牛翠云, 王樹濤, 郭艷杰, 劉 微, 張俊梅
(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,河北保定 071001; 2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)土資源學(xué)院,河北保定 071001;3.河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北保定 071001; 4.河北大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,河北保定 071002)
碳(C)是全球氣候變化的重要影響因素之一,在大氣圈碳庫(kù)中主要以甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)的形式存在。其中,作為主要溫室氣體的甲烷對(duì)全球氣候變暖的貢獻(xiàn)率達(dá)到了20%~39%[聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(intergovernmental panel on climate change,簡(jiǎn)稱IPCC),2007年]。大氣中的CH4含量已從工業(yè)革命前(1750年)的 0.72 μmol/mol 上升到了2012年的1.82 μmol/mol,提高了約1.5倍(IPCC,2014年)。CO2濃度已經(jīng)從工業(yè)革命前的 280 μmol/mol 增加到現(xiàn)在的393 μmol/mol(IPCC,2014)[1]。土壤碳庫(kù)也是地球碳庫(kù)的一個(gè)重要組成系統(tǒng),土壤碳庫(kù)與大氣碳庫(kù)間的循環(huán)對(duì)于溫室氣體的排放影響最大[2]。大氣圈環(huán)境與土壤圈環(huán)境間存在著密切聯(lián)系[3],特別是大氣圈與土壤圈之間的碳循環(huán)[4]。與此同時(shí),濕地面積雖然只占土地面積及淡水面積的6%~8%,但是卻儲(chǔ)存了約15%的地球上陸地有機(jī)碳含量[5]。濕地系統(tǒng)是否是碳循環(huán)的源或匯,與碳在濕地系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化和循環(huán)的過程關(guān)系密切,因此,研究碳在濕地中的遷移轉(zhuǎn)化過程對(duì)于研究碳庫(kù)循環(huán)的意義重大[6]。
水陸交錯(cuò)帶是處于水生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)之間的重要界面區(qū),其特殊的邊界效應(yīng)使其往往成為流域生物地球化學(xué)循環(huán)的“熱區(qū)”[6-7]。水陸交錯(cuò)帶是具有特殊功能的環(huán)境過渡帶,其在水陸系統(tǒng)之間的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)中都發(fā)揮著獨(dú)特的作用且具有顯著的生態(tài)邊緣效應(yīng)。健康的水陸交錯(cuò)帶對(duì)流經(jīng)的河流水體及其所攜帶的物質(zhì)具有較強(qiáng)的截留和過濾作用[8]。近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水陸交錯(cuò)帶的研究主要集中在濕地的開發(fā)利用和保護(hù)上,對(duì)生物多樣性、水體凈化及其截留、濾過作用也有一些研究[9-10],但是關(guān)于該生態(tài)區(qū)域碳素循環(huán)特征的研究很少涉及。本研究以白洋淀地區(qū)具有代表性的蘆葦型水陸交錯(cuò)帶濕地區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,對(duì)其甲烷、二氧化碳排放的時(shí)空規(guī)律及相關(guān)土壤環(huán)境因子進(jìn)行研究,以期深入理解和認(rèn)識(shí)蘆葦型水陸交錯(cuò)帶濕地的固碳功能及碳循環(huán)的變化特點(diǎn),為研究大氣圈與土壤圈之間的碳循環(huán)特征及利用濕地進(jìn)行碳減排提供參考依據(jù)。
白洋淀地處38°43′~39°02′N、115°38′~116°07′E,由白洋淀、藻苲淀、馬棚淀、腰葫蘆淀等143個(gè)大小不等的淀泊組成,總面積為366 km2(水面大沽高程為10.5 m)[11],其中85.6%的水域在安新境內(nèi),幾乎占據(jù)安新縣總面積的1/2。淀區(qū)地勢(shì)自西北向東南傾斜,自然坡度為1 ∶7 000。白洋淀總流域面積為31 199 km2,占大清河水系流域面積的96.13%。該區(qū)地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年降水量為506.5 mm,年平均氣溫為7~12 ℃。白洋淀上游主要有8條入淀河流,近年來入淀徑流量很少,除府河外,其他河流基本已斷流。白洋淀不同于其他內(nèi)陸淡水湖泊,其間有臺(tái)田、水道縱橫分布于白洋淀各大淀區(qū)之間[12],其臺(tái)地植被主要以蘆葦群落為主。在全淀范圍內(nèi),水陸交錯(cuò)帶發(fā)育相對(duì)良好,主要有蘆葦植被群落、葦?shù)亻g溝壕和開闊淀水,其中以蘆葦植被為景觀特征的水陸交錯(cuò)帶面積約占36%[13]。
本研究依據(jù)白洋淀污染源及污染的空間分布特點(diǎn),并兼顧采樣的可行性和代表性,選擇了2個(gè)典型水陸交錯(cuò)帶樣點(diǎn),分別為東里莊(S1點(diǎn),地理位置38°49.653′ N、115°58.711′ E)和南劉莊(S2點(diǎn),地理位置38°53.990′ N、115°56.635′ E)。2個(gè)采樣點(diǎn)蘆葦發(fā)育均良好,生長(zhǎng)旺盛,面積適中,且基本無人為破壞。S1點(diǎn)周邊臨近村莊,生活污水亂排、垃圾亂堆現(xiàn)象嚴(yán)重,受生活污染影響較大。S2點(diǎn)周邊臨近養(yǎng)魚場(chǎng),有封閉式或開放式魚塘,魚塘定期投放餌料,受漁業(yè)生產(chǎn)污染影響相對(duì)較大。確定采樣點(diǎn)后,于2015年3—11月,歷經(jīng)近1年的時(shí)間,定期對(duì)采樣點(diǎn)處的氣體CH4和CO2、土壤等樣品進(jìn)行采集。
1.3.1 氣體的采集與測(cè)定 甲烷、二氧化碳?xì)怏w采用密閉式靜態(tài)箱法測(cè)定。箱體由2個(gè)部分組成:上部箱體為圓柱體形式的聚氯乙烯(polyvinyl chloride,簡(jiǎn)稱PVC)箱(直徑14 cm、高15 cm),箱體頂部設(shè)1個(gè)氣體取樣口,底部開口可以罩在PVC底座上;下部底座為四周有水槽的圓柱體,測(cè)定前將底座插入表層土中。抽氣取樣時(shí),將水封槽內(nèi)注滿水,然后將氣密室密封罩罩上,形成1個(gè)密閉性氣體空間,然后從箱體頂端的取樣口用50 mL注射器取氣體樣品。氣體樣品采用CA-6氣體樣品進(jìn)樣儀進(jìn)樣,利用Agilent 7890A型氣相色譜儀進(jìn)行分析。N2O檢測(cè)器為電子捕獲檢測(cè)器(ECD),分離柱內(nèi)填充料為80~100目Porpak Q,載氣為高純N2,流量為 30 mL/min,檢測(cè)器溫度為330 ℃,分離柱溫度為55 ℃。
利用以下公式計(jì)算氣體通量:
F=ρ·(V/A)·(ΔC/ΔT)·273/(273+T)=ρ·H·(ΔC/ΔT)·273/(273+T)。
式中:F為被測(cè)氣體通量,μg/(m2·h);A為采樣箱底座所包圍的土壤面積,m2;V為采樣箱的容積,m3;ΔC/ΔT為采樣箱內(nèi)被測(cè)氣體質(zhì)量隨時(shí)間的變化,一般氣體濃度以體積比計(jì),因此該項(xiàng)單位為h-1;ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下溫室氣體的密度,μg/m3;H為采樣箱高度,m。
1.3.2 土壤樣品的采集及測(cè)定 土樣采集后自然風(fēng)干,磨碎并過100目篩后備用。土壤pH值采用電位計(jì)法測(cè)定;土壤含水率采用烘干法測(cè)定;有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定。
所有數(shù)據(jù)均為所設(shè)置重復(fù)的平均值,數(shù)據(jù)處理分別采用Excel作圖,用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。
如圖1所示,白洋淀濕地水陸交錯(cuò)帶土壤CH4排放通量具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律,且不同采樣點(diǎn)CH4排放通量均表現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)。夏季CH4排放通量最大,秋、冬季次之,春季較小。在不同的月份,CH4的排放通量各不相同,從3月到11月,2個(gè)采樣點(diǎn)的CH4排放通量均呈現(xiàn)出先增加后減少的變化趨勢(shì)。從3月到8月,2個(gè)采樣點(diǎn)的CH4排放通量呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì),并在8月蘆葦生長(zhǎng)最旺盛時(shí)期達(dá)到最大值,8月之后則呈現(xiàn)出迅速下降的趨勢(shì),在春季的3、4、5月以及秋冬季的9、10、11月,CH4的排放通量處于較低水平,但是秋冬季節(jié)的排放通量略高于春季。2個(gè)采樣點(diǎn)CH4排放通量的最大值均出現(xiàn)在夏季的8月,分別是406.27、435.91 μg/(m2·h),S2采樣點(diǎn)略高于S1采樣點(diǎn);比較2個(gè)采樣點(diǎn)的最小值可知,S1采樣點(diǎn)的最小值出現(xiàn)在4月,為 26.66 μg/(m2·h),S2采樣點(diǎn)的最小值出現(xiàn)在3月,為 15.91 μg/(m2·h);分析2個(gè)采樣點(diǎn)CH4全年排放通量中值(平均值)可知,S1、S2采樣點(diǎn)分別為144.35、146.48 μg/(m2·h),處于同一水平。季節(jié)排放差異主要是受溫度的影響,尤其是土壤溫度對(duì)土壤微生物活性和CH4的產(chǎn)生排放都有非常重要的影響,它主要制約有機(jī)質(zhì)的分解,調(diào)節(jié)參與CH4形成的微生物活性,同時(shí)對(duì)CH4的氧化輸送起著至關(guān)重要的作用[14]。2個(gè)具有不同環(huán)境特點(diǎn)的水陸交錯(cuò)帶濕地CH4排放通量隨季節(jié)變化呈現(xiàn)出良好的一致性,且季節(jié)性變化規(guī)律明顯。很多研究表明,CH4排放量在夏季最高,在冬季和早春季節(jié)最低[15-17],這與本研究的觀測(cè)結(jié)果是一致的。
如圖2所示,在不同的月份,CO2的排放通量各不相同,從3月到4月出現(xiàn)了小幅度的下降,從4月到11月均呈現(xiàn)出先增加后減少的變化趨勢(shì)。與CH4排放通量的變化稍有區(qū)別,CO2的排放通量在春季的3、4、5月和冬季的11月出現(xiàn)排放低谷期,2個(gè)采樣點(diǎn)的最小值出均現(xiàn)在4月,最大值均出現(xiàn)在8月。對(duì)于采樣點(diǎn)1,CO2的排放通量在夏季的6、7、8月呈現(xiàn)出較高水平,中值(平均值)為337.77 mg/(m2·h),該排放高峰期的最大值出現(xiàn)在8月,為356.53 mg/(m2·h),在8月之后出現(xiàn)下降趨勢(shì)。對(duì)于采樣點(diǎn)2,CO2排放高峰期較長(zhǎng),從夏季的6月一直持續(xù)到秋季的10月,其中值(平均值)為392.44 mg/(m2·h),最大值出現(xiàn)在夏季的8月,為 533.09 mg/(m2·h),CO2排放低谷期為春季的3、4、5月,最小值出現(xiàn)在4月,為18.39 mg/(m2·h)。分析2個(gè)采樣點(diǎn)CO2在全年排放通量的中值(平均值)可知,S1、S2分別為178.49、262.21 mg/(m2·h),采樣點(diǎn)2的CO2全年排放通量的均值明顯高于采樣點(diǎn)1,說明2個(gè)具有不同環(huán)境特點(diǎn)的水陸交錯(cuò)帶濕地CO2排放通量隨季節(jié)變化呈現(xiàn)出良好的一致性,且季節(jié)性變化規(guī)律明顯,但由于其具體環(huán)境特點(diǎn)的不同,導(dǎo)致其CO2排放通量在各個(gè)月份的具體值及全年排放通量均值有所差別。
甲烷、二氧化碳分別是有機(jī)質(zhì)厭氧分解和有氧分解的最終產(chǎn)物。由圖3可以看出,2個(gè)采樣點(diǎn)土壤中有機(jī)碳含量在不同季節(jié)的變化趨勢(shì)大致相同,都隨著土壤深度的加深,土壤中有機(jī)碳的含量呈現(xiàn)出先下降后平穩(wěn)的趨勢(shì),且在不同的季節(jié)具有同樣的變化趨勢(shì),即表層土壤(0~20 cm深度)中的有機(jī)碳含量明顯大于其他各個(gè)土層,2個(gè)采樣點(diǎn)表層土壤(0~20 cm深度)中的有機(jī)碳含量平均值分別為13.44、14.19 g/kg,采樣點(diǎn)2略大于采樣點(diǎn)1,而在深層土壤中的有機(jī)碳含量基本維持在7.0 g/kg左右的水平。另外,不同季節(jié)表層土壤中有機(jī)碳的含量也有一定的規(guī)律,夏季的含量整體上低于春季、秋季和冬季,由于夏季溫度較高,土壤中微生物的代謝活動(dòng)較活躍,微生物的代謝活動(dòng)以土壤中的有機(jī)碳為碳源,而秋冬季節(jié)溫度較低,較低的溫度限制了微生物的活動(dòng),同時(shí),濕地地上部分的植物萎蔫也造成了表層碳素的積累。但是土壤有機(jī)碳的這種季節(jié)性變化和CH4、CO2排放通量的季節(jié)性變化特征正好相反,CH4、CO2的排放通量均在夏季出現(xiàn)了高峰期。我國(guó)學(xué)者黃國(guó)宏等對(duì)遼河三角洲蘆葦濕地甲烷排放的研究也表明,甲烷排放具有明顯的季節(jié)變化,在夏季淹水期,蘆葦旺盛生長(zhǎng),溫度較高,存在良好的嫌氣條件,甲烷排放通量較高,秋季雖然底物輸入量增加,但溫度和含水量的降低,使得甲烷排放通量明顯減少[18-19]。
分析不同季節(jié)表層土壤中的有機(jī)碳含量可知,S2采樣點(diǎn)均大于S1采樣點(diǎn)。由于土壤有機(jī)碳是土壤有機(jī)質(zhì)的一部分,所以土壤有機(jī)碳含量從側(cè)面反映了土壤中有機(jī)質(zhì)含量的高低,2地周邊環(huán)境的差異及不同的碳素來源是造成土壤中有機(jī)碳含量差別的主要原因。同時(shí),CH4、CO2的生成都是微生物對(duì)土壤碳素利用的結(jié)果,有研究表明,高土壤有機(jī)質(zhì)含量是甲烷排放的重要潛在源[20],同時(shí)甲烷在富營(yíng)養(yǎng)化類型濕地系統(tǒng)中的排放量相對(duì)較大[21]。分析2個(gè)采樣點(diǎn)CH4、CO2的排放高峰期可知,2種溫室氣體的排放通量均表現(xiàn)為夏季的排放量較大,春季與秋冬季節(jié)排放量較低,比較全年排放量均值及累計(jì)排放量可知,S2采樣點(diǎn)明顯大于S1采樣點(diǎn),這很有可能是由于2個(gè)采樣點(diǎn)的具體環(huán)境特點(diǎn)不同造成的,也可能與土壤中有機(jī)碳含量有密切關(guān)系。
濕地中CH4、CO2排放的具體變化特征是由CH4、CO2在濕地土壤介質(zhì)中的產(chǎn)生、氧化、傳輸這幾個(gè)復(fù)雜過程共同決定的,這些過程同時(shí)受到各類環(huán)境因子的影響,如土壤的各種物理、化學(xué)性質(zhì),具體有溫度、氧化還原電位、土壤含水率、pH值等。由表1、表2所列的2個(gè)采樣點(diǎn)的CH4、CO2排放通量和各環(huán)境指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系可知,2個(gè)采樣點(diǎn)CH4、CO2的排放通量均在0.01水平(雙側(cè))上呈現(xiàn)出極顯著正相關(guān)關(guān)系(S1采樣點(diǎn):r=0.832,n=27,P<0.01;S2采樣點(diǎn):r=0.748,n=27,P<0.01)。
2.4.1 CH4、CO2的排放通量季節(jié)變化與土壤含水率的關(guān)系 經(jīng)分析表明,2個(gè)采樣點(diǎn)CO2、CH4的排放通量與表層土壤含水率均在0.01水平(雙側(cè))上呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系,詳見圖4。土壤含水率會(huì)影響土壤含氧量,而厭氧條件有利于甲烷的產(chǎn)生,有氧條件有利于二氧化碳的產(chǎn)生,故這2種溫室氣體的產(chǎn)生與排放與土壤含水率有著密切的關(guān)系。土壤含水率在夏季也應(yīng)明顯高于秋冬季節(jié),土壤水分含量較高,可同時(shí)為植物的生長(zhǎng)和微生物的生命活動(dòng)提供必要的條件,因此土壤含水率是影響CH4、CO2排放的主要環(huán)境因子。
表1 采樣點(diǎn)1的CH4和CO2排放通量和各環(huán)境指標(biāo)之間的相關(guān)性
注:“**”表示在0.01水平上(雙側(cè))呈現(xiàn)顯著相關(guān);“*”表示在0.05水平上(雙側(cè))呈現(xiàn)顯著相關(guān)。表2同。
表2 采樣點(diǎn)2的CH4和CO2排放通量和各環(huán)境指標(biāo)之間的相關(guān)性
2.4.2 CH4和CO2的排放通量季節(jié)變化與土壤溫度的關(guān)系 關(guān)于CH4、CO2排放通量和溫度的關(guān)系,目前的研究中還沒有統(tǒng)一的結(jié)論。一些研究表明,CH4、CO2的排放通量與溫度的變化密切相關(guān)[22],但也有報(bào)道指出,CH4和CO2排放通量的季節(jié)變化與土壤溫度的相關(guān)性較差或沒有明顯的相關(guān)關(guān)系[23]。如表1所示,經(jīng)過相關(guān)性分析,2種溫室氣體在不同季節(jié)的排放通量與取氣箱中溫度及5、15 cm土壤溫度均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。可以看出,隨著季節(jié)變化,氣溫也隨之改變,氣溫的變化會(huì)影響土壤溫度的變化,但是兩者的變化并不是同步的,土壤溫度的變化會(huì)滯后于大氣溫度的變化,而土壤溫度會(huì)對(duì)微生物的代謝活動(dòng)產(chǎn)生直接影響,從而影響CH4、CO2的排放。
2.4.3 CH4、CO2的排放通量季節(jié)變化與土壤溫度、pH值的關(guān)系 白洋淀土壤母質(zhì)主要是第四紀(jì)沖積物,淀內(nèi)以沼澤土為主,土壤養(yǎng)分含量較高,土壤肥沃,質(zhì)地黏重,土壤pH值呈弱堿性。經(jīng)測(cè)定,2個(gè)采樣點(diǎn)表層土壤pH值在7.93~8.49之間,且不同季節(jié)的pH值變化幅度非常小,都穩(wěn)定在8左右,因此pH值并不是影響這2種溫室氣體季節(jié)性排放變化的主要環(huán)境因素。土壤pH值是影響土壤微生物量碳含量的主要因子,當(dāng)pH值<5時(shí),會(huì)抑制土壤中微生物的生長(zhǎng),致使土壤微生物量明顯減少,從而抑制土壤CO2、CH4氣體的排放[24]。
事實(shí)上,無論是CH4還是CO2氣體的排放都是諸多環(huán)境因子綜合作用的結(jié)果,但是目前對(duì)各類環(huán)境因子的交互效應(yīng)的研究較為缺乏,因此,對(duì)此方面進(jìn)行深入探究的意義重大。
(1)2處典型水陸交錯(cuò)帶濕地的CH4、CO2氣體排放通量有相對(duì)一致的季節(jié)變化特點(diǎn),均在夏季達(dá)到排放通量的最大值,春季、秋冬季節(jié)的排放通量明顯低于夏季;2個(gè)具有不同環(huán)境特點(diǎn)的水陸交錯(cuò)帶濕地CH4、CO2的排放通量隨季節(jié)變化呈現(xiàn)出良好的一致性,且季節(jié)性變化規(guī)律明顯。(2)2個(gè)采樣點(diǎn)在不同季節(jié)土壤中有機(jī)碳含量的垂直變化趨勢(shì)相對(duì)一致,即表層土壤有機(jī)碳含量最高,隨著土壤深度的加深,土壤中有機(jī)碳的含量呈現(xiàn)出先下降后平穩(wěn)的趨勢(shì);不同季節(jié)表層土壤中有機(jī)碳含量表現(xiàn)出的趨勢(shì)為夏季的含量整體上低于春季、秋季和冬季,與CH4、CO2排放通量的季節(jié)性變化特征正好相反。(3)CH4、CO2的排放通量與土壤含水率、取氣箱中溫度及5、15 cm層次土壤溫度均在0.01水平(雙側(cè))上呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系,在本研究中與土壤pH值沒有相關(guān)關(guān)系。