滇西北高原納帕海濕地N2O排放特征

解成杰　余磊朝　王山峰　郭雪蓮

摘要：選取納帕海濕地典型沼澤、沼澤化草甸和草甸為研究對象，研究納帕海濕地N2O的排放特征及其影響因素，闡明濕地生態(tài)演替對N2O排放的影響機(jī)制。結(jié)果表明，草甸N2O的排放最多，沼澤的排放量最少。3種類型濕地N2O的排放特性明顯不同，草甸中N2O的排放趨勢為5、7、9月不斷下降，到11月后略微上升。沼澤化草甸中N2O的排放量隨月份持續(xù)下降。沼澤中N2O的排放在5月和9月各有一次排放高峰。環(huán)境因子對3種濕地類型N2O的排放影響復(fù)雜。沼澤N2O排放與土壤全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），與土壤有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳含量呈負(fù)相關(guān)但未達(dá)到顯著水平，與土壤溫度、含水率、C/N比、銨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）、土壤容重相關(guān)性均不顯著。沼澤化草甸N2O排放與土壤20～30 cm含水率，土壤全氮、NO3--N呈正相關(guān)但未達(dá)到顯著水平。草甸N2O排放與所有環(huán)境因子相關(guān)性均不顯著。研究時段內(nèi)總的N2O排放濃度為草甸>沼澤化草甸>沼澤。

關(guān)鍵詞：高原濕地；納帕海；N2O排放；生態(tài)演替

中圖分類號：Q948 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）06-1410-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.06.013

N2O作為一種重要的溫室氣體，引起的全球潛在增溫比二氧化碳高出298倍[1]。N2O能在大氣中存留大約114年[2]，造成平流層中臭氧的大量損耗[3]。因此，N2O對大氣環(huán)境造成的影響是長期和潛在的。自工業(yè)革命以來，大氣中N2O濃度以每年0.2%～0.3%的速率增長[4]。陸地生態(tài)系統(tǒng)排放的N2O大約占大氣中N2O的65%[5]。濕地中N2O排放的增加已成為全球N2O通量的一個重要部分[6]。國外對濕地生態(tài)系統(tǒng)N2O的排放特征、生成機(jī)制及影響因素等進(jìn)行了廣泛研究。Tja？觢a等[7]研究歐洲南部（盧布爾雅那沼澤）泥炭地N2O排放認(rèn)為在夏季和早春期間N2O通量排放最高，而且N2O通量的變化與水位和土壤碳含量有關(guān)。Jennifer等[8]應(yīng)用15N示蹤對美國沿海平原濕地N2O的排放進(jìn)行了評估，表明高濕度和高有機(jī)質(zhì)含量的土壤能產(chǎn)生相對較高的N2O。而Mitsuru等[9]研究認(rèn)為鹽沼中溫室氣體的時空差異與地上生物量有關(guān)，且N2O通量日變化與任何環(huán)境因子無顯著的相關(guān)關(guān)系。Zhu等[10]研究表明南極洲東部苔原沼澤N2O的排放在一天中不同時間里有很大的不同，排放峰與地面最高溫度同時發(fā)生。此外研究對象還涉及海灣潮灘濕地[11]、河口海岸濕地[12]、湖岸濕地[13]和人工濕地[14]。國內(nèi)相關(guān)研究主要集中在三江平原沼澤濕地、東部濱海濕地和平原湖泊濕地。盧妍等[15]研究三江平原小葉章草甸N2O通量日變化特征后認(rèn)為小葉章草甸土壤-植物系統(tǒng)和土壤的N2O通量的變化趨勢與氣溫、地表溫度、5 cm、10 cm、15 cm和20 cm地溫均呈正相關(guān)關(guān)系。而宋長春等[16]研究淡水沼澤濕地N2O排放通量年際變化時認(rèn)為，N2O排放通量與土壤溫度和水深相關(guān)性不顯著。Sun等[17]研究黃河河口堿蓬屬沼澤時認(rèn)為，一天中N2O的日排放與任何環(huán)境因子相關(guān)性不大。萬曉紅等[18]研究表明，白洋淀湖泊濕地N2O的排放呈現(xiàn)明顯的時空變化特性，夏季N2O的排放量最大，且湖濱帶是其排放的活躍區(qū)；白洋淀湖泊濕地優(yōu)勢植物蘆葦?shù)纳L狀況影響N2O的產(chǎn)生與排放，其鮮質(zhì)量增加量與N2O的排放通量呈負(fù)相關(guān)性；土壤含水率的變化與N2O的排放通量有著較好的相關(guān)性，土壤含水率升高，N2O的排放通量增加；白洋淀湖泊濕地水中亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度與N2O的產(chǎn)生和排放關(guān)系密切，隨著亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度的增加，N2O的排放通量呈對數(shù)增長。這些有關(guān)濕地N2O排放的研究都集中在中國東部地區(qū)，且研究結(jié)果差異較大。對位于重要江河源頭的若爾蓋高原濕地也有所研究[19]，但對滇西北高原濕地有關(guān)N2O排放特征尚未開展相關(guān)研究。

位于滇西北金沙江流域的納帕海濕地，是中國低緯度高海拔的典型季節(jié)性高原湖泊濕地，是云南高原四大國際重要濕地之一。由于地處長江上游，調(diào)節(jié)著冰雪融水、地表徑流和河流水量，對長江下游水位和水量均衡有著重要作用，孕育了豐富的生物多樣性，是全球生物多樣性保護(hù)的熱點(diǎn)地區(qū)之一[20]。由于地處農(nóng)牧交錯區(qū)和旅游熱點(diǎn)地帶，成為滇西北高原受人為干擾較為突出的代表性濕地。近年來，在氣候變化和人類活動影響下，納帕海濕地干旱化程度加劇，濕地空間上從湖心向湖岸呈現(xiàn)出由沼澤向沼澤化草甸、草甸的演替格局[21，22]。這種演替對納帕海濕地N2O排放有什么影響，目前國內(nèi)尚未研究。本研究以滇西北高原納帕海濕地為研究區(qū)，按照水分梯度，選取沼澤、沼澤化草甸和草甸為研究對象，研究納帕海濕地不同演替階段濕地N2O的排放特征，闡明濕地生態(tài)演替對N2O排放的影響，為滇西北高原濕地保護(hù)與全球氣候變化研究提供基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)概況

納帕海濕地位于滇西北橫斷山脈中段香格里拉縣境內(nèi)（27°49′-27°55′N，99°37′-99°41′E），海拔3 260 m，面積3 100 hm2，為低緯度高海拔的季節(jié)性內(nèi)陸高原湖泊濕地。本區(qū)保留的第三紀(jì)末期形成的古夷平面錯落分布在不同高度，納帕海即發(fā)育在石灰?guī)r母質(zhì)的中甸高原上。受喀斯特作用的強(qiáng)烈影響，湖盆底部被蝕穿而形成落水洞，湖水在地下匯集后從北部穿過小背斜出露形成支流匯入金沙江。湖盆四周山嶺環(huán)繞，從湖盆中心至湖岸生長著大量的水生和陸生植被，湖濱有較大面積的沼澤草甸，周圍山上生長著硬葉常綠闊葉林和云杉冷杉針葉林以及灌叢。水量補(bǔ)給主要依靠降雨、冰雪融水和湖東南側(cè)幾條短小河流，以及湖兩側(cè)沿金沙江一中甸斷裂帶上涌的泉水[23]。納帕海濕地地處青藏高原與亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)和中南半島熱帶季風(fēng)區(qū)的結(jié)合部，具有高寒、年均溫低、霜期長、氣溫年較差和日較差大、干濕季節(jié)分明等特點(diǎn)。年均溫為5.4 ℃，年降水量為619.9 mm，主要集中在6～8月[23]。

2 研究方法

2.1 樣點(diǎn)分布

依據(jù)典型性和代表性原則，選擇一條典型的研究樣帶，樣帶大小為10 m×30 m，樣帶上選擇典型的沼澤、沼澤化草甸、草甸樣地，每塊樣地內(nèi)分別設(shè)置三個采樣點(diǎn)，共9個采樣點(diǎn)。樣地的水文、植被、土壤等狀況見表1。

2.2 N2O氣體采集裝置及采集方法

本研究采用靜態(tài)暗箱法采集氣體。采樣箱由底座、頂箱和延長箱組成，3種箱體均由不銹鋼制成，外覆絕熱材料。底座的幾何尺寸為50 cm×50 cm×20 cm，整個觀測期間都固定在采樣點(diǎn)上，延長箱和頂箱容積相同，長、寬、高均為50 cm，根據(jù)作物的生長需要可適時安裝延長箱。底座和延長箱的上端均有深3 cm、寬2 cm的密封水槽，試驗(yàn)時往槽里加水以防止箱子和底座的接觸處漏氣，在冬季則用密封條密封防止漏氣。頂箱上部有兩個軸流扇，用于混合箱內(nèi)氣體。箱子側(cè)面安裝有電源插頭和氣體樣品采集口。2011年5、7、9、11月（分別代表春夏秋冬四季）分別進(jìn)行N2O氣體采集。每月連續(xù)采集7 d（特殊天氣除外），取樣時間9：00～11：00，以此代表日平均通量值[10]。采樣開始時開啟軸流扇5 min，使箱內(nèi)氣體混合均勻，立即用100 mL注射器采集第一次樣品，之后每間隔10 min采樣一次，共采集4次，完成一個樣點(diǎn)氣體的采集。在采樣同時記下箱內(nèi)溫度和氣壓。樣品采集后迅速帶回實(shí)驗(yàn)室。氣體樣品中N2O氣體的濃度使用氣相色譜儀GC7900分析，N2O檢測器ECD，檢測溫度為330 ℃，載氣為高純度氮?dú)狻?/p>

氣體采集同時原位同步測定氣溫、箱內(nèi)溫度和5 cm、10 cm、15 cm地溫，并測定0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm土壤的水分含量，采集樣點(diǎn)土壤冷藏后帶回實(shí)驗(yàn)室測定其有機(jī)質(zhì)等土壤理化性質(zhì)。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件和作圖工具分別采用Microsoft Office Excel 2010和SPSS 17.0。

3 結(jié)果與分析

3.1 納帕海濕地N2O排放濃度變化特征

納帕海濕地N2O排放濃度隨時間變化特征如圖1所示。5月，沼澤化草甸N2O濃度隨時間變化波動較小，而沼澤和草甸N2O濃度隨時間變化波動較大。7月，沼澤化草甸、沼澤和草甸N2O濃度隨時間變化波動較小。9月，草甸N2O濃度隨時間變化波動較小，而沼澤和沼澤化草甸N2O濃度隨時間變化二者變化趨勢一致。11月，沼澤化草甸和草甸N2O濃度隨時間變化波動較大，沼澤N2O濃度隨時間變化波動較小?？梢姡煌愋蜐竦豊2O排放濃度隨時間變化特征不同，同一濕地類型不同季節(jié)N2O濃度隨時間變化特征也不同。

納帕海濕地N2O排放濃度具有明顯的季節(jié)變化特征（圖2）。沼澤N2O濃度季節(jié)波動明顯，表現(xiàn)為減小-增大-減小的趨勢，秋季濃度最大，冬季濃度最小。沼澤化草甸N2O排放濃度隨季節(jié)變化呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，春季濃度最大，冬季濃度最小。草甸N2O排放濃度隨季節(jié)變化呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，春季濃度最大，秋季濃度最小。由此可知，同一濕地類型N2O排放濃度隨季節(jié)變化特征不同，不同濕地類型N2O排放濃度隨季節(jié)變化特征也不同。研究時段內(nèi)納帕海濕地N2O排放濃度表現(xiàn)為草甸>沼澤化草甸>沼澤。所以當(dāng)納帕海濕地遭到破壞，由沼澤退化為沼澤化草甸和草甸，會排放更多的N2O氣體，局部地區(qū)氣溫的升高將會更加明顯。

3.2 環(huán)境因子對濕地N2O排放的影響

沼澤N2O排放濃度與5、10、15 cm深處的地溫呈正相關(guān)關(guān)系，而沼澤化草甸、草甸N2O排放濃度與5、10、15 cm深處的地溫均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。沼澤N2O排放濃度與土壤含水率呈正相關(guān)關(guān)系，沼澤化草甸、草甸N2O排放濃度與不同深度土壤含水率相關(guān)性存在差異。沼澤N2O排放濃度與土壤有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而沼澤化草甸、草甸N2O排放濃度與土壤有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳含量呈正相關(guān)關(guān)系。沼澤N2O排放濃度與土壤全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)（P <0.05），沼澤化草甸N2O排放濃度與全氮含量呈正相關(guān)關(guān)系，草甸N2O排放濃度與全氮含量相關(guān)性不顯著。3種類型的濕地N2O排放濃度與土壤C/N比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與NH4+-N呈正相關(guān)關(guān)系。沼澤化草甸、草甸N2O排放濃度與NO3--N呈正相關(guān)關(guān)系，沼澤與NO3--N呈微弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤容重對沼澤N2O排放濃度影響比較明顯，對沼澤化草甸、草甸影響相對較弱（表2）。由此可見，不同類型濕地中，各環(huán)境因子對N2O排放影響的程度不同。沼澤演替為沼澤化草甸或草甸后，環(huán)境條件發(fā)生改變，環(huán)境因子間的相互作用也發(fā)生改變，導(dǎo)致N2O排放濃度與環(huán)境因子間的關(guān)系發(fā)生相應(yīng)改變。

4 討論

4.1 帕納海濕地N2O排放濃度的時空差異

納帕海3種濕地類型N2O排放濃度隨季節(jié)變化不同。5月，3種濕地類型N2O排放濃度都比較大，可能是由于隨著溫度的升高，納帕海濕地植物的根開始復(fù)蘇，植物根系的生長及其分泌物提高了土壤中的微生物代謝活動性，促進(jìn)了N2O的排放，且納帕海濕地N2O排放濃度表現(xiàn)為草甸>沼澤化草甸>沼澤，說明沼澤的高水位可能抑制了其N2O的排放。另外，3種類型濕地生長的植物群落及生物量差異也可能是其原因之一。Peter等[24]的研究證實(shí)含氮?dú)怏w與生物量呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)關(guān)系。Seastedt等[25]也證實(shí)植物生物量與N的氣體排放通量密切相關(guān)。植物對生態(tài)系統(tǒng)N2O排放的貢獻(xiàn)不容忽視[26]。7月，沼澤化草甸和草甸N2O排放濃度下降幅度較大，與沼澤N2O的排放濃度相差不大，這可能與納帕海濕地顯著季節(jié)性的水文生態(tài)環(huán)境有關(guān)。受流域高原季風(fēng)氣候的影響，納帕海通常在2～5月達(dá)到年內(nèi)最低水位，低水位導(dǎo)致草甸和沼澤化草甸N2O的排放濃度比沼澤高；6月水位開始抬升，各植物都開始萌發(fā)生長；7～10月上旬，明水水面能達(dá)到2 000 hm2以上，這時沼澤化草甸、草甸均被水淹沒，期間生長的植物以及微生物所處環(huán)境均與沼澤類似，故7、9月，三者的N2O排放濃度相差不大，且三者的N2O排放濃度也比較低。11月，納帕海地區(qū)溫度很低，制約了微生物的硝化反硝化作用，所以3種濕地類型N2O的排放濃度都很低。但草甸N2O排放濃度有所回升，沼澤化草甸和沼澤N2O排放濃度則繼續(xù)下降，這可能是由于沼澤化草甸和沼澤的冰凍層阻礙了N2O的排放。所以，水位是影響納帕海濕地N2O排放季節(jié)性變化的主要因素。一些學(xué)者也認(rèn)為在特定的情況下，水位是影響N2O排放的主要因素[27]。

近年來，在氣候變化和人類活動影響下，納帕海濕地干旱化程度加劇，濕地空間上從湖心向湖岸呈現(xiàn)出由沼澤向沼澤化草甸、草甸的演替格局[21，22]。濕地的生態(tài)演替伴隨著濕地生態(tài)環(huán)境的改變，進(jìn)而對濕地溫室氣體N2O排放產(chǎn)生重要影響。本研究得出，納帕海3種濕地類型N2O的排放濃度排序?yàn)椴莸?沼澤化草甸>沼澤。由此可知，隨著這種演替格局的進(jìn)行，納帕海濕地會排放更多的N2O氣體，局部地區(qū)氣溫的升高更加明顯。

4.2 環(huán)境因子對納帕海濕地N2O排放濃度影響分析

在影響N2O產(chǎn)生與排放的諸多環(huán)境因素中，溫度和水分是自然條件下影響N2O通量最主要的兩個因素，它們主要通過影響微生物的活性、O2以及反應(yīng)底物的有效性來影響N2O氣體的排放通量[28]。Du等[29]研究海北高寒草甸時觀測發(fā)現(xiàn)N2O通量與土壤溫度呈指數(shù)關(guān)系。N2O的排放與箱內(nèi)溫度具有弱相關(guān)性[30]。而盧妍等[15]研究發(fā)現(xiàn)三江平原小葉章草甸土壤-植物系統(tǒng)和土壤的N2O通量的變化趨勢與氣溫、地表溫度、5、10、15和20 cm地溫均呈正相關(guān)關(guān)系。本研究結(jié)果表明，沼澤N2O排放濃度與5、10和15 cm深處的地溫及土壤含水率呈正相關(guān)關(guān)系，而沼澤化草甸、草甸N2O排放濃度與5、10和15 cm深處的地溫均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤含水率相關(guān)性不明顯。董云社等[31]認(rèn)為土壤N2O通量與氣溫、5和10 cm地溫表現(xiàn)出一定程度的負(fù)相關(guān)，原因可能與土壤水分狀況的變化密切相關(guān)。土壤有機(jī)質(zhì)，有機(jī)碳及全氮含量也會對其N2O排放造成影響。郝慶菊等[32]研究表明土壤N2O排放量與C/N比呈顯著負(fù)相關(guān)，并且與DOC（可溶性有機(jī)碳）和C含量均呈負(fù)相關(guān)，沼澤N2O排放濃度與土壤有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳及全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。Teepe等[33]通過野外觀測試驗(yàn)均表明土壤N2O排放與SOC（土壤有機(jī)碳）含量呈負(fù)相關(guān)，而且Huang等[34]的研究還表明土壤N2O排放與土壤TN（全氮）以及C/N均呈負(fù)相關(guān)。本研究得出，沼澤N2O排放濃度與土壤有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳及土壤全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05）。沼澤化草甸N2O排放濃度與全氮、土壤有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳含量相關(guān)性不顯著。草甸N2O排放濃度與土壤有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳、全氮含量相關(guān)性均不顯著，可能原因?yàn)檎訚沙Ｄ攴e水，有機(jī)質(zhì)的積累大于其分解速度，高的有機(jī)質(zhì)含量抑制了其N2O的排放。而沼澤化草甸、草甸N2O的排放濃度其影響因素更為復(fù)雜。NH4+和NO3-作為N2O產(chǎn)生的前體物質(zhì)，由于微生物的吸收必然會導(dǎo)致N2O的產(chǎn)生與排放減少，在土壤C/N<20的情況下，C/N越低，N2O的排放越高；C/N越接近20，N2O的排放越低[32]。本研究得出納帕海3種類型的濕地土壤C/N均在1～2之間波動，其N2O排放濃度與土壤C/N比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，印證了上述結(jié)論。此外本研究還得出，納帕海3種類型的濕地N2O排放濃度與NH4+-N均呈正相關(guān)關(guān)系，沼澤與NO3--N呈微弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系，沼澤化草甸、草甸N2O排放濃度與NO3--N呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。土壤容重對沼澤N2O排放濃度影響比較顯著，對沼澤化草甸、草甸影響不顯著（表2）?？梢?，不同類型濕地中，各環(huán)境因子對N2O排放影響的程度不同。沼澤演替為沼澤化草甸或草甸后，環(huán)境條件發(fā)生改變，環(huán)境因子間的相互作用也發(fā)生改變，導(dǎo)致N2O排放濃度與環(huán)境因子間的關(guān)系發(fā)生相應(yīng)改變。

5 小結(jié)

納帕海不同濕地類型隨時間變化其N2O排放濃度的特征不同，同一濕地類型不同季節(jié)N2O排放濃度變化特征也不同。5月，沼澤N2O濃度隨時間變化波動較大，7、9、11月其N2O排放濃度隨時間變化波動較小。沼澤化草甸5和7月N2O排放濃度隨時間變化平穩(wěn)，9和11月其波動較大。草甸5月份N2O排放濃度隨時間變化波動明顯，其余月份波動較小。全年中草甸N2O的排放最多，沼澤的排放量最少?？梢姡绻麧竦厥艿狡茐?，退化為草甸，N2O的排放量將較原來有所增加，濕地逆向演替將加速全球氣候變暖。

沼澤N2O排放與土壤全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳含量呈負(fù)相關(guān)，與土壤溫度、含水率、C/N比、NH4+-N、NO3--N、土壤容重相關(guān)性均不顯著。沼澤化草甸N2O排放與土壤20～30 cm含水率，土壤全氮、NO3--N含量呈正相關(guān)。草甸N2O排放與所有環(huán)境因子相關(guān)性均不顯著?？梢?，沼澤演替為沼澤化草甸或草甸后，N2O排放濃度與環(huán)境因子間的關(guān)系將發(fā)生改變。

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