三江平原沼澤甲烷排放的模擬研究

三江平原沼澤甲烷排放的模擬研究

1其它稻田甲烷排放模型盔甲（ch4）是重要的溫室氣體之一。在過(guò)去的150年里，甲烷的濃度增加了150%，這是所有溫室氣體中最為快速的（ipcc，2007）。全球而言,自然濕地的甲烷排放占總排放的20%,是最重要的大氣甲烷自然源(WuebblesandHayhoe,2002;Kapoor,2005)。近年來(lái),有關(guān)中國(guó)自然濕地甲烷排放的觀測(cè)研究較多(黃國(guó)宏等,2001;Dingetal.,2002,2004;DingandCai,2007),特別是中國(guó)最大的沼澤集中分布區(qū)三江平原(Yangetal.,2006;王毅勇等,2006;Songetal.,2007)。過(guò)去50年三江平原氣溫明顯升高(閆敏華等,2001;潘華盛等,2003;王亞平等,2008),且1.03×104km2的自然濕地被墾殖為農(nóng)田(張樹(shù)清等,2002),這使得三江平原甲烷排放通量的研究具有特殊意義。已有研究表明,三江平原甲烷排放通量呈現(xiàn)出明顯的時(shí)間和空間變化:受氣候影響,甲烷通量年際變化顯著(Yangetal.,2006;Songetal.,2007);不同植被和土壤類(lèi)型間甲烷排放通量也有很大差異(Dingetal.,2005;王毅勇等,2006)。為估算中國(guó)區(qū)域濕地甲烷排放通量,Dingetal.(2004)采用將某一實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果外推到區(qū)域尺度的方法,這種簡(jiǎn)單的外推法不可避免的使估計(jì)值帶有巨大的誤差。為了提高估算精度,采用機(jī)理化的模型方法成為必然的選擇。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)稻田甲烷排放模型的研究很多(Caoetal.,1995;丁愛(ài)菊和王明星,1995;Huangetal.,1998;Li,2000;Bodegometal.,2001)。Huangetal.(1998,2004)開(kāi)發(fā)的稻田甲烷排放模型——CH4MOD可以有效地模擬不同氣候、土壤及農(nóng)業(yè)管理下的稻田甲烷排放(Huangetal.,2004;張穩(wěn)等,2004),該模型的輸入?yún)?shù)相對(duì)較少且容易獲取,這對(duì)于模型的區(qū)域化應(yīng)用非常有利(張穩(wěn)等,2004)。本文以CH4MOD的模型框架為基礎(chǔ),針對(duì)自然濕地同稻田甲烷排放的區(qū)別,對(duì)CH4MOD進(jìn)行修改,建立自然濕地甲烷排放模型CH4MODwetland,用于模擬自然濕地甲烷排放,同時(shí)也為利用模型估算三江平原氣候變化和濕地墾殖對(duì)于甲烷排放的影響提供工具。2對(duì)自然濕地凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)的影響本研究接受CH4MOD的基本假設(shè):甲烷基質(zhì)主要源于植物根系分泌物及加入到土壤中的有機(jī)物的分解;甲烷的產(chǎn)生率取決于甲烷基質(zhì)的供應(yīng)以及環(huán)境因子的影響;植物傳輸是主要的甲烷排放途徑,在植物生長(zhǎng)初期,氣泡排放起重要的作用。然而,自然濕地同稻田之間存在一些差異:產(chǎn)甲烷底物方面,濕地植物死亡后以凋落物的形式進(jìn)入土壤,此外,濕地生態(tài)系統(tǒng)在地表累積了大量有機(jī)質(zhì)(Bertness,1988;Frolkingetal.,2001;Gorhametal.,2003;Zhangetal.,2008),地上、地下部分凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)的分解是產(chǎn)甲烷基質(zhì)的重要來(lái)源;環(huán)境影響因子方面,在稻田中,土壤氧化還原電位(Eh)的變化是由稻田水管理方式?jīng)Q定的,而在自然濕地中,Eh的變化是由地表水深的變化決定的(Singh,2001;Dingetal.,2002),自然濕地中Eh變化較為緩慢(高俊琴等,2004);植物生長(zhǎng)方面,水稻在成熟后被收割,而濕地植物在生長(zhǎng)季后期地上部分植物會(huì)逐漸凋落。針對(duì)上述區(qū)別,對(duì)CH4MOD進(jìn)行如下修改:(1)增加凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)分解提供產(chǎn)甲烷基質(zhì);(2)以地表水深控制土壤Eh變化;(3)增加植物凋落過(guò)程的模擬;(4)對(duì)氣泡排放經(jīng)驗(yàn)方程進(jìn)行了修改。圖1為自然濕地甲烷產(chǎn)生、氧化、排放過(guò)程的概念模型圖。2.1ch4模型的基本總結(jié)2.1.1土壤溫度函數(shù)產(chǎn)甲烷基質(zhì)主要來(lái)源之一為植物根系分泌物。原模型描述為Cp=1.8×10-3×fv×fΤ×W1.25i,(1)式中,Cp為植物根系分泌物供給的產(chǎn)甲烷底物(單位:g·m-2·d-1);fT為土壤溫度函數(shù),Wi為逐日(第i天)地上生物量(單位:g·m-2);fv為植被類(lèi)型系數(shù)。2.1.2自然濕地eh的模擬土壤環(huán)境對(duì)甲烷產(chǎn)生的影響主要包括土壤質(zhì)地(土壤砂粒含量SAND),土壤溫度(Tsoil)以及土壤氧化還原電位(Eh)。模型通過(guò)引入對(duì)應(yīng)于這些土壤環(huán)境因素的影響函數(shù)來(lái)量化他們對(duì)甲烷產(chǎn)生的影響,并分別表示為土壤質(zhì)地影響函數(shù):fs=0.325+0.0225×SAΝD,(2)土壤溫度影響函數(shù):fΤ={Q10Τsoil-3010(Τsoil＜30℃),1(Τsoil≥30℃),(3)土壤Eh影響函數(shù):FEh={exp(-1.7×150+Eh150)(Eh＞-150mV),1(Eh≤-150mV),(4)其中,土壤溫度Tsoil通過(guò)氣溫?cái)?shù)據(jù)Tair,通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式Tsoil=4.4+0.76×Tair進(jìn)行計(jì)算。自然濕地中,土壤Eh由水深決定,當(dāng)?shù)乇硭畲笥?時(shí),Eh逐漸降低,反之,Eh逐漸升高。本研究仍然采用原模型中的一階微分方程(差分形式)來(lái)模擬土壤Eh的變化:Eih=Ei-1h-θ×(Ei-1h-Ehc)?(5)其中,Eih為第i日的土壤還原電位,Ehc為土壤氧化還原電位的臨界值,自然濕地土壤Eh變化較為緩慢;θ為差分系數(shù)由高俊琴等(2004)和Singh(2001)的Eh實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定,在地表干旱狀態(tài)和淹水狀態(tài)θ值分別為0.025和0.13。2.1.3甲烷的產(chǎn)生率甲烷的產(chǎn)生率取決于甲烷基質(zhì)的供應(yīng)以及環(huán)境因子的影響,原模型中甲烷基質(zhì)主要來(lái)源于植物根系分泌物以及外源有機(jī)質(zhì)的分解,濕地生態(tài)系統(tǒng)中植物凋落物以及土壤有機(jī)質(zhì)的分解與稻田中的外源有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程相同。土壤中甲烷的產(chǎn)生率P(g·m-2·d-1)表示為:Ρ=0.27×FEh×(Cp+CLana+CS),(6)CLana和CS(g·m-2·d-1)分別表示凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)的厭氧分解供給的產(chǎn)甲烷底物。甲烷總排放率E為植物排放速率Ep和氣泡排放速率Ebl之和:E=Ep+Ebl.(7)在植物傳輸過(guò)程中,部甲烷會(huì)被氧化,植物排放速率表示為:Ep=(1-Ρox)×(Ρ-Ebl),(8)式中,Pox為甲烷在植物傳輸過(guò)程中被氧化的比例,值為0.5(WalterandHeimann,2000;Zhangetal.,2002)。2.2ch4mod的更改2.2.1最大地上生物量ta與水稻有所區(qū)別的是,濕地植物地上部分生物量在生長(zhǎng)季后期會(huì)逐漸凋落,因此CH4MODwetland在模擬植物生長(zhǎng)過(guò)程中增加了凋落過(guò)程的模擬:Wi={Wmax1+Wmax-W0W0×e-r×t(ΤA0＜ΤA≤ΤAmax),Wi-1-β×ΤS(ΤA＞ΤAmax),(9)ΤA=n∑i=1Τi(Τi＜0℃時(shí),令Ti=0℃),(10)ΤS=∑j=n+1m(20-Tj)(Tj>20℃時(shí),令T=20℃),(11)其中,TA0(℃·d)和TAmax(℃·d)分別代表植物萌發(fā)和達(dá)到最大地上生物量時(shí)的積溫(>0℃)。當(dāng)植物地上生物量(Wi)達(dá)到最大值(Wmax)之前用logistic方程計(jì)算,W0為初始地上生物量(單位:g·m-2),t為植物開(kāi)始萌發(fā)后的天數(shù),TS為小于20℃的積溫,用于計(jì)算植物凋落過(guò)程。植物地上部分內(nèi)秉增長(zhǎng)率r為T(mén)A的函數(shù):r=a×(ΤA/1000)b?(12)其中,a、b及式(9)中的β為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),其值由三江平原2002～2004年毛果苔草和小葉章地上生物量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(郝慶菊,2006)以及若爾蓋高原烏拉苔草和木里苔草的最大生物量(田應(yīng)兵等,2003)采用非線性回歸分析法確定。通過(guò)回歸方法計(jì)算出的a和b的值分別為0.073和-0.078,三江平原β值為0.05,若爾蓋高原為0.01。將三江平原毛果苔草和小葉章地上生物量模擬值與觀測(cè)值進(jìn)行回歸分析,其相關(guān)系數(shù)R2為0.84(n=80,顯著性水平p<0.001)。2.2.2凋落物總量及日凋落量濕地植物凋落物包括地上和地下部分凋落物。地上部分凋落物包括上一年生長(zhǎng)季末未分解的凋落物和當(dāng)年生長(zhǎng)季后期每日凋落到土壤中的植物。后者由連續(xù)兩日地上生物量(Wi-1,Wi)之差決定。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研(馬學(xué)慧等,1996;田應(yīng)兵等,2003),小葉章、毛果苔草、烏拉苔草和木里苔草四種植物的地下凈初級(jí)生產(chǎn)力占植物凈初級(jí)生產(chǎn)力的比例(FR)分別為46%、62%、65%和68%。本研究對(duì)苔草類(lèi)和小葉章FR的取值分別為60%和50%。三江平原地下生物量季節(jié)動(dòng)態(tài)研究表明,在早春,地下生物量較大,而后逐漸下降至六月初達(dá)到最低,最后逐漸升高并于生長(zhǎng)季末達(dá)到最大值(何池全,2003)。因此本研究假定地下生物量凋落的時(shí)間為上一年生長(zhǎng)季末至次年6月初,凋落物總量等于地下凈初級(jí)生產(chǎn)力。地下生物量凋落過(guò)程非常復(fù)雜,本文假定植物地下部分日凋落量為均值。在濕地生態(tài)系統(tǒng)中,水位是厭氧和好氧環(huán)境的分界線。凋落物的厭氧分解是產(chǎn)甲烷基質(zhì)的重要來(lái)源,本研究采用CH4MOD模型中的一階動(dòng)力學(xué)方程形式模擬凋落物分解過(guò)程(Huangetal.,1998,2004):CLana=fT×FL×fWana×[0.027×FN+0.003×(1-FN)]×(L-ΔL),(13)CLaer=fT×(1-FL)×fWaer×[0.027×FN+0.003×(1-FN)]×(L-ΔL),(14)ΔL=CLana+CLaer,(15)FN=(150+1.5N0-0.57G0)/100,(16)式中,CLana為凋落物厭氧分解供給的產(chǎn)甲烷底物(單位:g·m-2·d-1),CLear為地上凋落物的好氧分解(單位:g·m-2·d-1),L為凋落物量(單位:g·m-2),FN為凋落物中初始的易分解組分比例(單位:kg·kg-1),可由凋落物中初始氮含量N0(g·kg-1)以及木質(zhì)素含量G0(g·kg-1)計(jì)算(黃耀等,2003)。fWana和fWaer分別代表水分對(duì)厭氧和好氧分解的影響,fWaer為fWana的0.4倍(Necklesetal.,1994),本研究假定地下凋落物全部處于厭氧環(huán)境中,FL為地上凋落物淹沒(méi)在水中的比例,是地表水深(WD)的函數(shù):FL=ω×WD.(17)本研究采用Dingetal.(2002)在三江平原觀測(cè)的小葉章、烏拉苔草和毛果苔草三種植物的地上凋落物淹沒(méi)在水中的比例確定比例系數(shù)ω,ω值為0.0345。2.2.3土壤有機(jī)質(zhì)中com和ksom的變化假定土壤有機(jī)質(zhì)全部處于厭氧環(huán)境中,土壤有機(jī)質(zhì)的分解亦采用原模型中一階動(dòng)力學(xué)方程形式:CSOM=kSOM×fWana×fS×fT×DSOM,(18)DSOM=OM×ρ×H×104,(19)式中,CSOM為土壤有機(jī)質(zhì)的分解提供的產(chǎn)甲烷底物(單位:g·m-2·d-1),kSOM代表土壤有機(jī)質(zhì)的一階動(dòng)力學(xué)腐解系數(shù),取值為8×10-6d-1(ScanlonandMoore,2000)。DSOM為土壤有機(jī)質(zhì)密度(單位:g·m-2),可由土壤有機(jī)質(zhì)含量OM(g·kg-1),土壤容重ρ(g·cm-3),和土壤厚度H(cm),用公式(9)計(jì)算,本研究假定土壤厚度H為50cm(劉景雙等,2003)。2.2.4速率修改CH4MOD中氣泡排放速率是水稻根生物量的經(jīng)驗(yàn)函數(shù),但是濕地植物的地下生物量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水稻,因此本研究對(duì)氣泡排放速率模擬進(jìn)行修改。在植物生長(zhǎng)初期,氣泡排放為主要的甲烷排放途徑,隨著植物的生長(zhǎng),氣泡排放所占比例逐漸降低,氣泡排放速率Ebl被描述為:Ebl=Fbl×(1-WWmax)×Ρ?(20)式中Fbl為氣泡排放占甲烷產(chǎn)生的最大比例,本研究假設(shè)當(dāng)?shù)乇硭钚∮?cm時(shí)氣泡排放等于0(WalterandHeimann,2000)。3參數(shù)校正；3.1生境和淺排對(duì)濕地深水的觀測(cè)用于模型參數(shù)校正與模型驗(yàn)證的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于黑龍江省三江平原(47°35′N(xiāo),133°31′E;海拔56m),和四川省若爾蓋高原(32°47′N(xiāo),102°32′E;海拔3470m)。三江平原是中國(guó)最大的淡水沼澤集中分布區(qū),主要的植被類(lèi)型為小葉章(Deyeuxiaangustifolia)和毛果苔草(Carexlasiocarpa),對(duì)應(yīng)的土壤類(lèi)型分別為沼澤化草甸土和腐殖質(zhì)沼澤土(張文菊等,2004)。在2002～2005年植物生長(zhǎng)季內(nèi)(4～10月),每周兩次采用靜態(tài)暗箱法對(duì)甲烷氣體進(jìn)行采集,并進(jìn)行靜止水深的同步觀測(cè)(Yangetal.,2006;Songetal.,2007;郝慶菊,2006)。毛果苔草沼澤在2002年4月初至6月20日期間水深數(shù)據(jù)缺測(cè),采用降水與實(shí)際蒸散的差值計(jì)算水深,實(shí)際蒸散采用Penman-Menteith(P-M)模型計(jì)算(Allenetal.,1998);小葉章沼澤在2002年水深數(shù)據(jù)缺測(cè),對(duì)2003～2004年兩種類(lèi)型濕地水深實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均得,毛果苔草沼澤的平均水深比小葉章沼澤高8cm,以此關(guān)系計(jì)算小葉章沼澤2002年靜止水深數(shù)據(jù)。若爾蓋高原是中國(guó)最大的泥炭沼澤分布區(qū),主要的植被類(lèi)型為烏拉苔草(Carexmeyeriana)和木里苔草(Carexmuliensis),土壤類(lèi)型為泥炭沼澤土(王德宣等,2002)。在2001年植物生長(zhǎng)季內(nèi)(5～10月)進(jìn)行甲烷排放通量和靜止水深的觀測(cè),觀測(cè)方法以及頻率與三江平原相同(王德宣等,2002)。三江平原的氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)大氣科學(xué)分中心(6/web[2008-01-01]),若爾蓋高原的氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(/[2008-01-01])。3.2fv和fbl的確定CH4MODwetland中需要進(jìn)行校正的參數(shù)為fv,fWana和Fbl。用于參數(shù)校正的數(shù)據(jù)為2002年三江平原氣溫、靜止水深數(shù)據(jù)以及2002年三江平原毛果苔草和小葉章沼澤甲烷排放通量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(郝慶菊,2006;Songetal.,2007)。本研究采用如下假定校正fv和Fbl:每年植物凈初級(jí)生產(chǎn)力的2.5%轉(zhuǎn)化成甲烷(Huangetal.,1997;Kingetal.,2002);土壤中85%的甲烷通過(guò)植物傳輸?shù)酱髿庵?WhitingandChanton,1992;Shannonetal.,1996;Joabssonetal.,1999),氣泡排放占總排放量的15%。具體校正方法為不考慮凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)分解(CL、CS為0),設(shè)fv=1,Fbl初值為0.1并以0.1為單位遞增,將fv和不同F(xiàn)bl值依次帶入模型計(jì)算僅由根系分泌物產(chǎn)生的甲烷排放通量,以氣泡排放比例(Ebl/E0)最接近15%為標(biāo)準(zhǔn)確定Fbl,fv的計(jì)算方法為:fv=CΝΡΡ×2.5%CCΗ4?CΝΡΡ為植物凈初級(jí)生產(chǎn)力含碳量;CCH4為當(dāng)CL,CS均等于0,且fv=1時(shí)模擬的甲烷排放通量含碳量。經(jīng)校正得,Fbl的值為0.6,小葉章和毛果苔草的fv值分別為2.8和2.4。fv和Fbl確定后,進(jìn)行fWana的校正。設(shè)fWana初值為0.1,以0.1為單位遞增,將不同fWana值帶入模型中模擬2002年三江平原毛果苔草沼澤甲烷排放通量,以模擬值與實(shí)測(cè)值平均偏差(RMD)最小為標(biāo)準(zhǔn),fWana值被校正為0.3。4葉章淡水沼、毛果枯草沼、毛果苔草東北部沼自然濕地甲烷排放模型是一個(gè)逐日驅(qū)動(dòng)的模型,模型在三江平原小葉章淡水沼澤(2003～2004年),毛果苔草淡水沼澤(2003～2005年),若爾蓋高原烏拉苔草泥炭沼澤(2001年)以及木里苔草泥炭沼澤(2001年)進(jìn)行了驗(yàn)證。4.1模擬與實(shí)測(cè)值比較本研究采用均方根誤差(RMSE),平均偏差(RMD),模型效率(EF),以及模擬值和實(shí)測(cè)值之間的線性回歸四類(lèi)統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)模型模擬的精確度。RMSE用來(lái)評(píng)估模擬值與實(shí)測(cè)值之間的一致程度,RMD反映了模擬值與實(shí)測(cè)值之間的系統(tǒng)偏差,EF反映模擬值對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)描述的效果,EF的值為正表示模擬值對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)描述優(yōu)于僅用觀測(cè)平均值的所做的描述,反之亦然(Smithetal.,1997)。RMSE,RMD和EF的計(jì)算公式分別為:RΜSE=100Οˉ∑i=1n(Ρi-Οi)2n,(21)RΜD=100Οˉ∑i=1nΡi-Οin,(22)EF=1-∑i=1n(Ρi-Οi)2∑i=1n(Οˉ-Οi)2,(23)式中,P和O分別為模擬和實(shí)測(cè)值。Οˉ為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值,n為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的樣本量。4.2模型的基本信息模型的輸入?yún)?shù)包括地上生物量最大值(Wmax),地下凈初級(jí)生產(chǎn)力占植物凈初級(jí)生產(chǎn)力的比例(FR),植物萌發(fā)和達(dá)到地上最大生物量所需積溫(T0和TAmax),土壤砂粒含量(SAND),土壤容重(ρ),土壤有機(jī)質(zhì)含量(OM),日平均氣溫(Tair)和逐日水深(WD)。CH4MODwetland模型是一個(gè)逐日驅(qū)動(dòng)的模型,模型在初始化輸入?yún)?shù)以及逐日氣溫和水深數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下輸出逐日的地上生物量(Wi),土壤氧化還原電位(Eh),根系分泌物、植物凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)分解的甲烷產(chǎn)生速率,甲烷排放速率(通過(guò)植物以及氣泡傳輸)等。本研究對(duì)于模型甲烷排放速率E重點(diǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證。模型中所有變量及參數(shù)的有關(guān)說(shuō)明見(jiàn)表1。4.3模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析圖2為模擬和觀測(cè)的三江平原甲烷排放季節(jié)性變化,模擬的季節(jié)性變化趨勢(shì)與觀測(cè)結(jié)果有良好的一致性。甲烷的季節(jié)變化趨勢(shì)由水深、氣溫和地上植物的生長(zhǎng)過(guò)程共同決定。當(dāng)?shù)乇沓Ｄ攴e水時(shí),甲烷的季節(jié)變化趨勢(shì)同氣溫以及地上生物量的變化趨勢(shì)相同(圖2b)。模型對(duì)某些甲烷排放通量高值模擬偏低(圖2b)可以部分歸因于觀測(cè)通量的變異性較大;此外,在地表靜止水層較深情況下(圖2c),實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的人為擾動(dòng)可能會(huì)增強(qiáng)氣泡排放,導(dǎo)致觀測(cè)值偏高。模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(圖2a和b)的回歸系數(shù)R2=0.56(n=206,p<0.001)。模擬和實(shí)測(cè)值的均方根誤差(RMSE)、平均偏差(RMD)和模型效率(EF)分別為73.4%,-9.2%和0.54。4.4模擬與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖3為模擬和觀測(cè)的若爾蓋高原甲烷排放季節(jié)性變化,從圖中可以看出,模型基本能夠模擬出甲烷排放的季節(jié)性變化趨勢(shì),但是存在一些偏差。如烏拉苔草泥炭沼澤9月的模擬值偏低(圖3a),木里苔草泥炭沼澤6～8月模擬值偏高(圖3b)。模型在若爾蓋高原的模擬效果不如三江平原,主要原因?yàn)?本研究采用線性?xún)?nèi)插法填補(bǔ)兩次觀測(cè)之間的水深數(shù)據(jù),在若爾蓋高原,地表水深變化迅速,