黃河中游蘆葦群落土壤CO₂排放及其影響因素

呂海波 謝恒星

摘要：對黃河中游濱河濕地蘆葦群落土壤CO2排放速率數(shù)據進行采集，按相對水位、氣溫及群落狀況進行篩選，旨在評價研究區(qū)CO2排放水平，分析氣候變化對其造成的影響。各條件下，低矮蘆葦群落土壤CO2排放速率平均為353.30mmol·m-2·h-1，成熟群落的為17.62 mmol·m-2·h-1；隨水位上升CO2排放速率逐漸下降，但成熟群落的在相對水位為-10～10cm時有上升波動，低矮蘆葦群落土壤的CO2排放速率下降幅度大于成熟群落的；隨氣溫上升，各類型濕地CO2排放速率有下降趨勢，其變化幅度排序為低矮干>低矮濕>成熟群落；低矮蘆葦群落CO2排放速率受水位、氣溫的影響都遠大于成熟群落的。

關鍵詞：蘆葦濕地；CO2排放；水位；氣溫；黃河中游

中圖分類號：S593 文獻標志碼：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.014

全球變暖過程中，濕地調節(jié)氣候、抑制全球變暖的生態(tài)功能極受關注。盡管全球濕地面積僅占陸地面積的4%～6%，但其碳儲量為300～600Gt，占陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲存總量的12%～24%。濕地主要通過光合作用并以生物量的形式固定大氣中的碳，通過土壤有機質分解、植物根系呼吸以及土壤物質還原過程等來釋放CO2。對濕地碳匯作用的研究，尤其是外界條件變化對濕地碳匯作用的影響研究是本研究領域關注的焦點。目前，前人已研究了不同種類濕地（如河流、湖泊、沼澤、海岸濕地等）、不同外界干涉（如養(yǎng)分變化、凍融、濕地恢復、開墾、淹水、火災等）、不同氣象因素（氣溫、水分、晝夜等）條件下溫室氣體排放/吸收的變化，積累了大量的數(shù)據，然而濕地有地域差異性，對不同地域的固碳進行評價及影響仍有必要。黃河中游自禹門口以下河道變寬，濕地廣泛分布且呈斑狀、帶狀。近年來氣候變化造成中國西北地區(qū)夏季降水變化劇烈，進而影響黃河水位變化。黃河中游地區(qū)濕地氣體排放對氣溫、水位變化的響應研究一方面可以彌補中國濕地調查的空缺，另一方面有助于深入研究水位對氣體排放的影響，進而有助于評價這一地區(qū)氣體排放變化的范圍和幅度。筆者通過對黃河中游禹門口至潼關段濕地的蘆葦群落進行大范圍的調查研究，整理、篩選數(shù)據，評價了研究區(qū)CO2排放水平，分析了氣溫、水位對CO2排放的影響規(guī)律。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

陜西韓城的禹門口是晉陜峽谷的南口，禹門口以上黃河穿行在深邃的峽谷之中，水面總比降為0.1%左右；以下黃河河谷驟然展寬為4～10km的漫灘，流經汾渭階地平原河段，黃河游蕩性較強，兩岸灘地較多，發(fā)育有濱河濕地，其中東王至潼關段長60km，河道寬6～19km，沿岸均分布有廣闊的河漫灘和沼澤濕地。選取黃河禹門口至潼關段兩岸濕地，調查并采集了其典型濕地植物群落——蘆葦群落土壤的CO2排放數(shù)據，對其進行了分析研究。

1.2 研究方法

2016年7-9月對研究區(qū)域所在的黃河兩岸各種典型蘆葦濕地進行采樣，同時測量記錄樣地概況（氣溫、水位、株高、直徑、密度）。相對水位（水面與土表的垂直距離，土表以下為負值，土表以上為正值）根據附近水面高程量算，蘆葦狀況及氣溫為人工實際測量。CO2排放速率采用WEST Systems便攜式土壤CO2/H2O通量系統(tǒng)WS-LI840采集，并利用系統(tǒng)自帶軟件進行CO2排放速率的提取。共89個樣地，每塊樣地重復采集3次。根據系統(tǒng)曲線篩選有效數(shù)據，最終獲得66個樣地的數(shù)據。為避免破壞樣地自然狀況，測量盡量選擇在植株間隙處進行，過于稠密處則進行適當剪除。

利用SPSS22軟件對數(shù)據進行Pearson相關分析，利用Excel軟件進行不同水位和氣溫CO2排放速率的對比。

通過雙相關分析發(fā)現(xiàn)，蘆葦高度與直徑、密度相關系數(shù)為0.537、0.268，因此將蘆葦高度作為其群落狀況的代表。野外調查發(fā)現(xiàn)，蘆葦群落大致分為兩大類，本文將高度小于80cm的歸類于低矮群落，120～230cm的歸類于成熟群落。水位<-100cm、水位>0cm分別代表土壤干、濕條件。

2 研究結果

2.1 水位變化的影響

夏季正常氣溫條件下，低矮蘆葦群落樣地各水位下CO2排放平均速率為353.30mmol·m-2·h-1，成熟蘆葦群落的為17.62mmol·m-2·h-1。隨水位上升（見圖1），低矮蘆葦群落樣地CO2排放速率逐漸下降，水位在5cm以上時，其下降速率加快。隨水位上升，成熟蘆葦群落樣地的CO2排放速率曲線呈現(xiàn)下降一上升一下降的趨勢，水位在-10cm以下時，其呈下降趨勢，水位為-10cm至10cm時其逐漸上升，在10cm以上又迅速下降。

由水位升降導致的低矮蘆葦群落CO2排放速率為130.66～482.89mmol·m-2·h-1，而成熟蘆葦群落該速率的變化范圍為6.31～27.47mmol·m-2·h-1，變幅遠小于低矮蘆葦群落的。可見，水位對低矮蘆葦群落樣地CO2 排放速率的影響遠大于成熟蘆葦群落的。

2.2 氣溫變化的影響

在干（水位<-100cm）、濕（水位>0cm）條件下，低矮蘆葦群落和成熟蘆葦群落樣地的CO2排放速率隨氣溫上升都呈下降趨勢，但其變化速率有所不同，干條件下低矮蘆葦群落的隨氣溫變化最快，低矮蘆葦群落的變化速率大于成熟群落的（見圖2）。

氣溫引起CO2排放速率的變化有如下規(guī)律：干條件的大于濕條件的，低矮群落的大于成熟群落的。干條件低矮群落的變化最大，氣溫引起CO2排放速率變化范圍為139.97～1116.67mmol·m-2·h-1，變化幅度達976.7mmol·m-2·h-1，濕條件下的變化幅度為373.76mmol·m-2·h-1；成熟群落樣地在干濕條件下氣溫造成的CO2排放速率變化并不明顯，變化幅度分別為58.19、64.49mmol·m-2·h-1。

3 CO2排放速率影響因素分析

3.1 蘆葦群落特點對土壤CO2排放速率的影響差異

一般認為，旺盛的濕地植物群落CO2排放較少，表現(xiàn)為碳匯。研究發(fā)現(xiàn)在濱海蘆葦濕地，生長季CO2凈吸收量隨著葉面積指數(shù)的增長而增大。在北方苔草泥炭濕地，葉面積指數(shù)低的苔草濕地作為CO2的源，而有高葉面積指數(shù)的苔草濕地卻表現(xiàn)為CO2的匯。本研究中低矮蘆葦濕地CO2排放速率遠高于成熟蘆葦濕地的，而且抗干擾能力遠弱于后者，水位及氣溫變化能夠顯著改變低矮蘆葦濕地CO2排放速率，而對于成熟群落，則變化不大。

3.2 水位變化對蘆葦濕地CO2排放速率的影響

濕地CO2排放的主要來源包括有機質礦化、電子受體的還原過程如三價鐵的還原或硫酸鹽的還原等。CO2的排放速率與溫度、水分條件有密切關系，當溫度一定時，水分條件決定了濕地土壤含氧程度，進而決定濕地有氧和厭氧生物過程在濕地中的位置和程度。一般認為，水位升高會導致CO2排放量減小，如Burkett等發(fā)現(xiàn)，濕地在排干或半排干狀態(tài)下，水位降低會成為CO2的源，CO2排放速率增大，而水位高時CO2排放速率減?。籗ilvola等發(fā)現(xiàn)濕地在水位較低時，由于在有氧條件下有機物質具有更高的分解速率，因此CO2排放速率隨著水位的降低而增大。筆者研究發(fā)現(xiàn)，隨水位上升低矮蘆葦濕地CO2排放速率減小，這與其他研究結果一致。然而，相關研究中，水位與CO2排放并未有明顯相關性（見表1，在P=0.01、P=0.05顯著性水平下未發(fā)現(xiàn)明顯相關），說明這一特征并不穩(wěn)定。隨水位上升成熟蘆葦濕地CO2排放并未表現(xiàn)出一致的規(guī)律，已有證據表明，氣體排放與水位、氣溫、植被生長狀況等因素都有明顯關系。成熟蘆葦群落CO2排放速率隨水位的上升，并未表現(xiàn)出一致的減小規(guī)律，這與蘆葦?shù)纳L狀態(tài)有關，在干旱時（水位<-10cm），土壤呈厭氧環(huán)境，植物根系呼吸及微生物活動排放增加CO2排放活躍，隨水位上升，土壤中含氧量逐漸減小，CO2排放量隨之減小，當水位逐漸上升到地表附近時，地表土壤腐殖質層由干變濕，分解速度加快，這可能是水位從-10cm到10cm出現(xiàn)波峰的原因，隨著水逐漸淹沒土表，CO2排放量減小，當然，其中的具體機理仍需進一步研究。

3.3 氣溫變化對蘆葦濕地CO2排放速率的影響

很多研究已證明，氣溫是影響濕地溫室氣體排放的主要因素。如胡啟武等發(fā)現(xiàn)鄱陽湖苔草濕地中土壤溫度是CO2通量的主要控制因子，可以解釋呼吸速率80%以上的變異；汪青等發(fā)現(xiàn)濕地CO2排放與15cm深處的土壤溫度成顯著正相關，但與氣溫的相關性較弱。盡管氣溫與CO2排放成正相關已被有些學者認同，但仍有一些不同意見。Aurela等的研究表明，氣候變暖將增加生長季的時間，有益于而不是危害泥炭地碳庫。Corradi等通過對比研究不同緯度濕地和苔原生態(tài)系統(tǒng)，認為全球變暖將增強而不是削弱濕地CO2匯的能力。本研究中，各條件下CO2排放速率隨氣溫上升有減小趨勢，但其擬合度很低，可能是干擾因素過多導致的，本研究結果支持隨氣溫上升濕地碳匯效應增加的觀點。對于氣溫變化所造成的影響，低矮群落要大于成熟群落，干環(huán)境要大于濕環(huán)境，成熟濕地表現(xiàn)了對氣候調節(jié)的穩(wěn)定性。

4 結論

黃河中游蘆葦濕地CO2排放速率主要受水位、氣溫及群落狀況因素影響，但各因素相關性較為復雜。隨水位上升，低矮、成熟群落樣地的CO2排放速率基本表現(xiàn)為減小趨勢，除了成熟群落在水位-10～10cm時CO2排放速率有一次增大的波動。隨氣溫上升，各類型群落CO2排放速率有減小趨勢，但其擬合度不高。

低矮蘆葦群落CO2排放速率在水位、氣溫變化時表現(xiàn)出比成熟群落數(shù)值更大、變化趨勢更明顯、變化范圍更大，當由干變濕時，其變化特點變得較為不明顯。

氣候變化過程中，濕地受到氣溫和水位變化的影響，其CO2排放表現(xiàn)出規(guī)律性和復雜性，蘆葦濕地越成熟所受影響越小，水分條件好的蘆葦群落受到的影響較小。