閩江口不同沼澤植被帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力的溫度敏感性

楊 平，何清華，仝 川（1.濕潤亞熱帶生態(tài)-地理過程教育部重點實驗室，福建 福州 350007；2.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007；3.福建師范大學(xué)地理研究所，福建 福州 350007；4.福建師范大學(xué)亞熱帶濕地研究中心，福建 福州 350007）

閩江口不同沼澤植被帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力的溫度敏感性

楊 平1，2，何清華1，2，仝 川1，3，4*（1.濕潤亞熱帶生態(tài)-地理過程教育部重點實驗室，福建 福州 350007；2.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007；3.福建師范大學(xué)地理研究所，福建 福州 350007；4.福建師范大學(xué)亞熱帶濕地研究中心，福建 福州 350007）

2012年2月采集閩江河口鱔魚灘短葉茳芏（Cyperus malaccensis），蘆葦（Phragmites australis）和互花米草（Scirpus alterniflora） 3個典型潮汐沼澤植被帶0～30cm（間隔5cm）土壤樣品，在不同溫度（10，20和30℃）進行15d室內(nèi)厭氧培養(yǎng)實驗，探討河口區(qū)不同沼澤植被帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力及其溫度敏感性（Q10值）的特征.結(jié)果表明，指數(shù)模型較好地擬合不同沼澤植被帶土壤甲烷產(chǎn)生與溫度的相關(guān)關(guān)系；溫度由10℃升至20℃時，3個沼澤植被帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力Q10值的均值分別為5.04，14.92和14.81，最大值均在培養(yǎng)期間的第13～15d分別出現(xiàn)于10～15cm，15～20cm和20～25cm三個土層；溫度由20℃升至30℃時，3個沼澤植被帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力Q10值的均值分別為3.56，4.99和3.43，最大值分別在培養(yǎng)期間的第4～6d，第4～6d和第7～9d出現(xiàn)于0～5cm，0～5cm和15～20cm三個土層；植被類型和土壤深度對甲烷產(chǎn)生潛力及Q10值均具有顯著的影響（P＜0.05）.

甲烷產(chǎn)生潛力；溫度敏感性；Q10值；植被類型；潮汐濕地；閩江河口

甲烷作為僅次于二氧化碳的重要溫室氣體，在100年時間尺度內(nèi)其增溫潛勢是二氧化碳的25倍［1］，對全球氣候變暖的貢獻率達20%左右［1-2］.甲烷排放，時空變化規(guī)律及產(chǎn)生機制日益受到科學(xué)界的重視［3-6］.濕地是大氣中甲烷主要的自然排放源.據(jù)統(tǒng)計，全球天然濕地甲烷年排放量約100～250Tg［7-9］，占甲烷總排放量的15%～40%［1，9］.目前，國內(nèi)外學(xué)者已對不同濕地生態(tài)系統(tǒng)的甲烷排放特征進行較多研究［5-6，10-11］.濕地甲烷排放是甲烷產(chǎn)生，傳輸和氧化過程綜合作用的結(jié)果，其中甲烷產(chǎn)生是甲烷排放的基本環(huán)節(jié).探討甲烷產(chǎn)生及其對不同環(huán)境因子的響應(yīng)，對于揭示濕地生態(tài)系統(tǒng)甲烷排放的關(guān)鍵機制具有重要意義［12］.

溫度是控制濕地土壤甲烷產(chǎn)生的關(guān)鍵因子［13-14］.在全球變暖背景下，關(guān)于濕地土壤甲烷產(chǎn)生對溫度升高響應(yīng)的問題已引起相關(guān)學(xué)者關(guān)注［14-16］.Valentine等［15］通過“溫度T下的甲烷產(chǎn)生量/溫度（T-10）下的甲烷產(chǎn)生量”簡單的線性關(guān)系直接描述甲烷產(chǎn)生對溫度升高的響應(yīng)（Q10值）.van Hulzen等［16］通過建立模型探討荷蘭Nieuwkoopse Plassen濕地土壤甲烷產(chǎn)生對溫度變化的響應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)土壤甲烷產(chǎn)生的Q10值分為1.1（4～13.5℃）和1.5（13.5～30℃） 2個部分，并指出該種情況與電子受體還原過程持續(xù)時間，產(chǎn)甲烷菌活性及底物有效性等密切相關(guān).Updegraff等［17］對美國明尼蘇達州的濕地研究也發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果，并指出甲烷產(chǎn)生與溫度間呈現(xiàn)指數(shù)式增長關(guān)系.但Frenzel等［18］在芬蘭沼澤的實驗中發(fā)現(xiàn)土壤甲烷產(chǎn)生對溫度的響應(yīng)并非一定是指數(shù)增長模型.Segers［19］對文獻中濕地甲烷產(chǎn)生潛力Q10值進行統(tǒng)計，得出甲烷產(chǎn)生潛力Q10值的平均值為4.1，但是變化幅度很大（1.5～28）.以上關(guān)于濕地土壤甲烷產(chǎn)生對溫度變化響應(yīng)的研究主要聚集在北方濕地，對廣大熱帶和亞熱帶區(qū)域濕地鮮見報道.僅見于Inglett等［14］通過采用Van't Hoff模型擬合甲烷產(chǎn)生潛力與溫度之間的關(guān)系來研究亞熱帶圣約翰河源頭一個濕地甲烷產(chǎn)生的Q10值.

熱帶和亞熱帶區(qū)域濕地面積占全球濕地總面積的30%［14，20-21］.該區(qū)域濕地土壤甲烷產(chǎn)生Q10值的精確量化，對于在區(qū)域和全球尺度上評估濕地甲烷產(chǎn)生潛力對氣候變暖的響應(yīng)顯得尤為重要［14］.本文以地處我國亞熱帶地區(qū)的閩江河口潮汐沼澤濕地為研究對象，采集不同優(yōu)勢沼澤植物群落濕地土壤，測定分析了不同溫度下的土壤甲烷產(chǎn)生潛力及其Q10值，旨在：揭示不同植被帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力的溫度敏感性（Q10）特征；探討植被類型，土壤深度及溫度對濕地土壤甲烷產(chǎn)生潛力及Q10值的影響.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于閩江河口區(qū)面積最大的鱔魚灘濕地（119°34′12″～119°40′40″E，26°00′36″～26°03′42″N），面積3120hm2.該區(qū)域地處中亞熱帶和南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候的過渡區(qū)，溫暖濕潤，干濕季明顯，年平均氣溫19.7℃，年均降水日153d，年均降水量1346mm，降水主要集中于3～9月［22］.研究區(qū)潮汐屬于典型的半日潮，水源包括天然降水，河水和潮水.鱔魚灘濕地主要的優(yōu)勢植物有短葉茳芏（Cyperus malaccensis），蘆葦（Phragmites australis）和外來入侵物種互花米草（Spartina alterniflora），所占比例分別為25，15和60%.本研究位于鱔魚灘濕地的西部，自岸向海方向依次分布著蘆葦沼澤植被帶，短葉茳芏沼澤植被帶和互花米草沼澤植被帶，土壤基本理化性質(zhì)見表1［23］.

表1 研究區(qū)3個沼澤植被帶土壤基本理化特征Table 1 Soil physiochemical properties of three marsh vegetation zones in the Shangyutan wetland in the Min River estuary

1.2 研究方法

1.2.1 土樣采集 3個植被帶群落結(jié)構(gòu)簡單，均為單一種群落.2012年2月中旬，由岸向海方向設(shè)置1個樣線穿過3個植被帶，在每個植被帶內(nèi)的樣線中部每隔10m設(shè)置1個土壤采樣點，每個植被帶共3個土壤采樣點（圖1），每個采樣點3個重復(fù)，每個植被帶9個土芯.用直徑為5.5cm的土鉆取深度為0～30cm土芯，按順序?qū)⑼列痉殖蓪臃謩e代表0～5cm，5～10cm，10～15cm，15～20cm， 20～25cm和25～30cm，共6層（每層3個重復(fù)），分別用I，II，III，IV，V和VI表示.各層土芯以原始形態(tài)直接裝入自制的培養(yǎng)瓶內(nèi)（150mL），帶回實驗室后立即進行室內(nèi)厭氧培養(yǎng)實驗，間隔不超過24h.

圖1 研究區(qū)和采樣點位置Fig.1 Locations of study area and sampling sites

1.2.2 甲烷產(chǎn)生潛力室內(nèi)厭氧培養(yǎng)及測定 每個培養(yǎng)瓶加入20mL去離子水淹沒土樣，再用橡皮塞和704硅膠密封培養(yǎng)瓶口.培養(yǎng)瓶內(nèi)的厭氧環(huán)境通過充入高純氮氣實現(xiàn).3個室內(nèi)厭氧培養(yǎng)溫度分別設(shè)置為10，20和30℃，每個溫度下3個重復(fù)，共培養(yǎng)15d.培養(yǎng)期間，每天采集1次氣樣，每次抽取培養(yǎng)瓶上部3mL氣樣.每次抽完氣體后，重新補上3mL高純氮氣，然后繼續(xù)培養(yǎng).采用氣相色譜儀（日本島津GC-2010）對氣樣進行每天測定1次，每3d計算1次甲烷產(chǎn)生潛力，共5個甲烷產(chǎn)生潛力值.為防止培養(yǎng)瓶內(nèi)甲烷濃度過高而對甲烷產(chǎn)生造成抑制作用，每采集完3次氣樣，用高純氮氣洗氣3～5min.氣相色譜儀甲烷測定檢測器為FID （火焰離子檢測器），載氣為氮氣，流速為30mL/min；氫氣為燃氣，流速為47mL/min；空氣為助燃氣，流速為400mL/min；檢測器溫度為200℃，柱箱溫度為45℃.

1.2.3 甲烷產(chǎn)生潛力計算 濕地甲烷產(chǎn)生潛力計算公式［24］如下：

式中：P為甲烷產(chǎn)生潛力［μg/（g·d）］；dc/dt為培養(yǎng)氣室上部氣相甲烷濃度單位時間的變化率；VH為培養(yǎng)氣室上部氣體體積（L）；WS為干土柱重［即為鮮土體積×容重］（g）；MW為甲烷摩爾質(zhì)量（g/mol）；MV為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體摩爾體積（22.4L/mol）；Tst為標(biāo)準(zhǔn)溫度（K）；T為培養(yǎng)溫度（℃）.

1.2.4 甲烷產(chǎn)生潛力Q10值的計算 采用指數(shù)模型（Van't Hoff模型）來擬合甲烷產(chǎn)生潛力與溫度間的關(guān)系［25-27］：

式中：P為土壤甲烷產(chǎn)生潛力［μg/（g·d）］，T為培養(yǎng)溫度（℃）， a為溫度0℃時的甲烷產(chǎn)生潛力， b為溫度反應(yīng)系數(shù)［26］.

采用修正后的Van't Hoff模型來計算溫度敏感系數(shù)Q10值［14］，公式如下：

式中：k1和k2分別是在T1和T2溫度下的甲烷產(chǎn)生潛力值P.

1.2.5 數(shù)據(jù)處理與分析 采用Excel 2003對原始數(shù)據(jù)進行處理.運用SPSS17.0統(tǒng)計分析軟件中的One-Way ANOVA的LSD檢驗（least significant difference test）分別對同一沼澤植被帶不同深度、不同沼澤植被帶間的土壤甲烷產(chǎn)生潛力及其Q10值進行單因子差異性方差分析.采用單變量多因素分析方法檢驗了植被類型、土壤深度和溫度對土壤甲烷產(chǎn)生潛力的影響（表3）；采用單變量雙因素方差分析法（Two-Way ANOVA）檢驗植被類型、土壤深度對溫度敏感系數(shù)Q10值的影響（表4）；統(tǒng)計檢驗的顯著水平為α=0.05.回歸擬合采用SPSS 17.0中Curve Estimation中的Exponential實現(xiàn)，并結(jié)合Origin 8.0輔助作圖.

不同土層甲烷產(chǎn)生潛力對溫度變化響應(yīng)的分析中，各土層甲烷產(chǎn)生潛力是每層的5個甲烷產(chǎn)生潛力值×3個重復(fù)，每層共15個值.在土壤甲烷產(chǎn)生潛力隨時間變化的分析中，各沼澤植被帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力是5個時段的甲烷產(chǎn)生潛力值×3個重復(fù)，共15個值.文中誤差線均為標(biāo)準(zhǔn)誤差.

2 結(jié)果與分析

2.1 甲烷產(chǎn)生潛力對溫度的響應(yīng)

2.1.1 甲烷產(chǎn)生潛力的土壤剖面特征 短葉茳芏、蘆葦和互花米草沼澤植被帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力最大值出現(xiàn)的土層均隨培養(yǎng)溫度的變化而變化（圖2）.10℃培養(yǎng)條件下，3個沼澤植被帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力最大值分別出現(xiàn)在第IV層［0.181μg/ （g·d）］、第V層［0.144μg/（g·d）］和第VI層［0.437μg/ （g·d）］，對總的甲烷產(chǎn)生潛力的貢獻率分別為28.4， 26.3和39.8%. 20℃培養(yǎng)條件下，3個沼澤植被帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力最大值分別出現(xiàn)在第III層［0.999μg/（g·d）］、第V層［3.340μg/（g·d）］和第V層［4.956μg/（g·d）］的深度，貢獻率分別為48.3，55.0和38.3%.30℃培養(yǎng)條件下，甲烷產(chǎn)生潛力最大值分別出現(xiàn)在第VI層［1.642μg/（g·d）］、IV層［2.294μg/（g·d）］和VI層［3.935μg/（g·d）］的深度，貢獻率分別為38.9，34.5和32.4%.

單因素方差分析顯示，培養(yǎng)溫度為10℃時，短葉茳芏沼澤第IV層土壤甲烷產(chǎn)生潛力顯著高于第I，II和III層 （P＜0.05）；蘆葦沼澤土壤第V層顯著高于第II 和III （P＜0.05），互花米草沼澤第VI層顯著高于第I，II，III，IV，V層（P＜0.05）.20℃時，短葉茳芏沼澤的第III層土壤甲烷產(chǎn)生潛力顯著高于第I，II，IV，VI層（P＜0.05），蘆葦沼澤的第V層顯著高于第I，II，III，VI層（P＜0.05），互花米草沼澤的第V層均顯著高于第I，II，III層（P＜0.05）.30℃時，短葉茳芏沼澤的第VI層土壤甲烷產(chǎn)生潛力均顯著高于第I，II，III層（P＜0.05），蘆葦沼澤第IV層顯著高于第I，II，III層（P＜0.05），互花米草沼澤的第IV，VI層均顯著高于第I，II，III層（P＜0.05） （圖2）.

圖2 不同溫度下3個沼澤植被帶濕地土壤甲烷產(chǎn)生潛力隨深度的變化（15d培養(yǎng)期的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差）Fig.2 Methane production potential in different soil depths in three marsh vegetation zones

2.1.2 甲烷產(chǎn)生潛力隨培養(yǎng)時間的變化 培養(yǎng)溫度為10℃時，3個沼澤植被帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力在培養(yǎng)期內(nèi)一直處于較低水平，平均值分別為0.106，0.091和0.183μg/（g·d），最大值分別出現(xiàn)在培養(yǎng)的第1～3d，10～12d和13～15d.培養(yǎng)期間，土壤甲烷產(chǎn)生潛力在大小順序上表現(xiàn)為互花米草沼澤＞短葉茳芏沼澤＞蘆葦沼澤（P＜0.05）（圖3）.與10℃時相比，20℃培養(yǎng)溫度顯著增加了3個沼澤植被帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力（P＜0.001）.培養(yǎng)期間，各植被帶土壤的甲烷產(chǎn)生潛力均隨著培養(yǎng)時間推移而增加，平均值分別為0.345，1.012和 1.660μg/（g·d），最大值均出現(xiàn)在培養(yǎng)的第13～15d；此外，互花米草沼澤土壤甲烷產(chǎn)生潛力極顯著的高于短葉茳芏沼澤（P=0.003）.與培養(yǎng)溫度為10和20℃時相比，30℃更明顯地增加了各植被帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力，其中30℃時蘆葦沼澤土壤甲烷產(chǎn)生潛力顯著高于10℃（P=0.002）.培養(yǎng)期間，各植被帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力亦均隨培養(yǎng)時間延伸而增加，平均值分別為0.794，1.141和2.021μg/（g·d），最大值亦均出現(xiàn)在培養(yǎng)的第13～15d.培養(yǎng)期間，亦呈現(xiàn)出互花米草沼澤土壤甲烷產(chǎn)生潛力極顯著高于短葉茳芏沼澤（P=0.010）.

圖3 土壤甲烷產(chǎn)生潛力隨培養(yǎng)時間的變化Fig.3 Change of methane production potential in 15 days incubation

2.2 甲烷產(chǎn)生潛力溫度敏感性分析

2.2.1 不同土壤深度的Q10值 不同深度土壤甲烷產(chǎn)生潛力Q10值因植被類型和培養(yǎng)溫度不同而存有差異.培養(yǎng)溫度從10℃升高至20℃時，3個沼澤植被帶土壤剖面甲烷產(chǎn)生潛力Q10值變化范圍分別為0.98～19.93，0.85～42.41和8.57～32.82，平均值分別為5.04，14.92和14.81，最大值分別出現(xiàn)第III層、第IV層和第V層（表2）.培養(yǎng)溫度從20℃升高至30℃時，3個沼澤植被帶土壤剖面甲烷產(chǎn)生潛力Q10值變化范圍分別為0.19～5.75，0.33～10.81和0.85～11.78，平均值分別為3.56，4.99和3.43，最大值分別出現(xiàn)第I層、第I層和第IV層的深度（表2）.

2.2.2 Q10值隨培養(yǎng)時間的變化 培養(yǎng)溫度從10℃升高至20℃時， 3個沼澤植被帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力的Q10值均隨培養(yǎng)時間推移而增大（圖4），并均在第13～15d達到最大值；培養(yǎng)期間只有蘆葦沼澤第13～15d的Q10值顯著高于第1～3d（n=6，P＜0.05）. 該種增溫條件下，互花米草沼澤和蘆葦沼澤土壤甲烷產(chǎn)生潛力Q10值均顯著大于短葉茳芏沼澤（P＜0.05）.培養(yǎng)溫度從20℃升高至30℃時，3個沼澤植被帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力的Q10值分別在培養(yǎng)第4～6d、第4～6d和第7～9d時段達到最大，隨后開始變?。▓D4）.各植被帶不同培養(yǎng)時段土壤甲烷產(chǎn)生潛力Q10值差異性均不顯著（P＞0.05）.該增溫條件下，互花米草沼澤土壤甲烷產(chǎn)生潛力Q10值均要顯著的大于短葉茳芏沼澤和蘆葦沼澤（P＜0.05）.

表2 不同深度土壤甲烷產(chǎn)生潛力與溫度間的指數(shù)擬合關(guān)系及Q10值Table 2 Relationships between soil methane production potential and temperature and Q10values in the different depths

圖4 土壤甲烷產(chǎn)生潛力Q10值的時間變化Fig.4 Variations of Q10values of soil methane production potential in 15 days incubation

3 討論

3.1 植被類型、土壤深度和溫度對土壤甲烷產(chǎn)生潛力的影響

相同培養(yǎng)溫度下，不同種類植物占優(yōu)勢的濕地土壤甲烷產(chǎn)生潛力明顯不同（F=4.397， P= 0.009）（表3），說明植被類型對濕地土壤甲烷產(chǎn)生潛力具有顯著影響.這一現(xiàn)象在其他區(qū)域的研究中也被發(fā)現(xiàn).Inglett等［14］對美國佛羅里達洲圣約翰河淡水沼澤的研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)勢植物為香蒲（Typha domingensis）和荸薺（Eleocharis interstincta）的植物群落土壤甲烷產(chǎn)生潛力高于其他3種沼澤植被（克拉莎 Cladium、黍Panicum，柳樹Salix），主要原因之一是由于5種植物群落土壤有機物中易分解碳所占比例不同而引起，不同植物群落易分解碳含量的大小順序為香蒲（16%）＞荸薺（11.3%）＞黍（8.0%）＞克拉莎（7.0%）＞柳樹（5.0%）.McKenzie等［28］對加拿大安大略湖西北部森林濕地， Bergman等［29］對瑞士Storamyren泥炭沼澤的研究也認為：土壤有機質(zhì)質(zhì)量差異是造成不同植被類型間土壤甲烷產(chǎn)生潛力不同的重要因素.因為植物釋放或殘留的有機物質(zhì)是產(chǎn)甲烷菌所需底物和能量的重要來源［30］，有機質(zhì)（尤其是不穩(wěn)定性或可溶性有機物，如DOC）越豐富，底物和能量供應(yīng)也就越充足，土壤產(chǎn)甲烷能力會越強［31］.但在本研究中，土壤DOC與甲烷產(chǎn)生潛力關(guān)系較為復(fù)雜.本文中，互花米草沼澤與短葉茳芏沼澤間的土壤DOC并無顯著差異，甲烷產(chǎn)生潛力卻表現(xiàn)出互花米草＞短葉茳芏（P＜0.001）；而蘆葦沼澤土壤DOC含量顯著低于短葉茳芏沼澤，但甲烷產(chǎn)生潛力表現(xiàn)出蘆葦沼澤＞短葉茳芏.其可能原因，一是土壤有機質(zhì)中的DOC含量并不是影響甲烷產(chǎn)生潛力的唯一因素，還會受到土壤有機質(zhì)中SOC含量的影響.蘆葦沼澤DOC雖然顯著低于短葉茳芏沼澤，其SOC卻顯著高于短葉茳芏沼澤，較高的SOC對蘆葦沼澤土壤甲烷產(chǎn)生潛力產(chǎn)生具有一定的促進作用［14］.二是不同植被類型的群落蓋度、根系分布和地下生物量不同［14，32］，并與周圍環(huán)境和土壤相互作用，形成的不同土壤理化性質(zhì)［29-30，33］等均會影響到沼澤植被帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力.

關(guān)于濕地不同深度土壤甲烷產(chǎn)生潛力對溫度響應(yīng)的研究結(jié)果大多數(shù)指出，濕地土壤甲烷產(chǎn)生潛力隨土壤深度的增加而降低. Dasselaar等［34］對泥炭沼澤土壤研究結(jié)果表明，0～5cm是甲烷產(chǎn)生的主要發(fā)生層，該層產(chǎn)生的甲烷占總甲烷產(chǎn)生量的70%，且甲烷產(chǎn)生能力隨土壤深度增加而大大降低.Avery等［13］對美國White Oak河口潮汐濕地的研究也得出類似結(jié)論，并且指出0～10cm是甲烷產(chǎn)生的主要發(fā)生層.他們認為這種現(xiàn)象可能是由于不同土層產(chǎn)甲烷基質(zhì)供應(yīng)能力所致.本研究也發(fā)現(xiàn)，深度對3個沼澤植被帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力具有顯著影響（F=3.845， P=0.003）（圖2和表3）.但與前人研究所不同的是，本文中各沼澤植被帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力的最大值并不是出現(xiàn)在表層（0～10cm），總體上出現(xiàn)在20～30cm處.原因之一，可能與研究區(qū)域周期性漲落潮及水文動力學(xué)過程有關(guān).漲落潮是影響潮汐濕地的一個重要環(huán)境因素，在潮汐的影響下，表層土壤較好的水分運動致使碳、氮等元素更易發(fā)生水平運移而被潮水帶走，或垂直淋失到較深土層，進而導(dǎo)致深層土壤甲烷產(chǎn)生潛力較高.

表3 植被類型、土壤深度和溫度對甲烷產(chǎn)生潛力的影響及交互作用的影響Table 3 Effects of vegetation type， soil depth and temperature on methane production potential

3個沼澤植被帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力均隨溫度的上升而增強，溫度對濕地土壤甲烷產(chǎn)生潛力有極顯著影響（F=3.845， P＜0.0001），這與其他學(xué)者的研究結(jié)果相似［20，35］.溫度上升對甲烷產(chǎn)生潛力的促進作用，主要表現(xiàn)在以下2個方面：（1） 溫度上升可激發(fā)土壤微生物活性，促進土壤有機質(zhì)分解，產(chǎn)甲烷菌底物供應(yīng)充足［13-14］；（2） 溫度上升可改變產(chǎn)甲烷菌菌種的組成，促進優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌群落演替來提高產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)甲烷能力［36］.

3.2 溫度、植被類型和土壤深度對Q10值的影響

已有研究表明，不同區(qū)域不同濕地類型，其Q10值變幅較大（表4）.Segers［17］通過對已有文獻報道的分析顯示，濕地土壤甲烷產(chǎn)生潛力Q10值范圍可達1.5～28，均值為4.1.本文對閩江河口沼澤濕地的研究發(fā)現(xiàn)，濕地土壤甲烷產(chǎn)生潛力Q10值范圍為3.43～14.9，平均值為7.9.從數(shù)據(jù)分析，閩江河口的Q10值變幅處于Segers［19］研究所報道的范圍之內(nèi)，但平均Q10值要高于Segers［19］的研究結(jié)果.此外，與緯度偏北的泥炭濕地以及同處于亞熱帶的淡水沼澤濕地相比較，本研究中的Q10值均要高于上述地區(qū).不同區(qū)域或不同類型的濕地土壤甲烷產(chǎn)生對溫度變化響應(yīng)的差異性是包括溫度、鹽度、pH值、有機碳質(zhì)量與含量及微生物群落在內(nèi)的各關(guān)鍵環(huán)境因子綜合影響的結(jié)果.

表4 本研究與其他濕地甲烷產(chǎn)生潛力Q10值的比較Table 4 Comparison of this study with other studies

甲烷產(chǎn)生潛力溫度敏感性是衡量濕地土壤甲烷產(chǎn)生對溫度變化響應(yīng)的一個重要參數(shù).溫度同時也是控制濕地土壤甲烷產(chǎn)生潛力敏感性的重要環(huán)境因素［15］.van Hulzen等［16］研究發(fā)現(xiàn)，溫度變化幅度為4～13.5℃時，土壤甲烷產(chǎn)生Q10值為1.1；而溫度為13.5～30℃時，其Q10值為1.5. Inglett等［14］對美國佛羅里達洲圣約翰河邊淡水沼澤的研究也發(fā)現(xiàn)，5個沼澤植被帶在高溫范圍變化（20～30℃） 時的土壤甲烷產(chǎn)生Q10值（3.6～5.4）大于低溫范圍變化（10～20℃）時的Q10值（1.2～2.4）.濕地土壤甲烷產(chǎn)生Q10值隨溫度上升而增大，其原因：一是較高的溫度可更有效地激發(fā)土壤微生物活性，加快土壤有機質(zhì)分解，促進甲烷產(chǎn)生的乙酸發(fā)酵途徑［14，16，38］；二是溫度升高會提高電子受體的還原速率，結(jié)果是低濃度的電子受體將對甲烷產(chǎn)生形成一個正反饋作用，迅速提高甲烷產(chǎn)生量及其對溫度的敏感性［17］.但本研究中3種沼澤植被帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力Q10值均呈現(xiàn)出隨溫度上升而減小的特征（表2）.Frenzel等［18］對芬蘭沼澤的研究也發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果，當(dāng)溫度為4℃時，濕地土壤甲烷產(chǎn)生對溫度升高的響應(yīng)較為敏感；而當(dāng)溫度大于20℃時，甲烷產(chǎn)生潛力對溫度升高的響應(yīng)卻降低.分析原因可能與植物群落土壤產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)有關(guān).不同產(chǎn)甲烷菌的最適溫度并非完全一致，有些產(chǎn)甲烷菌在較低的溫度區(qū)間內(nèi)對溫度的變化反應(yīng)敏感；而在較高的溫度區(qū)間即使溫度升高，其活性的變化也不明顯.

雙因子方差分析結(jié)果表明，在溫度變化范圍為10～20℃時，植被類型及土壤深度對濕地甲烷產(chǎn)生潛力Q10值均具有顯著的影響，且兩者的交互作用對Q10值也有顯著的影響；然而，當(dāng)溫度變化范圍為20～30℃時，土壤深度對濕地甲烷產(chǎn)生潛力Q10值的影響不顯著 （表5）.已有研究表明，不同濕地植被帶及土壤不同深度的產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)和數(shù)量的差異，是引起植被類型及土壤深度對甲烷產(chǎn)生潛力Q10值具有顯著影響的主要原因之一［14，16，20］.本研究中，在10～20℃和20～30℃培養(yǎng)條件下，互花米草沼澤植被土壤甲烷產(chǎn)生潛力Q10值均要高于其他2個沼澤植被帶，分析其原因，可能與3個植被帶間產(chǎn)甲烷菌群落機構(gòu)和組成的變化存在著密切關(guān)系.此外，3個沼澤植被帶土壤pH，電導(dǎo)率和DOC含量的不同（表1）也可能是造成甲烷產(chǎn)生潛力Q10值不同的原因之一.在今后的研究中應(yīng)重點開展不同濕地植物群落及不同深度土壤的甲烷產(chǎn)生菌群落結(jié)構(gòu)和數(shù)量的測定.

表5 植被類型和土壤深度對甲烷產(chǎn)生潛力Q10值的影響及交互作用的影響Table 5 Effects of vegetation type and soil depth on Q10values of methane production potential

4 結(jié)論

4.1 指數(shù)模型較好地擬合了3種沼澤植被帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力與溫度間的關(guān)系，其甲烷產(chǎn)生潛力均呈現(xiàn)隨溫度增加而提高的特征.

4.2 通過溫度敏感性系數(shù)Q10值分析，與高溫范圍相比，各植被帶土壤甲烷產(chǎn)生潛力均在低溫范圍內(nèi)對增溫響應(yīng)較為敏感.

4.3 在相同增溫條件下，不同沼澤植被帶濕地甲烷產(chǎn)生潛力Q10值因土壤底物可用性、土壤理化性質(zhì)不同而呈現(xiàn)差異.

4.4 溫度和植被類型對河口沼澤濕地甲烷產(chǎn)生潛力及溫度敏感性均有顯著影響.

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致謝：野外采樣和室內(nèi)工作得到福建師范大學(xué)亞熱帶濕地研究中心的徐輝、萬斯昂、任洪昌、汪旭明和章文龍等同學(xué)的幫助，在此表示感謝.

Temperature sensitivity of soil methane production potential in different marsh vegetation zones in the Min River estuary.

Yang Ping1，2， He Qing-hua1，2， Tong Chuan1，3，4*（1.Key Laboratory of Humid Sub-tropical Eco-geographical Process of Ministry of Education， Fuzhou 350007， China；2.School of Geographical Sciences， Fujian Normal University， Fuzhou 350007，China；3.Institute of Geography， Fujian Normal University， Fuzhou 350007， China；4.Research Centre of Wetlands in Subtropical Region， Fujian Normal University， Fuzhou 350007， China）. China Environmental Science， 2015，35（3）：879～888

Quantifying response of soil methane production potential to temperature change in different wetland vegetation are vital to accurately evaluate effect of climate change on wetland ecosystem carbon balance. Soil samples at a depth of 0～30cm （5cm interval） from three typical tidal marsh ecosystems dominated by Cyperus malaccensis，Phragmites australis and Spartina alterniflora， respectively， in the Min River estuary were collected in February 2012，and soil methane production potentials were determined using anaerobic incubation method. The results showed that there is an exponential correlation between methane production potential and soil temperature. The averaged Q10value of three marsh vegetation zones were 5.04， 14.92， 14.81， and 3.56， 4.99， 3.43， respectively， with temperature rasing from 10 to 20℃ and from 20 to 30℃. Vegetation type， incubation temperature and soil depth had significant effects on the methane production potential and Q10value （P＜0.05）.

methane production potential；temperature sensitivity；Q10；vegetation types；tidal wetlands；Min River Estuary

X171.1

A

1000-6923（2015）03-0879-10

楊 平（1986-），男，安徽宣城人，博士研究生，主要從事濕地生物地球化學(xué)循環(huán)、濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及生態(tài)修復(fù)研究.發(fā)表論文8篇.

2014-07-26

國家自然科學(xué)基金資助項目（41371127）；福建師范大學(xué)校級創(chuàng)新團隊項目（IRTL1205）

* 責(zé)任作者， 教授， tongch@fjnu.edu.cn