湿地甲烷排放研究若干问题的探讨

甲烷是大气中最重要的温室气体之一,天然湿地是全球目前已知的最大排放源,每年向大气中排放的CH4约占全球CH4排放量的21％。本文就天然湿地甲烷排放研究的若干问题,包括研究方法、影响因素以及排放通量的时空变异性进行了探讨,最后对有关湿地甲烷排放模型进行了简单介绍,并对今后的研究方向提出了几点建议。     

气候变化与人类活动对青藏高原湿地的影响研究进展

青藏高原是中国湿地分布最多的区域,其独特的高寒湿地对区域生态环境安全有着不可或缺的作用。梳理了青藏高原湿地变化的时空特征,基于此,重点分析了气候变化与人类活动对不同类型湿地的影响和作用机制。研究发现：(1)主导不同类型湿地变化的气候因素有差异,影响存在区域异质性。湖泊湿地主要受降水量影响,湖泊湿地在北部扩张、南部缩小的趋势与降水量的空间差异存在较强的一致性;沼泽湿地主要受气温影响,气温升高导致水分蒸发、植被群落演替,沼泽湿地向草地转化,江河源区和若尔盖高原等主要分布区域呈现退化趋势;河流湿地主要受气温影响,气温升高加速河源冰川消融、同时也增大河流蒸散发量,共同作用下河流湿地呈现北部减少、南部增加的趋势。(2)过度放牧、泥炭开采、水利建设等是影响湿地变化的主要人类活动。若尔盖高原同时存在过度放牧、泥炭开采和沟渠建设多重人类活动影响,当地沼泽湿地退化明显;柴达木盆地的人工湿地由于盐业开采迅速扩张。(3)当前研究存在数据可对比性不足、大区域尺度和野外定点持续监测数据缺乏等问题,导致对气候变化与人类活动影响机制研究不够深入。未来应加强高寒湿地定期监测与风险评估,完善高寒湿地生态系统与环境变化和...     

盐分对湿地甲烷排放影响的研究进展

当前在全球气候变化和人类活动双重作用下,湿地正在或者将要面临着显著的盐分变化形势,尤其是内陆和滨海咸化湿地。湿地是大气甲烷的重要排放源。甲烷排放是甲烷产生、氧化和传输过程综合作用的结果。盐分变化将影响湿地水-土环境,降低植物群落初级生产力和有机物积累速率,改变微生物主导的有机物矿化速率和途径等,进而改变湿地生态系统的结构和功能,影响湿地甲烷产生、氧化、传输和排放系列过程。本文综述了盐分(浓度与组成)对湿地甲烷产生与排放的影响结果,从底物供给、微生物(产甲烷菌和甲烷氧化菌等)数量、活性与群落组成、酶活性、植物、电子受体、p H和氧化还原电位等几个关键方面分析了盐分影响湿地甲烷排放过程的内在机制。在此基础上提出了今后需重点关注的5个方面:1)加强盐分浓度与组成对湿地甲烷产生、氧化、传输与排放影响的系统性、框架性研究;2)深入探讨盐分背景、变化幅度与速率的耦合如何影响湿地甲烷系列过程;3)不同离子组成及其交互效应如何影响湿地甲烷动态过程;4)结合生物学、基因组学及同位素技术等,加强湿地产甲烷菌与甲烷氧化菌与盐分的关系及其响应研究;5)湿地甲烷对盐分变化响应的时空分异规律。     

未来气候变化情景下中国自然湿地CH4排放的时空变化

应用TRIPLEX GHG模型,模拟未来气候变化背景下2006—2100年中国自然湿地生态系统CH₄排放的时空变化.结果表明： 保持中国现有自然湿地分布不变,在3种相对浓度路径(RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5）情境下,21世纪末,中国自然湿地CH₄排放量与当前水平相比将分别增长32.0%、55.3%和90.8%.中国大陆南方自然湿地CH₄排放高于中部和北方,且自西向东呈现上升趋势.CH₄高通量排放区域主要集中在长江中下游湿地、东北湿地和珠江沿岸湿地.RCP4.5和RCP8.5情境下全国大部分自然湿地CH₄排放通量增加,而RCP2.6情境下21世纪中后期CH₄排放上升趋势得到控制并开始下降,到世纪末部分地区（尤其是青藏高原地区）CH₄排放通量与当前水平相比有所降低.     

互花米草入侵对滩涂湿地甲烷排放的影响

在浙江省台州市附近滩涂湿地设置3个不同互花米草入侵密度梯度,即仅有本土植物样地、互花米草与本土植物混生样地和互花米草单优群落样地,研究互花米草入侵对滩涂湿地CH₄排放的影响.结果表明: 3个样地CH₄排放通量为0.68～5.88 mg·m^-2·h^-1,CH₄排放通量随着互花米草入侵梯度的增加而显著升高,互花米草单优群落样地CH₄排放通量分别为本土植物样地和混生样地的8.7和2.3倍.互花米草入侵显著提高了产甲烷菌数量、产甲烷潜力、甲烷氧化菌数量、甲烷氧化潜力、植物生物量、土壤有机碳含量和土壤pH,降低了土壤全氮含量.CH₄排放通量与土壤全氮呈显著负相关,与产甲烷菌数量、产甲烷潜力、甲烷氧化菌数量、甲烷氧化潜力、植物生物量和土壤pH呈显著正相关.互花米草的入侵提高了滩涂湿地植物群落生物量和土壤pH,促进了产甲烷菌数量和产甲烷潜力,从而提高了滩涂湿地的CH₄排放.     

气候变化背景下青藏高原藏羚羊生境时空格局演变

气候变化可能导致物种分布范围变化甚至导致物种灭绝。为了解气候变化对青藏高原旗舰种和濒危种-藏羚羊（Pantholops hodgsonii）的潜在分布区影响,收集了316个藏羚羊实际点位分布数据和70个文献点位分布数据与温度季节性变化（Bio4）,海拔,最干月降雨（Bio14）等9个影响因子,采用最大熵模型（MaxEnt）进行建模,预测SSP126、SSP585极端压迫情景和SSP245中间压迫情景下的T1（2001-2018年）,T2（2021-2040年）,T3（2041-2060年）,T4（2061-2080年）,T5（2081-2100年）5个时期的潜在分布区。研究结果表明：（1）在不同气候变化情景下,藏羚羊核心生境主要分布在可可西里、羌塘、阿尔金国家级自然保护区和三江源国家公园;（2）温度季节性变化（Bio4）和海拔被认为是最关键的两个环境因子;（3）随着温室气体排放强度的增强,藏羚羊的核心区生境向高海拔和高纬度地区扩张;（4）有43.18%的保护空缺区在保护区外,未受到有效保护。总之,研究藏羚羊的地理分布对于气候变化的响应与适应,根据适宜生境演变规律做出有效的保护措施,对藏羚羊种群的长期监测、保护、有效管理甚至重建具有重要现实意义。     

多年冻土退化对湿地甲烷排放的影响研究进展

全球气候变暖导致北半球大部分多年冻土区的冻土已经开始退化。多年冻土退化对冻土区湿地CH₄排放产生重要影响,可能直接决定冻土区湿地对全球气候变暖的反馈方式。综述了近年来多年冻土退化对湿地CH₄排放影响的研究。多年冻土退化导致的土壤活动层深度增加和植被类型由中生向湿生的转变都可能会大大增加冻土区湿地CH₄排放量,从而可能对全球气候变暖产生正反馈作用。但多年冻土退化导致的水文条件变化、土壤温度变化和微生物组成及活性变化对湿地CH₄排放的影响却存在一定的不确定性。多年冻土退化除了影响湿地CH₄排放量之外,还可能通过改变土壤冻融过程而影响湿地CH₄排放的季节分配模式。最后提出目前研究中存在的问题,并对未来研究方向进行了展望。     

扎龙芦苇湿地生长季的甲烷排放通量

为研究高寒地区天然淡水芦苇湿地的甲烷排放特征,采用静态箱-气相色谱法,测定了扎龙不同水位芦苇湿地生长季的甲烷排放通量.结果表明:观测期内,扎龙芦苇湿地甲烷排放通量平均为7.67 mg·m^-2·h^-1（-21.18～46.15 mg·m^-2·h^-1）,其中深水区(平均水深100 cm)和浅水区(平均水深25 cm)的平均甲烷排放通量分别为5.81和9.52 mg·m^-2·h^-1,排放峰值分别出现在8月和7月,最低值均出现在10月.深水区夏季(6-7月)的甲烷排放通量显著低于浅水区,而春(5月)、秋(8-10月)季节显著高于浅水区.生长季甲烷排放通量的变化为夏季>秋季>春季;昼夜排放量为12:00和14:00最高,0:00最低.温度和水位是高寒地区淡水芦苇湿地甲烷排放通量变化的主要影响因子.     

潮汐作用对黄河三角洲盐沼湿地甲烷排放的影响

盐沼湿地作为陆海交互作用的过渡带是CH₄重要的自然来源。潮汐活动通过影响CH₄的产生、氧化和传输驱动了湿地CH₄间歇性、周期性的排放。利用涡度相关和微气象监测技术,对黄河三角洲一个盐地碱蓬生态系统CH₄通量、环境因子和水文要素（潮汐）进行了长期连续监测分析了该生态系统生长季CH₄排放的季节动态及潮汐作用对CH₄排放的影响。结果表明：生长季该生态系统是CH₄的排放源,排放日均值为0.063 mg m^-2 h^-1,（范围为-0.36-0.57 mg m^-2 h^-1）。潮汐淹水阶段和落潮后湿润阶段表现为CH₄的显著源。此外我们发现,短期潮汐活动引起土壤干湿状况的变化促进了CH₄脉冲式的排放,因此未来气候变化下温度升高和降雨季节分配引起的土壤干湿变化将会对该区域CH₄排放甚至碳循环产生积极影响。     

基于模型和GIS技术的中国稻田甲烷排放估计

将一个比较成熟的稻田甲烷排放模型CH4MOD和GIS空间化数据库结合,模拟估计了中国大陆2000年水稻生长季稻田甲烷的排放。模型的空间输入参数包括:逐日气温、耕层土壤砂粒含量、外源有机质施用量、稻田水分管理模式、水稻移栽期与收获期、水稻种植面积与单产,空间分辨率为10km×10km。模拟结果表明:2000年稻田甲烷排放量为6.02Tg,其中:早稻生长季排放1.63Tg、晚稻1.46Tg、单季稻2.93Tg。提高区域稻田甲烷排放估计精度的进一步目标应放在减小输入参数误差和提高空间数据精度上,在现有数据库基础和模型———GIS技术下探讨我国稻田甲烷排放估计的不确定性范围是必要的。     

近40年青藏高原生态格局演变及其驱动因素

20世纪80年代至今近40年间,青藏高原自然与人工生态系统发生了广泛而深刻的变化,作为我国重要的生态屏障,亟需对其生态系统格局演变过程及其驱动因素进行系统定量的解析。本研究利用1980年至2018年间8期遥感解译土地利用与覆被数据,将青藏高原9类主要生态系统类型,森林、灌丛、草地、农田、城镇、水体与湿地、冰川、裸地、荒漠,依其主要构成组分,划分为以植被为主体的自然生态系统（森林、灌丛、草地）、以无机环境为主体的自然生态系统（水体与湿地、冰川、裸地、荒漠）,以及人工生态系统（农田、城镇）共三大类。统计分析表明1980至2018年的近40年来,青藏高原以植被为主的自然生态系统面积约占61.9%,其中草地生态系统变化率较大,局部年际变化逾30%/10a,草地灌丛面积扩张明显,最高可达约7%/10a。此外,青藏高原喜马拉雅山脉附近的冰川消减较快,下降速率约达25%/10a。青藏高原东缘向西城镇扩张明显,城镇面积占比增加约40%。研究还对气温和降水计算其变化速率,量化驱动生态系统演变的外部气候环境的时空动态特征,结合地理环境变量、人类活动强度、土壤侵蚀度、生物丰度等综合的驱动因素指标,建立多层级结构方程模型。研究发现,以植被为主的自然生态系统变化速率与气温、降水的变化速率呈现显著负相关,以无机环境要素为主的自然生态系统与气候因子的变化速率呈现显著正相关,人工生态系统则与外部环境因素耦合关系不强,结果表明青藏高原森林、灌丛、草地一类自然植被生态系统与环境变化之间呈现负反馈的保守性耦合关系,相比较水体与湿地、冰川、裸地和荒漠生态系统来讲,具有更强的韧性,因此保护区域自然植被将有利于维护青藏高原整体的生态屏障功能。     

The positive net radiative greenhouse gas forcing of increasing methane emissions from a thawing boreal forest‐wetland landscape

At the southern margin of permafrost in North America, climate change causes widespread permafrost thaw. In boreal lowlands, thawing forested permafrost peat plateaus (‘forest’) lead to expansion of permafrost‐free wetlands (‘wetland’). Expanding wetland area with saturated and warmer organic soils is expected to increase landscape methane (CH₄) emissions. Here, we quantify the thaw‐induced increase in CH₄ emissions for a boreal forest‐wetland landscape in the southern Taiga Plains, Canada, and evaluate its impact on net radiative forcing relative to potential long‐term net carbon dioxide (CO₂) exchange. Using nested wetland and landscape eddy covariance net CH₄ flux measurements in combination with flux footprint modeling, we find that landscape CH₄ emissions increase with increasing wetland‐to‐forest ratio. Landscape CH₄ emissions are most sensitive to this ratio during peak emission periods, when wetland soils are up to 10 °C warmer than forest soils. The cumulative growing season (May–October) wetland CH₄ emission of ~13 g CH₄ m^?2 is the dominating contribution to the landscape CH₄ emission of ~7 g CH₄ m^?2. In contrast, forest contributions to landscape CH₄ emissions appear to be negligible. The rapid wetland expansion of 0.26 ± 0.05% yr^?1 in this region causes an estimated growing season increase of 0.034 ± 0.007 g CH₄ m^?2 yr^?1 in landscape CH₄ emissions. A long‐term net CO₂ uptake of >200 g CO₂ m^?2 yr^?1 is required to offset the positive radiative forcing of increasing CH₄ emissions until the end of the 21st century as indicated by an atmospheric CH₄ and CO₂ concentration model. However, long‐term apparent carbon accumulation rates in similar boreal forest‐wetland landscapes and eddy covariance landscape net CO₂ flux measurements suggest a long‐term net CO₂ uptake between 49 and 157 g CO₂ m^?2 yr^?1. Thus, thaw‐induced CH₄ emission increases likely exert a positive net radiative greenhouse gas forcing through the 21st century.     

闽江河口潮汐湿地二氧化碳和甲烷排放化学计量比

为了阐明河口潮汐湿地碳源温室气体排放的化学计量比特征,对闽江河口潮汐湿地二氧化碳和甲烷排放进行了测定与分析。结果表明:芦苇湿地和短叶茳芏湿地二氧化碳与甲烷排放均呈现正相关;涨潮前、涨落潮过程和落潮后芦苇湿地和短叶茳芏湿地CO2∶CH4月平均值分别为55.4和185.0,96.3和305.5,68.7和648.6,3个过程芦苇湿地和短叶茳芏湿地CO2∶CH4差异均不显著(P>0.05),2种植物湿地CO2∶CH4对潮汐的响应并不一致,但均在涨潮前表现为最低;涨潮前、涨落潮过程和落潮后均表现为芦苇湿地CO2∶CH4低于短叶茳芏湿地(P<0.05);河口潮汐湿地CO2∶CH4为空间变异性>时间变异性,潮汐、植物和温度均对CO2∶CH4的变化具有一定的调节作用。     

Prediction of enteric methane emissions from cattle

Agriculture has a key role in food production worldwide and it is a major component of the gross domestic product of several countries. Livestock production is essential for the generation of high quality protein foods and the delivery of foods in regions where animal products are the main food source. Environmental impacts of livestock production have been examined for decades, but recently emission of methane from enteric fermentation has been targeted as a substantial greenhouse gas source. The quantification of methane emissions from livestock on a global scale relies on prediction models because measurements require specialized equipment and may be expensive. The predictive ability of current methane emission models remains poor. Moreover, the availability of information on livestock production systems has increased substantially over the years enabling the development of more detailed methane prediction models. In this study, we have developed and evaluated prediction models based on a large database of enteric methane emissions from North American dairy and beef cattle. Most probable models of various complexity levels were identified using a Bayesian model selection procedure and were fitted under a hierarchical setting. Energy intake, dietary fiber and lipid proportions, animal body weight and milk fat proportion were identified as key explanatory variables for predicting emissions. Models here developed substantially outperformed models currently used in national greenhouse gas inventories. Additionally, estimates of repeatability of methane emissions were lower than the ones from the literature and multicollinearity diagnostics suggested that prediction models are stable. In this context, we propose various enteric methane prediction models which require different levels of information availability and can be readily implemented in national greenhouse gas inventories of different complexity levels. The utilization of such models may reduce errors associated with prediction of methane and allow a better examination and representation of policies regulating emissions from cattle.     

2003-2020年青藏高原冻融侵蚀时空变化特征

全球气候变暖导致青藏高原永久冻土逐渐退化,并增加了季节性冻土的面积,但对冻融侵蚀时空变化还缺乏系统的认识。通过权重法对年冻融日循环天数、日冻融相变水量、植被覆盖度、年均降雨量、坡度和坡向6个冻融侵蚀因子进行赋权,分析青藏高原2003—2020年不同强度的冻融侵蚀时空变化和主导驱动因素。结果表明：(1)2003—2020年青藏高原平均冻融侵蚀面积为(161.37±0.42)×10⁴km²,占青藏高原面积的64.55%,中度及以上侵蚀占冻融侵蚀面积的63.0%,强烈、极强烈和剧烈侵蚀主要分布在雅鲁藏布江流域、昆仑山-祁连山、帕米尔高原地区;(2)2003—2020年青藏高原冻融侵蚀表现为加剧趋势,加剧的区域达到29.79×10⁴km²,占青藏高原面积的11.6%;2003—2010年中度及以上平均侵蚀面积为(95.71±3.33)×10⁴ km²,2013—2020年为(107.60±3.20)×10⁴ km²,其面...     

海拔变化对高原湿地优势植物叶绿素荧光特性的影响

利用云南高原独特的立体地形和立体气候,选取滇西北代表性高原湿地纳帕海生长的世界广布植物水葱(Scirpus tabernaemontani)和茭草(Zizania caduciflora),分别将两种植物连同其生长的土壤单元原位移至海拔逐渐降低的两处高原湿地(拉市海湿地和昆明滇池流域),分析随海拔梯度下降的区域气候条件差异对两种植物生长周期的叶绿素荧光特性的影响。研究结果表明:与移出地纳帕海相比,移至拉市海和滇池后,植物萌芽期的水葱和茭草叶绿素在拉市海分别增加了22.54%和11.17%,在滇池分别增加了68.77%和29.2%;叶绿素荧光参数值也均随海拔的逐渐降低而升高或降低,滇池的这些数值较拉市海分别升高或降低约1.2—3.0倍。海拔的降低促使PSⅡ实际光化学量子效率的最大值(PhiPSⅡ_(max))和CO_2同化速率相对应的量子产量的最大值(PhiCO_(2max))升高,拉市海分别增至13.96%和25.42%、89.87%和27.08%,滇池分别增至24.09%和46.48%、114.77%和84.33%。两种植物生长期和凋落期的这些参数变化与萌芽期相同,但生长期各项数值的增长率或下降幅度较萌芽期高且变化明显,而凋落期的增长率或下降幅度却比萌芽期低。说明两种广布植物的叶绿素荧光特性指标随着海拔的降低而升高,表明海拔下降有利于两种广布植物光合能力的提升,但光合同化的株高生长速度却远远超过茎粗生长,这种不利影响可能导致两种广布种最终衰亡。     

青藏高原草本沼泽植被净初级生产力时空变化及其对气候变化的响应

青藏高原是我国重要的草本沼泽分布区,该地区草本沼泽对于东亚生态安全及碳循环具有重要的意义。植被净初级生产力(NPP)是反映生态系统固碳能力的重要指标,气候变化能够显著影响植被NPP。在全球气候变化背景下,青藏高原草本沼泽植被NPP的时空变化及对气候响应机理尚不明确。利用2000―2020年NPP数据和气象数据,对青藏高原草本沼泽植被NPP的时空变化及其对气候变化的响应进行分析。研究表明:青藏高原草本沼泽植被NPP多年平均值为122.80 g C/m²,在2000-2020年青藏高原草本沼泽植被年NPP总体呈现显著增加趋势(0.79 g C m^-2 a^-1),其中增加趋势最为显著的地区集中于研究区北部。研究发现青藏高原草本沼泽植被NPP主要受年均气温影响,年均降水对青藏高原草本沼泽植被NPP的影响并不显著。在不同季节,夏季和秋季升温均能够显著增加沼泽植被NPP,其中夏季夜晚最低温升高对青藏高原草本沼泽植被生长的促进作用比白天最高温升高更显著。在全球昼夜不对称增温背景下,未来模拟青藏高原草本沼泽植被NPP时,需重点关注白天和夜晚温度变化对草本沼泽植被生长的不同影响。研究结果有助于评估青藏高原草本沼泽植被固碳潜力,并为青藏高原沼泽生态保护提供科学依据。     

青藏高原沼泽湿地植被NDVI时空变化及其对气候变化的响应

基于2000—2017年逐旬MODIS NDVI数据和逐月气温、降水数据,分析了青藏高原不同类型沼泽湿地植被生长季NDVI时空变化特征及其对气候变化的响应。研究结果表明：青藏高原沼泽植被生长季多年平均NDVI自西北向东南逐渐增加;沼泽植被生长季平均NDVI在2000—2017年总体呈现显著上升趋势 (0.010/10a) ,生长季NDVI呈上升趋势的面积占整个研究区面积的78.25%。青藏高原沼泽植被生长季NDVI与降水量总体上呈现弱的相关性,表明降水并不是影响该地区沼泽植被生长的主要因素。青藏高原沼泽植被生长主要受气温影响,气温升高能明显促进沼泽植被的生长。此外,首次发现白天和夜晚温度升高对青藏高原沼泽植被生长具有不对称性影响,其中夜晚增温对沼泽植被生长的促进效果更加显著。在全球白天和夜晚不对称增温的背景下,白天和夜晚温度对青藏高原沼泽植被的不对称影响应当引起重视,尤其是在利用模型模拟未来气候变化对该地区沼泽植被影响时。     

Isotopic insights into methane production,oxidation, and emissions in Arctic polygon tundra

Arctic wetlands are currently net sources of atmospheric CH₄. Due to their complex biogeochemical controls and high spatial and temporal variability, current net CH₄ emissions and gross CH₄ processes have been difficult to quantify, and their predicted responses to climate change remain uncertain. We investigated CH₄ production, oxidation, and surface emissions in Arctic polygon tundra, across a wet‐to‐dry permafrost degradation gradient from low‐centered (intact) to flat‐ and high‐centered (degraded) polygons. From 3 microtopographic positions (polygon centers, rims, and troughs) along the permafrost degradation gradient, we measured surface CH₄ and CO₂ fluxes, concentrations and stable isotope compositions of CH₄ and DIC at three depths in the soil, and soil moisture and temperature. More degraded sites had lower CH₄ emissions, a different primary methanogenic pathway, and greater CH₄ oxidation than did intact permafrost sites, to a greater degree than soil moisture or temperature could explain. Surface CH₄ flux decreased from 64 nmol m^?2 s^?1 in intact polygons to 7 nmol m^?2 s^?1 in degraded polygons, and stable isotope signatures of CH₄ and DIC showed that acetate cleavage dominated CH₄ production in low‐centered polygons, while CO₂ reduction was the primary pathway in degraded polygons. We see evidence that differences in water flow and vegetation between intact and degraded polygons contributed to these observations. In contrast to many previous studies, these findings document a mechanism whereby permafrost degradation can lead to local decreases in tundra CH₄ emissions.