青藏高原大气CH_4源汇及其浓度时空变化特征研究进展_王逸凡.pdf

第 45 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.45，No.1Feb.，2023冰川冻土JOURNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCRYOLOGY青藏高原大气CH4源汇及其浓度时空变化特征研究进展王逸凡1，2，高晶2，胡迈3，姚檀栋2，牛晓伟2，赵爱斌2，申子恒1，2（1.兰州大学 资源环境学院，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院 青藏高原研究所，北京 100101；3.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033）摘要：甲烷（CH4）是仅次于二氧化碳（CO2）的重要温室气体。随着青藏高原气候的暖湿化，整个高原将可能成为一个潜在的碳源，要实现 巴黎协定 的1.5 和 2 温控目标，需要准确估算未来剩余的碳排放空间。因此，准确地认识青藏高原大气CH4的源汇特征、时空变化过程及机理，对预测及应对变暖，帮助政府做出科学的节能减排决策具有重要的现实意义。本文从大气CH4的观测方法、源和汇、CH4浓度的时空分布特征3个方面总结了青藏高原已有大气CH4的研究进展，结果表明：目前，青藏高原大气CH4观测主要有地基观测和卫星遥感，缺少空基观测，在卫星产品中，AIRS的CH4浓度数据质量最好；青藏高原大气CH4以自然来源为主，可以确定的主要来源有湿地、湖泊和畜牧业，地质活动、植被和多年冻土是否是CH4的主要源还存在争议；吸收汇主要是对流层的OH自由基和高山草甸；青藏高原CH4浓度的季节分布呈单峰特征，夏季最高，CH4浓度的增减与亚洲夏季风的进退同步；青藏高原CH4浓度年均增长约为58 ng g-1，大于周边地区；青藏高原近地面的CH4高值出现在中部，从地面到对流层顶CH4浓度逐渐减小，但高原东部和北部减小幅度大于西南部。未来应加强大气CH4三维连续观测，改进卫星反演算法和源汇解析模型，准确量化青藏高原大气CH4时空变化过程，揭示其变化机理，以期为未来高效减排政策提供科学依据。关键词：青藏高原；CH4的时空分布；CH4的源和汇；大气CH4影响因素中图分类号：P412.1；P412.2 文献标志码：A 文章编号：1000-0240（2023）01-0001-170 引言 工业革命以来，温室气体的大量排放促进了全球变暖，带来海平面上升、南北极和高山冰雪融化、灾害性天气频发等一系列环境问题。二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）是3种最重要的温室气体。虽然 CH4在大气中的相对浓度不到CO2的1%，但单个CH4分子对红外线的吸收能力是CO2的28倍1。CH4在大气中的寿命为11.8年，其20 年全球增温势（GWP）是 CO2的 82.5 倍，百年GWP是CO2的29.8倍（表1），是具有快速增温效应的短寿命强势温室气体。CH4产生的温室作用占总温室效应的20%，被认为是仅次于水汽和CO2的重要温室气体2。通常使用CH4浓度和通量两个指标描述甲烷变化量。浓度表示CH4在大气中的体积分数，常用ng g-1表示；通量表示单位时间内流经单位面积的CH4质量，用来描述CH4的传输强度。IPCC第6次评估报告指出，工业革命以来，CH4浓度迅速增 加，从 1750 年 的 772 ng g-1增 长 到 2019 年 的1 866 ng g-1，增长率为241%。目前，全球CH4浓度仍以约4 ng g-1 a-1的速率增长，是增长速率最快的重要温室气体3。大气CH4浓度的上升与全球变暖的作用是相互的，一方面，CH4浓度上升会加剧温室效应；另一方面，全球变暖引发的环境变化也改变DOI：10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0001WANG Yifan，GAO Jing，HU Mai，et al.The source and sink of atmospheric methane and spatial-temporal variation of its concentration on the Qinghai-Tibet Plateau J.Journal of Glaciology and Geocryology，2023，45（1）：1-17.王逸凡，高晶，胡迈，等.青藏高原大气CH4源汇及其浓度时空变化特征研究进展 J.冰川冻土，2023，45（1）：1-17.收稿日期：2022-03-10；修订日期：2022-09-17基金项目：第二次青藏高原综合科学考察研究项目（2019QZKK0208）；国家自然科学基金项目（41922002）资助作者简介：王逸凡，硕士研究生，主要从事大气甲烷浓度变化与机制研究.E-mail：45 卷冰川冻土着地表环境和生物化学过程，造成CH4排放通量增加。在2018年IPCC发布的特别报告中指出，由于预计的化石燃料碳排放量已超过剩余碳预算的三分之二，所以非CO2温室气体特别是CH4的深度减排是将全球升温控制在1.5 以下的必要条件4。青藏高原拥有中国最大面积的湿地和多年冻土，二者作为重要的碳库对气候变化十分敏感。目前，青藏高原正以超过全球升温率2倍的速度快速变暖5，导致高原上的湿地和冻土都发生了显著变化，这势必影响着青藏高原CH4浓度的时空分布和变化过程。青藏高原CH4的时空变化研究可追溯至1997年，姚檀栋等6分析了喜马拉雅山中段达索普冰芯包裹气体中的CH4含量，发现过去2000年来青藏高原大气CH4浓度与升温、降温事件有很好的对应关系，并从工业革命前至今增长了近1.5倍。近年来，大量研究表明：湿地、湖泊、畜牧是青藏高原大气CH4的重要来源。在全球变暖的背景下，青藏高原不断暖湿化7，气候变暖改变了产CH4微生物菌群的活性，降水增加加大了土壤含水量，扩大了湖泊面积，从CH4的产生和氧化两方面加大了排放通量7。气温升高还会导致多年冻土融化塌陷形成热融湖塘，或者发生热融滑塌、热喀斯特地貌形成，显著影响青藏高原CH4的收支8。有研究通过卫星遥感发现 20032016年青藏高原上空 CH4浓度年均增长率达58 ng g-1，显著高于周边地区9。尽管目前青藏高原被认为是CH4的净汇10，但如果变暖和变湿持续下去，整个高原将成为一个不断增加的碳源11。因此，厘清青藏高原大气CH4的源、汇及其浓度的时空变化，对预测全球变暖，做出科学的节能减排决策具有非常重要的意义。1 青藏高原大气CH4的观测方法 目前，青藏高原CH4的观测可分为地基观测、空基观测和卫星遥感反演三类，各有其优势和不足列于表2。CH4的浓度观测三类方法均可实现，通量观测主要采用地基观测和卫星遥感。地基观测数据容易获取，可用于特定地点的CH4通量和浓度变化研究，但空间局限性较大；空基观测借助于飞机、系留球等平台，能够实现对流层中上层CH4浓度的短期观测，但探测成本高昂，难以进行长期连续探测；卫星遥感通常使用红外遥感，拥有探测范围广、时间序列长等优点，是一种全球尺度的宏观观测方法，但由于星载传感器空间分辨率和反演算法的差异，数据精确度需要通过原位观测进一步验证。1.1地基观测青藏高原CH4的地基观测包括地表通量观测和近地面浓度观测，数据容易获取且瞬时性强，为系统性研究CH4等温室气体浓度的动态变化规律和源汇机制提供了有效的观测资料。CH4地表通量观测的常用方法有静态箱法（叶表2 CH4的三类观测方法比较Table 2 Comparison of three kinds of methane observation methodsCH4的观测方法地基观测空基观测卫星遥感观测时间长期连续短期不连续长期连续观测空间定点观测垂直廓线几乎覆盖全球观测成本较低较高很高数据精度高高有待验证观测类型浓度和通量浓度浓度和通量表1 各种温室气体的全球增温势3Table 1 Global warming potential of various greenhouse gases3温室气体CO2CH4（含化石燃料）CH4（不含化石燃料）N2OHFC-32CFC-11PFC-14在大气中的存留时间/a20011.81.811.81.8109105.41.152.010.45104辐射效率1.330.1610-55.71.410-45.71.410-42.81.110-31.10.210-12.910.6510-19.890.1910-2GWP-20182.525.880.825.82731182 6938428 3212 4195 3011 395GWP-100129.81127.2112731307712926 2262 2977 3802 430GWP-500110.03.87.33.813064220872 09386510 5873 692注：HFC-32、CFC-11、PFC-14分别是二氟甲烷（CH2F2）、三氯一氟甲烷（CCl3F）、四氟化碳（CF4）的化学简称；GWP-20、GWP-100、GWP-500分别表示20年、100年和500年的全球增温潜势。Note：HFC-32，CFC-11 and PFC-14 are chemical abbreviations of difluoromethane（CH2F2），trichlorofluoromethane（CCl3F）and carbon tetrafluoride（CF4），respectively；GWP-20，GWP-100 and GWP-500 represent the global warming potential in 20，100 and 500 years，respectively.21 期王逸凡等：青藏高原大气CH4源汇及其浓度时空变化特征研究进展室法）和涡度协方差法。静态箱法原理是通过测量一个箱体内待测气体浓度随时间的变化率来计算气体的释放通量。该方法常用于测量湿地、水体、草场等不同下垫面温室气体通量。静态箱是一个密封的无底箱体，通常由不锈钢、有机玻璃等坚固、稳定的材料制成。如果待测下垫面为水体、湿地，可在静态箱底部加一圈浮板12；如果待测下垫面为旱地，静态箱底部为一个地箱13。与静态箱法需要较多人工投入相比，涡度协方差法可以在不干扰环境条件的情况下实现对CH4通量的长期、连续、高精度的自动化观测14。使用静态箱法研究青藏高原 CH4通量始于1996年。林清等15使用有机玻璃静态箱在青海五道梁采集了冻土活动层表面气体样本，埋箱后第5天开始，每天在08：00、14：00、20：00（北京时，下同）各使用针管吸取箱内气体一次，随后运回实验室，用Mat-271气体质谱仪测定了CH4浓度。随后，Cao等16、魏达等17、郭小伟等18分别在西藏纳木错和青海皇城乡用静态箱收集气体的方法研究了高寒草原 CH4通量。这些研究结果均表明高寒草甸是CH4的汇。2018年，张舜尧等19在祁连山南麓的木里镇使用与基于光腔衰荡光谱技术（CRDS）的G2132i型甲烷碳同位素分析仪连接的静态箱，实现了对箱内甲烷稳定碳同位素含量的实时监测，得出了青藏高原冻土区湿地近地表生物成因CH4占比下降，热成因 CH4占比上升的结论。2020 年，Wang等20使用漂浮静态箱在青藏高原G109沿线观测了多个热融湖塘的 CH4通量，得出冒泡是热融湖塘CH4排放的主要方式。涡度协方差法在青藏高原CH4通量研究的应用相对较晚，2011年，Song等21使用此方法对青海海北州乱海子高山草原进行了2年CH4通量观测，提出非生长季湿地对CH4排放的重要贡献；之后涡度协方差法还应用于川西高原泥炭地和高山草原CH4通量的测量22-23。近地面大气CH4浓度观测可获取大气CH4的绝对含量，与通量观测共同反映了地表CH4变化过程，主要在地面大气观测台站进行长期连续观测。青海的瓦里关全球大气本底站是首个青藏高原地区的大气 CH4浓度观测站，早期使用人工观测方法，2008 年以后开始使用基于光腔衰荡光谱技术（CRDS）的CH4连续、高精度观测技术。人工观测方法是每周使用便携式采样器和flask硬质玻璃瓶采集一次大气样品，在实验室使用气相色谱-火焰化离子检测法（GC-FID）分析得到