23456 次数 图4 7 生长季( 夏) 与非生长季( 冬) 蔗草湿地c h 一排放通量日动态对比 f i g 4 - 7c o m p a r i s o no fm e t h a ne m i s s i o n ( d i u r n a lc h a n g e s ) f r o ms c i r p u sm a r i q u e t e rw e t l a n d s i ns u m m e ra n dw i n t e r 4 2 水稻田c h 。排放通量动态 4 2 1 水稻田c h 。排放通量季节动态 由于在冬季水稻观测次数较少，所以取夏季水稻各观测日的c h 。排放通量值作为 其季节动态值( 图4 - 8 ) 。 由图4 - 8 可见，水稻田c h 4 排放通量具有明显的季节变化，最大值出现在7 月2 5 日，达到3 1 8 9m g m - 2 h 一，最小值出现在8 月1 日，为一0 1 6m g m - 2 h ，整个生长阶 段排放通量平均值为1 4 8 8m g m 2 h 1 ，高于杜尧东等在广东赤红壤早稻田的测定值 汹j 铂，而低于广州地区晚稻田c h 4 排放的报道汹t 伽 福建师范大学雷波硕士学位论文 图4 - 8 水稻田c 地排放通量季节动态 f i g 4 - 8c h 4f l u x e s ( s e a s o n a lc h a n g e s ) f r o mp a d d yf i e l d s 水稻田( 夏季) c h 。排放通量与地下5 c m 处土温显著相关( 相关系数胆o 7 6 2 ， 尺0 0 5 ) ，但与气温、e h 等无明显相关性。其原因很可能是水稻田c h 4 排放通量与水 稻生长阶段关系更为密切。 稻田c h 4 排放率在水稻生长过程中的变化，首先在西班牙被观察到h 们，以后更多的 研究发现稻田c h 。排放有几种季节变化形式，这些变化形式是受稻田土壤c h 。的产生和 传输效率所控制的。本实验所观测到的c h 4 排放通量季节动态与杭州早稻及广东赤红壤 早稻田的结果比较一致汹4 。在水稻生长期间出现3 个排放高峰期，分别出现在5 月3 0 日、6 月2 7 日、7 月2 5 日。三个高峰值出现的可能原因是：第一个高峰正值水稻分蘖末 期，植株经过分蘖渐渐达到成熟，有利于c h 。气体传输；第二个高峰期处于水稻孕穗期， 此时水稻根系发育成熟，排气孔发达，有利于c h 。排出，另外也与此时较利于创造还原环 境产生c h 。及便于c h 4 排放的中低水位( 2 c m 左右) 有关：第3 峰值出现在水稻收获前的成 熟期，主要是由于水稻根系开始死亡，为产c h 。菌提供了丰富的有机质所致汹) 。 4 2 2 水稻田c h 。排放通量日动态 水稻田c h 4 排放通量日动态测定于2 0 0 7 年7 月1 2 日l o 点进行，每四个小时测定 一次。其动态变化如图4 - 9 所示。从1 0 点到1 4 点，排放通量增加，之后从1 4 点一 直到凌晨6 点，其排放通量呈逐渐下降趋势。全天排放通量的最大值和最小值分别出 现在1 4 点和凌晨6 点，其通量值分别为4 1 2m g m - 2 h - 1 、1 6 7m g - m - 2 h 。在这两个 时刻也分别对应着最高和最低的土温、气温。 弘 历 坫 加 0 o 巧 l_fr眦暑i唧阁 第4 章藤草湿地及水稻田c h 4 排放 1 0 ：0 01 4 ：0 01 8 ：0 02 2 ：0 02 ：0 0时间6 ：0 0 图4 - 9 水稻田c h 4 排放通量日动态 f i g 4 - 9c h 4f l u x e s ( d i u r n a lc h a n g e s ) f r o mp a d d yf i e l d s 4 3 藤草湿地及水稻田c h 。排放通量对比 4 3 1 蔗草湿地及水稻田c h 。排放通量季节动态对比 蔗草湿地涨潮前c h 。排放通量平均值为4 2 2m g m - l h ，落潮后为5 8 2m g m - 2 h ， 水稻田( 夏季) 平均排放通量为1 4 8 8m g m - 2 h - 1 ，显著高于蔗草湿地c h 4 排放通量， 可见闽江河口区湿地围垦造田导致c h 4 排放通量显著增加。 4 3 2 蔗草湿地及水稻田c h 。排放通量日动态对比 2 0 0 7 年7 月1 2 日水稻田c h 。排放通量日动态和蔗草湿地c h 4 排放通量日动态观测 同时进行，而在1 2 月1 6 日只对蔗草湿地进行了日动态的观测，所以本研究只取1 2 月 1 6 日( 生长季) 蔗草湿地c h 4 排放通量日动态与水稻田进行对比( 图4 - 1 0 ) 。 由图4 1 0 可以看出生长季蔗草湿地c h 。排放通量日动态总体高于水稻田，这和蔗 草湿地、水稻田排放通量季节动态不一致( 水稻田c h 。排放通量季节动态平均值高于蔗 草湿地) ，体现了影响c h 。排放因素的复杂性。 5 4 5 3 5 2 5 l 5 o 4 3 2 l 0 _1qn售白j词用 福建师范大学雷波硕士学位论文 1 4 1 2 1 0 8 通量m g m - 2 h - 1 6 4 2 0 1 0 ：0 0 1 4 ：0 01 8 ：0 02 2 ：0 02 ：0 06 ：0 0 图4 一l o 蔗草( 生长季) 湿地及水稻田c h a 排放通量日动态对比 7 i g 4 1 0c o m p a r i s o no fm e t h a ne m i s s i o n ( d i u r n a ld y n a m i c ) f o r ms c i r p u sm a r i q u e t e r w e tl a n d s ( s u m m e r ) a n dp a d d yf i e l d s 2 6 第5 章闽江河口湿地c h 。排放通量影响因素分析 第5 章闽江河口湿地c h 4 排放通量影响因素分析 5 1 温度 c h 。是在极端还原条件下，产c h 。微生物活动的产物。产c h 。微生物的活动还需要适 宜的温度。对于大多数产c h 。微生物而言，这一最适宜温度是3 5 3 7 。c h 剀。土温影响 土壤有机质分解，也影响产c h 。菌的活性和数量乜3 ；气温变化将改变植物生理功能且间 接影响土壤温度，进而影响到产c h 。微生物的活性，最终对c h 4 的产生、氧化、传输和 释放过程造成一定影响。国内外很多研究表明，在有机质供给充分，土壤和水体的酸 度适当的条件下，温度对c h 。产生的影响遵循阿伦尼乌斯( a r r h e n i u s ) 方程心”，即： l n p = - ( e a r ) ( 1 t ) +