CO2摩爾分數(shù)倍增對秋茄濕地碳、氮循環(huán)影響的模擬

劉珺 張齊生 周培國 黃靖宇

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210000) (河海大學(xué))

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CO2摩爾分數(shù)倍增對秋茄濕地碳、氮循環(huán)影響的模擬

劉珺 張齊生 周培國 黃靖宇

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210000) (河海大學(xué))

二氧化碳；紅樹林；濕地碳；濕地氮；秋茄

紅樹林是陸地過渡到海洋的特殊森林類型，素有“海岸衛(wèi)士”之稱，在維持大氣碳氧平衡、凈化海水、綠化、美化濱海環(huán)境，以及生態(tài)旅游等方面具有獨特的生態(tài)、社會和經(jīng)濟效益[1-2]。在生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)成為全球變化研究熱點的背景下，紅樹林以其碳循環(huán)周期短和初級生產(chǎn)力極高等特點，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[3-5]。目前，有關(guān)大氣CO2摩爾分數(shù)升高對紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)影響的研究多數(shù)集中在植物生理變化、物種演替、地下根系、根系分泌物、土壤微生物等對CO2摩爾分數(shù)升高響應(yīng)的模擬研究[6-9]方面，研究結(jié)果表明：CO2摩爾分數(shù)升高能夠顯著帶來紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的生物量以及生產(chǎn)力的增加，但是長期處于高CO2摩爾分數(shù)下會對植物的生理結(jié)構(gòu)以及功能都造成破壞，與此同時，植物對高摩爾分數(shù)CO2的生理生態(tài)響應(yīng)也引起了土壤碳、氮循環(huán)變化[10-11]，影響碳的沉淀與固定，對整個生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能具有廣泛的影響[12-13]。因此，研究CO2摩爾分數(shù)升高環(huán)境下紅樹植物—秋茄濕地系統(tǒng)中碳、氮的變化對研究紅樹林濕地在溫室氣體的有效控制及整個濕地生態(tài)系統(tǒng)的良性物質(zhì)循環(huán)方面有著重要的意義。文中通過模擬CO2摩爾分數(shù)倍增對紅樹植物—秋茄濕地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮質(zhì)量的影響，探討其轉(zhuǎn)化過程及機理，以期為研究未來氣候變化條件下濕地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮物質(zhì)循環(huán)及對溫室氣體的控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2015年4月中旬購買1年生秋茄，修剪后選取其中株高、基徑和質(zhì)量相近的植株，在培養(yǎng)池中培養(yǎng)10 d后，備用。培養(yǎng)基質(zhì)于2月底取自海南東寨港，0～30 cm底泥濾水并與營養(yǎng)鹽充分攪拌混合，靜置培養(yǎng)而得，并于3月28日在OTC開頂箱的1、2、5、6號水槽中均勻鋪上一層底泥，高度為30 cm(干質(zhì)量約1 200 kg)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用開頂箱法[15](圖1、圖2)控制CO2摩爾分數(shù)，1號開頂箱CO2摩爾分數(shù)為700 μmol·mol-1，2號開頂箱保持當前大氣CO2摩爾分數(shù)為350 μmol·mol-1，作為對照(以下文中分別以高摩爾分數(shù)CO2、低摩爾分數(shù)CO2表示)；利用TES 1370紅外線CO2測定儀實時監(jiān)測OTC內(nèi)CO2摩爾分數(shù)。將1號開頂箱中，1號與4號、2號與3號水槽間用抽水泵連接；2號開頂箱中，5號與8號、6號與7號水槽間用抽水泵連接(圖3)來模擬潮汐，用定時器控制漲潮時間，保持槽內(nèi)人工海水深度為0.42 m，鹽度為10‰；每個半日潮苗木完全被淹沒的時間為4 h(即模擬半日潮)，每12 h循環(huán)水淹1個半日潮(第一次水淹時間從10:00—14:00，第二次水淹時間從22:00—次日02:00)，各處理每天淹浸2個半日潮；即每日24 h內(nèi)模擬潮汐兩漲兩退潮(每日浸水時間為8 h)。

圖1 開頂箱裝置圖

a.開頂箱外觀 b.開頂箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3 試驗組編號

1.3 樣品采集與分析方法

文中數(shù)據(jù)利用Origin7.5進行處理，并用SPSS19.0對350、700 μmol·mol-1CO2下秋茄濕地模擬系統(tǒng)中C、N質(zhì)量濃度(或質(zhì)量分數(shù))的變化進行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2摩爾分數(shù)升高對無植物對照培養(yǎng)池水中TC、TN質(zhì)量濃度的影響

對兩種摩爾分數(shù)下3號、4號、7號、8號池水中的TC、TN質(zhì)量濃度進行測定，由圖4可知，從1～120 d，經(jīng)高摩爾分數(shù)CO2和低摩爾分數(shù)CO2處理的水中的TC、TN質(zhì)量濃度沒有顯著差異，水中的TC、TN質(zhì)量濃度也沒有顯著增加或減少。與低摩爾分數(shù)CO2處理比較，高摩爾分數(shù)CO2對碳在水中的溶解沒有顯著影響，兩者差異不顯著。可見，即使CO2摩爾分數(shù)倍增，其在水中的TC溶解能力也沒有顯著增加；同時，水中TN質(zhì)量濃度沒有顯著變化，說明系統(tǒng)無明顯的外源氮輸入，就單獨空白對照的自來水而言，CO2摩爾分數(shù)倍增對TN質(zhì)量濃度無影響。

a.TC b.TN

2.2 CO2摩爾分數(shù)升高對秋茄濕地模擬系統(tǒng)內(nèi)碳的影響

對兩種摩爾分數(shù)下1號、2號、5號、6號池水及土壤中的碳組分進行測定。在120 d的培養(yǎng)期內(nèi)，高摩爾分數(shù)與低摩爾分數(shù)CO2作用下的濕地水中TC、TOC的質(zhì)量濃度都呈上升趨勢(圖5)，而土壤中TC、TOC的質(zhì)量分數(shù)都呈下降趨勢(圖6)。從表1可以看出，在高摩爾分數(shù)CO2作用下，系統(tǒng)水中TC、TOC的平均質(zhì)量濃度比低摩爾分數(shù)CO2作用下的分別高出5.5%、11%，IC降低了7.1%，差異均不顯著。土壤中TC、TOC的平均質(zhì)量分數(shù)分別比低質(zhì)量分數(shù)CO2作用下的高出2.8%、5.4%，差異不顯著，IC平均質(zhì)量分數(shù)降低了6.7%，差異顯著?？梢姡谇锴褲竦啬M系統(tǒng)中CO2摩爾分數(shù)倍增并未引起水體中的碳的顯著變化，由于水中溶解有機碳質(zhì)量濃度增高，同時也加速利用了水體中的無機碳IC，使IC質(zhì)量濃度減低。但是，由于溶解有機碳在水中碳組分中所占的比例較大，所以水中的TC表現(xiàn)為增加的趨勢。而在系統(tǒng)的土壤中，從培養(yǎng)45 d開始，經(jīng)高摩爾分數(shù)CO2處理的土壤中TOC的質(zhì)量分數(shù)顯著高于經(jīng)低摩爾分數(shù)處理的，說明土壤中TOC對高摩爾分數(shù)CO2的響應(yīng)比較滯后，土壤中的TC平均質(zhì)量分數(shù)同樣表現(xiàn)為增加的趨勢。

a.TC b.TOC c.IC

a.TC b.TOC c.IC

2.3 CO2摩爾分數(shù)升高對秋茄濕地模擬系統(tǒng)內(nèi)氮的影響

表1 CO2摩爾分數(shù)升高對秋茄濕地系統(tǒng)中碳的影響

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差；同列不同小寫字母表示不同處理在0.05水平上差異顯著，不同大寫字母表示不同處理在0.01水平上差異顯著。

a. b. c.TN

2.4 CO2摩爾分數(shù)升高對秋茄濕地模擬系統(tǒng)碳、氮收支的影響

CO2摩爾分數(shù)升高對紅樹林濕地系統(tǒng)內(nèi)的水生植物產(chǎn)生了非自然的干擾，改變了系統(tǒng)原有的生長規(guī)律，改變了碳、氮等養(yǎng)分的物質(zhì)循環(huán)過程。CO2摩爾分數(shù)升高，一方面增加了植物根部碳的儲存，使這些植物根系在死亡之后，能夠在厭氧條件的濕地系統(tǒng)內(nèi)部有效地積累；另一方面，促進其水中或水面部分加速生長，使其能夠較多的分泌活性碳、氮組分，被微生物快速的利用。因此，只有了解系統(tǒng)內(nèi)部碳(TC(水+土壤))、氮(TN(水+土壤))總量的變化，才能知曉CO2摩爾分數(shù)升高是否對碳、氮的累積過程產(chǎn)生影響。

圖8 CO2摩爾分數(shù)升高對秋茄濕地土壤中TN質(zhì)量分數(shù)的影響

表2 CO2摩爾分數(shù)升高對秋茄濕地系統(tǒng)中氮的影響

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差；同列不同小寫字母表示不同處理在0.05水平上差異顯著，不同大寫字母表示不同處理在0.01水平上差異顯著。

由表3可知，從1～120 d CO2摩爾分數(shù)倍增環(huán)境下，秋茄濕地模擬系統(tǒng)中的TC(水+土壤)增加了2.8%。碳在系統(tǒng)中的積累主要體現(xiàn)在濕地土壤有機碳的增加量中，盡管濕地水體中有機碳增加較大，但有機碳在濕地土壤中增加的比例起到顯著作用。可見，由于CO2摩爾分數(shù)倍增，促進了植物生物量的顯著增加，從而使得系統(tǒng)水體及土壤中TC(水+土壤)得到了提升，積累了有機碳。與有機碳的積累不同，系統(tǒng)中TN(水+土壤)的轉(zhuǎn)化速率明顯增加，經(jīng)高摩爾分數(shù)CO2處理的秋茄濕地模擬系統(tǒng)中TN(水+土壤)顯著降低了8.7%。氮素在系統(tǒng)中的礦化速率明顯加快，培養(yǎng)期內(nèi)，土壤氮素明顯降低，底泥中的氮大量循環(huán)入水體中，使水中TN顯著增加，氮在系統(tǒng)中的代謝和周轉(zhuǎn)加快。可見，CO2摩爾分數(shù)倍增，是系統(tǒng)內(nèi)氮轉(zhuǎn)化速率提升的主要驅(qū)動力。

表3 CO2摩爾分數(shù)升高對秋茄濕地系統(tǒng)中總碳、總氮質(zhì)量的影響

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差；同列不同小寫字母表示不同處理在0.05水平上差異顯著。

3 結(jié)束語

CO2摩爾分數(shù)倍增，并未引起秋茄濕地系統(tǒng)水體中碳質(zhì)量濃度、土壤中的碳質(zhì)量分數(shù)的顯著變化，系統(tǒng)中的總碳質(zhì)量表現(xiàn)為增加的趨勢，秋茄模擬系統(tǒng)濕地土壤表現(xiàn)為明顯碳累積過程，系統(tǒng)表現(xiàn)為顯著的碳累積的趨勢，為碳累積的“庫”。

在本研究中，碳、氮循環(huán)的主要過程和組分轉(zhuǎn)變過程還不是十分明確，可以考慮利用同位素示蹤的方法研究碳、氮的分配規(guī)律和代謝途徑。通過短期的培養(yǎng)試驗研究了CO2摩爾分數(shù)升高對紅樹林濕地碳、氮的影響。碳氮耦合對氣候變化的長期的影響還需要進一步研究。

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Effect of CO2Doubling on Carbon and Nitrogen Circulation inKandeliacandelWetland Simulation System//

Liu Jun, Zhang Qisheng, Zhou Peiguo(Nanjing Forestry University, Nanjing 210000, P. R. China); Huang Jinyu(Hohai University)//

Journal of Northeast Forestry University，2017,45(5)：80-84.

CO2； Mangrove wetland； Wetland carbon； Wetland nitrogen；Kandeliacandel

劉珺，女，1983年8月生，南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，博士研究生；現(xiàn)工作于南京高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，講師。E-mail:496884531@qq.com。

張齊生，南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，教授。E-mail:zhangqs@njfu.com.cn。

2016年12月5日。

Q148

責(zé)任編輯：任 俐。