集约清除互花米草增强潮汐与温度对甲烷排放的调控作用

《Geoderma》：Intensive smooth cordgrass removal strengthens tidal and temperature impacts on methane emission

面对全球最大的滨海湿地生态修复工程——互花米草清除，其短期生态效应与气候变化影响机制尚不清楚。为解决这一科学空白，研究人员采用涡度协方差技术连续监测清除前后的甲烷(CH4)通量，发现清除后甲烷排放量增加超过十倍，潮汐淹没与抽吸效应、温度敏感性均显著增强，从而放大了甲烷通量的日变化。该研究首次提供了高强度人为干扰下滨海湿地甲烷排放的直接观测证据，为评估生态修复的气候效应提供了关键科学依据。

　　

滨海蓝碳生态系统 (Blue Carbon Ecosystems, BCEs)，如盐沼和红树林，被誉为地球的“蓝色碳汇”，因其强大的固碳能力而在应对气候变化中备受瞩目。然而，这些生态系统同时也是温室气体，尤其是强效温室气体甲烷 (CH₄) 的活跃排放源。近年来，一种名为互花米草 (Spartina alterniflora) 的入侵植物在中国沿海迅速扩张，占据了超过60%的盐沼面积，改变了当地的生态格局。为应对这一生态挑战，中国政府自2022年起启动了大规模清除行动，计划到2025年清除90%的入侵互花米草。这种高强度的人为干预，旨在恢复原生生态系统，但其对湿地土壤生物地球化学循环，特别是对CH₄排放会产生怎样的即时与短期影响？当前研究多聚焦于长期生态效益的模拟评估，而缺乏基于高频直接观测数据的实证证据。这一问题成为蓝碳科学领域一个亟待填补的知识缺口。

为了精准量化互花米草清除这一人为干扰对CH₄排放动态的影响，来自厦门大学的研究团队在位于中国东南沿海的漳江口红树林国家级自然保护区一处受干扰的潮汐湿地中，建立了一座通量观测塔。研究团队采用了涡度协方差 (Eddy Covariance, EC) 技术，这是一种能够高频、连续测量生态系统与大气间气体交换的先进方法。他们对清除前（2022年7月8日至10月20日）和清除后（2022年11月1日至2023年10月31日）两个时期的净甲烷交换 (Net Methane Exchange, NME) 进行了长达16个月的连续监测，获得了时间分辨率为30分钟的高频通量数据。这项研究旨在定量比较清除前后CH₄通量时间变异性 (temporal variability) 的差异，并评估CH₄通量对潮汐活动和温度依赖性等关键环境控制因子的响应变化。相关研究成果发表在《Geoderma》期刊上。

研究人员开展此项研究主要依托几项关键技术方法。首先是涡度协方差连续通量观测，使用三维超声风速仪和开路式CH₄分析仪进行高频（10赫兹）原始数据采集，后经坐标旋转、频率响应等校正和质量控制流程，处理得到30分钟净甲烷交换数据。其次是辅助环境因子同步监测，包括光合有效辐射、气温、降雨和地表水位等。在数据分析层面，采用了时间序列分析与统计检验，如将高频数据聚合为日值和月值，使用独立样本t检验分析昼夜差异，通过皮尔逊相关分析探究通量与各环境因子的关系。此外，还进行了平均日变化分析和温度敏感性量化，比较潮汐淹没与暴露条件下的通量差异，并利用指数方程拟合CH₄通量与气温的关系，计算每月温度敏感性系数Q₁₀值。本研究的观测样本来源于福建漳江口红树林国家级自然保护区内的一个盐沼-红树林交错带湿地。

研究结果揭示了清除行动对甲烷排放的多方面深刻影响：

3.1. 甲烷排放的时间变化：研究发现，互花米草清除引发了显著的CH₄脉冲排放。在清除前，日均NME为0.028 ± 0.008 g CH₄m^?2d^-1。而在2022年10月末的集约清除发生后约一个月，排放峰值达到0.764 g CH₄m^?2d^-1，是清除前水平的27.3倍。整个清除后期（近一年）的日均排放量是清除前期的10.6倍。2023年6月末的中等强度清除也引发了第二次排放脉冲。此外，清除后大部分月份的白昼CH₄排放显著高于夜间，排放的日变化 (diel variability) 显著增强，尤其在下午出现更高排放。

3.2. 甲烷排放的环境控制：相关分析表明，无论是清除前后，30分钟尺度上的NME均与地表水位（负相关）和气温（正相关）显著相关。平均日变化分析显示，潮汐淹没条件下的CH₄排放始终显著低于暴露条件，且清除后的这种差异更为巨大。研究清晰观测到了潮汐抽吸效应：在潮水退去、湿地由淹没转为暴露的瞬间，CH₄通量会急剧飙升。这种抽吸效应在清除事件后的两个月内尤为强烈，清除后暴露初期的通量可达淹没末期的4.6至9.9倍，远高于清除前的2.0至3.4倍。在温度依赖性方面，清除后，每日NME与气温呈显著相关的天数比例从清除前的27.1%升至48.9%，且相关性总体更强。更重要的是，温度敏感性显著增强：清除前每月的Q₁₀值接近1（1.01–1.13），而清除后Q₁₀值范围扩大至1.46–3.30，平均为清除前水平的2.39倍。

研究结论与讨论部分系统阐释了上述发现的机制与意义。清除后产生CH₄脉冲排放的主要原因在于：机械清除（刈割加翻耕）埋入土壤的大量植物残体为产甲烷菌提供了丰富的易分解有机质；土壤扰动改变了微生物群落结构，利于快速生长的分解者；机械压实形成了更稳定的厌氧环境，促进了产甲烷过程。清除行动增强了潮汐对甲烷排放的调控作用。潮汐淹没一方面抑制CH₄向大气的释放，导致短期累积；另一方面，退潮时的抽吸效应会促进孔隙水中过饱和CH₄以气泡形式爆发式释放。清除后植物根系通气组织介导的运输途径消失，气泡释放可能成为主要排放途径，从而放大了潮汐抽吸的效应。清除行动还提高了甲烷排放的温度敏感性。这很可能与清除后土壤中易分解有机质底物突然增加有关，因为底物有效性是调节CH₄排放温度敏感性的关键因素。另一种可能原因是，清除降低了根际氧含量和CH₄氧化作用，使得白昼较高温度对产甲烷过程的刺激作用在净排放中更为主导，从而增大了排放的日变化。

该研究具有重要的科学意义与实践启示。它首次利用高频连续观测数据，实证揭示了高强度互花米草清除短期内会显著增加CH₄排放的强度、日变化及对环境因子的敏感性。这警示我们，生态修复工程在带来长期收益的同时，也可能产生短期、高强度的温室气体排放代价，这种“脉冲效应”有可能抵消部分蓝碳效益。研究表明，传统低频采样（如箱式法）难以捕捉此类干扰下的强烈通量动态，凸显了涡度协方差等技术在评估人为干扰生态效应中的不可替代价值。在全球变暖背景下，清除后增加的CH₄排放温度敏感性意味着未来气候变暖可能诱发更强烈的排放。因此，在规划和评估大型生态修复工程时，必须将整个土地利用变化过程中的温室气体通量变化纳入综合考量，以更全面、准确地评估其净气候效益，避免产生意想不到的环境风险。未来仍需更长期的连续观测，以进一步评估清除后土壤CH₄生物地球化学过程是否存在“ regime shift (状态转变) ”及其长期演变趋势。