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研究亮点 1、首次发现了潮汐作用下滨海盐沼生态系统的甲烷排放热点。 2、多时间尺度的分析发现，滨海盐沼的甲烷通量表现出多周期性，且不同时间尺度的影响因子也不同，而其中潮汐活动是甲烷通量的重要影响因子之一。 碳是一个非常奇特的元素，因为它的存在，让地球有了有机环境，有了生机勃勃的生命，有了我们的缤纷世界。最奇特之处，还在于碳也是我们地球上维持宜人环境的重要物质基础——温室气体。在地球所有的温室气体中，碳的氧化态和还原态都是重要的温室气体，也就是二氧化碳和甲烷。所以，只考虑二氧化碳而放弃甲烷，是不全面的，况且有些系统真的不能忽略。 比如，对于湿地生态系统来说，仅仅关注二氧化碳是不够的。因为湿地生态系统中丰富的有机碳和频繁的水淹环境，给甲烷的生成创造了极佳的条件，而且甲烷还具有更高的辐射强迫。这可如何是好呢？吸收了大气中的二氧化碳，却转化为甲烷，这岂不是得不偿失？但这个故事可能不是这么简单。那么，就来看看我们研究的系统——滨海盐沼湿地生态系统的碳。 滨海盐沼湿地具有很高的固碳速率和碳储量，是生产力最高的生态系统之一。所以从固碳的角度来看，的确是个极大的功臣。过去已有许多研究，就关注了滨海盐沼二氧化碳的产生和排放及其相关机理。可惜，对生态系统尺度其甲烷兄弟的监测和分析却远远不足，这显然不能让我们更全面了解滨海盐沼生态系统的碳循环对大气温室效应的影响。在这个系统，主要归因于以下许多困难。 滨海盐沼具有特殊的水文活动——潮汐，这很有可能影响甲烷排放的诸多方面。盐沼生态系统随着潮涨潮落发生水淹的变化，而潮汐活动又与我们熟知的温度和辐射等甲烷调控因子的变化周期有所不同，这大大增加了滨海盐沼生态系统甲烷通量的动态测量和机理探索的难度。首先，在监测方面，以前多用箱室法测量滨海盐沼的甲烷通量，但这有许多明显的先天不足。例如，时间上不连续，难以获得潮水淹没期间的甲烷测量，很容易疏漏一些时间上的热点排放（从我们的研究结果来看，这个问题真的是一个大问题，可继续阅读后面的结果）；空间上，滨海盐沼是一个异质性很强的地表覆盖，而箱室法测量的空间代表性太小了，也可能忽略了空间上的热点排放源；还有，如果植被长高了，对整株植物甲烷通量的测量也无法实施，组合气室却又不方便携带。其次，在数据分析方面，许多也只能是不得已而为之的。过去十多年，大多数的研究只分析了日变化和季节变化。  崇 明 通量塔探头 为了获得受潮汐影响下的滨海盐沼生态系统甲烷通量，我们用基于涡度协方差技术的测量方法。而为了探索潮汐作用及其他因子各自对滨海盐沼甲烷通量的影响，我们采用时间序列分析方法——小波分析洞悉连续时间-周期下的变化和因果关系。其中，我们用小波偏相干性分析分离了多个变量的混杂效应（disentangle confounding effects）。 研究发现，与二氧化碳通量变化模式不同的是，整个观测期间，该盐沼生态系统甲烷通量在日尺度的周期性较弱，没有呈现出一致的昼夜变化模式。而在多日尺度（例如5.3天）、半月至月尺度（如10.7至21.3天）和季节尺度（42.7至170.7天）上则存在一些周期性变化，这分别主要受气温、潮位和光合有效辐射（或生态系统总初级生产力）的控制，如下图。当然，不出所料，在半月至月尺度上，我们找到了甲烷通量与潮汐的相关性，而且主要在夏季表现出来。全年来看，日均气温分别解释了48%（2011年）和56%（2012年）的甲烷通量变化。这是一个比较令人满意的结果。  FCH4 和气温（a）、PAR（b）、潮位（c）、GEP（d）的小波相干性分析图。粗黑线包围的范围通过了α = 0.05显著性水平下红噪声的检验。细黑线为影响锥曲线，在该曲线以外的相干性由于受到边界效应的影响而不予考虑。颜色越红代表局部时频空间的决定系数越高（小波相干性R2与传统的决定系数的含义很接近）。“1”（红）代表两个信号高度相关，“0”（蓝色）代表不相关。 就潮汐作用对甲烷通量的影响方面，在半月尺度上，夏季甲烷通量随着潮位的升高而显著减小，也即甲烷通量从小潮（neap tide）到大潮（spring tide）逐渐减小。 更有意思的是，我们发现，在夏季大潮邻近几天的夜间高潮位之后（退潮），生态系统存在有规律的甲烷排放热点（hot moments）。与其他一些研究相比，那也是在同一研究地附近或类似沼泽的研究，他们从未报道过这种热点的排放现象。根据我们的分析，滨海盐沼因热点缺失，最高可低估日总甲烷排放量的30%。这显然是一个巨大的误差！  夏季半小时甲烷通量（紫色圆点）与潮位（灰色虚线）的关系图。浅绿色背景代表大潮时。深绿色菱形表示FCH4热点，大多数的热点排放发生在大潮前2~3天以及大潮后1~4天的夜间高潮位之后（开始退潮）的2~5小时内。 我们的主要研究工作说完了，还想说几句感想。滨海湿地的研究工作真的不轻松，仪器也时常经不起沿海恶劣环境的考验而罢工。但是，经过多年的努力，我们还是首次获得了将近两年的甲烷通量数据。尽管其中也不可避免地或多或少存在数据空缺，但这已经是相对来说最连续、最完整的了。数据经过质量控制处理后，我们估算崇明岛滨海盐沼是显著的甲烷源，排放量为17.6 ± 3.0 g CH4 m-2 yr-1。与已报道的湿地甲烷收支相比，该盐沼比大多数已报道的湿地生态系统的排放量要高。 在这个研究中，我们首次发现了潮汐作用下滨海盐沼生态系统的甲烷排放热点。通过对多时间尺度的分析发现，滨海盐沼的甲烷通量表现出多周期性，且不同时间尺度的影响因子也不同，而其中潮汐活动是甲烷通量的重要影响因子之一。 论文信息 Li Hong, Dai Sheng-Qi, Zutao Ou-Yang, Xie Xiao, Guo Hai-Qiang, Gu Cai-Hong, Xiao Xiang-Ming, Ge Zhen-Ming, Peng Chang-Hui, Zhao Bin*. (2018). Multi-scale temporal variation of methane flux and its controls in a subtropical tidal salt marsh in eastern China. Biogeochemistry, 137(1-2), 163-179. https:///10.1007/s10533-017-0413-y 点击获取论文原文哦~  |
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