濕地土壤氣體排放對(duì)水位變化響應(yīng)的持續(xù)性動(dòng)態(tài)特征

呂海波

（1.渭南師范學(xué)院環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院，陜西 渭南 714000；2.陜西省河流濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 渭南 714000）

全球氣候變化與濕地生態(tài)功能存在復(fù)雜的相互作用關(guān)系。由于濕地生態(tài)對(duì)全球氣候變化具有重要的調(diào)控作用，尤其是其對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)問題，現(xiàn)已成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一［1-2］。濕地氣體排放是發(fā)揮生態(tài)效應(yīng)的重要輸出項(xiàng)之一，受濕地局部氣候（如土壤溫度、水環(huán)境）的直接影響，氣體排放變化最終影響了濕地的生態(tài)功能［3-4］。目前土壤溫度對(duì)濕地氣體排放的研究較多，且基本達(dá)成隨土壤溫度上升排放速率增加的研究結(jié)果［5-7］，而水分對(duì)其的影響較為復(fù)雜，目前未呈現(xiàn)線性相關(guān)的研究結(jié)論［8-10］。在自然條件下，河流水位存在靜態(tài)水平和動(dòng)態(tài)變化2 種過程，水位變化后濕地氣體存在應(yīng)激、適應(yīng)和穩(wěn)定過程。氣體排放的影響程度和持續(xù)時(shí)間等變化過程關(guān)系著河流水位變化對(duì)濕地生態(tài)功能影響水平的評(píng)價(jià)工作，這一研究方向因涉及到復(fù)雜的環(huán)境變化和較長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)周期而較為缺乏。

對(duì)河流濕地來說，水位變化是氣溫大環(huán)境影響下的區(qū)域變化，是影響濕地氣體排放的不確定因素。水位變化涉及到上游流域的降水量和氣溫影響下的冰雪融水2 個(gè)自然因素，因此全球氣候變化是水位變化的自然主因，其區(qū)域性的差異會(huì)造成局部性河流水位變化的大幅度變化。黃河中游自龍門至潼關(guān)段河道變寬，創(chuàng)造了濕地發(fā)育的良好條件，我國(guó)西北地區(qū)降水及氣溫的變化造成的流量變化直接影響本地區(qū)濕地水環(huán)境。目前黃河流域年際水量變化顯著，加上黃河流域水量年內(nèi)變化明顯，使得本區(qū)水位變化明顯［11-13］。本文立足于黃河龍門至潼關(guān)黃河淤積段的典型蘆葦（Phragmites australis）濕地，研究氣體排放對(duì)水位變化的響應(yīng)，根據(jù)水位變化造成的氣體排放動(dòng)態(tài)特征來研究其內(nèi)在機(jī)理，為濕地生態(tài)功能評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河中游經(jīng)內(nèi)蒙古托克托縣以下進(jìn)入峽谷段，河流下切，水流湍急，但在龍門至潼關(guān)段，河面展寬，水流和緩，兩岸灘涂有大面積濱河濕地（圖1）。本段縱切汾渭平原，汾河、渭河兩大支流匯入黃河，潼關(guān)段15 a 年均流量為574.16 m3·s-1［12］。研究區(qū)地帶性土壤為褐土和黃綿土，全年平均氣溫12.7～15.6 ℃，全年降水量390.7～592.2 mm，屬暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱季風(fēng)氣候，落葉闊葉林發(fā)育。由于本河段受全球氣候變化影響，上游來水變化幅度大，水位升降頻繁，因而水位升降對(duì)濕地生態(tài)功能的影響成為新的研究命題。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Sketch map of the study area

1.2 研究方法

為研究水位變化后氣體排放的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)野外樣地與人為注水試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)比。選擇韓城市黃河邊灘（35°25.82′N，110°28.03′E）典型蘆葦濕地進(jìn)行人工設(shè)置。蘆葦群落距河邊約21 m，寬1～8 m，長(zhǎng)100～150 m。樣地平整，距河水面垂直距離50～60 cm。蘆葦整體株高150～170 cm，莖稈直徑1～3 mm占70%、4～6 mm占30%，密度約為650株·m-2。河水位在監(jiān)測(cè)期間變幅約18 cm。

2017年7月16日布設(shè)培養(yǎng)坑，具體尺寸見圖2，坑內(nèi)鋪設(shè)內(nèi)壁開孔的塑料阻滲膜。培養(yǎng)坑沿河面一字排開，間距大于6 m。共設(shè)置6 個(gè)培養(yǎng)坑，其中3 個(gè)注水至地表（滿注水），3 個(gè)注水至-30 cm（半注水），另設(shè)置不處理的3 個(gè)自然樣地。經(jīng)觀測(cè)，滿注水和半注水2 類培養(yǎng)坑水位在監(jiān)測(cè)35.31±3 h、46.71±3 h后回到原始位置。注水前進(jìn)行第1次監(jiān)測(cè)分析，初期每隔3～4 h采集一次數(shù)據(jù)，后期時(shí)段適當(dāng)放長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)持續(xù)160.85 h（約7 d），共采集19組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包括3個(gè)類型，每個(gè)類型重復(fù)3次。

圖2 人工設(shè)置結(jié)構(gòu)Fig.2 Artificial set structure

1.3 氣體排放數(shù)據(jù)采集

H2O、CO2、H2S氣體排放速率采用WEST Systems便攜式土壤CO2/H2O 通量系統(tǒng)，系統(tǒng)葉室直徑200 mm，高200 mm。選擇叢間空地進(jìn)行采樣，干旱樣地采樣時(shí)應(yīng)壓實(shí)以保證邊緣與地面緊密接觸。以5 cm土壤深度代表土壤溫度。

1.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)方法

對(duì)19 次采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分類匯總。采用雙因素方差分析方法分析自然樣地、半注水和滿注水樣地的差異顯著度，利用Excel 做3 類型H2O、CO2和H2S排放速率對(duì)比圖。

2 結(jié)果與分析

從差異度分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，注水后造成CO2排放速率顯著變化，但對(duì)H2O 和H2S 排放速率的影響沒有達(dá)到顯著差異（表1）。盡管如此，從顯著性程度看，半注水和滿注水樣地對(duì)H2O 和H2S 排放速率的影響存在差異，半注水對(duì)H2O 排放速率的影響大于滿注水，而對(duì)H2S排放速率的影響卻小于滿注水。3種氣體半注水和滿注水差異度相對(duì)較小。

表1 注水造成的差異度分析Tab.1 Analysis of difference caused by water injection

監(jiān)測(cè)過程中19 個(gè)序列數(shù)據(jù)與土壤溫度作回歸圖（圖3）。除了滿注水下的H2O 排放速率之外，各類型隨著土壤溫度上升都有不同程度的上升趨勢(shì)，3 種氣體排放速率的增加幅度都表現(xiàn)為H2O＞CO2＞H2S。與自然樣地相比，半注水和滿注水都造成了CO2和H2S的增速出現(xiàn)不同程度的降低。注水后，土壤溫度與氣體排放速率的規(guī)律受到干擾，3 種氣體線性回歸方程的斜率及擬合度有明顯不同。監(jiān)測(cè)過程中注水造成各類氣體排放總量的明顯變化，半注水和滿注水分別造成H2O 排放總量76.3%和31.3%的增加、CO2排放總量50.1%和43.2%的減少、H2S排放總量42.3%和32.3%的增加。滿注水對(duì)3種氣體的影響弱于半注水（圖4）。

圖3 土壤溫度變化與氣體排放的關(guān)系Fig.3 Relationship between soil temperature change and gas emission rate

圖4 H2O、CO2、H2S排放總量對(duì)比Fig.4 Comparison of total emissions of H2O,CO2 and H2S

監(jiān)測(cè)過程中，半注水和滿注水造成的影響（與自然樣地的差值）呈以日為周期的波動(dòng)，一次注水對(duì)H2O 排放速率的影響大約持續(xù)125.64 h，前期63.73 h兩者影響有一定的趨同性，夜晚影響大于白天，在63.73～125.64 h 之間半注水和滿注水影響差異較大，后期兩者差異都不明顯，半注水和滿注水造成的影響呈現(xiàn)趨同-異步-消失的趨勢(shì)（圖5）。

圖5 注水對(duì)3種氣體排放速率的影響過程Fig.5 Influence process of water injection on emission rate of the three kinds of gas

注水后CO2排放速率總體表現(xiàn)出波動(dòng)性降低的特征。半注水和滿注水在監(jiān)測(cè)中后期（68.66～125.64 h）與自然樣地的差異基本一致，注水后37.69～68.66 h 差異較大，整體表現(xiàn)出異步-趨同的特征。

H2S 排放速率在注水后波動(dòng)頻繁，總體上有變快的趨勢(shì)。注水初期H2S排放速率未表現(xiàn)出顯著變化，但在46.71 h 時(shí)出現(xiàn)顯著升高，后期半注水和滿注水呈相對(duì)一致的波動(dòng)變化。H2S排放速率總體呈現(xiàn)無變化-異步-無變化的特征。

3 討論

3.1 注水后土壤H2O排放速率變化特征

注水造成土壤環(huán)境的變化，從而引發(fā)土壤氣體排放的變化。經(jīng)觀察注水后土壤水位升高僅能保持1～2 d，而土壤因物理注水發(fā)生了生物化學(xué)適應(yīng)到延續(xù)影響的過程。由于黃河沙地的高滲透性以及注水造成的土壤溫度變化遲緩，注水并未能造成H2O 排放速率的顯著升高，在注水前期（63.73 h）半注水和滿注水差異基本一致，后期盡管水位已經(jīng)恢復(fù)自然水平，由于土壤持水性導(dǎo)致的土壤含水量差異，二者差異明顯不同，直至125.64 h后注水的影響才消失。因此，注水后土壤H2O排放速率呈現(xiàn)趨同-異步-消失的趨勢(shì)。注水雖然提高了土壤含水量，但降低了對(duì)土壤溫度的敏感度，再加上注水樣地水位在監(jiān)測(cè)過程中的下降，最終導(dǎo)致注水樣地H2O 排放速率與土壤溫度擬合程度不好。

3.2 注水后土壤CO2排放速率變化特征

土壤CO2排放來源于微生物對(duì)有機(jī)物的降解、有機(jī)質(zhì)及礦質(zhì)的氧化還原過程、動(dòng)物及植物根系的呼吸作用等方面［14-15］，較高的土壤溫度能夠促進(jìn)濕地土壤內(nèi)生物、物理化學(xué)過程，因而能夠提高土壤CO2的排放速率，因此土壤溫度上升后3類樣地CO2排放速率都有所上升。本研究中注水樣地與自然樣地的CO2排放速率達(dá)到顯著差異，說明注水對(duì)土壤CO2排放造成了顯著影響。本研究發(fā)現(xiàn)土壤H2O含量與CO2排放的關(guān)系具有復(fù)雜性：（1）注水雖然能導(dǎo)致CO2排放速率的減少，但與注水量沒有直接的相關(guān)性，監(jiān)測(cè)過程中CO2排放總量表現(xiàn)為自然＞滿注水＞半注水，半注水造成的影響大于滿注水。（2）滿注水和半注水造成的CO2排放速率的差異，在監(jiān)測(cè)過程中表現(xiàn)為趨異與趨同共存，說明其影響過程的復(fù)雜性。（3）注水的影響具有長(zhǎng)期性，雖然一次注水后2～3 d水位已恢復(fù)至自然水平，但7 d監(jiān)測(cè)后未見恢復(fù)。本研究認(rèn)為，注水后土壤經(jīng)歷了飽水-持水-恢復(fù)過程，引發(fā)土壤環(huán)境發(fā)生了一系列變化：土壤空氣由厭氧狀態(tài)到好氧狀態(tài)、土壤生命體從拮抗到適應(yīng)以及關(guān)聯(lián)的土壤物理化學(xué)過程的變化。注水初期環(huán)境的改變?cè)斐蒀O2排放速率的一致減少，但由于滿注水和半注水樣地水位恢復(fù)時(shí)間差異，造成了37.69～68.66 h 的差異；68.66～125.64 h 滿注水和半注水樣地水位都恢復(fù)到自然水平，但土壤H2O排放速率說明了土壤濕度仍高于自然樣地，這階段土壤為飽水后的持水過程，CO2排放源異于自然樣地，排放速率呈晝夜周期性變化；125.64 h后注水樣點(diǎn)與自然樣地H2O 排放速率差異變小，但CO2排放差異仍然存在，可能是由于注水干擾了土壤CO2各類源的組成和數(shù)量，水溶性有機(jī)碳（DOC）、微生物、根系呼吸及礦質(zhì)理化過程經(jīng)歷激發(fā)后沒有恢復(fù)到自然水平，造成了注水影響的持續(xù)性。有研究發(fā)現(xiàn)，水位上升后，CO2排放速率出現(xiàn)了后期反彈現(xiàn)象，被稱為“Birch 效應(yīng)”［16］，Moffett 等［17］發(fā)現(xiàn)潮間帶對(duì)濕地CO2排放速率產(chǎn)生明顯影響，這些研究支持了本文的判斷。

3.3 注水后土壤H2S排放速率變化特征

土壤含硫氣體的排放主要來自微生物作用下硫酸鹽的異化還原和含硫氨基酸的降解，降解過程中產(chǎn)生的水溶態(tài)（H2O-S）和結(jié)合態(tài)（Adsorbed-S）硫是土壤中的H2S的來源［18-19］。土壤含水量直接影響O2的可利用率、氣體擴(kuò)散速率和微生物活性，并間接影響到土壤的pH 值和氧化還原電位變化［20］，從而對(duì)含硫氣體的產(chǎn)生和擴(kuò)散產(chǎn)生影響。因此，在含硫物質(zhì)相同的背景下，土壤濕度變化直接或間接影響到H2S 排放速率［21］。在穩(wěn)定的高濕環(huán)境下，土壤中的微生物對(duì)土壤中的含硫物質(zhì)產(chǎn)生厭氧分解，有助于H2S排放速率的增加，土壤溫度越高速度越快，因此注水造成了總量的升高［22］。但是注水初期，土壤環(huán)境改變?cè)斐傻奈⑸锘钚约八軕B(tài)硫不增反降，監(jiān)測(cè)初期H2S排放速率降低，隨著土壤厭氧環(huán)境的穩(wěn)定，H2S 排放速率升高。因半注水和滿注水水位下降速率不一樣，造成的影響出現(xiàn)差異，后期隨著恢復(fù)兩者的影響趨于相同。監(jiān)測(cè)末期H2S排放速率與自然樣地類似。

4 結(jié)論

本文以人工注水的方法模擬了水位上升對(duì)濕地土壤氣體排放的影響過程，證明水位上升能顯著影響濕地土壤氣體排放，得出如下主要結(jié)論：

（1）半注水和滿注水對(duì)3種氣體的影響存在差異，注水造成了CO2排放速率顯著變化。

（2）除了滿注水下的H2O 排放速率之外，各類型隨著土壤溫度上升都有不同程度的上升趨勢(shì)，3種氣體排放速率的增加幅度都表現(xiàn)為H2O＞CO2＞H2S。

（3）注水能造成H2O、H2S 排放速率的升高和CO2排放速率的降低，監(jiān)測(cè)過程中半注水和滿注水分別造成H2O 排放總量76.3%和31.3%的增加、CO2排放總量50.1%和43.2%的減少、H2S 排放總量42.3%和32.3%的增加。

（4）水位由升高到下降的快速變化會(huì)對(duì)氣體排放造成動(dòng)態(tài)的、持續(xù)的影響，H2O 排放速率呈趨同-異步-消失、CO2排放速率呈異步-趨同、H2S 排放速率呈無變化-異步-無變化的趨勢(shì)，水位短時(shí)變化對(duì)CO2排放速率的影響在7 d內(nèi)未見消失。

黃河水位的變化對(duì)濕地土壤氣體排放的影響是動(dòng)態(tài)的，其影響與靜態(tài)水位水平有很大差異，這為濕地空氣排放的評(píng)價(jià)提供較大困難，為達(dá)成這一目的，一是應(yīng)進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)的長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，以去除土壤溫度等干擾因素；二是澄清氣體排放與土壤源各因素的關(guān)系，以建立各類濕地水位變化對(duì)氣體排放影響的回歸關(guān)系。