三江平原典型濕地溫室氣體排放通量的原位觀測

氣候變化是當前全球環境的主要原因之一。首先，由于氣體在氣氛中的濃度不斷增加。CO2、CH4和N2O被認為是最重要的溫室氣體,這三種溫室氣體的源匯問題,早已成為國內外學者的研究熱點。濕地是地球獨特的、多功能的和高價值的生態系統,具有豐富的生物多樣性,不但能夠直接或間接地為人類提供多種產品和服務,而且具有均化洪水、降解污染、調節局地氣候、控制侵蝕等多種環境功能。濕地在穩定全球氣候變化中占有重要地位,是多種溫室氣體的源和匯。三江平原位于黑龍江省東北部,是我國最大的淡水沼澤連片濕地,總面積約為10.89×104km2。三江平原沼澤面積約占我國沼澤總面積的17.5%。小葉章草甸和毛果苔草沼澤是其主要的濕地類型,小葉章草甸位于海拔相對較高處,為季節性淹水濕地;毛果苔草沼澤位于海拔較低處,為長期積水濕地。根據國內外有關溫室氣體的研究現狀,研究者們對CO2、CH4和N2O的研究大多相對分離,分別集中于這三種溫室氣體各自的源匯研究,而對這三種氣體的關系研究一直是溫室氣體研究領域的一個薄弱環節。在國內,有學者對草原和農田生態系統這三種溫室氣體之間的相互關系進行了研究。董云社等對內蒙古典型草地的研究表明,CO2和N2O通量的晝夜變化有顯著的正相關關系,但CH4吸收速率與CO2呼吸速率之間為明顯的負相關關系;鄒建文等對稻田CO2、CH4和N2O排放進行了研究,發現整個水稻生長季內三種溫室氣體之間并無顯著相關性;朱仁斌等對南極苔原的研究表明,夏季CH4和N2O通量存在明顯的負相關。對于天然沼澤濕地,雖然有學者對CO2和CH4的排放進行了初步研究,但同時對自然濕地這三種氣體之間關系的研究目前還未見報道。鑒于此,本研究選取三江平原兩種典型濕地(小葉章草甸和毛果苔草沼澤)進行連續兩個生長季的野外原位觀測實驗,旨在探討沼澤濕地生態系統CO2、CH4和N2O排放通量之間的關系,為研究三江平原溫室氣體排放機理和減少溫室氣體排放提供理論基礎。1材料和方法1.1樣地的平臺選擇本實驗點選在中國科學院三江平原沼澤濕地生態實驗站內(E133°31′,N47°35′),樣地選擇季節性積水的小葉章草甸和長期積水的毛果苔草沼澤。于2003和2004連續兩年的生長季(4月中旬至10月初)觀測小葉章草甸和毛果苔草沼澤的CO2、CH4和N2O的排放通量,每周測量一次,生長旺盛期每周測量兩次。1.2測采樣點、采樣箱氣體樣品的采集采用靜態暗箱/氣相色譜法。采樣箱底基座采用下沿帶孔的不銹鋼槽架,插入地下20cm。為了減少采樣時對基座和周圍環境的擾動,在各觀測采樣點搭設棧橋。采樣箱為不銹鋼材質的暗箱(50cm×50cm×50cm),箱頂內部裝有兩個小風扇和一個鉑電阻溫度傳感器,采氣孔和電源插孔開在箱壁上,為防止采樣過程中箱內溫度過高,在采樣箱的外面罩上棉被隔熱。樣品采集用100ml醫用注射器抽取,30min內每隔10min采集一次。所采集的氣體樣品在12h內帶回實驗室用帶離子火焰化檢測器(FID)電子捕獲檢測器(ECD)的氣相色譜儀同時分析CO2、CH4和N2O的氣體濃度。1.3目標化合物摩爾質量CO2、CH4和N2O排放通量用下式計算:式中,F為CO2、CH4或N2O排放通量,M為氣體的摩爾質量,P0和T0為理想氣體標準狀態下的空氣壓力和氣溫(分別為1013.25hpa和273.15K),V0為目標化合物在標準狀態下的摩爾體積,即22.41L/mol,H為采樣箱內氣室高度,P和T為采樣時箱內的實際氣壓和氣溫,dc/dt為箱內目標氣體濃度隨時間變化的回歸曲線斜率。2結果與討論2.1ch4的產生、氧化和排放在生長季節,小葉章草甸和毛果苔草沼澤均為三種溫室氣體的排放源。從2003年生長季小葉章草甸和毛果苔草沼澤CO2與CH4排放通量的關系圖(圖1A,B)初步可以看出,沼澤濕地CO2與CH4排放通量之間具有正相關關系。進一步相關分析表明,2003年生長季小葉章草甸和毛果苔草沼澤CO2與CH4排放通量的相關系數分別為0.484和0.442,2004年生長季分別為0.471和0.869(表1,表2)。從上述分析可以看出,兩種類型濕地連續兩個生長季的CO2與CH4排放通量之間均具有極顯著正相關關系。研究表明,植物在濕地生態系統CH4的產生、氧化和排放中起著重要的作用。CH4的產生需要嚴格的厭氧環境和充足的反應底物。泥炭中CH4的產生主要來源于有機質的厭氧分解,特別是植物光合作用產物對根系的輸送、根系分泌物和凋落物,Whiting等研究發現自然生態系統中CH4排放量與凈初級生產力之間有相關性,大約凈初級生產力的3%以CH4的形式進入大氣。另外,植物在濕地CH4的排放過程中也起了很強的作用,在有通氣組織的植物存在下,CH4通過植物的釋放速率是通過水相擴散的104倍。研究表明,植物傳輸是有植物生長的區域CH4傳輸的主要形式,可以將土壤中產生的CH4的50%-90%傳輸到大氣。CH4的排放通量是CH4產生量和CH4氧化量間平衡的綜合結果。當然,植物也可以把大氣中的O2和光合作用釋放的O2輸送到植物根系從而氧化已產生的CH4,但Thomas等的研究表明,植物光合作用對產甲烷菌的供給以及對CH4輸送的效應超過了對CH4氧化的作用,因此植物的存在提高了CH4排放通量。沼澤濕地CO2排放通量包括植物呼吸和土壤微生物呼吸,植物呼吸是生長季內生態系統總呼吸速率的主要成分。植物的生長發育狀況決定了植物生理活動的強弱,如光合作用和呼吸作用。處于生長旺盛期的植物,其光合和呼吸作用都強,在T.distichum和O.Aquaticum的CO2倍增實驗中發現,植物光合速率在增加的同時,也提高了CH4的排放通量,因為有更多光合產物成為產烷菌的底物,促進了CH4的產生,同時,處于生長旺盛期的植物具有發達的通氣組織,成為CH4良好的通道,促進CH4的排放。植物的光合作用、呼吸作用以及對CH4排放的促進作用都是相互聯系的。因此,在生長季,CO2與CH4排放通量之間均具有顯著或極顯著正相關關系,Merritt等在研究加拿大西部泥炭地的實驗中也得出了與此一致的結論。2.2鹽脅迫對濕地二年積分法排放的影響從2003年生長季小葉章草甸和毛果苔草沼澤CO2與N2O排放通量的關系圖(圖2A,B)初步可以看出,沼澤濕地CO2與N2O排放通量之間具有正相關關系。進一步相關分析表明,2003年生長季小葉章草甸和毛果苔草沼澤CO2與N2O排放通量的相關系數分別為0.438和0.420,2004年生長季分別為0.348和0.360(表1,表2)。從上述分析可以看出,這兩種類型濕地CO2與N2O排放通量之間均具有顯著或極顯著正相關關系。首先,植物是影響N2O排放的一個重要因素。沼澤濕地多為維管植物,維管植物具有發達的通氣組織,可以為N2O的傳輸提供通道,研究表明,植物可以將土壤中已經產生并溶解在水中的N2O通過其根系吸收進植物體后,再通過濃度梯度排入大氣。其次,植物的根系分泌物可以增強土壤中硝化和反硝化細菌的活性,從而促進N2O的產生。再有,土壤N2O主要來源于微生物的硝化和反硝化兩個過程,土壤中微生物需要從有機質分解中獲得能量和基質,以此來實現氮的礦化和遷移轉化,因此硝化和反硝化過程與土壤中有機質的分解礦化緊密相連,故土壤N2O和CO2排放通量呈顯著正相關關系。黃耀等對室內土壤培養實驗也得到與此一致的結論。另外,土壤呼吸作用增強會造成土壤的低氧環境,從而為微生物的反硝化作用創造有利條件,促進N2O的產生。綜上可以看出,植物的生理活動和土壤中有機質的分解礦化都會影響到N2O的產生和排放,且這種影響是同方向的,因此植物的呼吸速率和土壤的呼吸速率與N2O排放通量呈正相關,故濕地生態系統CO2排放通量與N2O排放通量之間呈現正相關性。2.3ch4和no的通量與消長關系由2003年小葉章草甸和毛果苔草沼澤CH4和N2O排放通量關系圖可以看出,兩種氣體通量之間呈正相關(圖3A,B),相關分析表明,2003年小葉章草甸和毛果苔草沼澤CH4和N2O的相關系數分別為0.210和0.561,2004年分別為0.323和0.208(表1,表2),這說明兩種類型濕地CH4和N2O排放通量均呈正相關關系,而這種相關性在毛果苔草沼澤中更顯著。原有關于CH4和N2O通量之間關系的研究多集中在農田、草原和森林。陳冠雄等、鄭循華等和蔣靜艷等對稻田研究均表明,在水稻生長季內,CH4和N2O通量之間呈互為消長的負相關關系;王躍思等和王艷芬等對內蒙古草原的研究表明,CH4的吸收通量和N2O的排放通量之間存在此消彼長的關系;徐慧等在長白山北坡森林中也觀測到CH4的吸收通量和N2O的排放通量之間有著互為消長的關系。而本研究結果與前人研究結果相反,也許生態類型的不同是研究結果存在差異的根本原因。水位是影響CH4和N2O通量關系的關鍵因素,淹水時,土壤Eh降低,較強的還原環境使CH4排放通量較高,而土壤厭氧環境強烈,致使反硝化作用進行的比較徹底,反硝化產物中N2的比例逐漸增加,N2O的產生和排放非常低。水位下降時,CH4排放通量降低,土壤中的O2含量增加,對硝化和反硝化作用均有利,導致N2O排放升高。本研究中沼澤濕地CH4和N2O排放通量呈正相關,從沼澤水深這個角度很難解釋。對于二者之間的關系,可以試圖從溫度和植物兩個方面來解釋。溫度直接影響土壤中有機質的分解以及微生物的數量和活性。溫度升高會加速土壤中有機質的分解,同時增強微生物的活性,即產烷菌和硝化反硝化細菌獲得更多的能量,活性增強,這就有利于CH4和N2O的產生。另外,植物對CH4和N2O的產生和排放均有促進作用,尤其在長期積水的毛果苔草沼澤,這種作用可能更大。因為積水條件下,土壤原有有機質的分解速率緩慢,而根系分泌的有機質活性高,易被微生物利用,而且這種分泌物還能夠刺激反硝化細菌的活性,從而成為產烷菌和反硝化細菌的主要基質來源。除此之外,長期積水的沼澤濕地,植物作為氣體排放通道的作用更明顯。而2004年,毛果苔草沼澤植物的存在限制了土壤中N2O的產生,因此也降低了CH4和N2O通量的相關性。這也說明植物在沼澤濕地溫室氣體排放中起了重要作用。3不同濕地類型下排放通量和排放通量之間的關系對三江平原兩種典型濕地連續兩個生長季的觀測研究表明,在生長季節,小葉章草甸和毛果苔草沼澤均為三種溫室氣體的排放源。沼澤濕地三種溫室氣體排放之間的相互關系均為正相關關系,即CO2和CH4排放通量、CO2和N2O排放通量、CH4和N2O排放通量之間均為正相關,但顯著性水平