不同类型河滨湿地甲烷和二氧化碳排放的研究

【摘要】：湿地生态系统在全球碳循环中起着重要作用。有研究表明,湿地在低氧环境中促进碳累积的同时产出温室气体——甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2),湿地的碳源和碳汇功能近来成为全球气候变化研究关注的重点问题。对于保护和修复湿地等生态工程措施与湿地温室气体排放量之间的关系还不明确,本文以河滨地区不同类型的自然、半人工和人工河滨湿地为研究对象,尝试在不同的水文模式和植被生长状况下,研究不同湿地类型的CH4和CO2的时空排放规律及对比,探讨影响CH4和CO2排放量的主要因子及其可能的调控途径,并以此提出了针对湿地碳排放的河滨恢复湿地建造与管理建议和措施。 研究内容及结果如下： 研究开展于美国俄亥俄州哥伦布市Olentangy河河滨冲击平原上的Wilma H. Schiermerier Olentangy河湿地研究中心(ORWRP),研究湿地类型包括：人工种植植被的肾形淡水草泽(湿地1)、自然生长植被的肾形淡水草泽(湿地2)、河流分岔半人工牛轭湖(牛轭湖)和自然河道旁低洼湿地(河道边湿地)。于2008年11月至2009年10月,运用静态箱-气相色谱法对四种类型河滨湿地进行CH4和CO2时空动态变化的排放的测定。其中：间歇性淹没地区中气体的采集使用静态集气箱,在长久淹没区域中使用浮力箱。在实验湿地和半人工牛轭湖的采样点沿着入口至出口呈纵向分布,从干湿交错区至淹没深水区呈横向分布。 在ORWRP中4种不同类型河滨湿地的甲烷排放量具有显著的时空异质性,甲烷排放速率(中值)的范围为：自然湿地(0.33-85.7 mg-CH4-C m-2 hr-1)人工湿地(0.02-20.5 mg CH4-C m-2 hr-1)半人工湿地(-0.04-0.09 mg CH4-C m-2hr-1)。湿地1、湿地2、半人工湿地和自然河道旁湿地土壤的CO2排放通量的中值(平均值)分别为9.8(19.2)、13.5(20.6)、24.7(36.0)和33.7 (40.3) mgCO2-Cm-2h-1。在湿地1、湿地2和河道边湿地中的甲烷排放量与土壤温度显著性相关,相关系数分别为R2=0.88、R2=0.86和R2=0.85；湿地1、湿地2和牛轭湖湿地CO2通量与土壤温度相关性显著,相关系数分别为0.63、0.54和0.67,土壤温度与CH4和CO2的季节排放模式相关。在不同类型湿地中,土壤含水率与甲烷排放量具有一定的相关性(R2=0.39)；与二氧化碳排放通量具有显著负相关性(R2=0.72)。不同类型湿地采样点中土壤碳含量与其相应的CH4和CO2排放量之间关联度都较高(R2=0.82,R2=0.69)。在同一区域淡水河滨湿地中,自然湿地的CH4和CO2排放通量均大于恢复湿地,并且不同类型湿地CH4和CO2排放的空间异质性是由于洪水冲击频率、土壤状况、地下水位及净初级生产力等因素决定的。 补偿河流分岔半人工牛轭湖湿地中CH4排放通量非常低,全年的平均值仅为0.09 mg CH4-Cm-2 hr-1,这与牛轭湖湿地显著的干湿季节,较低的土壤碳含量及其大型植被的缺乏有关。牛轭湖湿地深水区和交错区域中的甲烷排放量分别为0.03(0.06)和0.03 (0.12) mg m-2 hr-1,无显著性差异(P=0.593)；深水区的土壤呼吸通量中值(平均值)(15.5 (20.9) mg CO2-C m-2 h-1)明显小于交错区(38.7(63.0) mg CO2-C m-2 h-1) (p0.005)。在两个实验湿地中,淹没深水区比干湿交错区有更高的甲烷排放量(P=0.000)。对于二氧化碳排放通量而言,深水区、交错区以及高地的土壤二氧化碳排放量的中值(平均值)分别为-2.2(-10.5)、41.8(53.7)和75.2(93.1) mg CO2-C m-2 h-1 (P=0.000)。并且对人工湿地中甲烷排放速率和二氧化碳排放速率显著性相关(R2=0.52,p0.05)。建造生态系统适合的水文条件,在湿地的重建和修复项目中也是关键因子之一。通过设计具有既长又浅型状和湿-干-湿交替水文条件的人工湿地,不仅可应用于其它的河流冲积平原的修复,也可在不同的气候和水文条件下检验其生态服务功能。 湿地1和湿地2有相似的环境因子,自然生长植被的人工湿地CH4排放通量仍明显大于人工种植植被湿地的排放通量,其年排放量分别为68 g CH4-C m-2y-1和114 g CH4-C m-2 y-1 (p=0.047),这是由于湿地2的累积净初级生产力较湿地1高,和湿地1相对于湿地2有着较高的植被生物多样性。通过2004年至今的监测可得出,实验湿地中的甲烷排放量在过去的5年中持续增长,这是由于湿地中植被的残留物增多,湿地土壤中更多的碳含量。因此发现植被的净初级生产力对湿地甲烷排放影响较大,在恢复湿地中,可以通过种植不同种类植物,增加物种多样性,这样的设计和管理措施可以有效地减少CH4和CO2排放。 【关键词】：甲烷排放量 温度 水文 净初级生产力 气候变化 河滨恢复湿地 生态服务 湿地生态设计
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：Q14
【目录】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-15
• 第一章 前言15-38
• 1.1 湿地甲烷和二氧化碳排放的研究进展16-32
• 1.1.1 基本理论:湿地与碳循环16-21
• 1.1.2 湿地中甲烷排放21-23
• 1.1.3 湿地中甲烷排放的主要影响因素23-28
• 1.1.4 湿地中二氧化碳排放28
• 1.1.5 湿地中二氧化碳排放及其主要影响因子28-32
• 1.2 河滨新建和恢复湿地的甲烷排放32-38
• 1.2.1 河滨湿地的恢复33-36
• 1.2.2 河滨湿地恢复中的甲烷和二氧化碳排放研究36-38
• 第二章 研究区域、研究方法和技术路线38-47
• 2.1 研究区域38-42
• 2.2 研究目的及意义42-43
• 2.3 技术路线及研究内容43-47
• 2.3.1 技术路线43
• 2.3.2 研究内容43-47
• 第三章 自然河滨湿地中甲烷和二氧化碳的排放47-63
• 3.1 前言47-48
• 3.2 研究方法48-53
• 3.2.1 样点设计48-49
• 3.2.2 水文条件49
• 3.2.3 气体采集方法49-52
• 3.2.4 环境因子测定52
• 3.2.5 数据分析52-53
• 3.3 结果53-55
• 3.3.1 河道边CH_4和CO_2排放量的季节性变化53-54
• 3.3.2 土壤化学性质对CH_4和CO_2排放通量的影响54-55
• 3.4 讨论55-61
• 3.4.1 河道边CH_4和CO_2排放通量与水位的关系55-58
• 3.4.2 河滨湿地土壤碳含量对CH_4和CO_2排放量的影响58-61
• 3.5 小结61-63
• 第四章 半人工河滨湿地中甲烷和二氧化碳的排放63-79
• 4.1 前言63-64
• 4.2 研究方法64-68
• 4.2.1 样点设计64-65
• 4.2.2 植被分布65-66
• 4.2.3 水文条件66-67
• 4.2.4 气样采集及分析67
• 4.2.5 环境因子的测定67-68
• 4.2.6 数据统计68
• 4.3 结果68-73
• 4.3.1 半人工牛轭湖湿地CH_4和CO_2排放通量的季节变化68-70
• 4.3.2 半人工湿地CH_4和CO_2排放通量的空间变化70-73
• 4.4 讨论73-77
• 4.4.1 半人工湿地CH_4和CO_2排放通量的季节变化73-75
• 4.4.2 季节性水文条件对半人工湿地CH_4和CO_2排放通量的影响75-77
• 4.5 小结77-79
• 第五章 人工湿地甲烷和二氧化碳的排放情况79-101
• 5.1 前言79-80
• 5.2 材料与方法80-83
• 5.2.1 样点设计80-82
• 5.2.2 气样采集及分析82
• 5.2.3 环境因子测定82-83
• 5.2.4 水文条件测定83
• 5.2.5 湿地大型植被生产力83
• 5.2.6 数据分析83
• 5.3 结果83-90
• 5.3.1 甲烷和二氧化碳排放的时空变化规律83-88
• 5.3.2 湿地1和湿地2中CH_4和CO_2排放的主要影响因子88-90
• 5.4 讨论90-99
• 5.4.1 淡水河滨人工湿地CH_4排放通量90-95
• 5.4.2 淡水河滨人工湿地CO_2排放通量95-98
• 5.4.3 人工湿地中CO_2与CH_4排放通量之间的关系98-99
• 5.5 小结99-101
• 第六章 不同类型湿地甲烷和二氧化碳排放量及其相应环境因子研究101-123
• 6.1 前言101-102
• 6.2 材料与方法102-105
• 6.2.1 样点设计103-105
• 6.2.2 气样采集技术105
• 6.2.3 环境因子测定105
• 6.2.4 数据分析105
• 6.3 结果105-115
• 6.3.1 生长季节及非生长季节的甲烷和二氧化碳排放通量105-109
• 6.3.2 不同类型湿地中甲烷和二氧化碳排放通量及其相应的环境因子109-115
• 6.4 讨论115-120
• 6.4.1 河滨湿地碳排放通量115-117
• 6.4.2 环境因子对甲烷排放量的影响117-119
• 6.4.3 环境因子对二氧化碳排放量的影响119-120
• 6.5 小结120-123
• 第七章 结论及展望123-128
• 7.1 研究总结123-126
• 7.2 研究展望126-128
• 参考文献128-149
• 附录1 攻博期间所作的其它研究149-188
• 附录2 参加的主要科研项目188-189
• 附录3 学术成果189-190
• 致谢190-191

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