尕海濕地CH4、CO2和N2O通量特征初步研究

馬維偉，王輝，李廣*，趙錦梅，王躍思

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070; 2.中國科學(xué)院大氣物理研究所, 北京 100029)

尕海濕地CH4、CO2和N2O通量特征初步研究

馬維偉1，王輝1，李廣1*，趙錦梅1，王躍思2

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070; 2.中國科學(xué)院大氣物理研究所, 北京 100029)

摘要：2011年7月-2012年7月，采用靜態(tài)箱-氣相色譜法同步研究了尕海4種典型濕地類型的CH4、CO2和N2O通量及其與溫度因子的關(guān)系，并估算了其全球變暖潛勢值(GWP)。結(jié)果表明，尕海濕地的CH4、CO2和N2O通量具有明顯的空間變化特征，CH4、CO2和N2O通量最小值分別為亞高山草甸(-0.014±0.126) mg/(m2·h)，沼澤濕地(137.17±284.51) mg/(m2·h)和高山濕地(-0.008±0.022) mg/(m2·h)，而最大值分別為沼澤濕地(0.498±0.682) mg/(m2·h)，高山濕地(497.81±473.09) mg/(m2·h)和草本泥炭地(0.094±0.117) mg/(m2·h)；同時(shí)CH4、CO2通量有明顯的時(shí)間變化特征，通量最大值分別出現(xiàn)在2011年的7-10月和2012年的5-7月，而后降低并維持相對穩(wěn)定的變化趨勢；5 cm地溫、氣溫、地表溫度及箱內(nèi)溫度與4種類型濕地CO2通量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與高山濕地CH4通量均存在顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與其他3種濕地類型CH4通量的相關(guān)性均較差，但與4種濕地類型N2O通量無顯著相關(guān)性；尕海草本泥炭地、沼澤濕地、高山濕地和亞高山草甸4種類型濕地的溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)潛力依次為35.311，13.520，34.816和30.236 t CO2/(hm2·a), 沼澤濕地能夠顯著降低溫室效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：尕海濕地； CH4通量；CO2通量； N2O通量

DOI：10.11686/cyxb2014350http://cyxb.lzu.edu.cn

馬維偉，王輝，李廣，趙錦梅，王躍思. 尕海濕地CH4、CO2和N2O通量特征初步研究. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2015, 24(8): 1-10.

Ma W W, Wang H, Li G, Zhao J M, Wang Y S. A preliminary study of carbon dioxide, methane and nitrous oxide fluxes from the Gahai wetland. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(8): 1-10.

收稿日期：2014-08-21；改回日期：2014-11-03

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31260155)，高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金聯(lián)合資助課題(20126202110006)，草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2014年度開放課題和甘肅省教育廳項(xiàng)目(2014A-057)資助。

作者簡介：馬維偉(1980-)，男，甘肅靖遠(yuǎn)人，講師，博士。E-mail：maww@gsau.edu.cn

通訊作者*Corresponding author. E-mail：lig@gsau.edu.cn

A preliminary study of carbon dioxide, methane and nitrous oxide fluxes from the Gahai wetland

MA Wei-Wei1, WANG Hui1, LI Guang1*, ZHAO Jin-Mei1, WANG Yue-Si2

1.CollegeofForestry,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China; 2.InstituteofAtmosphericPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China

Abstract:A study has been undertaken to estimate fluxes of the greenhouse gases carbon dioxide (CO2), methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) in wetlands, to understand the effects of temperature factors on these processes and to estimate global warming potential (GWP). Using static chamber techniques, we measured CH4, CO2, and N2O fluxes from four wetland types in Gansu Gahai Wetlands, China, from July 2011 to July 2012. The results showed high variations in CH4, CO2and N2O fluxes between the four wetlands, with the smallest values in the subalpine meadow (-0.014±0.126 mg/m2·h), marsh wetland (137.17±284.51 mg/m2·h) and mountain wetland (-0.008±0.022 mg/m2·h) respectively. The highest values of CH4, CO2and N2O fluxes were in marsh wetland (0.498±0.682 mg/m2·h), mountain wetland (497.81±473.09 mg/m2·h) and herbaceous peat (0.094±0.117 mg/m2·h) respectively. CH4and CO2fluxes varied seasonally. Maximal fluxes occurred between July-October 2011 and May-July 2012, then decreased and remained relatively steady, with some slight fluctuations during the winter and thawing or freezing periods. Further analysis showed that air temperature, soil temperature (at 5 cm), surface temperature and temperature inside the box were highly significantly positively correlated with CO2flux from the four wetlands. These variables were significantly positively correlated with CH4flux from mountain wetland but not from the other wetland types. They were significantly negatively correlated with N2O flux from all four wetland types. The GWP estimates were 35.311, 13.520, 34.816 and 30.236 t CO2/(hm2·a) from herbaceous peat, marsh wetland, mountain wetland and subalpine meadow respectively. These results show that marsh wetland could significantly decrease the emission of greenhouse gases from the Gahai Wetlands.

Key words:Gahai wetland; CH4fluxes; CO2fluxes; N2O fluxes

CO2、CH4和 N2O是大氣中最重要的3種溫室氣體，對全球氣候變化有著重要影響。由于人類活動(dòng)的影響, 大氣中溫室氣體的體積分?jǐn)?shù)分別比工業(yè)化以前增加了大約26%，148%和8%[1]。近年來研究表明這3種氣體對全球氣候變暖的貢獻(xiàn)率已超過90%[2]，而其濃度增加是全球氣候變暖的主要原因。所以，近年來與其相關(guān)的土壤碳、氮損失備受關(guān)注。

濕地系統(tǒng)作為全球三大生態(tài)系統(tǒng)之一，雖然僅占地球陸地表面的一小部分(4%～6%)[3]，但卻是溫室氣體的重要“源”和“匯”[4]，且多數(shù)濕地是CO2的匯和CH4的源(濕地對全球CH4排放的貢獻(xiàn)高達(dá)15%～40%)[5-7]，但濕地并不一致表現(xiàn)為碳匯，研究表明，一個(gè)濕地在某些季節(jié)和年份可能會由碳匯向碳源轉(zhuǎn)變[8-11]。相對于CO2和CH4的排放，自然濕地的N2O排放量相對較低，一般表現(xiàn)為弱源或者匯[12-13]。因此，目前對于濕地是溫室氣體的“源”還是“匯”問題還存在一些爭議。

若爾蓋高原位于青藏高原東緣，其上分布著面積最大的泥炭沼澤濕地，尕海濕地是若爾蓋濕地的重要組成部分。近年來，關(guān)于青藏高原的土壤碳儲量、土壤溫室氣體排放、土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)以及土壤養(yǎng)分等方面開展了大量的研究工作[12-13]，但是目前很少有涉及青藏高原東北邊緣尕海濕地系統(tǒng)不同濕地類型溫室氣體排放的研究報(bào)道。因此，對尕海濕地不同濕地類型CO2、CH4和N2O的排放進(jìn)行研究十分必要，而且這將有助于精確估計(jì)這一地區(qū)濕地的溫室氣體排放量。為此，本文擬通過對尕海4種典型濕地類型(高山濕地，沼澤濕地，草本泥炭地和亞高山草甸)主要溫室氣體CO2、CH4和N2O排放特征的研究，以便為客觀評價(jià)我國高寒地區(qū)自然濕地溫室氣體排放總量、控制溫室氣體排放及對高寒濕地保護(hù)與合理利用提供科學(xué)參考依據(jù)。

1材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏高原東北邊緣碌曲縣境內(nèi)的甘肅尕海-則岔國家級自然保護(hù)區(qū)(33°58′-34°30′ N，102°05′-102°29′ E)，屬典型的高寒濕地，海拔3430～4300 m。氣候?yàn)楦吆疂駶櫄夂?，氣溫年較差較大，為19.6℃，年均溫1.2℃，年降雨量781.8 mm，年蒸發(fā)量1150.5 mm。土壤類型主要為暗色草甸土、沼澤土和泥炭土等，有機(jī)質(zhì)含量較高。植被以瑪曲嵩草(Kobresiamaquensis)、圓穗蓼(Polygonummacrophyllum)、藏嵩草(Kobresiatibetica)、華扁穗草(Blysmussinocompressus)等草本植物為主。研究區(qū)內(nèi)濕地面積43176 hm2，主要包括：草本泥炭地10429 hm2，高山濕地14882 hm2，洪泛地12281 hm2，永久性淡水草本沼澤、泡沼2780 hm2，永久性河流201 hm2[14]。研究區(qū)在試驗(yàn)期間(2011年7月-2012年7月)具體氣溫變化如圖1。

圖1　2011年7月-2012年6月尕海濕地日平均氣溫狀況Fig.1　Daily mean air temperature in Gahai wetland during the period from July 2011 to June 2012

1.2　樣地設(shè)置

2011年7月選取濕地區(qū)內(nèi)的草本泥炭地、沼澤濕地、高山濕地和亞高山草甸的4種代表性濕地作為實(shí)驗(yàn)樣地，在每個(gè)實(shí)驗(yàn)樣地的中心位置各布設(shè)1個(gè)定位觀測點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)來測定CO2、CH4和 N2O排放速率。具體濕地類型的基本情況如表1。

表1　濕地的基本情況

1.3　樣品的采集與分析

本實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法測定CO2、CH4和N2O的排放通量。采樣箱由箱體(50 cm×50 cm×50 cm 四周和頂部密閉，外圍覆蓋保溫材料)和不銹鋼底座(50 cm×50 cm×10 cm) 兩部分組成。取樣前數(shù)天將底座底插入土中10 cm，安裝過程未對底座內(nèi)植被進(jìn)行干擾，整個(gè)采樣階段底座固定在試驗(yàn)樣地保持不動(dòng)，最大限度降低對植被和土壤內(nèi)部的干擾。采集氣體樣品時(shí)，樣箱和底座之間用水密封。采樣箱外用泡沫包裹以確保箱內(nèi)溫度變化不大，箱內(nèi)裝有小風(fēng)扇和溫度傳感器。取樣時(shí)間為9:00-12:00，取樣時(shí)在靜態(tài)箱封閉后 0，10，20，30，40 min，用注射器取氣后注入500 mL的鋁塑復(fù)合氣袋(大連光明化工廠生產(chǎn))中儲存，兩周內(nèi)在中國科學(xué)院大氣物理研究所使用HP5890II氣相色譜儀分析氣體。CO2和CH4用離子火焰化檢測器(FID)檢測，N2O用電子捕獲檢測器(ECD)檢測。40 min內(nèi)采集的5個(gè)氣體樣品濃度與采樣時(shí)間間隔存在線性相關(guān)關(guān)系，所有樣品的決定系數(shù)R2>0.95時(shí)被視為有效并被采用。氣樣采樣頻率為：2011年7-11月和2012年4-7月，每周采樣1次，2012年2、3月，每月15日采樣一次，2011年12月和2012年1月未采樣(由于這一時(shí)段氣溫太低，空氣濕度相對較大，注射器抽取氣體時(shí)很快結(jié)冰而無法工作，故未采集氣體樣品)。同時(shí)，原位同步測定氣溫、箱內(nèi)溫度，5 cm地溫。

1.4　氣體通量計(jì)算

利用以下公式計(jì)算CO2，CH4和 N2O的排放通量：

式中，F(xiàn)為氣體通量(mg/m2·h)，dc/dt為采樣時(shí)氣體濃度隨時(shí)間變化的直線斜率，M為被測氣體的摩爾質(zhì)量，P為采樣點(diǎn)氣壓，T為采樣時(shí)絕對溫度，Vo，Po，To分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體摩爾體積、空氣氣壓和絕對溫度，H為地面以上采樣箱高。

利用各月CO2，CH4和N2O排放通量均值計(jì)算年排放量：

年排放通量(kg/hm2·a)=月排放通量均值(mg/m2·h)×12×30×24(h)×0.01

1.5　數(shù)據(jù)處理與分析方法

尕海4種類型濕地單位面積每年CO2、CH4和N2O的排放量通過每月的均值計(jì)算得到。應(yīng)用One-wayANOVA法分析4種類型濕地CO2、CH4和N2O排放量的差異性，顯著性P<0.05變量的影響將被考慮。利用SPSS11.5 和MicrosoftExcel2003對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

2結(jié)果與分析

2.1　CH4、CO2和N2O排放通量的時(shí)空變化

2.1.1CH4排放通量4種濕地的CH4排放明顯不同(圖2)，在整個(gè)試驗(yàn)階段，CH4排放量均值最大的為沼澤濕地(0.498±0.682)mg/(m2·h)，最小的為亞高山草甸(-0.014±0.126)mg/(m2·h)，且亞高山草甸CH4排放量表現(xiàn)為負(fù)值，說明亞高山草甸整體吸收大氣中甲烷；排放量居中的為高山濕地和草本泥炭地，分別為(0.157±0.298)mg/(m2·h) 和(0.233±0.790)mg/(m2·h)。

圖2　2011-2012年不同濕地類型的CH4排放通量Fig.2　Methane emissions in different wetland types during the period from 2011 to 2012　不同小寫字母表示各處理間差異顯著，相同字母表示處理間無顯著差異(P<0.05, n=27),下同。The different letters (a, b) above the box indicate significant differences, the same letters indicate no significant differences (Kruskal-Wallis ANOVA test, P<0.05, n=27). The same below.

尕海4種濕地類型在整個(gè)試驗(yàn)期間(2011年7月-2012年7月)CH4排放具有明顯的時(shí)間性變化特征(圖2)。其中，2011年7-10月和2012年5-7月CH4排放通量最高，而后降低并維持相對穩(wěn)定的變化趨勢，但在冬季的冰凍和解凍期CH4排放通量有點(diǎn)輕微波動(dòng)。除此而外，CH4排放通量從2012年5月份以后開始顯著增加，且2012年7月份的CH4排放通量顯著高于2011年7月。其主要原因是由于2012年7 月份區(qū)內(nèi)降雨較2011年7月多，而氣溫及土壤溫度相對一致，致使CH4的產(chǎn)生和排放較大。

2.1.2CO2排放通量尕海4種濕地類型CO2排放通量差別較大(圖3)，高山濕地CO2排放通量均值最大(497.81±473.09)mg/(m2·h)，沼澤濕地CO2排放通量均值最小(137.17±284.51)mg/(m2·h)，高山濕地CO2排放通量測定的最小值為負(fù)值，這是由于取樣時(shí)的隨機(jī)誤差導(dǎo)致。CO2排放通量居中的為亞高山草甸和草本泥炭地，值分別為(445.62±328.94)mg/(m2·h)和(453.29±427.72)mg/(m2·h)。

尕海4種濕地類型CO2排放通量在試驗(yàn)期間(2011年7月-2012年7月)具有明顯的時(shí)間變化特征(圖3)，且與CH4排放通量相似，尕海4種濕地類型CO2排放通量較大值均出現(xiàn)在2011年7-10月和2012年5-7月，即濕地植物生長季，10月份進(jìn)入非生長季后，隨著植物的不斷干枯，CO2排放通量明顯降低，且2012年7月份的排放通量與2011年的7月基本一致，整個(gè)試驗(yàn)期間CO2排放通量呈“U”型變化規(guī)律。除此而外，尕海濕地CO2排放通量從2012年7月份以后開始顯著增加，反映了植物生長狀況對CO2排放有重要影響。

圖3　2011-2012年不同濕地類型的CO2排放通量Fig.3　Carbon dioxide emissions in different wetland types during the period from 2011 to 2012

2.1.3N2O排放通量在尕海濕地，從亞高山草甸到沼澤濕地，N2O的排放通量變化顯著(圖4)，N2O排放通量最大值出現(xiàn)在草本泥炭地，為(0.094±0.117)mg/(m2·h)，最小值出現(xiàn)在高山濕地，為(-0.008±0.022)mg/(m2·h)，N2O排放通量居中的為亞高山草甸和沼澤濕地，排放通量分別為(0.033±0.037)mg/(m2·h)和(0.002±0.016)mg/(m2·h)。圖中N2O通量為負(fù)值說明亞高山草甸吸收大氣中N2O；其他濕地類型N2O通量均為正值，說明其他3類濕地向大氣中排放N2O。

圖4　2011-2012年不同濕地類型N2O排放通量Fig.4　Nitrous oxide emissions in different wetland types during the period from 2011 to 2012

尕海4種濕地類型在試驗(yàn)期間(2011年7月-2012年7月)N2O排放無明顯的時(shí)間變化規(guī)律(圖4)。4種濕地類型N2O排放通量顯著低于CH4排放通量，且N2O排放通量呈現(xiàn)較大的波動(dòng)性變化。具體表現(xiàn)為，草本泥炭地在實(shí)驗(yàn)期間N2O排放通量呈波動(dòng)性3個(gè)峰值的單峰變化趨勢，即2011年9月，2012年2月和4月N2O排放量最高，且波動(dòng)性較大，其他時(shí)段均較低，甚至出現(xiàn)吸收；亞高山草甸N2O排放量為先增加后降低的單峰變化趨勢，在整個(gè)試驗(yàn)期前均向大氣中排放N2O；沼澤濕地和高山濕地N2O排放量相對變化趨勢較為穩(wěn)定，這兩類濕地N2O排放相對較低，甚至有好幾個(gè)月表現(xiàn)為吸收過程。

2.2　CH4、CO2和N2O年排放量及其全球變暖潛勢值

尕海4種濕地類型的CH4、CO2和N2O年排放通量(2011年7月-2012年7月)差別較大。沼澤濕地的CH4年排放通量最大，為30.144kg/(hm2·a)，亞高山草甸最小且為負(fù)值，為-1.805kg/(hm2·a)，高山濕地的CO2年排放通量最大，為3.504×104kg/(hm2·a)， 沼澤濕地最小，為1.237×104kg/(hm2·a)，而草本泥炭地的N2O年排放量最高，為9.549kg/(hm2·a)，高山濕地最小，為-1.341kg/(hm2·a)。由此看出，沼澤濕地增加了CH4的年排放通量，而降低了CO2年排放通量，高山濕地增加了CO2的年排放通量，降低了N2O年排放通量，草本泥炭地顯著的增加了N2O年排放通量。

結(jié)合IPCC第二次全球變暖潛勢值(globalwarmingpotential，GWP)，CO2、CH4和N2O的GWP值依次為1、21和310，草本泥炭地、沼澤濕地、高山濕地和亞高山草甸(本實(shí)驗(yàn)為2011年7月-2012年7月)的溫室氣體GWP值如表2所示，可以看出溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)潛力(3種氣體換算為CO2的總和)依次為35.311，13.520，34.816和30.236tCO2/(hm2·a)，沼澤濕地能夠削弱尕海濕地系統(tǒng)的溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)潛力。

表2　2011-2012年不同濕地類型溫室氣體的排放量及GWP值

2.3　溫度與CH4、CO2和N2O排放通量相關(guān)分析

對4種濕地類型氣體通量和各溫度因子相關(guān)分析表明，除高山濕地CH4通量與5 cm地溫和箱內(nèi)溫度呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與地表溫度、箱外氣溫呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)外，其他3種濕地類型CH4通量與各溫度因子的相關(guān)性均不顯著(表3)。沼澤濕地CO2通量與5 cm地溫呈顯著正相關(guān)，而與其他溫度因子相關(guān)性均不顯著，但其他3種濕地類型與各溫度因子均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。此外，除沼澤濕地的 N2O 通量與箱外氣溫、地表溫度、5 cm地溫呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān)，高山濕地N2O通量與地表溫度、箱外氣溫呈顯著正相關(guān)(P<0.05)外，草本泥炭地、高山草甸的N2O通量與各溫度因子相關(guān)性均不顯著。

3討論

3.1　國內(nèi)外相關(guān)研究對比

目前，人們對北半球溫帶和寒帶泥炭地溫室氣體排放做了大量研究， 但關(guān)于其他濕地類型溫室氣體排放的研究較少。本研究分析了尕海濕地系統(tǒng)4種濕地類型(不僅僅是泥炭地)單位面積每小時(shí)、每年CO2，CH4和 N2O的排放狀況，這4種濕地類型具有相同氣候條件，但土壤、植被特征不同(表1)。

表3　溫度與CH4、CO2和N2O 通量的Pearson 相關(guān)性分析

**P<0.01; *P<0.05.

CH4排放存在明顯的空間性，濱海沼澤研究發(fā)現(xiàn)在1～50 m的范圍內(nèi)CH4排放明顯不同[15-16]。本研究也表明尕海濕地系統(tǒng)CH4排放具有明顯的空間變化(圖2)，CH4排放最大值出現(xiàn)在沼澤濕地，而最小為亞高山草甸。尕海沼澤濕地CH4通量的最大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同區(qū)域青藏高原的沼澤濕地，其排放量為0.556～14.450 mg/(m2·h)[17-18]之間，而排放量的最小值為負(fù)值，這說明尕海濕地系統(tǒng)的亞高山草甸吸收大氣中CH4，能夠降低大氣中CH4濃度。本研究和前人對高山苔草(Carexinfuscatevar.gracilenta)的研究結(jié)果一致，研究都認(rèn)為亞高山草甸是大氣中CH4的匯[19-21]，類似研究結(jié)果也出現(xiàn)在平原地區(qū)的草甸系統(tǒng)[22-23]。但本研究中草甸對CH4的吸收值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于青藏高原吸收值0.008 mg/(m2·h)[21]。研究表明，在尕海濕地系統(tǒng)，只有亞高山草甸是CH4的匯，其他3種濕地類型均是CH4的源。前人研究表明濕地通常有助于增加大氣中的CH4[3,24]，本研究也表明自然濕地通常為CH4的排放源。

尕海濕地生態(tài)系統(tǒng)CO2排放通量有明顯的空間變化特征(圖3)，研究表明，本區(qū)沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)呼吸通量最小。尕海濕地生態(tài)系統(tǒng)呼吸通量的標(biāo)準(zhǔn)偏差為(384.06±407.83) mg/(m2·h)，范圍在-47.76～1613.76 mg/(m2·h)之間，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于青藏高原高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)呼吸通量(范圍為-5.28～10.8 mg/m2·h)[25]。

尕海4種濕地類型N2O的排放具有明顯的差異性(圖4)，研究表明，N2O排放通量最大值出現(xiàn)在草本泥炭地，為(0.094±0.117) mg/(m2·h)，本研究尕海泥炭地N2O排放通量顯著低于北方森林排水泥炭地(0.45 mg/m2·h)、歐洲泥炭地(1.00 mg/m2·h)及愛沙尼亞泥炭地(0.39 mg/m2·h)[26-28]。然而，最小值出現(xiàn)在高山濕地，為(-0.008±0.022) mg/(m2·h)，這是由于高山濕地土壤N2O產(chǎn)生量受到有機(jī)氮含量和有效性的影響，一些研究成果已證實(shí)C/N能夠很好地預(yù)測N2O的通量[29]。此外，本研究中N2O的通量值有時(shí)較小或?yàn)樨?fù)值，這表明尕海濕地不會總產(chǎn)生N2O或消耗大氣中N2O，這與Hayden和Ross[30]對美國佛蒙特州泥炭地研究結(jié)果相似。

3.2　環(huán)境因子對溫室氣體排放通量的影響

3.2.1溫度對溫室氣體排放通量的影響研究時(shí)段內(nèi)，環(huán)境因子變化較為明顯的是溫度(氣溫、地表溫度、5 cm地溫和箱內(nèi)溫度)。溫度對CH4、CO2和N2O的排放有一定的驅(qū)動(dòng)作用，但不是唯一的驅(qū)動(dòng)因素，土壤溫度和土壤水分均有可能成為影響土壤呼吸變化的主導(dǎo)因子[31]。在2011年9月-2012年5月，尕海濕地氣溫變化較小(圖1)，導(dǎo)致CH4和CO2的排放相對穩(wěn)定(圖2，3，4)。

溫度在CH4的產(chǎn)生和排放中起著非常重要的作用，一是土壤溫度直接影響土壤微生物的活動(dòng)，包括CH4產(chǎn)生和氧化過程中所涉及的一系列微生物菌群的數(shù)量、結(jié)構(gòu)和活性；二是對土壤中CH4的輸送也有明顯的影響。研究時(shí)段內(nèi)，研究區(qū)內(nèi)不同類型尕海濕地CH4通量在生長季節(jié)明顯高于非生長季節(jié)。由于生長季地表溫度相對較高，可能增強(qiáng)了CH4氧化菌的活性，引起CH4產(chǎn)生量的增加，使得CH4排放通量較大，這和前人研究結(jié)果一致[32-33]。

CO2排放量與氣溫和土壤溫度均有顯著的正相關(guān)關(guān)系(表3)，研究時(shí)段內(nèi)，尕海不同類型濕地CO2通量在生長季節(jié)明顯高于非生長季節(jié)，這是由于4月以后，氣溫逐漸上升(表1)，植物生長逐漸加快，土壤微生物活動(dòng)逐漸加強(qiáng)，使得尕海濕地生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率呈現(xiàn)逐漸升高；在7月至8月，水熱條件均達(dá)到最佳狀態(tài)，植物進(jìn)入旺盛生長階段，微生物活動(dòng)強(qiáng)烈，使得呼吸速率達(dá)到最高水平的趨勢，因此CO2排放量在這個(gè)階段達(dá)到最高值，這與許多研究結(jié)論一致[8,34]。研究發(fā)現(xiàn)溫度因素對CO2排放量的季節(jié)變化有顯著的影響，很多研究認(rèn)為土壤溫度能夠很好解釋CO2排放量[27-28,35]。

在4種類型濕地中，N2O排放量隨氣溫和土壤溫度的升高無明顯變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)除高山濕地N2O通量與地表溫度、箱外氣溫呈顯著正相關(guān)外(P<0.05)，草本泥炭地、高山草甸的N2O通量與各溫度因子的相關(guān)性均不顯著，這說明溫度對N2O的排放影響較弱，其他因素可能在N2O排放過程中發(fā)揮了更為重要的作用，進(jìn)而掩蓋了溫度變化的影響，這些因素可能是水分、植被以及沉積物基質(zhì)狀況等。

3.2.2水分對溫室氣體排放通量的影響土壤水分是控制生物(異養(yǎng)微生物和植物)產(chǎn)生CO2的最重要因子之一，同時(shí)也是控制厭氧環(huán)境條件下CH4，N2O產(chǎn)生與排放的關(guān)鍵因素，它直接影響O2可利用率、氣體擴(kuò)散速率和微生物活性，并間接影響與氣體產(chǎn)生相關(guān)的土壤pH值、氧化還原電位等因素，最終影響到氣體的產(chǎn)生與擴(kuò)散[36]。在本研究的草本泥炭地、沼澤濕地和高山濕地中，由于這3類濕地常年積水或季節(jié)性積水，導(dǎo)致其CH4年排放通量明顯高于高山草甸，這是由于產(chǎn)甲烷菌群落對底物中還原狀態(tài)變化非常敏感，導(dǎo)致土壤條件或者微生物群落機(jī)構(gòu)和動(dòng)態(tài)的不同。而對于水分和CH4排放通量相關(guān)性，由于實(shí)驗(yàn)中未測定水分含量，故無法做出正確的定性分析。對于CO2排放通量，本研究發(fā)現(xiàn)沼澤濕地較小，這是由于沼澤濕地水分含量較大，但植被較少，而本研究CO2排放通量主要包括植物呼吸和微生物呼吸的CO2，所以植被水分對其影響較小。另外，許多研究表明，濕地的N2O釋放與土壤含水量呈正相關(guān)[37-39]，本研究也得到類似的研究結(jié)果，但本研究中高山濕地與土壤水分呈負(fù)相關(guān)，這可能與不同研究濕地類型的環(huán)境狀況有關(guān)。

3.2.3植物對溫室氣體排放通量的影響植物對溫室氣體排放具有重要的調(diào)控作用，在泥炭地中的研究表明植被對CO2、CH4和N2O排放通量有潛在的控制作用[26]，這是由于植物殘?bào)w能夠增加土壤有機(jī)物的有效性和反消化作用。植物呼吸本身就是土壤-植物系統(tǒng)呼吸的重要組成部分，凋落物的分解和根系分泌物都會影響土壤呼吸；植物對CH4和N2O產(chǎn)生與排放的影響主要通過以下途徑：1)植物根系及分泌物等影響土壤相應(yīng)氣體產(chǎn)生菌的活動(dòng)；2)植物自身產(chǎn)生或吸收氣體植物起到了導(dǎo)管作用，將土壤產(chǎn)生的氣體排放到大氣[40]。本研究發(fā)現(xiàn)，CO2年排放通量為：高山濕地>草本泥炭地>亞高山草甸>沼澤濕地，這與研究濕地類型植被蓋度(表1)的排序恰好一致，說明植被蓋度是控制尕海濕地CO2排放通量的主要因素。在本研究中，高山濕地和草本泥炭地水分條件與植被條件相似，致使CH4排放通量較接近，但草本泥炭地年排放通量稍微高于高山濕地，這可能與土壤基質(zhì)有關(guān)。植物對N2O的吸收與排放早有報(bào)道[41]，尕海濕地系統(tǒng)N2O排放的形成可能也與4類濕地植物種類本身對N2O的吸收與排放有關(guān)，但4類濕地中的植物是如何影響N2O的吸收或排放，以及這些過程與哪些代謝活動(dòng)有關(guān)，仍需進(jìn)一步深入研究。

4結(jié)論

尕海濕地系統(tǒng)CH4和CO2排放通量具有明顯的時(shí)空差異性。從空間上看，在4種濕地類型中，沼澤濕地CH4排放量最大，亞高山草甸最??；高山濕地CO2排放通量最大，沼澤濕地最小。從時(shí)間上看，4種濕地類型CH4和CO2排放通量均在2011年7-10月和2012年5-7月的最高，而后降低并維持相對穩(wěn)定的變化趨勢，但在相同時(shí)段，沼澤濕地CH4高于其他濕地類型，高山濕地CO2通量高于其他濕地類型。

尕海濕地系統(tǒng)N2O排放通量存在明顯的空間差異，N2O排放通量最大的為草本泥炭地，最小的為高山濕地，且僅高山濕地均值表現(xiàn)為吸收N2O。4種濕地類型N2O排放無明顯時(shí)間變化特征，N2O排放通量均顯著低于CH4，排放通量呈現(xiàn)較大的波動(dòng)性變化。

氣溫、地表溫度、5 cm低溫和箱內(nèi)溫度與尕海濕地生態(tài)系統(tǒng)CO2排放通量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與CH4排放通量均存在一定正相關(guān)，但對N2O無明顯影響。

沼澤濕地增加了CH4的年排放通量而降低了CO2年排放通量，高山濕地增加了CO2的年排放通量而降低了N2O年排放通量，草本泥炭地顯著的增加了N2O年排放通量。草本泥炭地、沼澤濕地、高山濕地和亞高山草甸溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)潛力依次為35.311，13.520，34.816和30.236 t CO2/(hm2·a)。

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