臺風對閩江河口濕地土壤甲烷產生潛力的影響研究

王維奇, 王 純

(1. 福建師范大學 地理研究所, 福建 福州 350007; 2. 福州市金橋高級中學, 福建 福州 350004)

臺風對閩江河口濕地土壤甲烷產生潛力的影響研究

王維奇1, 王 純2

(1. 福建師范大學 地理研究所, 福建 福州 350007; 2. 福州市金橋高級中學, 福建 福州 350004)

揭示臺風對濕地土壤甲烷產生的影響對全球氣候變化研究具有重要意義。采用厭氧培養法對閩江河口蘆葦濕地土壤受臺風影響下的甲烷產生潛力(J)進行模擬實驗。研究結果表明： 受臺風的影響,甲烷產生潛力經歷了升高—下降—穩定—下降 4個階段; 花枯落物輸入與根、莖、葉枯落物輸入后蘆葦濕地土壤甲烷產生潛力差異極顯著(P＜0.01); 臺風影響下不同土層甲烷產生潛力大小順序為J5～10＞J0～5＞J10～15＞J15～20＞J20～25＞J25～30; 臺風對甲烷產生潛力具有明顯的促進作用。

蘆葦濕地; 甲烷產生潛力; 臺風; 閩江河口

天然濕地甲烷排放占全球甲烷排放總量的 21%以上[1]。以往國際上關于全球甲烷排放的研究多聚焦在面積較大的泥炭濕地, 對于眾多面積小、分散分布的潮汐濕地沒有給予更多的關注, 特別是缺乏中國潮汐濕地甲烷方面的數據[2]。濕地土壤甲烷產生是甲烷排放的先決條件。溫度、底物、氧化還原電位、土壤含水量、電子受體等均影響甲烷產生過程[3-6],其中底物是甲烷產生過程發生的物質基礎, 水分狀況是土壤厭氧條件形成的前提。

臺風是閩江河口濕地常見的天氣現象, 主要集中在 6～10月, 一方面可帶來連續的降水, 增強濕地土壤的厭氧條件, 降低氧化還原電位, 提高甲烷產生菌活性; 另一方面, 使得植物大量地斷株, 枯落物在地表覆蓋厚厚的一層, 提供了大量的底物來源,為甲烷產生提供充足的物質和能量, 與此同時, 可緩解甲烷產生菌與電子受體還原菌之間的底物競爭壓力, 促進甲烷產生。因此, 這種大劑量的水分和底物輸入將有利于土壤甲烷的產生, 但受臺風的影響,濕地植物不同構件枯落物輸入對土壤甲烷產生的影響是否存在明顯的差異, 不同土層對臺風造成的水分和枯落物輸入的響應規律又如何？尚不清楚。作為我國東南沿海地區重要的河口濕地之一, 閩江河口濕地具有較大的代表性, 蘆葦(Phragmites australis)是該區主要的優勢植物之一, 初級生產力和枯落物的產生量均較高。

基于此, 本研究為了闡明濕地土壤甲烷產生過程對臺風的響應, 開展了臺風對甲烷產生潛力影響的持續效應、臺風影響下不同構件枯落物對甲烷產生潛力的影響、不同土壤層次對臺風的響應特征、臺風影響下甲烷產生潛力的調節因子研究, 為準確評價臺風對濕地生態系統甲烷代謝的影響提供參考依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區為閩江河口區面積最大的鱔魚灘濕地。氣候暖熱濕潤, 年平均氣溫 19.3℃, 年平均降水量約 1 346 mm[7]。濕地水源包括天然降水、閩江河水、潮水[8]。臺風是閩江河口區主要的天氣現象, 多集中在6～10月。蘆葦是該區域主要的優勢大型挺水植物之一, 其生長旺盛季節株高1.5～2 m, 密度約200 株/m2,蘆葦濕地地上和地下生物量之和達 2 266～4 602 g/m2[9], 受到臺風影響后蘆葦枯落物會在地表覆蓋厚厚一層。本研究土壤采樣地點位于鱔魚灘濕地中部的蘆葦濕地(119°37′31″E, 26°01′46″N), 蘆葦濕地土壤和枯落物理化特征見表1, 2。

1.2 樣品采集與實驗分析

2007年 1月, 在鱔魚灘中部蘆葦濕地采樣點用100 cm長, 5 cm內徑的不銹鋼土壤采樣器采集土壤樣品, 每個土層3個重復(5 cm間隔), 將同一土層土壤樣放入自封袋中, 密封送回實驗室。蘆葦枯落物采于2006年12月, 地上部分采用收獲法, 按照莖、葉、花分開采集, 地下部分采用挖掘法, 并將根分為表層(0～15 cm)和相對深層(15～30 cm)。采回的鮮土風干并研磨(挑除大的根物質與雜質), 過100目篩; 枯落物樣品用粉碎機粉碎成粉末。土壤和植物碳質量比與氮質量比的測定采用碳、氮元素分析儀(Elementar Vario ELⅢ), 磷質量比采用鉬銻抗比色法(UV-2450)測定, 電導率和pH值測定分別采用2265FS便攜式電導率/溫度計, IQ150便攜式pH/氧化還原電位計。

表1 蘆葦濕地土壤理化性質Tab. 1 Soil properties of P. australis wetland

表2 蘆葦濕地枯落物理化性質Tab. 2 Litter properties of P. australis wetland

土壤甲烷產生潛力(J)對臺風的響應模擬實驗采用厭氧培養法[10]。采用大劑量的底物和水分輸入, 將3 g研磨后的土樣放入18 mL培養瓶, 同時加入土樣質量3%的枯落物(分別加入植物花、葉、莖、0～15和15～30 cm根枯落物), 并加入約覆蓋培養樣品 2 cm的蒸餾水, 設置對照, 共5種處理實驗, 每一個處理3個重復, 將樣品在近似原位溫度的 30℃下培養(采樣點6～10月白天平均氣溫30.4℃)。實驗周期為110 d, 第一次測定是在培養后的第 5天, 之后每隔 7 d測定 1次培養土樣的甲烷產生潛力, 氣樣采用島津GC-2010氣相色譜儀分析。

1.3 數據處理

甲烷產生潛力的計算采用甲烷濃度隨著時間的變化率求得[10]。臺風對甲烷產生潛力的影響差異性檢驗采用SPSS13.0-One-Way ANONY 分析, 環境因子與甲烷產生潛力的相關性分析采用 SPSS13.0-Pearson相關分析。

2 結果與討論

2.1 臺風對甲烷產生潛力影響的持續效應

臺風對土壤甲烷產生潛力具有明顯的促進作用(圖 1), 其影響效應隨著時間的延長而發生變化。在培養的前5 d, 土壤甲烷產生潛力對臺風的響應不顯著, 可能是因為臺風導致的枯落物輸入, 需要一定的時間才能分解為甲烷產生前體, 在培養第12天、第19天或第 26天甲烷產生潛力分別出現了峰值。臺風影響下的土壤甲烷產生潛力經歷了升高-下降-穩定-再下降 4個階段。甲烷產生潛力的升高, 主要是枯落物輸入后, 隨著其分解過程的發生, 易降解的碳迅速分解, 為甲烷的產生提供了必要而充足的底物來源, 此外, 作為生產者的甲烷產生菌的數量和活性也得到了有效的激發, 而后隨著易降解碳濃度的降低, 甲烷產生潛力也逐漸下降, 隨著時間的進一步推移, 相對難分解的碳組分也開始不斷地分解, 使得甲烷產生潛力所需底物濃度維持在了一個相對穩定的水平, 甲烷產生潛力進入穩定狀態, 這個穩定狀態大約維持50 d左右, 而后甲烷產生潛力不斷降低, 主要是底物供應量受到了限制。臺風對甲烷產生潛力影響的持續效應可維持近90 d。

2.2 臺風影響下蘆葦不同構件枯落物輸入對甲烷產生潛力的影響

臺風造成的蘆葦不同構件枯落物輸入后甲烷產生潛力出現峰值所需要的時間及大小均有所不同(圖1)。莖枯落物輸入后甲烷產生潛力峰值出現的時間對于多數土層為培養后的第19天, 只是在10～15 cm土層出現在第26 天(27.86 μg/(g·d))。葉和花枯落物輸入后甲烷產生潛力峰值出現的時間對于多數土層同樣均為培養后的第 19天, 對于葉枯落物, 在 5～10 cm土層, 峰值是出現在第 12 天(58.77 μg/(g·d)); 對于花枯落物, 在 25～30 cm 土層, 峰值是出現在第 26 天(78.8669 μg/(g·d))。根枯落物的輸入使得甲烷產生潛力出現峰值的時間, 大多數土層為培養后的第12天,對于 0～15 cm 根枯落物輸入后的甲烷產生潛力, 僅在 10～15 cm 土層是出現在第 19天(62.11 μg/(g·d)),對于15～30 cm根枯落物輸入后的甲烷產生潛力, 在20～25 cm和25～30 cm土層是出現在第19天(76.38和69.86 μg/(g·d))。不同構件枯落物碳含量及分解速率存在的差異, 可能是導致不同構件枯落物輸入后甲烷產生潛力峰值出現時間不盡相同的原因。

圖1 臺風對不同層次土壤甲烷產生潛力的影響Fig. 1 Effects of typhoon on methane production potentials at different soil layers

綜合考慮 0～30 cm土層輸入不同構件后, 平均甲烷產生潛力從大到小的順序為輸入花枯落物＞輸入葉枯落物＞輸入 0～15 cm 土層根＞輸入莖枯落物＞輸入15～30 cm土層根, 其甲烷產生潛力分別為20.96,17.21, 14.44, 14.32 和 14.31 μg/(g·d), 均明顯高于對照土壤的甲烷產生潛力(0.0561 μg/(g·d))。其對土壤甲烷產生潛力的促進主要有以下3點原因： 第一, 為甲烷產生提供底物來源和良好的厭氧環境, 提高了產甲烷微生物的活性和數量, 進而提高甲烷產生量;第二, 加速電子受體的還原過程, 減少了甲烷產生過程中的競爭機制, 與此同時也使得環境中的氧化還原電位得以降低, 促進甲烷產生; 第三, 刺激有機碳的轉化[11]。

對整個觀測期枯落物輸入對甲烷產生潛力的促進作用作統計分析發現, 枯落物輸入后土壤甲烷產生潛力與對照土壤間差異極顯著(P＜0.01); 花枯落物輸入后土壤的甲烷產生潛力與根、莖和葉枯落物輸入后的土壤甲烷產生潛力間差異極顯著(P＜0.01)。

2.3 不同層次土壤甲烷產生潛力對臺風的響應

臺風的影響不僅使得土壤的甲烷產生潛力發生改變, 同時也會對原有不同層次土壤的甲烷產生潛力垂直變化模式造成影響, 在未受到臺風影響的條件下, 濕地土壤甲烷產生潛力的大小為：J0～5＞J10～15＞J5～10＞J20～25＞J15～20＞J25～30, 而受到臺風的影響后, 甲烷產生潛力的垂直變化規律為：J5～10＞J0～5＞J10～15＞J15～20＞J20～25＞J25～30, 造成這種變化的原因可能是底物和水分對甲烷產生潛力的協同影響。

2.4 臺風影響下土壤甲烷產生潛力的影響因子分析

對培養期不同土層的平均甲烷產生潛力與相應土層的理化特征和相應的枯落物元素含量做相關分析。統計分析結果表明, 土壤氮質量比、碳氮比和電導率對整個培養期平均甲烷產生潛力的影響極為顯著(r= 0.711,P＜0.01;r=－0.821,P＜0.01;r=－0.591,P＜0.01), 此外, pH值也對甲烷產生潛力具有顯著影響(r= 0.513,P＜0.05)。甲烷產生潛力與枯落物碳質量比、氮質量比、氮磷比之間具有極顯著正相關關系(r=0.784,P＜0.01;r= 0.702,P＜0.01;r= 0.603,P＜0.01),碳氮比與甲烷產生潛力呈顯著負相關關系(r=－0.533,P＜0.05)。

綜上所述, 甲烷產生潛力與土壤和枯落物氮質量比均呈現極顯著正相關, 與碳氮比呈負相關, 可見氮質量比和碳氮比對臺風影響下的甲烷產生潛力具有良好的指示作用。

3 結論

臺風的發生提高了蘆葦濕地土壤甲烷產生潛力,其影響具有一定的持續性; 花枯落物輸入與根、莖、葉枯落物輸入后蘆葦濕地土壤甲烷產生潛力差異極顯著(P＜0.01); 臺風造成的水分和底物的輸入改變了蘆葦濕地土壤甲烷產生潛力原有的垂直變化模式。

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Effects of typhoon on methane production potential from the Minjiang River Estuaty wetland soil

WANG Wei-qi1, WANG Chun2
(1. Institute of Geography, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China; 2. Fuzhou Jinqiao Senior Middle School, Fuzhou 350004, China)

Mar., 25, 2010

Phragmites australiswetland; methane production potential; typhoon; the Minjiang River Estuary

It is very important to clarify the effect of typhoon on wetland soil methane production in the research of global climate change. Methane production potential (J) fromPhragmites australiswetland soil was measured under the effect of typhoon in the Minjiang River Estuary using the anaerobic incubation measurement method. The whole course of methane production potential variation was consisted of increment, decline,stabilization, and decline. There was significant difference of methane production potential between flower adding and the adding of root, stem, or leaf litters(P＜0.01). The order of methane production potential at various soil layers after typhoon wereJ5～10＞J0～5＞J10～15＞J15～20＞J20～25＞J25～30. Typhoon significantly enhanced the methane production potential.

X144

A

1000-3096(2011)09-0091-05

2010-03-25;

2011-07-09

國家自然科學基金(31000209); 福建省自然科學基金(2010J01139); 福建師范大學地理科學學院旗山學者資助項目

王維奇(1982-), 男, 遼寧沈陽人, 助理研究員, 博士研究生,從事濕地生物地球化學循環研究, 電話： 13459193831, E-mail： wangweiqi15@163.com

劉珊珊)