三江平原泥炭沼澤濕地N2O排放通量及影響因子

朱曉艷 ,宋長(zhǎng)春 ,郭躍東 ,石福習(xí) ,王麗麗 (.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,吉林 長(zhǎng)春3002；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 00049)

N2O是3種溫室氣體中(CO2、CH4和N2O)中壽命最長(zhǎng)的(可達(dá) 114年),并且其增溫潛勢(shì)在100年時(shí)間尺度上是CO2的大約298倍[1].N2O不僅能與平流層中的O3分子發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)從而使臭氧層遭到破壞[2],而且N2O的排放與大氣酸沉降息息相關(guān)[3].IPCC報(bào)告[1]指出,目前大氣層中N2O濃度相對(duì)于工業(yè)革命之前已經(jīng)增加了44×10-9(17%), 2005 年已經(jīng)增加到 319×10-9.如果N2O增加一倍將會(huì)導(dǎo)致全球氣溫升高0.44oC,O3量減少 10%,從而使地球接收的紫外輻射增加20%.因此,N2O對(duì)全球氣候及環(huán)境的影響是長(zhǎng)期和潛在的[4].

北半球中高緯地區(qū)泥炭沼澤濕地對(duì)全球氣候變化表現(xiàn)出較高的敏感性和不確定性[5],在控制和調(diào)節(jié)大氣中的溫室氣體濃度方面發(fā)揮著重要的作用.由于較低的溫度和過(guò)濕的環(huán)境, 濕地土壤儲(chǔ)存著大量的有機(jī)碳和氮,成為潛在的 N2O弱的排放源或匯[6].雖然,不同類型的沼澤濕地影響N2O排放的因子不同,但是土壤水分和土壤溫度是影響 N2O排放的主要控制因素[6-12].當(dāng)土壤中有機(jī)碳和無(wú)機(jī)氮含量充足時(shí),土壤充水孔隙率控制著 N2O的排放[9],并且水位降低能夠促進(jìn)N2O排放[10];然而,Lohila等[11]通過(guò)對(duì)芬蘭北部礦養(yǎng)沼澤研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)水位低于 2.3cm 時(shí)出現(xiàn)了N2O的吸收現(xiàn)象,原因可能是當(dāng)土壤中的NO3-缺乏時(shí),大氣中的N2O被吸收到土壤中充當(dāng)電子載體.N2O排放通量季節(jié)變化模式隨沼澤濕地沉積物土壤的升溫而變化,表明土壤溫度對(duì)于N2O的排放具有重要影響[12].此外,植物體[13]、外源N輸入[11,14]、pH 值[15-16]以及土壤 Eh[17-18]等都會(huì)對(duì)N2O的排放產(chǎn)生重要影響.

三江平原是我國(guó)淡水沼澤濕地分布最為集中的地區(qū),該區(qū)沼澤濕地面積大約為10400km2[19],且根據(jù)有無(wú)泥炭的積累,可分成泥炭沼澤和潛育沼澤,其中泥炭沼澤面積 243km2,均屬草本泥炭[20].以往對(duì)三江平原沼澤N2O排放的研究多集中于不同植被類型的潛育沼澤[13,18-19,21-22].據(jù)悉,目前仍未有對(duì)該區(qū)泥炭沼澤濕地溫室氣體排放進(jìn)行相關(guān)的觀測(cè)和研究.鑒于此,本研究運(yùn)用改善的靜態(tài)暗箱-氣相色譜法對(duì)三江平原泥炭沼澤濕地植物生長(zhǎng)季N2O排放通量特征和關(guān)鍵影響因素進(jìn)行初步研究.本文的研究結(jié)果將彌補(bǔ)該區(qū)泥炭沼澤濕地N2O排放通量觀測(cè)數(shù)據(jù)的空白,從而進(jìn)一步縮小對(duì)區(qū)域乃至全國(guó)溫室氣體排放通量評(píng)估的誤差.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于中國(guó)科學(xué)院三江平原沼澤濕地生態(tài)試驗(yàn)站的西南方向約 38km野外試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)(47°29′N, 133°21′E, 56m a.s.l.).試驗(yàn)場(chǎng)所處地區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候, 年均氣溫為 2.52℃,年均降水為 558mm,并且具有較大的時(shí)空變異規(guī)律[18].該區(qū)屬于季節(jié)性凍融區(qū),每年的10月末到次年的4月初土壤和水分完全凍結(jié)[19].本區(qū)泥炭沼澤最早形成于早全新世初期,具有連續(xù)性,并且長(zhǎng)期處于低位發(fā)育階段[23].泥炭層的厚度在30cm以上.優(yōu)勢(shì)種為毛苔草(Carex lasiocarpa),蓋度為 75%～95%,其次為狹葉甜茅(Glyceria spiculosa),蓋度為10%～20%.伴生種有烏拉苔草(Carex meyeriana),睡蓮(Nymphaea tetragona),驢蹄草(Caltha palustris),苔蘚植物(Bryophyte)等,蓋度不到 1%.土壤剖面上層為草根層,中間為海綿狀的泥炭層,下層為透水性差的潛育層.具體土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1.

表1 三江平原泥炭沼澤濕地土壤基本理化性質(zhì)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Table 1 Soil physical and chemical characteristics in the peatland of the Sanjiang Plain (Mean ± SE)

1.2 氣體采集與分析

氣體排放通量觀測(cè)(2012年5月中旬至10月中旬)采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法,采樣頻率為間隔4d.試驗(yàn)包括有植被和去除植被兩種處理,每種處理各4個(gè)重復(fù).取樣前將規(guī)格為0.5×0.5×0.2m不銹鋼底座插入土壤中 20cm,整個(gè)生長(zhǎng)季底座放在試驗(yàn)地不動(dòng)以保證對(duì)底座內(nèi)部植被和土壤的干擾最小.采樣箱規(guī)格和操作規(guī)范參照文獻(xiàn)[19].為了減少采樣時(shí)對(duì)基座和周圍環(huán)境的擾動(dòng),各個(gè)觀測(cè)采樣點(diǎn)架設(shè)了采樣棧橋.與以前該區(qū)氣體采集相比[13-14,18-19],本研究進(jìn)行一些改善.例如,在采樣箱的頂端根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速和采樣箱體積安裝了平衡管.平衡管采樣時(shí)打開,采樣間隔時(shí)關(guān)閉[24].此外,氣體采集過(guò)程中每間隔8min采集5個(gè)氣體樣品.

所采集氣體樣品在 4h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室用HP4890氣相色譜儀分析 N2O濃度.所有觀測(cè)數(shù)據(jù)均在 R2>0.87(n=5)的情況下,只有 4次觀測(cè)值有效時(shí),R2>0.94;或只有 3次濃度觀測(cè)值有效時(shí),R2>0.996,才視為有效,否則舍棄.N2O通量速率根據(jù)箱內(nèi)氣體濃度隨時(shí)間變化的斜率來(lái)計(jì)算.具體詳細(xì)計(jì)算公式參照文獻(xiàn)[25].

1.3 環(huán)境因子測(cè)定

每次觀測(cè)時(shí)同步測(cè)定相關(guān)環(huán)境因子,用便攜式數(shù)字溫度計(jì)(JM624, Jinming Instrument CO.,Tianjing, China)測(cè)定箱內(nèi)和箱外溫度.不同深度(5, 10, 15, 20, 25cm)的土壤溫度通過(guò)特制的高精度地溫計(jì)(分度值為 0.2℃)進(jìn)行測(cè)量.采用鋼釬測(cè)量融深,在采樣箱附近通過(guò)直尺測(cè)定水位深度.10cm處土壤的體積含水量采用 TDR(Trime-PICO32, IMKO Co., Germany)進(jìn)行測(cè)量.所有環(huán)境因子的測(cè)定在采樣箱附近0.5m以外,避免對(duì)采樣箱底座內(nèi)土壤和植被造成影響.

每?jī)芍苓x取3個(gè)0.5m×0.5m草本樣方,收獲樣方內(nèi)所有草本地上部分,帶回實(shí)驗(yàn)室在80oC烘干至恒重測(cè)定地上生物量.植被株高每次采集氣體樣品時(shí)通過(guò)直尺測(cè)量.

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

運(yùn)用SPSS16.0逐步回歸分析影響N2O排放通量的主控環(huán)境影響因子;運(yùn)用線性和非線性回歸分析N2O排放通量與水位和不同深度土壤溫度的關(guān)系;通過(guò)重復(fù)測(cè)量方差,分析植被去除與否對(duì)N2O排放通量的影響.運(yùn)用SigmaPlot 11.0軟件進(jìn)行繪圖.

2 結(jié)果與討論

2.1 N2O排放季節(jié)動(dòng)態(tài)

圖1 2012年植物生長(zhǎng)季排放有植被和無(wú)植被N2O季節(jié)動(dòng)態(tài)以及與各環(huán)境要素關(guān)系Fig.1 The seasonal variation of N2O fluxes with or without plants and environmental variables

三江平原毛苔草泥炭沼澤濕地 N2O排放通量的季節(jié)性動(dòng)態(tài)變化特征明顯,呈現(xiàn)波動(dòng)性單峰型變化趨勢(shì)(圖1).觀測(cè)期間,N2O通量隨水位的波動(dòng)而波動(dòng),排放趨勢(shì)呈跳躍狀,與水位的變化此消彼長(zhǎng),變化范圍為 5.92～180.38μg/(m2·h),最大值出現(xiàn)在 7月中旬,最小值出現(xiàn)在生長(zhǎng)季末,平均通量為(76.77±74.89)μg/(m2·h).這表明,三江平原毛苔草泥炭沼澤濕地生長(zhǎng)季是N2O的排放源.

三江平原毛苔草泥炭沼澤濕地N2O排放季節(jié)變化規(guī)律主要是由于影響N2O排放的環(huán)境因子季節(jié)動(dòng)態(tài)明顯.該區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,降水集中于春季和秋季,夏季高溫少雨,土壤季節(jié)性凍融,加之纖維狀的草本泥炭孔隙度大,吸水滲透能力強(qiáng)[26],對(duì)水分和氣溫的季節(jié)性變化敏感,使得毛苔草泥炭沼澤濕地N2O排放季節(jié)性變化明顯.

2.2 N2O排放通量與各環(huán)境要素的關(guān)系

通過(guò)對(duì)各環(huán)境因子(水位、土壤10cm體積含水量、不同深度土壤溫度、植物株高、地上生物量和土壤融深)與 N2O排放通量逐步回歸分析,表明影響N2O排放季節(jié)動(dòng)態(tài)的最主要控制因素是土壤溫度(10cm)和土壤水分.

2.2.1 土壤溫度對(duì)N2O排放通量的影響 曲線回歸分析表明,各層土壤溫度與N2O排放通量之間存在極顯著指數(shù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),并且隨著土壤深度的增加,土壤溫度對(duì)N2O排放通量的影響程度下降,各回歸方程如表2所示.10℃以下,加上秋雨頻繁,使得 N2O 排放出現(xiàn)最小值.Lohila等[11]研究發(fā)現(xiàn)植物生長(zhǎng)季N2O排放與土壤溫度(7cm)呈現(xiàn)正的指數(shù)相關(guān).本研究也發(fā)現(xiàn)N2O排放與表層土壤溫度相關(guān)性更高,當(dāng)土壤深度在 10cm 以下時(shí),隨著土壤深度的不斷增加,這種關(guān)系逐漸減弱(表 2),原因可能是表層土壤有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)氮含量高,并且植物根系大多分布于表層,根系分泌物多,硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌活性強(qiáng);此外,表層土壤可以更好的吸收大氣中N沉降[10,29-30].

表2 N2O排放通量與不同深度土壤溫度的關(guān)系Table 2 Relationship between N2O fluxes and soil temperature at different soil depths

土壤溫度對(duì)產(chǎn)生N2O的生物學(xué)過(guò)程有著十分重要的影響,通過(guò)影響硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的活性間接影響N2O的產(chǎn)生速率[27].鄭循華等[28]研究表明,太湖地區(qū)稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)大部分N2O是在15～25℃范圍內(nèi)產(chǎn)生,只有不到6%是在30℃以上或10℃以下產(chǎn)生.試驗(yàn)觀測(cè)初期土壤溫度隨氣溫逐漸升高,此時(shí)硝化和反硝化細(xì)菌數(shù)量可能增多,活性可能增強(qiáng),并且植物生長(zhǎng)代謝旺盛,促進(jìn)N2O的產(chǎn)生與排放,因此N2O排放呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì)(圖1).這表明在適宜的土壤水分條件和一定溫度范圍內(nèi),N2O排放隨土壤溫度的上升而增加.而在生長(zhǎng)季末,由于土壤溫度降到

2.2.2 土壤水分對(duì)N2O排放通量的影響 土壤中硝化-反硝化作用的強(qiáng)弱直接影響著 N2O通量[27].濕地土壤水分直接關(guān)系到土壤通氣狀況和O2含量,在通透性良好條件下,硝化過(guò)程占主導(dǎo)優(yōu)勢(shì);在土壤長(zhǎng)期積水或通透性較差的情況下,反硝化過(guò)程通常是 N2O 的主要來(lái)源[18].因此,土壤水分通過(guò)影響土壤中 O2含量直接影響著硝化-反硝化作用,從而間接對(duì)N2O產(chǎn)生造成影響.土壤含水量過(guò)低或者土壤持續(xù)淹水都不利于硝化及反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng),7月中旬高溫少雨,可能此時(shí)的水位和微域環(huán)境最有利于硝化和反硝化作用的進(jìn)行,因而此時(shí)出現(xiàn)最高排放值.

由圖 2可見(jiàn),N2O與水位呈極顯著(P<0.01)線性負(fù)相關(guān),這種關(guān)系已經(jīng)被眾多的研究所證實(shí)[6,31].Rudaz等[32]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)土壤含水量處于飽和含水量以下時(shí),N2O與土壤水分呈現(xiàn)正相關(guān);處于飽和含水量以上時(shí),二者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān).可見(jiàn)土壤含水量不同,二者呈現(xiàn)的關(guān)系不同,本研究中的泥炭地土壤含水量遠(yuǎn)在飽和含水量之上,因此當(dāng)夏季水位下降時(shí),N2O排放量增加,呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系.Regina等[6]也發(fā)現(xiàn),不管何種原因引起的水位下降都會(huì)促進(jìn)N2O的排放.但是如果土壤嚴(yán)重缺氧,反硝化過(guò)程就會(huì)促進(jìn)N2O進(jìn)一步還原生成N2,因此只有當(dāng)O2適量(約為0.5%),才能產(chǎn)生較高的N2O/N2比率[11].

圖2 N2O排放通量與水位的關(guān)系Fig.2 Relationship between N2O fluxes and water table depth

2.2.3 植被對(duì)N2O排放通量的影響 運(yùn)用重復(fù)測(cè)量方差分析發(fā)現(xiàn),有植被參與下的 N2O 排放通量均高于無(wú)植被參與的(圖 3),前者是后者的1.7倍,并且二者存在極顯著差異(F=25.098, P<0.01).由圖1可以看出,大量N2O的排放及排放高峰期均在植物生長(zhǎng)期內(nèi),說(shuō)明植被的存在促進(jìn)了N2O的排放,植物體本身直接或間接參與了 N2O的排放.首先,植物根系及根系分泌物影響產(chǎn)生N2O的微生物過(guò)程,特別是根系對(duì)離子的吸收和分泌有機(jī)酸,使根際土壤 pH值發(fā)生改變,從而影響硝化和反硝化過(guò)程[27];其次,植物可以通過(guò)根系呼吸消耗土壤中的 O2,有利于反硝化作用進(jìn)行[11];第三,植物特別是維管束植物可以通過(guò)植物組織的生理反應(yīng)排放N2O.例如,Martin等[33]研究發(fā)現(xiàn)許多濕地植物都具有較高的蒸騰作用,可把水體中的NO3-輸送到土壤厭氧層中,從而促進(jìn)了反硝化作用的發(fā)生.但是,濕地植被到底如何促進(jìn)N2O的排放以及其影響機(jī)理問(wèn)題還需要進(jìn)一步探討.

圖3 有植被和無(wú)植被N2O排放對(duì)比Fig.3 Comparation between N2O emission with plants and without during the growing seasons

2.3 泥炭沼澤濕地與潛育沼澤濕地N2O排放通量比較

對(duì)三江平原泥炭沼澤濕地生長(zhǎng)季 N2O排放總量進(jìn)行估算[34]大約為 7.29×1010mg/a,即為72.9Mg/a,表明毛苔草泥炭沼澤是三江平原沼澤濕地N2O通量的潛在排放源.

式中:F為三江平原泥炭沼澤濕地植物生長(zhǎng)季N2O排放總量,μg/a;Ci為植物生長(zhǎng)季各月N2O排放通量平均值;hi為各月的總小時(shí)數(shù),h;M 為三江平原泥炭沼澤濕地面積,m2.

同該區(qū)生長(zhǎng)季潛育沼澤濕地已有研究相比,毛苔草泥炭沼澤濕地N2O平均排放通量明顯高于毛苔草潛育沼澤濕地[20～60μg/(m2·h),2002～2005表3],與小葉章潛育沼澤濕地個(gè)別年份差異不大(表 3).這主要是因?yàn)橄鄬?duì)于以往年份,2012年生長(zhǎng)季降水年內(nèi)變異和月內(nèi)變異大,水位的頻繁波動(dòng)使得硝化作用和反硝化作用交替出現(xiàn),加劇了N2O的產(chǎn)生.其次,泥炭沼澤濕地土壤容重小,草本泥炭質(zhì)地海綿狀,孔隙度大,土壤吸水能力和滲透能力強(qiáng)[25].當(dāng)水位下降時(shí),泥炭沼澤滲透 O2的能力也比較強(qiáng),土壤中的 O2含量增加,對(duì)硝化和反硝化作用均有利,導(dǎo)致 N2O 排放升高.此外,泥炭沼澤濕地由于土壤有機(jī)質(zhì)含量豐富,使得植物地上生物量大于潛育沼澤濕地(數(shù)據(jù)未顯示),更多的生物量為N2O通量提供了更多的基質(zhì)和排放通道,促進(jìn)了N2O產(chǎn)生和排放.由于本研究只是對(duì)N2O排放的初步研究,有關(guān)三江平原泥炭沼澤濕地和潛育沼澤濕地溫室氣體排放差異的詳細(xì)研究還有待于進(jìn)一步進(jìn)行長(zhǎng)期野外對(duì)比觀測(cè).

表3 三江平原植物生長(zhǎng)季N2O排放與已有研究比較Table 3 The N2O fluxes studied in growing season of the Sanjiang Plain and cornparisons with other research

3 結(jié)論

3.1 在植物生長(zhǎng)季,三江平原毛苔草泥炭沼澤濕地N2O的排放通量變化范圍為5.92～180.38μg/(m2·h),最大值出現(xiàn)在 7月中旬,最小值出現(xiàn)在生長(zhǎng)季末,整體平均通量為(76.77±74.89)μg/(m2·h),高于該區(qū)毛苔草潛育沼澤N2O的排放通量.

3.2 回歸分析表明,土壤溫度和土壤水分是制約N2O排放的主要環(huán)境因子.此外,有植物參與的N2O排放量是無(wú)植被的 1.7倍,表明植物體參與了N2O排放并對(duì)其產(chǎn)生重要影響.

3.3 通過(guò)對(duì)該區(qū)泥炭沼澤濕地生長(zhǎng)季N2O排放總量進(jìn)行初步估算,每年植物生長(zhǎng)季N2O排放總量大約為72.9Mg,表明毛苔草泥炭沼澤是三江平原沼澤濕地N2O通量的潛在排放源.

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