河口感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量對(duì)氮沉降的短期響應(yīng)

李冬冬，　仝　川,b，　黃佳芳,b

(福建師范大學(xué) a． 地理科學(xué)學(xué)院； b． 濕潤亞熱帶生態(tài)-地理過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福州 350007)

0　引　言

大氣中位于第一位的溫室氣體是CO2，其為全球變暖作出的貢獻(xiàn)約為63%，雖然大氣中的第二大溫室氣體是CH4，但其增溫潛勢卻是CO2的15～30倍[1]。已有研究表明，大氣中的CH4主要來源于濕地，而且濕地會(huì)對(duì)CO2產(chǎn)生潛在影響[2]。因此，十分有必要對(duì)濕地溫室氣體排放特征開展研究。氮沉降是指大氣中的含氮化合物通過干、濕沉降的形式重回生態(tài)系統(tǒng)的過程，近年來，大量燃燒化石燃料、無限制施用氮肥、隨意改變土地利用方式等，使大氣氮沉降量迅速增長[3]。在亞洲, 由于工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展, 活性氮的使用和釋放，已經(jīng)從1961年的14 Tg/a增加到2000年的68Tg/a, 預(yù)計(jì)到2050年將達(dá)到270 Tg/a[4]。中國已位列全球第三大氮沉降區(qū)，并且日益嚴(yán)重。

河口感潮沼澤濕地位于海洋和大陸的過渡區(qū)域，是大氣CH4源和CO2碳，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)具有重要的服務(wù)功能[5]。濕地生態(tài)系統(tǒng)的氮在大氣和河流的共同作用下，必定改變?cè)械纳锏厍蚧瘜W(xué)循環(huán)過程，從而影響CO2、CH4排放通量的排放特征。 關(guān)于氮沉降對(duì)CO2、CH4排放通量影響的研究多見于森林、草地、水稻田及內(nèi)陸一些天然沼澤濕地[6-7]；關(guān)于氮沉降對(duì)河口感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量的影響還鮮見報(bào)道。

作為我國東南沿海重要的河口濕地之一，閩江河口感潮沼澤濕地承接著從上游和潮汐攜帶而來的大量含氮物質(zhì)。目前，關(guān)于氮沉降對(duì)我國亞熱帶河口感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量影響的研究還鮮見報(bào)道。本研究以閩江河口道慶洲短葉茳芏(Cyperusmalaccensis)感潮沼澤濕地為研究對(duì)象，探討氮沉降對(duì)河口感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量的影響。本研究對(duì)于認(rèn)識(shí)氮沉降對(duì)河口感潮沼澤濕地碳循環(huán)過程的影響具有現(xiàn)實(shí)意義。

1　研究區(qū)與研究方法

1.1　研究區(qū)概況

研究樣地位于福建閩江河口自然保護(hù)區(qū)內(nèi)鱔魚灘濕地(26°00′36″～26°03′42″N，119°34′12″～119°40′40″E)，是閩江河水從上游攜帶大量泥沙在河口淤積而成。區(qū)內(nèi)是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫19.13 ℃，降雨量1 346 mm左右，屬正規(guī)半日潮。本研究在鱔魚灘濕地東部堤壩附近的高潮灘內(nèi)進(jìn)行，選擇一個(gè)短葉茳芏群落廣泛分布的典型樣區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)布設(shè)，樣地土壤理化性質(zhì)見表1。

表1　鱔魚灘感潮沼澤濕地土壤基本理化性質(zhì)

注：表中數(shù)值為均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=4

1.2　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在選定短葉茳芏濕地范圍內(nèi)布設(shè)1條20 m×1 m與岸平行的實(shí)驗(yàn)樣帶，將其等距離平分為3個(gè)重復(fù)樣區(qū)，樣區(qū)之間間距2 m。在每個(gè)處理樣區(qū)內(nèi)等間距設(shè)置4個(gè)1 m×1 m 的處理小區(qū)。根據(jù)中國市域氮沉降量的一般區(qū)間以及相關(guān)研究[8]，設(shè)置對(duì)照CK(0 g NH4NO3m-2·a-1)及3個(gè)梯度的氮沉降處理：N24(24 g NH4NO3m-2·a-1)、N48(48 g NH4NO3m-2·a-1)、N96(96 g NH4NO3m-2·a-1)。將3個(gè)氮沉降處理需要施入的NH4NO3量平均分配到12個(gè)月中，從2016年10～12月，將每月分配的NH4NO3加蒸餾水配置成NH4NO3溶液。每月選擇1個(gè)小潮日樣地出露地表時(shí)，使用噴壺向氮沉降處理靜態(tài)箱底座內(nèi)土壤表面噴灑NH4NO3溶液，對(duì)照底座內(nèi)則施加相同量的蒸餾水。

1.3　氣體采集與測定

使用靜態(tài)暗箱法采集氣樣，靜態(tài)箱由不透明PVC板制成，分為底座和頂箱，底座頂端有環(huán)形水槽，底座尺寸：35 cm×35 cm×40cm，頂箱尺寸：35 cm×35 cm×120 cm。頂箱內(nèi)部頂端裝有小風(fēng)扇，側(cè)面裝有溫度計(jì)和丁基膠塞采氣孔。底座長期固定在樣地土壤中，沒入地下35 cm，出露地表5 cm。僅在每月施加溶液的第2 d采集一次氣樣，10～12月每月采集一次，共采集3次。采樣時(shí)，將頂箱罩在底座上，底座水槽加水密封，從蓋上頂箱開始每隔15 min用50 mL 帶三通閥的注射器抽取40 mL氣體注入氣袋，共抽取4次。將所采樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，用氣相色譜儀(Shimadzu GC-2010，Japan)測定氣樣中CO2、CH4濃度。根據(jù)以下公式計(jì)算排放到大氣環(huán)境中的CO2、CH4通量：

式中：F為溫室氣體通量(mg·m-2·h-1)；M為CO2、CH4的摩爾質(zhì)量(g/mol)；V為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體摩爾體積；dc/dt為CO2、CH4的濃度變化率；T為采樣箱內(nèi)溫度( ℃)；H為采樣箱的箱高(m)。只有濃度數(shù)據(jù)的線性回歸系數(shù)R2>0.9，才計(jì)算溫室氣體通量。

1.4　環(huán)境因子測定

氣體采集同時(shí)測定底座內(nèi)土壤深度為10 cm的溫度、pH值、電導(dǎo)率以及頂箱內(nèi)的溫度等因子。土壤pH值采用IQ150便攜式pH計(jì)(IQ Scientific Instruments，USA)測定，土壤溫度與電導(dǎo)率采用2265FS 便攜式溫度/電導(dǎo)計(jì)(Spectrum Technologies Inc，USA)測定，用頂箱側(cè)部安裝的溫度計(jì)測定箱內(nèi)溫度，用烘干法測定含水率，容重用環(huán)刀法測定。

1.5　數(shù)據(jù)處理與分析

運(yùn)用Microsoft Excel 2003和SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)測定數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，采用Origin 8.0 軟件進(jìn)行作圖。其中，用Microsoft Excel 2003 軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計(jì)算。不同處理CO2、CH4排放通量的差異性用SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件中單因素方差分析(ANOVA)進(jìn)行檢驗(yàn)，CO2、CH4排放通量與環(huán)境因子相關(guān)性用SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件中的Pearson 相關(guān)分析進(jìn)行分析。

2　結(jié)果與分析

2.1　CO2排放通量對(duì)氮沉降的響應(yīng)

鱔魚灘感潮沼澤濕地CO2排放通量在不同氮沉降處理下均呈現(xiàn)出隨溫度降低而減少的趨勢(見圖1)。CK、N24、N48和N96處理的CO2平均排放通量分別為：(1 474.59±381.21)、(1 212.77±217.46)、(1 253.83±252.88)和(1 165.75±217.58)mg·m-2·h-1。與對(duì)照相比，N24處理CO2平均排放通量減少17.76%，N48處理CO2平均排放通量減少14.97%，N96處理CO2平均排放通量減少20.94%，CK、N24、N48和N96的CO2排放通量的變異系數(shù)分別為：77.56%、53.79%、60.51%和55.99%。雖然氮沉降對(duì)鱔魚灘感潮沼澤濕地CO2排放通量具有抑制作用，但方差分析顯示，各處理間CO2排放通量的差異性不顯著(P>0.05)，氮沉降對(duì)鱔魚灘感潮沼澤濕地CO2排放特征未產(chǎn)生顯著影響。

圖1CO2排放通量對(duì)氮沉降的響應(yīng)

注：不同大寫字母代表同處理不同月份在P<0.05 水平上差異顯著；不同小寫字母代表同月份不同處理在P<0.05 水平上差異顯著(下同)

2.2　CH4排放通量對(duì)氮沉降的響應(yīng)

鱔魚灘感潮沼澤濕地CH4排放通量在不同氮沉降處理下也表現(xiàn)出隨溫度降低而下降的趨勢(見圖2)。CK、N24、N48和N96處理的CH4平均排放通量分別為：(6.73±2.55)、(5.96±2.10)、(4.94±2.47)和(5.59±1.84)mg·m-2·h-1。與對(duì)照相比，N24處理CH4平均排放通量下降11.52%，N48處理CH4平均排放通量下降26.63%，N96處理CH4平均排放通量下降16.94%。與對(duì)照相比，不同氮沉降處理抑制了CH4排放通量，但方差分析顯示，不同處理CH4排放通量差異性也未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。

圖2　CH4排放通量對(duì)氮沉降的響應(yīng)

2.3　環(huán)境因子變化特征及其與氣體通量的關(guān)系

(a)

(b)

(c)

圖3環(huán)境因子變化特征

觀測期內(nèi)，鱔魚灘感潮沼澤濕地土壤溫度總體表現(xiàn)出隨時(shí)間下降趨勢(見圖3(a))。方差分析顯示，各處理間土壤溫度差異性不顯著(P>0.05)。而土壤EC的變化規(guī)律則呈現(xiàn)出隨時(shí)間上升趨勢(見圖3(b))。各處理土壤EC的變化范圍為1.05～3.88(見圖3(c))，具體表現(xiàn)為CK>N96>N24>N48，土壤EC在各處理間差異性不顯著(P>0.05)。而土壤pH則表現(xiàn)出波動(dòng)變化的特征，CK、N24、N48和N96的土壤pH平均值分別為：(6.50±0.10)、(6.54±0.09)、(6.71±0.06)和(6.37±0.06)，不同處理間土壤pH差異性也不顯著(P>0.05)。相關(guān)分析顯示，鱔魚灘感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量與土壤溫度具有極顯著(P<0.01)的正線性相關(guān)關(guān)系(見表2)。CO2、CH4排放通量與土壤EC和土壤pH除了個(gè)別處理之間存在顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)相關(guān)外(見表2)，其他的相關(guān)性均不顯著(P>0.05)。

表2　環(huán)境因子與CO2、CH4排放通量的相關(guān)關(guān)系

注：*和**分別表示在P<0.05 和P<0.01 水平上顯著相關(guān)

3　討　論

3.1　氮沉降對(duì)CO2排放通量的影響

3.2　氮沉降對(duì)CH4排放通量的影響

氮沉降會(huì)對(duì)CH4產(chǎn)生、氧化和傳輸過程產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)CH4排放通量發(fā)生作用[12]。本研究中，鱔魚灘感潮沼澤濕地CH4排放通量受到了氮沉降的抑制作用，曾從盛等也發(fā)現(xiàn)CH4的產(chǎn)生會(huì)受到硝酸鹽的抑制，且輸入濃度和產(chǎn)生潛力之間具有負(fù)相關(guān)關(guān)系[13]。原因可能為：① 氮沉降使天然濕地土壤氮含量增加，增強(qiáng)了濕地土壤的氧化還原潛力，抑制CH4排放；② 氮沉降對(duì)CH4排放的影響主要是通過植被實(shí)現(xiàn)的，氮的施入提高了濕地生物量，減少了植被的根莖比，從而減少了CH4的排放[14]；③ 硝酸鹽能夠減少CH4的產(chǎn)生，因?yàn)橐恍┪⑸镌谘趸袡C(jī)質(zhì)時(shí)會(huì)將這些負(fù)離子作為電子受體，但是在厭氧條件下會(huì)從產(chǎn)甲烷菌中離開，從而降低產(chǎn)甲烷菌活性，使CH4排放通量減少。

3.3　環(huán)境因子對(duì)CO2、CH4排放通量的影響

本研究中，鱔魚灘感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量主要受到土壤溫度的影響，它們之間具有極顯著的正線性相關(guān)關(guān)系。植物根系呼吸和微生物活性會(huì)受控于土壤溫度，進(jìn)而對(duì)CO2排放產(chǎn)生影響。一般來說，土壤溫度升高會(huì)增強(qiáng)土壤CO2向大氣的傳輸速率, 使土壤向大氣釋放的CO2增多。同時(shí)，土壤溫度升高會(huì)增加植株密度、加強(qiáng)根系呼吸、加快微生物分解速率，機(jī)碳源供應(yīng)量增多，進(jìn)而使更多的CO2得到釋放[15]。而且，土壤溫度升高還會(huì)提高微生物活性，增加耗氧量，促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌生長，阻礙甲烷氧化菌作用，從而抑制甲烷氧化，提高甲烷產(chǎn)生速率，最終使CH4排放通量增加。同時(shí)，土壤溫度升高，土壤微生物活性增強(qiáng)，植物生長旺盛，根系有機(jī)物釋放量增加，使土壤有機(jī)碳積累量減少，進(jìn)而促進(jìn)CH4排放[16]。本研究中，土壤EC、pH與CO2、CH4排放通量之間大多不相關(guān)，這主要與研究時(shí)間較短，各處理間的土壤性質(zhì)差異性不顯著有關(guān)。實(shí)際上，除了上述的環(huán)境因子外，微生物活性、生物量、植被差異、土壤粒徑、含水率、容重等生物和非生物因素也會(huì)對(duì)溫室氣體的排放產(chǎn)生一定影響。因此，探究多因子耦合作用下長時(shí)間的溫室氣體排放特征將是我們今后研究的方向。

4　結(jié)　語

(1) 氮沉降對(duì)鱔魚灘感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量具有一定的抑制作用，但各處理間的差異性不顯著。

(2) 氮沉降沒有改變鱔魚灘感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量的時(shí)間變化規(guī)律，CO2、CH4排放通量均表現(xiàn)出隨溫度降低而減少的趨勢。

(3) 鱔魚灘感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量和土壤溫度具有極顯著的正線性相關(guān)關(guān)系，與土壤EC、土壤pH之間的相關(guān)性不顯著。

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好奇——?jiǎng)?chuàng)新意識(shí)的萌芽；

興趣——?jiǎng)?chuàng)新思維的營養(yǎng)；

質(zhì)疑——?jiǎng)?chuàng)新行為的舉措；

探索——?jiǎng)?chuàng)新學(xué)習(xí)的方法。