艾比湖濕地典型植物群落土壤剖面CO2、CH4和N2O擴(kuò)散通量研究

李艷紅 ，陳圖崢 ，李發(fā)東 ,

1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830054；3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；4.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100190

目前全球規(guī)模的氣候變暖問題已引起了廣泛關(guān)注（王德宣等，2002）。在氣候變化過程中，濕地占有重要的地位（劉子剛，2004），它對CO2、CH4和N2O產(chǎn)生起著重要的作用。土壤作為一個(gè)巨大的碳庫（Jenkison et al.，1991），是大氣溫室氣體的重要的源或匯。研究土壤剖面溫室氣體分布有助于揭示土壤中產(chǎn)生、積累、運(yùn)輸以及向大氣排放的生物和物理過程（刁一偉等，2004）。目前，關(guān)于土壤中溫室氣體的研究多集中于土壤表層排放通量的季節(jié)變化及其與生物、非生物因子等之間的關(guān)系，而對土壤垂直剖面方向上溫室氣體擴(kuò)散通量變化研究集中在農(nóng)田、菜地、南極苔原、草原季節(jié)性凍土區(qū)、喀斯特地區(qū)、濕地等等方面研究。姚鵬偉（2017）分析施氮和覆膜均能夠顯著增加10—50 cm各土層N2O濃度和表面凈排放，種植玉米會顯著增加10—50 cm各土層CO2濃度、擴(kuò)散通量及表面凈排放。馬智勇等（2019）分析休耕裸地與輪作菜地 N2O濃度在土層中的分布從上到下先增加后減少，主要產(chǎn)生位點(diǎn)于30 cm土層并從該層向其上下層擴(kuò)散輸送。胡泓等（2014）分析崇明東灘蘆葦濕地CH4和N2O全年表現(xiàn)為排放過程，CO2全年表現(xiàn)為吸收過程。李娜等（2017）分析小興安嶺7種天然沼澤濕地發(fā)現(xiàn)小興安嶺草叢沼澤為碳強(qiáng)匯、灌叢沼澤為碳強(qiáng)源、森林沼澤基本維持碳平衡，7種天然沼澤濕地CO2的排放均受氣溫和土層溫度影響。吳靖霆（2016）分析城市次生濕地、天然濕地、稻田濕地的土壤剖面CO2濃度隨著深度的增加而升高，稻田濕地土壤剖面 CH4濃度隨著深度的增加而降低。綜上，不同土地利用類型土壤剖面中溫室氣體的時(shí)空分布直接影響溫室氣體的地-氣交換，明確土壤剖面中溫室氣體的時(shí)空變化規(guī)律，能夠更好地了解土壤溫室氣體的源/匯作用及其產(chǎn)生機(jī)制。

關(guān)于艾比湖濕地土壤溫室氣體的研究，主要集中在濕地不同植物群落下土壤溫室氣體排放日變化和季節(jié)變化。研究表明不同植物群落下土壤溫室氣體排放均具有明顯的日變化和季節(jié)變化特征，但不同植物群落下土壤溫室氣體排放均值有所差異（Li et al.，2018；楊建軍等，2009；趙明亮等，2015）。湖泊排放通量空間異質(zhì)性，表明艾比湖濕地土壤呼吸的空間變異性較強(qiáng)，且空間異質(zhì)性是由結(jié)構(gòu)因素引起的，土壤溫度、空氣溫濕度和土壤有機(jī)質(zhì)是重要影響因素（秦璐等，2014；王金龍，2018）。已有報(bào)道凍融過程對濕地土壤溫室氣體的影響（朱文煜等，2020），以及淡水湖博斯騰湖與咸水湖艾比湖濕地溫室氣體排放空間差異性研究（王順科等，2020），但對其土壤剖面的溫室氣體擴(kuò)散通量研究較少。本文以艾比湖濕地為研究區(qū)，選取典型植物群落蘆葦、檉柳及對照組裸地為研究對象，分析不同典型植物群落下土壤 CO2、CH4、N2O 剖面擴(kuò)散通量變化特征，旨在通過長期觀測分析湖泊濕地土壤CO2、CH4、N2O擴(kuò)散通量時(shí)空變化特征。另外，通過環(huán)境因子與土壤CO2、CH4、N2O擴(kuò)散通量的統(tǒng)計(jì)分析，試圖探討濕地土壤CO2、CH4、N2O的產(chǎn)生傳輸機(jī)制。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)（82°36′—82°50′E，44°30′—45°09′N），該地區(qū)年平均氣溫 6—8 ℃，極端最高氣溫44 ℃，極端最低氣溫?33 ℃，年平均降水量100 mm左右，年蒸發(fā)量1600 mm，氣候極端干燥，降水稀少，屬典型溫帶大陸性氣候。1972—2011年期間，艾比湖的面積在不斷縮小，共縮小115.03 km2（李磊等，2014）。實(shí)驗(yàn)點(diǎn)設(shè)在鳥島管護(hù)站，位于艾比湖濕地西南部精河入湖口，該區(qū)域 2002年實(shí)施引水圍堰和土壤改良工程，湖濱以蘆葦濕地為主。根據(jù)實(shí)地植物樣方調(diào)查，湖濱以蘆葦（Phragmitescommunis）群落為主，覆蓋度60%—70%，其次為檉柳（Tamarixchinensis）群落，蓋度分40%—50%。鳥島站周圍土壤沙化、鹽堿化嚴(yán)重，有裸地分布。根據(jù)鹽分分級標(biāo)準(zhǔn)（新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)廳等，1996），蘆葦表層0—5 cm鹽分（17.81 g·kg?1）小于檉柳（18.92 g·kg?1），屬重度鹽漬化，土壤質(zhì)地多為粉砂。

2 研究方法

2.1 氣體采集與測定

土壤剖面試驗(yàn)在艾比湖濕地鳥島站，按照距湖濱4 km范圍設(shè)置縱向帶，根據(jù)植被類型，設(shè)置裸地（0 km）、蘆葦（1 km）、檉柳（4 km），裸地為對照組，分別各設(shè)1個(gè)10 m×10 m的樣地，在各樣地內(nèi)隨機(jī)選取1個(gè)點(diǎn)。試驗(yàn)開始前，將土壤剖面氣體原位采集系統(tǒng)（圖1）安裝到每個(gè)樣地溫室氣體排放通量采樣基座相鄰處。土壤剖面氣體原位采集系統(tǒng)可以在同一地點(diǎn)同時(shí)采集土壤剖面不同土層的氣體。該系統(tǒng)由4個(gè)長20 cm、直徑20 mm的聚四氟乙烯集氣管做成的基本采氣單元上下連接而成。由直徑1.6 mm、長70 cm不銹鋼管一端與集氣管相連接，另一端與連接注射器的三通組合露出于地表之上。該系統(tǒng)可采集4個(gè)土層（0—10、10—20、20—40、40—60 cm），每個(gè)深度的土壤層次實(shí)際涵蓋上下10 cm范圍的土壤剖面。其平時(shí)保持密閉狀態(tài)，采氣時(shí)用注射器直接采集所需容積的氣體。采樣均于當(dāng)?shù)貢r(shí)間09:00開始（萬運(yùn)帆等，2006）。采氣時(shí)，用100 mL塑料注射器于0、10、20、30 min分別抽取30 mL氣體，在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)均進(jìn)行原位動態(tài)監(jiān)測，于2015年10月—2016年9月，春季（1—3月）、夏季（4—6月）、秋季（7—9月）、冬季（10—12月），每月采集 1次。采集的氣樣迅速寄往中國科學(xué)院禹城綜合試驗(yàn)站，并使用氣相色譜儀（GC 7890A）進(jìn)行分析。

圖1 土壤溫室氣體原位采集裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of soil greenhouse gases in situ acquisition device

2.2 溫室氣體的計(jì)算

土壤剖面中CO2、CH4和N2O擴(kuò)散通量通過濃度梯度法計(jì)算，即 Fick第一定律原理(Fick first law)，計(jì)算方法如下：

式中，Q表示氣體的擴(kuò)散通量（mg·m?2·h?1）；Ds表示氣體在土壤中的擴(kuò)散常數(shù)（cm2·s?1）；C為氣體的濃度（mg·cm?3）；Z為氣體的擴(kuò)散深度（本試驗(yàn)指 0、10、20、40、60 cm）；?C/?Z表示氣體濃度梯度。

氣體在土壤中的擴(kuò)散常數(shù)等，通過如下公式求得：

式中，D0是指氣體在自由空氣中的擴(kuò)散系數(shù)（cm2·s?1），根據(jù)試驗(yàn)長期觀測情況以溫度 20 ℃和壓強(qiáng)101.325 kPa的標(biāo)準(zhǔn)下CO2、CH4和N2O的D0值分別為 0.150、0.156 和 0.212 cm2·s?1；Fa和F分別是土壤通氣空隙（cm?3·cm?3）和土壤總孔隙度（cm?3·cm?3）；BD 是指土壤容重（g·cm?3）；WC 指的是土壤體積含水量（mL·cm?3）。采集氣體同時(shí)采集不同典型植物群落下土壤剖面（0—10、10—20、20—40、40—60 cm）土壤，測定其土壤容重，并用烘干法測定其土壤含水量（中國科學(xué)院南京土壤研究所，1978）。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法

本研究中的統(tǒng)計(jì)分析，包括方差分析及其多重比較等分析方法均采用SPSS 19.0完成，用三因子方差分析季節(jié)、樣地及土層對典型植物群落下土壤剖面CO2、CH4和N2O擴(kuò)散通量的影響，多重比較分析同一土壤剖面不同樣地和同一樣地不同土壤剖面之間的差異，采用SigmaPlot 10.0作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 典型植物群落土壤剖面CO2、CH4、N2O擴(kuò)散通量動態(tài)變化特征

如圖2所示，在觀測期內(nèi)，典型植物群落蘆葦、檉柳和裸地中0—10、10—20、20—40、40—60 cm土壤剖面CO2、CH4和N2O擴(kuò)散通量呈現(xiàn)出波動性變化，總體上夏秋高于冬春，但各季節(jié)之間無顯著差異（P＞0.05）。土壤剖面CO2、CH4和N2O擴(kuò)散通量分別表現(xiàn)為蘆葦 (8.38 mg·m?2·h?1)＞檉柳 (0.14 mg·m?2·h?1)＞裸地 (?0.25 mg·m?2·h?1)；裸地 (0.42 μg·m?2·h?1)＞檉柳 (?5.62 μg·m?2·h?1)＞蘆葦 (?12.00 μg·m?2·h?1)；蘆葦 (2.09 μg·m?2·h?1)＞裸地 (?0.03 μg·m?2·h?1)＞檉柳 (?0.20 μg·m?2·h?1)。蘆葦、檉柳和裸地均表現(xiàn)出深層土壤CO2和N2O擴(kuò)散通量高于淺層土壤的空間分布特征，20—40 cm土層顯著高于其他土層。三因素方差分析可知（表1），土壤剖面CO2、N2O擴(kuò)散通量在不同樣地、不同土層之間存在顯著的交互作用（P＜0.05），且不同樣地之間蘆葦土壤剖面CO2、N2O擴(kuò)散通量顯著高于檉柳和裸地。而土壤剖面CH4擴(kuò)散通量在各樣地、各土層之間均無明顯差異。

圖2 蘆葦、檉柳和裸地土壤剖面CO2、CH4、N2O擴(kuò)散通量動態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of CO2, CH4 and N2O diffusion fluxes in reed, tamarix and bare soil profiles

表1 不同樣地、土層及季節(jié)對土壤剖面CO2、CH4、N2O擴(kuò)散通量影響的三因素方差分析Table 1 Three-factor variance analysis of the effects of different soil layers and seasons on CO2, CH4 and N2O diffusion fluxes in soil profiles

3.2 典型植物群落土壤環(huán)境因子動態(tài)變化特征

由圖3可知，典型植物群落蘆葦、檉柳和裸地空氣溫濕度均呈現(xiàn)為單峰曲線的變化形式，其中，檉柳群落空氣溫濕度變幅最大；三者不同季節(jié)土壤溫度、有機(jī)碳、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、鹽分、全磷總體上表現(xiàn)為隨土層深度的增加而減少，土壤含水量總體上表現(xiàn)為隨土層深度的增加而增大。空氣溫度、土壤溫度、有機(jī)碳、銨態(tài)氮、鹽分、全磷的峰值出現(xiàn)在夏季，空氣相對濕度、土壤含水量、硝態(tài)氮的峰值則出現(xiàn)在秋季。方差分析表明，裸地土壤鹽分顯著低于蘆葦、檉柳群落（P＜0.05），檉柳群落土壤有機(jī)碳顯著高于蘆葦群落、裸地，蘆葦群落土壤含水量顯著高于檉柳群落、裸地，而三者之間的土壤溫度、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全磷、空氣溫濕度差異均不顯著（P＞0.05）。

圖3 蘆葦、檉柳和裸地土壤理化性質(zhì)動態(tài)變化特征Fig.3 Dynamic characteristics of physical and chemical properties of reed, tamarix and bare soil

3.3 典型植物群落土壤CO2、CH4、N2O擴(kuò)散通量的影響因素

由表2可知，在整個(gè)觀測期間，蘆葦群落CO2擴(kuò)散通量僅與空氣相對濕度呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），CH4擴(kuò)散通量與各環(huán)境因子的相關(guān)性不顯著（P＞0.05），N2O擴(kuò)散通量與土壤銨態(tài)氮、空氣相對濕度呈顯著或極顯著正相關(guān)；檉柳群落CO2擴(kuò)散通量與土壤溫度、銨態(tài)氮呈顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系，CH4擴(kuò)散通量與土壤有機(jī)碳、全磷之間具有顯著相關(guān)關(guān)系，N2O擴(kuò)散通量與土壤溫度呈顯著正相關(guān)，與銨態(tài)氮呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；裸地CO2擴(kuò)散通量與土壤溫度呈顯著正相關(guān)，CH4擴(kuò)散通量與土壤鹽分、全磷、氣溫之間呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，與土壤銨態(tài)氮呈極顯著正相關(guān)，N2O擴(kuò)散通量與土壤含水量呈顯著正相關(guān)，與氣溫之間呈顯著負(fù)相關(guān)。

表2 土壤剖面CO2、CH4、N2O擴(kuò)散通量與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系Table 2 Correlation between CO2, CH4, N2O diffusion fluxes and environmental factors in soil profile

對典型植物群落蘆葦、檉柳和裸地的9個(gè)環(huán)境因素進(jìn)行主成分分析（表3），包括土壤溫度、土壤含水量、空氣溫度、空氣相對濕度、土壤銨態(tài)氮、土壤硝態(tài)氮、全磷、土壤鹽分、土壤有機(jī)碳。根據(jù)特征值大于1這一判斷標(biāo)準(zhǔn)，選取前3個(gè)主成分，其累積貢獻(xiàn)率達(dá)到88.7%，基本上可以反映采樣期間艾比湖濕地生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境特征。第一主成分與土壤有機(jī)碳、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的相關(guān)性較強(qiáng)，因此第一主成分可以看作是土壤化學(xué)性質(zhì)；第二主成分與土壤溫度、空氣溫度相關(guān)性較強(qiáng)，因此第二主成分可以看作是溫度狀況；第三主成分與土壤含水量、空氣相對濕度的相關(guān)性較高，因此第三主成分可以看作是水分狀況。

表3 主成分載荷矩陣Table 3 Principal component load matrix

選取對3個(gè)主成分貢獻(xiàn)最大的因子進(jìn)行多元回歸分析，在每個(gè)主成分中選擇相關(guān)系數(shù)絕對值最大者即土壤溫度、土壤含水量、土壤有機(jī)碳為代表建立這3種環(huán)境因子指標(biāo)與土壤剖面溫室氣體擴(kuò)散通量的多元回歸方程：

Y1= ?0.131X1+0.311X2?0.284X3+3.551

Y2=0.114X1+0.314X2?0.362X3?5.402

Y3=0.056X1+0.001X2+0.12X3+0.845

其中，Y1、Y2、Y3分別代表土壤CO2擴(kuò)散通量、CH4擴(kuò)散通量和N2O擴(kuò)散通量。X1為土壤溫度，X2為土壤含水量，X3為土壤有機(jī)碳。

4 討論

4.1 土壤剖面CO2、CH4和N2O擴(kuò)散通量的時(shí)空特征

艾比湖濕地的蘆葦、檉柳和裸地土壤CO2、CH4和 N2O擴(kuò)散通量季節(jié)變化呈現(xiàn)夏秋高于冬春的特征，本研究中不同植物群落下的環(huán)境因子指標(biāo)與土壤剖面溫室氣體擴(kuò)散通量的關(guān)系存在差異，但土壤溫度、土壤含水量和土壤有機(jī)碳三者最為重要，這與已有的報(bào)道相似，例如土壤CO2、CH4和N2O擴(kuò)散通量與土壤溫度有正相關(guān)關(guān)系（孫巧奇，2013；韓雪等，2020），土壤溫度和土壤含水量均與土壤剖面CO2和CH4排放呈顯著的正相關(guān)關(guān)系（吳靖霆，2016）。艾比湖濕地土壤溫度和土壤有機(jī)碳的峰值出現(xiàn)在夏季，土壤含水量的峰值出現(xiàn)在秋季，夏季蘆葦和檉柳植物的光合作用強(qiáng)烈，是土壤動物、微生物活動以及植物根系呼吸的強(qiáng)盛時(shí)期，能釋放更多的溫室氣體，土壤擴(kuò)散通量達(dá)到峰值；進(jìn)入冬季，土壤微生物活性和根系活動基本停止，土壤擴(kuò)散通量變低。艾比湖濕地的蘆葦、檉柳和裸地均表現(xiàn)出深層土壤CO2和N2O擴(kuò)散通量高于淺層土壤的空間分布特征，20—40 cm土層顯著高于其他土層，但CH4擴(kuò)散通量在各土層無顯著差異。這與已有的土壤剖面溫室氣體排放的研究結(jié)果很相似，例如吳靖霆（2016）分析城市次生濕地、天然濕地、稻田濕地的土壤剖面CO2濃度隨著深度的增加而升高，城市次生濕地和天然濕地土壤剖面 CH4濃度均隨土層深度增加而降低；李晉波等（2018）分析內(nèi)蒙古草原CO2和N2O的濃度隨著深度的增加而升高，說明在不同土地類型之間，土壤CO2和N2O擴(kuò)散通量呈現(xiàn)隨著深度的增加而升高的趨勢。李晉波等（2018）發(fā)現(xiàn)在不同放牧條件下，土壤CO2和N2O的峰值出現(xiàn)在不同土層，CO2的峰值一般出現(xiàn)在植物根系活躍區(qū)（20 cm），艾比湖濕地除土壤含水量隨深度的增加而增加外，其他土壤溫度和土壤有機(jī)碳等 6種土壤理化性質(zhì)總體上隨深度的增加而減少，說明艾比湖濕地土壤垂直剖面溫室氣體排放傳輸機(jī)制較為復(fù)雜。

4.2 不同區(qū)域濕地土壤CO2、CH4和N2O擴(kuò)散通量

不同區(qū)域濕地CO2、CH4和N2O擴(kuò)散通量存在差異，艾比湖濕地溫室氣體排放通量與其他區(qū)域濕地對比，艾比湖濕地的CO2和N2O擴(kuò)散通量分別為 2.75 mg·m?2·h?1和 0.001 mg·m?2·h?1，明顯低于國內(nèi)東北、長江中下游、西南高原和青藏高原等區(qū)域的濕地；艾比湖濕地的 CH4擴(kuò)散通量為?5.733 mg·m?2·h?1，稍高于國內(nèi)東北、長江中下游和西南高原等區(qū)域的濕地。艾比湖濕地與其他區(qū)域濕地CO2、CH4和N2O擴(kuò)散通量均具有季節(jié)性變化，艾比湖濕地與我國尕海高山濕地、小興安嶺沼澤濕地和潘陽湖濕地等的土壤 CO2和 CH4擴(kuò)散通量在夏季出現(xiàn)峰值，但N2O擴(kuò)散通量在不同濕地的高峰期差異較大。艾比湖濕地CO2和N2O的源，CH4的匯，我國濕地基本上是CO2的排放源，但不同區(qū)域濕地是N2O和CH4的源/匯存在較大差異（表4）。

表4 不同地區(qū)濕地濕地CO2、CH4和N2O擴(kuò)散通量Table 4 Diffusion fluxes of CO2, CH4 and N2O in different wetlands

5 結(jié)論

（1）各樣地土壤CO2、CH4和N2O擴(kuò)散通量表現(xiàn)出夏秋高、冬春低的季節(jié)變化特征。土壤CO2和N2O擴(kuò)散通量深層高于淺層土壤的空間分布特征，20—40 cm土層顯著高于其他土層，而CH4擴(kuò)散通量的空間分布不明顯?？傮w而言，蘆葦土壤CO2、N2O擴(kuò)散通量顯著高于檉柳和裸地。

（2）典型植物群落蘆葦、檉柳和裸地空氣溫度、土壤溫度、有機(jī)碳、銨態(tài)氮、鹽分、全磷的峰值出現(xiàn)在夏季，空氣相對濕度、土壤含水量、硝態(tài)氮的峰值則出現(xiàn)在秋季。三者不同季節(jié)土壤溫度、有機(jī)碳、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、鹽分、全磷總體上表現(xiàn)為隨土層深度的增加而減少，土壤含水量總體上表現(xiàn)為隨土層深度的增加而增大。

（3）對典型植物群落蘆葦、檉柳和裸地的9個(gè)環(huán)境因素進(jìn)行主成分分析，其累積貢獻(xiàn)率達(dá)到88.7%，基本上可以反映采樣期間艾比湖濕地生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境特征。相關(guān)分析、主成分分析及多元回歸分析結(jié)果表明，土壤溫度、土壤含水量、土壤有機(jī)碳對土壤CO2、CH4和N2O擴(kuò)散通量影響最大，其次為空氣溫濕度、土壤銨態(tài)氮和土壤硝態(tài)氮，而土壤鹽分和土壤全磷對土壤CO2、CH4和N2O擴(kuò)散通量的影響則不明顯。