赵 颖，王 飞

（1山西省生态环境监测和应急保障中心，太原 030027；2山西省生态环境科学研究院，太原 030027；3山西大学体科所，太原 030006）

0 引言

碳是全球气候变化的重要影响因素之一，大气圈中主要以二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的形式存在。在全球气候变化过程中，湿地对CH4和CO2等气体产生起着重要的作用[1]。湿地生态系统碳循环与生物循环密不可分，初级生产者进行的有机物质的生产，形成生物量的积累，然后通过食物链，经微生物分解以CO2形态还原到大气中，或其他有机质的形态保留于土壤中[2-3]。湿地系统的碳循环与碳在湿地系统中迁移转化和循环的过程关系密切。目前，中国共有1.0 km2以上的自然湖泊约2700个，总面积81414.6 km2[4]，湿地面积约0.536亿hm2，约占世界湿地面积的10%，居亚洲第一位，世界第四位，是潜在的重要的碳排放源。因此，研究碳在湿地中的迁移转化过程对于研究碳库循环具有重大意义[5-6]。而中国对湖泊、湿地CH4和CO2排放的研究多集中在崇明东滩湿地，东北湿地[7-8]，泥炭沼泽湿地[9]，三江平原[10]，城市湿地[11]等地区。白洋淀湖泊湿地作为华北平原最大的自然湿地系统，其对气候的调节有着重要的作用，2017年4月1日，中共中央、国务院印发通知决定设立河北雄安新区，白洋淀是雄安新区的重要组成部分，在雄安新区建设过程中具有“以淀兴城、城淀共荣”的重要生态功能[12]。本研究通过对白洋淀湿地CH4和CO2排放通量进行观测，分析湖泊湿地CH4和CO2排放的规律及其影响因素，可为准确评估区域CH4和CO2排放量的估算提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

白洋淀地处华北平原中部，38°43′—39°02′N、115°38′—116°07′E之间，总面积为 366 km2，是华北平原最大的淡水湖泊型湿地，对维持华北平原生态平衡具有重要意义[13]。该区地处暖温带大陆性季风气候区，年平均气温为12.1℃。最热月为7月，月平均气温32.4℃；最冷月为1月，月平均气温-4.7℃。年平均降水量为524.9 mm，最大降水量为865.5 mm，最小降水量为263.3 mm。年降水主要集中在7、8两个月，占30%以上。年平均蒸发量为1369 mm，蒸发量远大于降水量。白洋淀内分布有台田、水道以及水陆交错带，其中，台地植被主要以芦苇为主，水陆交错带发育相对良好，主要有芦苇植被、苇地间沟壕和开阔淀水等[14]。

1.2 采样点设置

依据白洋淀湿地的生境特点，并兼顾采样的可行性和代表性，将样地定于白洋淀东部的王家寨（图1），该采样点芦苇发育良好，生长旺盛，面积适中，且基本无人为破坏。将试验区分为4个采样区域，分别为台地芦苇区(TR)、陆地区(T)、水陆交错带芦苇区(ER)、湖面区(W)。完全位于湖泊水体高水位之上的芦苇生长区是台地芦苇区，无芦苇生长的区域则为陆地区；在陆地区和湖面区之间水位变幅较大且以芦苇为主的区域是水陆交错带芦苇区，完全淹水且无大型水生植物生长的区域为湖面区。确定采样区域后，于2018年5—10月，定期对采样点处的气体CH4和CO2、土壤等样品进行采集。

图1 采样点示意图

1.3 样品的采集与测定

1.3.1 气体的采集与测定 CH4和CO2气体采用密闭式静态箱法测定。根据不同采样区域的情况，采用不同规格的气体采集箱(0.5 m×0.5m×2.4m,0.5 m×0.5 m×0.5 m)，采样箱的侧板和顶板由PVC强化板材料制成，可以直接扣在事先预置的基座上，与基座无缝吻合。顶箱上部安装小风扇用于混合箱内气体，侧面置有聚四氟乙烯管连通的气体采样孔和箱内温度探头接线口。在湖面区使用的是静态浮箱(0.5 m×0.5 m×0.5 m)，将箱子固定在泡沫塑料板上，起到浮圈的作用。

2018年5—10月每月中旬各采样1次，采样时间定在10:00—14:00之间，并且在7月和9月分别进行1次间隔为3 h的CH4和CO2通量日变化观测。用注射器抽取箱内气体，注入500 mL采样袋中，每隔10 min采1个样品，共采集4次，完成1个时间点气体的采集，带回实验室分析。

使用日本岛津公司气相色谱仪(GC-2010plus)分析CH4浓度。采用HP-PLOT/Q：30 m×0.53 mm×40µm的色谱柱进行样品分离，FID检测器检测。载气为纯度≥99.999%的氮气。分析条件为：进样口温度：150℃；柱温：150℃，保持3 min；检测器温度：200℃；载气：氮气，柱流量为10 mL/min；燃烧气：氢气，流量40 mL/min；助燃气：空气，流量400 mL/min；尾吹气：氮气，流量为10 mL/min；分流比：5:1；进样量：0.25 mL[15]。

使用日本岛津公司气相色谱仪(GC-2010plus)分析CO2浓度。采用GDX-102色谱柱进行样品分析，TCD检测器检测。载气为纯度≥99.999%的氮气。分析条件为：柱温箱温度80℃，TCD温度80℃[16]。气体通量计算见公式(1)。

式中，F为被测气体通量，mg/(m2·h)；ρ为标准状态下被测气体的密度，g/L；V为采样箱内的空气体积，cm3；A为采样箱的覆盖面积，cm2；dc/dt为采样箱内被测气体的浓度变化率；T为采样时箱内的平均气温，℃。

1.3.2 土壤/沉积物样品的采集与测定 采集气体的同时，在同样点采集土壤/沉积物样品，采集后自然风干，磨碎并过100目筛后备用。pH采用电位计法测定，含水率采用烘干法测定，有机质含量采用重铬酸钾—外加热法测定，总氮采用凯氏定氮法测定；总磷采用碱融-钼锑抗分光光度法测定[17]。

所有检测数据均为所设置3个样品重复的平均值，数据处理分别采用Excel 2010作图，用SPSS 20.0统计软件进行数据的相关统计。

2 结果与分析

2.1 白洋淀湿地CH4、CO2排放特征

2.1.1 白洋淀湿地CH4、CO2日排放通量动态特征 本研究于2018年7月和9月分别对采样区进行了CH4、CO2排放通量日变化的连续监测。结果表明，ER区（水陆交错带芦苇区）和TR区（台地芦苇区）的CH4日变化具有相似性。由2图可以看出，王家寨试验区7月CH4排放通量明显高于9月，其中7月ER区和TR区的平均排放通量约为9月相应区域排放通量的10倍。在植物的生长旺盛期（7月），CH4排放的昼夜变化比较大，ER、TR区夜间和白天的排放通量比为0.28和0.24。4个采样区域在14:30达到最大值，5:30达到最小值。在植物的衰落期（9月），2个样方的日变化趋势变小，ER区和TR区的夜间和白天的排放通量比分别变成0.24和0.18。四个区域在14:30—17:30达到最大值，23:30—次日5:30达到最小值。7月W区（湖面区）和T区（陆地区）CH4排放通量明显小于ER区和TR区，其中W区变化趋势与ER区和TR区一致。9月W区和T区CH4排放通量变化波动则较大。

图2 CH4排放通量的日变化趋势

CO2排放的日变化特征见图3。7月进行样品采集时，平均温度38℃，植物生长茂盛，封闭罩内植物呼吸作用强烈，测得CO2排放通量值较大，芦苇湿地成为大气的CO2排放源。ER区和TR区CO2排放通量呈现波动的变化趋势，CO2排放通量在5:30排放通量最小，温度较低为25.2℃，14:30排放通量最大，在14:30—17:30时段降低，此时芦苇的光合作用较强，对呼吸作用产生的CO2进行了吸收，17:30以后太阳光照强度减弱，芦苇光合作用开始下降，土壤和芦苇的呼吸作用成为主导，CO2排放通量逐渐增加。9月对芦苇湿地进行CO2排放通量测量时，平均气温20℃，气温较低，芦苇的生长进入成熟期，茎叶开始变黄，光合和呼吸作用能力减弱，CO2排放通量与7月相比也明显降低，ER区、TR区和T区表现出相似的变化规律，即在11:30和14:30有相对较高的CO2排放通量，原因是由于这两个时段温度较高，沉积物和土壤中微生物的活性也较高，其呼吸作用比较强造成的。湖面区则表现为吸收CO2，可能是水体阻碍了CO2的传输和释放[18]。

图3 CO2排放通量的日变化趋势图

2.1.2 白洋淀湿地CH4、CO2排放通量的季节变化特征

通过对白洋淀芦苇湿地CH4排放的连续监测可以发现，其排放通量具有明显的时空变化规律。ER区、TR区、W区、T区CH4排放通量表现出比较一致的变化趋势，其中7、8月CH4排放通量较大，这两个月的CH4排放通量约占到各区全年排放量的80%（图4）。由图4可以看出，CO2排放通量随季节不同而异。5—7月CO2排放通量逐渐升高，7月和8月排放通量较大，9月CO2排放通量开始降低，在10月部分区域稍有回升。

2.1.3 白洋淀湿地CH4、CO2排放通量的空间变化特征

如图4所示，CH4、CO2排放通量具有明显的空间变化特征，其中CH4排放通量表现为水陆交错带芦苇区（ER区）>台地芦苇区（TR区）；湖面区（W区）>陆地区（T区）。CO2的排放通量呈现出与CH4排放相反的结果，具体表现为台地芦苇区（TR区）>水陆交错带芦苇区（ER区）；陆地区（T区）>湖面区（W区）。

图4 CH4、CO2排放通量的月变化趋势

2.2 影响CH4、CO2排放通量的因素

2.2.1 气温 如图5所示，气温和芦苇群落的CH4排放量成指数相关关系，说明CH4的排放速率随着气温的升高而增加，这主要是和参与CH4产生的微生物数量和活性有关，但土壤中产甲烷菌的活动是温度限制过程。

图5 CH4排放通量与气温的相关性

由图6可以看出，在7月，白洋淀湖泊湿地CO2排放通量与温度具有一定的相关性，即随温度的升高，CO2排放通量呈指数增加。进入9月，芦苇从生长期转入到成熟期，各种生理活性下降，地下生物量也基本停止生长，土壤呼吸作用减弱；同时，芦苇大部分枯黄、光合作用基本消失。此时CO2排放通量与气温的相关性比7月份弱。

图6 CO2排放通量与气温的相关性

2.2.2 土壤营养盐 氮磷作为土壤生物地球化学循环过程中2类重要的营养元素，其含量一直是影响土壤的理化性质及碳贮存的重要指标[19]。结果显示，CO2和CH4排放通量与土壤TP含量负相关，与TN含量正相关，其中CO2和CH4排放通量与土壤TN含量之间的相关系数分别为0.9和0.867，其相关性均达到显著水平(P<0.05)。

2.2.3 植物 将相同生境下有芦苇生长和没有芦苇生长区域的CH4排放通量比较，结果显示，5—8月CH4排放量水陆交错带有芦苇生长的ER区是没有芦苇生长的湖面W区的1.3～7.9倍；台地有芦苇生长的TR区是没有芦苇生长的陆地T区的75.7～145.9倍（图4）。将相同生境下有芦苇生长和没有芦苇生长区域的CO2排放通量比较，5—8月ER区CO2排放量是W区的3.21～8.9倍；TR区CO2排放量是T区的2.09～3.14倍。

3 讨论

3.1 气温对CH4和CO2排放的影响

气温是影响CH4和CO2排放整个过程的主要因子。对于CH4排放通量来说，气温的变化将改变植物的生理功能以及土壤的温度，进而影响到CH4产生微生物的活性，最终对CH4的产生氧化、传输和释放过程均造成一定的影响[20-21]。在自然界中，大多数产甲烷菌为嗜温性微生物，CH4产生的最低温度为15℃、最适合温度为35℃和最高温度为40℃以上，参与CH4代谢的微生物区系较难适应低温条件，当温度在0～10℃左右，几乎没有CH4形成[22]。牛翠云等[18]研究指出，随着季节变化，气温也随之改变，气温的变化会影响土壤温度的变化，而土壤温度会对微生物的代谢活动产生直接影响，从而影响CH4、CO2的排放。本研究中，白洋淀湖泊湿地在7月下旬的平均温度为38℃，而9月的平均温度只有22℃，这可能是导致7月和9月CH4排放通量差异显著的主要原因。此外，这种明显的季节性变化还可能湿地CH4的形成机制有关。一类细菌分解复杂有机物而产生可为产甲烷菌利用的简单有机物或H2/CO2，这些物质被产甲烷菌利用形成CH4。因此，微生物是CH4产生多少的直接影响因素。白洋淀在7、8月是一年中温度和湿度都比较高的时期，在这个阶段大多数微生物大量生长繁殖，其各种生理活动也达到最大，因此，该时期白洋淀湿地CH4排放通量最大。对于CO2排放通量来说，温度直接影响生物的呼吸作用和光合作用。一方面呼吸作用的主要参与者是生活在土壤中的大量微生物，微生物的生长与温度呈正相关关系，有研究指出，含碳养分腐解的最大速度在30～35℃之间，也有在37℃和40℃进行的。接近最适点的温度大约为30～40℃之间，这范围内温度的变动对分解作用影响很小，在低于最适点范围（一般为5～30℃），随温度的升高，微生物活性增强加速了有机物的分解；另一方面植物在夏季也达到了光合作用最旺盛的时期，对呼吸作用产生的CO2有吸收作用[23-24]。因此，导致CO2排放通量与温度呈指数关系增长。该结果与舒晓晓等[25]的研究结果一致。

3.2 土壤水分对CH4和CO2排放的影响

土壤水分是土壤的重要组成部分，是影响湿地CH4和CO2排放的重要控制因子[26]。土壤中不断进行着各种物质和能量的转换过程都必须在水分的参与下进行。当土壤含水量极低时，水的可利用性会限制微生物过程，而当含量过高时，透气性则成为主要的调节因子。CH4是甲烷氧化菌生长代谢的唯一能源及主要碳源，其产生要求有严格的厌氧环境，在陆地区，由于没有水体的覆盖，土壤含水率较低，其生长环境主要为好氧层，CH4的产生和排放受到一定的抑制。有研究发现，当阿拉斯加沼泽水位低于沼泽地表5 cm或更多时，CH4排放通量可降低12倍[27]。同样，湖面区由于长期淹水，土壤含水率较高，其环境条件相对单一，沉积物处于厌氧环境中，有利于CH4的产生[28-29]。对CO2排放来说，台地区由于无积水，土壤通透性好，土壤中的植物残体、根系及有机物质易于分解，CO2排放通量较大。水陆交错区和湖面区水位常年积水，水位的存在阻碍了土壤呼吸产生CO2的排放。Freeman等[30]研究发现，水位对于泥炭地CO2通量有显著影响，在同一区域内，CO2通量可从水位较高时的646 mg/(m2·d)增加到水位降低时的1590 mg/(m2·d)，可见CO2通量与水位存在负相关关系。此外，溶解性有机碳是湿地土壤中微生物活动的主要来源，土壤水分变化可能会使土壤溶液中溶解的有机碳总量发生变化，当土壤水分含量过低，土壤溶液中可溶性有机碳的扩散受到抑制，细菌等微生物因此处于可溶性有机碳供应不足的状态，从而导致湿地土壤CO2排放受到影响[31]。

3.3 土壤营养盐对CH4和CO2排放的影响

CO2和CH4排放通量与土壤TN含量显著正相关(P<0.05)，可能是外源氮输入增加了土壤中氮素的有效性，提高了植被的生产力和产甲烷菌所需有机底物的有效性，使得产甲烷微生物具有更多可利用的底物，促进CH4的产生[32-33]。底物是CH4产生的主要控制因子之一，其主要来源为土壤有机质和当季植物的分泌物及残留物，可以调节CH4产生物质能量来源的数量与有效性[34]。然而，Kim等[35]分析了荷兰某湿地沉积物营养盐变化对CH4排放的影响，结果表明，沉积物氮磷营养盐含量的增加抑制了CH4的产生。这可能与沉积物底物数量和质量的差异有关，从而导致底物中易分解有机物质的缺乏限制了CH4的形成。

3.4 植物对CH4和CO2排放的影响

植物的生长状况对CH4和CO2的排放起着关键性作用。CH4最终得以排放到大气环境中与植物体对CH4的产生、氧化、传输等过程显著的作用是密不可分的，植物体根系释放分泌物的能力、泌氧而氧化CH4的能力和传输CH4的能力综合影响CH4的排放[36]，同时CH4由土壤向大气的传输主要依靠植物体通气组织、液相扩散和气泡，所以一般情况下随着植物生物量的增加，CH4的产生量与排放量也随之增加[37]。Hirota等[38]研究发现，湿地植株密度增大会增加CH4传输出的量，与本研究结果相似。芦苇促进CO2排放主要体现在：芦苇本身的呼吸作用在生态系统总呼吸中占有重要的份额[39]，另外通气条件下植物通过根系分泌物为土壤微生物提供底物，刺激土壤微生物活性，促进微生物呼吸；最后，把氧气输送到植物根系，形成好氧环境，提高土壤有机碳分解速率[40]。Grogan和Jonasson[41]研究了亚北极区两种植被类型下土壤CO2排放通量的年内变化，结果表明，与植物相关的碳库以及土壤有机碳库对CO2排放通量均有重要贡献。

3.5 CH4和CO2排放通量的相互关系

多数情况下，CH4和CO2的排放存在显著相关的关系(P<0.05)，见表1。产生这种相关性的原因可能主要与环境条件相关，因为湿地温室气体的产生和排放都受环境条件的直接影响，如温度、水分、生物生长等。温度条件是影响湿地碳排放通量季节变化的主要因素。CH4和CO2的排放均受土壤水分状况的驱动，且土壤中微生物需要从有机质分解中获得能量和基质。此外，芦苇的生长也为碳排放创造了条件，生长季芦苇凋落物分解、根系分泌物及根际共生体的作用促进了CH4和CO2的排放[42]。然而，陆地区（T区）CO2排放与其他区域CH4排放无显著相关性，这是由于陆地区的环境基本与湖面区（W区）相反，W区由于长期淹水，且无大型水生植物生长，其环境条件相对单一，沉积物处于厌氧环境中；另外，ER区（水陆交错带芦苇区）和TR区（台地芦苇区）有芦苇生长时，土壤在10 cm以上基本处于相对氧化环境，抑制了CH4的排放，但不影响CO2的排放，因此相关性不显著。

表1 CH4和CO2排放通量的Pearson相关分析

4 结论

白洋淀湿地的CH4和CO2排放通量具有明显的时空变化规律。CH4、CO2日排放通量在14:30左右达到最大值，在23:30—5:30左右相对较低。月排放通量显示，7、8月CH4、CO2排放通量较大，9、10月相对较低。CH4排放通量表现为水陆交错带芦苇区>台地芦苇区>湖面区>陆地区。CO2的排放通量表现为台地芦苇区>水陆交错带芦苇区>陆地区湖面区。CH4和CO2排放通量均与温度和土壤TN含量显著正相关(P<0.05)。此外，多数情况下CH4和CO2的排放存在显著正相关的关系(P<0.05)。本研究所得结果对于白洋淀湿地碳贮存库的保护和减少温室气体排放具有重要意义。