人工湿地甲烷排放规律及其影响因素研究

【摘要】：为了减缓全球变暖的趋势,温室气体的减排已经引起国际社会的广泛关注。CH4是一种重要的温室气体,其对温室效应的贡献仅次于C02,而且其单分子温室效应是C02的30倍。人工湿地是CH4的重要排放源。因此研究人工湿地CH4排放的规律及其影响因素对于理解人工湿地对温室气体的贡献和全面评估人工湿地的生态效应具有重要意义。本论文以新薛河人工湿地为研究对象,采用静态箱气象色谱法,通过定期野外采样监测和实验室分析,研究了人工湿地CH4排放状况和变化规律。首先研究新薛河人工湿地CH4浓度的日变化,发现了CH4浓度24小时变化规律,为了在更大时间尺度上验证这个规律,所以研究CH4浓度的四季变化,结合日变化和四季变化以及空间变化分析影响CH4排放的因素。因为野外实验有很多不确定因素,为了深入研究水位的影响专门设计了水位控制实验,结合野外实验和控制实验进行分析甲烷排放的影响因素。在研究中发现“中国湿地CH4排放规律及其影响因素研究”存在大量研究案例但缺乏深入数据挖掘,为了在更大尺度上分析影响湿地甲烷排放的因素,也做了这方面的数据挖掘和文献综述。主要研究内容及结果如下：(1)新薛河人工湿地夏季上游和下游的水——气界面的24小时CH4浓度变化规律具有一致性,呈双峰型即有两个浓度峰值,一个在上午6：00～8：00,另一个在23：00～1：00。其变化趋势大致可以分为三个阶段,从0：00～7：00,CH4浓度逐渐升高；7：00～14：00,CH4浓度又逐渐减小；14：00～24：00,CH4浓度又开始小幅度升高,并在夜间21：00～22：00之间有一个小幅降低的趋势。夏季人工湿地上、下游的水——气界面的CH4浓度与温度的变化是不同步的,CH4浓度变化相对于水温变化的滞后时间是6-11小时,而相对于气温变化的滞后时间是7-14小时,两者都在10 h时相关性最好,且CH4浓度相对于气温变化的滞后时间比相对于水温变化的之后时间要长。在10h时水温与CH4浓度的相关性大于气温与CH4的相关性。夏季湿地水——气界面CH4浓度与水体pH值无明显相关关系。但湿地水—一气界面CH4浓度与空气湿度呈正相关,无滞后时间差,说明空气湿度对水——气界面CH4浓度的影响比水温和气温更迅速。(2)人工湿地CH4在春、夏、秋、冬四季的浓度值大小为：夏季春季秋季冬季。夏季的CH4浓度比春、秋和冬季的显著的高,主要是因为夏季的高温在产CH4菌的最适温度范围内；春季CH4浓度比冬季显著的高,主要是由于冬季积累的CH4在春天温度升高后放出。从季节变化来看,CH4浓度与水温和气温都呈正相关,且水温与CH4浓度的相关性比气温更大。新薛河人工湿地水——气界面CH4浓度日变化在不同的季节具有较大差异,CH4浓度在春季呈逐渐增长趋势；夏季呈现先降低后增加趋势；秋季呈逐渐降低趋势；冬季较平缓,基本无变化。且CH4浓度变化相对于温度变化具有滞后性的规律只有在夏季平均温度在30℃以上时才成立。秋季的CH4浓度与水温和气温呈负相关,而冬季的CH4浓度与水温和气温呈正相关。(3)新薛河人工湿地上游水质比下游差,因为污水由上游流向下游并逐步净化,污水中的有机污染物在上游(一级湿地)沉淀比下游(五级湿地)较多,上游有机物含量高于下游。除冬季外下游CH4浓度均低于上游,而冬季上下游CH4浓度无明显差异。因为冬季无进水,上下游有机质含量差异不大。由此推测,水质越差,水中有机污染物越多,CH4浓度越高；水质越好,水体中有机污染物越少,产生CH4越少。从理论上来讲,大气C02浓度增加,有可能直接促进湿地土壤中由C02还原为CH4的过程,促进CH4的排放。本研究发现,新薛河人工湿地春、秋和冬季水——气表面CH4和C02浓度呈正显著相关。夏季CH4与C02浓度相关性不显著,CH4和CO2浓度的变化趋势也基本一致。(4)不同水深的控制实验显示,在计算CH4通量时,文献中常用的将1h内在0min、15min、30min和45min的四个CH4浓度强行做线性分析可能不可靠。此种线性分析的方法是在默认一定时间内CH4的浓度是呈线性分布的情况下进行的。在10cm水深时,在9点、10点和11点的一个小时内,CH4浓度都是呈先增大后减小趋势；在20cm水深时,在3个小时内是呈先减小后增大趋势；而在40cm水深时,则无明显规律。且每个小时的初始CH4浓度规律为：水深20cm水深40cm水深10cm。CH4浓度与水温和气温呈正相关,与湿度呈负相关,且CH4浓度与水温的相关性大于CH4浓度与气温的相关性。(5)通过数据挖掘,发现不同类型的湿地其CH4排放具有显著差异。按照CH4通量均值大小排列为：稻田沼泽湿地水库河滨湿地湖泊湿地海滨湿地。湖泊湿地、沼泽湿地、河滨湿地和水库的CH4排放通量之间无显著差异,但稻田和沼泽湿地的CH4通量比海滨湿地的CH4通量显著的高,且海滨湿地CH4通量部分呈负值。气候带类型对中国湿地CH4排放有显著影响。采用单因素方差分析,本节将中国气候分成5个气候带,不同气候带的湿地其CH4排放具有显著差异。暖温带和中温带湿地CH4通量无显著差异,但高原寒带的湿地CH4通量显著高于热带、亚热带湿地。本节将中国湿地CH4通量的影响因素气候带和湿地类型作双因素方差分析,发现湿地类型和气候带对湿地CH4排放具有交叉作用(α=0.05)。在热带地区,湖泊湿地和沼泽湿地的CH4通量比海滨湿地要显著的高。湖泊湿地和沼泽湿地大部分释放CH4而海滨湿地部分存在“吸收”CH4的现象。在亚热带地区,稻田的CH4排放通量显著高于湖泊湿地和海滨湿地。中温带不同湿地类型的CH4通量无显著差异。在高原寒带,青藏高原的沼泽湿地其CH4平均通量为50.25gm-2yr-1。总之,新薛河人工湿地CH4在时间变化和空间变化上都呈现各自的规律。水温、气温、pH、湿度以及水位等都是影响CH4排放的重要因素,且各自对CH4排放的影响各不相同。在对中国湿地CH4排放的数据挖掘研究中也发现,湿地类型和气候带对CH4排放影响具有交互作用,在进行湿地甲烷排放模型估算时必须考虑湿地类型和气候带的影响。 【关键词】：人工湿地 日变化 温室气体 甲烷 季节变化
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X171;X511
【目录】：

• 摘要9-12
• Abstract12-15
• 符号说明15-16
• 第一章 绪论16-26
• 1.1 研究背景16-17
• 1.2 人工湿地概述17-21
• 1.2.1 人工湿地的概念17-18
• 1.2.2 人工湿地的分类18-20
• 1.2.3 人工湿地的发展历程20
• 1.2.4 人工湿地的影响因素20-21
• 1.3 CH_4概述21-25
• 1.3.1 CH_4的环境效应21
• 1.3.2 CH_4的源和汇21-22
• 1.3.3 CH_4的产生机理22-23
• 1.3.4 影响CH_4释放的因素23-25
• 1.4 研究目的、内容及创新之处25-26
• 1.4.1 研究目的25
• 1.4.2 研究内容25-26
• 第二章 研究地点和研究方法26-32
• 2.1 研究地点26-28
• 2.1.1 新薛河人工湿地概况简介26-28
• 2.1.2 莱芜市房干生态定位研究站28
• 2.2 研究方法28-32
• 2.2.1 采集方法29-30
• 2.2.2 检测方法30-31
• 2.2.3 仪器设备31-32
• 第三章 新薛河人工湿地CH_4浓度日变化32-40
• 3.1 实验设计32
• 3.2 新薛河人工湿地水——气界面CH_4浓度24小时变化32-34
• 3.3 新薛河人工湿地水——气界面CH_4浓度影响因素34-38
• 3.4 小结38-40
• 第四章 新薛河人工湿地CH_4浓度的季节变化40-50
• 4.1 实验设计40-41
• 4.2 湿地水——气界面四季CH_4浓度总体变化规律41-44
• 4.2.1 湿地水——气界面四季CH_4浓度总体变化趋势41-43
• 4.2.2 湿地水——气界面四季CH_4浓度与温度变化规律43-44
• 4.3 湿地水——气界面四季各季CH_4浓度变化规律44-48
• 4.3.1 湿地水——气界面各季节CH_4浓度变化趋势44-46
• 4.3.2 湿地水——气界面各季节CH_4浓度与温度变化规律46-48
• 4.4 小结48-50
• 第五章 新薛河人工湿地CH_4排放的影响因素50-55
• 5.1 实验设计50
• 5.2 新薛河人工湿地上下游CH_4浓度差异50-52
• 5.3 新薛河人工湿地上下游CH_4和CO_2浓度的关系52-54
• 5.4 小结54-55
• 第六章 CH_4排放与水位的关系控制实验55-64
• 6.1 实验设计55-56
• 6.2 小试系统CH_4通量与水位56-59
• 6.3 小试系统CH_4浓度与水位59-61
• 6.4 小试系统CH_4浓度与水温、气温、pH和湿度的关系61-62
• 6.5 小结62-64
• 第七章 中国湿地CH_4排放规律及其影响因素研究64-72
• 7.1 湿地类型对湿地CH_4排放的影响65-66
• 7.2 气候带对湿地CH_4排放的影响66-67
• 7.3 湿地类型和气候带对湿地CH_4排放的交叉作用67-69
• 7.4 湿地CH_4排放通量与经纬度的关系69-71
• 7.5 小结71-72
• 第八章 总结和展望72-75
• 8.1 总结72-74
• 8.2 展望74-75
• 参考文献75-84
• 致谢84-86
• 攻读学位期间发表的论文86-87
• 附录一：中国文献湿地甲烷排放通量数据整理87-102
• 附件102-109
• 学位论文评阅及答辩情况表109

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