三江平原泥炭沼澤濕地N2O排放通量及影響因子

朱曉艷 ,宋長春 ,郭躍東 ,石福習 ,王麗麗 (.中國科學院東北地理與農業生態研究所,吉林 長春3002；2.中國科學院大學,北京 00049)

N2O是3種溫室氣體中(CO2、CH4和N2O)中壽命最長的(可達 114年),并且其增溫潛勢在100年時間尺度上是CO2的大約298倍[1].N2O不僅能與平流層中的O3分子發生光化學反應從而使臭氧層遭到破壞[2],而且N2O的排放與大氣酸沉降息息相關[3].IPCC報告[1]指出,目前大氣層中N2O濃度相對于工業革命之前已經增加了44×10-9(17%), 2005 年已經增加到 319×10-9.如果N2O增加一倍將會導致全球氣溫升高0.44oC,O3量減少 10%,從而使地球接收的紫外輻射增加20%.因此,N2O對全球氣候及環境的影響是長期和潛在的[4].

北半球中高緯地區泥炭沼澤濕地對全球氣候變化表現出較高的敏感性和不確定性[5],在控制和調節大氣中的溫室氣體濃度方面發揮著重要的作用.由于較低的溫度和過濕的環境, 濕地土壤儲存著大量的有機碳和氮,成為潛在的 N2O弱的排放源或匯[6].雖然,不同類型的沼澤濕地影響N2O排放的因子不同,但是土壤水分和土壤溫度是影響 N2O排放的主要控制因素[6-12].當土壤中有機碳和無機氮含量充足時,土壤充水孔隙率控制著 N2O的排放[9],并且水位降低能夠促進N2O排放[10];然而,Lohila等[11]通過對芬蘭北部礦養沼澤研究發現,當水位低于 2.3cm 時出現了N2O的吸收現象,原因可能是當土壤中的NO3-缺乏時,大氣中的N2O被吸收到土壤中充當電子載體.N2O排放通量季節變化模式隨沼澤濕地沉積物土壤的升溫而變化,表明土壤溫度對于N2O的排放具有重要影響[12].此外,植物體[13]、外源N輸入[11,14]、pH 值[15-16]以及土壤 Eh[17-18]等都會對N2O的排放產生重要影響.

三江平原是我國淡水沼澤濕地分布最為集中的地區,該區沼澤濕地面積大約為10400km2[19],且根據有無泥炭的積累,可分成泥炭沼澤和潛育沼澤,其中泥炭沼澤面積 243km2,均屬草本泥炭[20].以往對三江平原沼澤N2O排放的研究多集中于不同植被類型的潛育沼澤[13,18-19,21-22].據悉,目前仍未有對該區泥炭沼澤濕地溫室氣體排放進行相關的觀測和研究.鑒于此,本研究運用改善的靜態暗箱-氣相色譜法對三江平原泥炭沼澤濕地植物生長季N2O排放通量特征和關鍵影響因素進行初步研究.本文的研究結果將彌補該區泥炭沼澤濕地N2O排放通量觀測數據的空白,從而進一步縮小對區域乃至全國溫室氣體排放通量評估的誤差.

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區域位于中國科學院三江平原沼澤濕地生態試驗站的西南方向約 38km野外試驗場內(47°29′N, 133°21′E, 56m a.s.l.).試驗場所處地區屬于溫帶大陸性季風氣候, 年均氣溫為 2.52℃,年均降水為 558mm,并且具有較大的時空變異規律[18].該區屬于季節性凍融區,每年的10月末到次年的4月初土壤和水分完全凍結[19].本區泥炭沼澤最早形成于早全新世初期,具有連續性,并且長期處于低位發育階段[23].泥炭層的厚度在30cm以上.優勢種為毛苔草(Carex lasiocarpa),蓋度為 75%～95%,其次為狹葉甜茅(Glyceria spiculosa),蓋度為10%～20%.伴生種有烏拉苔草(Carex meyeriana),睡蓮(Nymphaea tetragona),驢蹄草(Caltha palustris),苔蘚植物(Bryophyte)等,蓋度不到 1%.土壤剖面上層為草根層,中間為海綿狀的泥炭層,下層為透水性差的潛育層.具體土壤理化性質見表1.

表1 三江平原泥炭沼澤濕地土壤基本理化性質(平均值±標準誤)Table 1 Soil physical and chemical characteristics in the peatland of the Sanjiang Plain (Mean ± SE)

1.2 氣體采集與分析

氣體排放通量觀測(2012年5月中旬至10月中旬)采用靜態暗箱-氣相色譜法,采樣頻率為間隔4d.試驗包括有植被和去除植被兩種處理,每種處理各4個重復.取樣前將規格為0.5×0.5×0.2m不銹鋼底座插入土壤中 20cm,整個生長季底座放在試驗地不動以保證對底座內部植被和土壤的干擾最小.采樣箱規格和操作規范參照文獻[19].為了減少采樣時對基座和周圍環境的擾動,各個觀測采樣點架設了采樣棧橋.與以前該區氣體采集相比[13-14,18-19],本研究進行一些改善.例如,在采樣箱的頂端根據當地的風速和采樣箱體積安裝了平衡管.平衡管采樣時打開,采樣間隔時關閉[24].此外,氣體采集過程中每間隔8min采集5個氣體樣品.

所采集氣體樣品在 4h內帶回實驗室用HP4890氣相色譜儀分析 N2O濃度.所有觀測數據均在 R2>0.87(n=5)的情況下,只有 4次觀測值有效時,R2>0.94;或只有 3次濃度觀測值有效時,R2>0.996,才視為有效,否則舍棄.N2O通量速率根據箱內氣體濃度隨時間變化的斜率來計算.具體詳細計算公式參照文獻[25].

1.3 環境因子測定

每次觀測時同步測定相關環境因子,用便攜式數字溫度計(JM624, Jinming Instrument CO.,Tianjing, China)測定箱內和箱外溫度.不同深度(5, 10, 15, 20, 25cm)的土壤溫度通過特制的高精度地溫計(分度值為 0.2℃)進行測量.采用鋼釬測量融深,在采樣箱附近通過直尺測定水位深度.10cm處土壤的體積含水量采用 TDR(Trime-PICO32, IMKO Co., Germany)進行測量.所有環境因子的測定在采樣箱附近0.5m以外,避免對采樣箱底座內土壤和植被造成影響.

每兩周選取3個0.5m×0.5m草本樣方,收獲樣方內所有草本地上部分,帶回實驗室在80oC烘干至恒重測定地上生物量.植被株高每次采集氣體樣品時通過直尺測量.

1.4 數據分析與處理

運用SPSS16.0逐步回歸分析影響N2O排放通量的主控環境影響因子;運用線性和非線性回歸分析N2O排放通量與水位和不同深度土壤溫度的關系;通過重復測量方差,分析植被去除與否對N2O排放通量的影響.運用SigmaPlot 11.0軟件進行繪圖.

2 結果與討論

2.1 N2O排放季節動態

圖1 2012年植物生長季排放有植被和無植被N2O季節動態以及與各環境要素關系Fig.1 The seasonal variation of N2O fluxes with or without plants and environmental variables

三江平原毛苔草泥炭沼澤濕地 N2O排放通量的季節性動態變化特征明顯,呈現波動性單峰型變化趨勢(圖1).觀測期間,N2O通量隨水位的波動而波動,排放趨勢呈跳躍狀,與水位的變化此消彼長,變化范圍為 5.92～180.38μg/(m2·h),最大值出現在 7月中旬,最小值出現在生長季末,平均通量為(76.77±74.89)μg/(m2·h).這表明,三江平原毛苔草泥炭沼澤濕地生長季是N2O的排放源.

三江平原毛苔草泥炭沼澤濕地N2O排放季節變化規律主要是由于影響N2O排放的環境因子季節動態明顯.該區屬于溫帶大陸性季風氣候,降水集中于春季和秋季,夏季高溫少雨,土壤季節性凍融,加之纖維狀的草本泥炭孔隙度大,吸水滲透能力強[26],對水分和氣溫的季節性變化敏感,使得毛苔草泥炭沼澤濕地N2O排放季節性變化明顯.

2.2 N2O排放通量與各環境要素的關系

通過對各環境因子(水位、土壤10cm體積含水量、不同深度土壤溫度、植物株高、地上生物量和土壤融深)與 N2O排放通量逐步回歸分析,表明影響N2O排放季節動態的最主要控制因素是土壤溫度(10cm)和土壤水分.

2.2.1 土壤溫度對N2O排放通量的影響 曲線回歸分析表明,各層土壤溫度與N2O排放通量之間存在極顯著指數相關關系(P<0.01),并且隨著土壤深度的增加,土壤溫度對N2O排放通量的影響程度下降,各回歸方程如表2所示.10℃以下,加上秋雨頻繁,使得 N2O 排放出現最小值.Lohila等[11]研究發現植物生長季N2O排放與土壤溫度(7cm)呈現正的指數相關.本研究也發現N2O排放與表層土壤溫度相關性更高,當土壤深度在 10cm 以下時,隨著土壤深度的不斷增加,這種關系逐漸減弱(表 2),原因可能是表層土壤有機質和無機氮含量高,并且植物根系大多分布于表層,根系分泌物多,硝化細菌和反硝化細菌活性強;此外,表層土壤可以更好的吸收大氣中N沉降[10,29-30].

表2 N2O排放通量與不同深度土壤溫度的關系Table 2 Relationship between N2O fluxes and soil temperature at different soil depths

土壤溫度對產生N2O的生物學過程有著十分重要的影響,通過影響硝化細菌和反硝化細菌的活性間接影響N2O的產生速率[27].鄭循華等[28]研究表明,太湖地區稻麥輪作生態系統大部分N2O是在15～25℃范圍內產生,只有不到6%是在30℃以上或10℃以下產生.試驗觀測初期土壤溫度隨氣溫逐漸升高,此時硝化和反硝化細菌數量可能增多,活性可能增強,并且植物生長代謝旺盛,促進N2O的產生與排放,因此N2O排放呈現出逐漸升高的趨勢(圖1).這表明在適宜的土壤水分條件和一定溫度范圍內,N2O排放隨土壤溫度的上升而增加.而在生長季末,由于土壤溫度降到

2.2.2 土壤水分對N2O排放通量的影響 土壤中硝化-反硝化作用的強弱直接影響著 N2O通量[27].濕地土壤水分直接關系到土壤通氣狀況和O2含量,在通透性良好條件下,硝化過程占主導優勢;在土壤長期積水或通透性較差的情況下,反硝化過程通常是 N2O 的主要來源[18].因此,土壤水分通過影響土壤中 O2含量直接影響著硝化-反硝化作用,從而間接對N2O產生造成影響.土壤含水量過低或者土壤持續淹水都不利于硝化及反硝化細菌的生長,7月中旬高溫少雨,可能此時的水位和微域環境最有利于硝化和反硝化作用的進行,因而此時出現最高排放值.

由圖 2可見,N2O與水位呈極顯著(P<0.01)線性負相關,這種關系已經被眾多的研究所證實[6,31].Rudaz等[32]研究發現,當土壤含水量處于飽和含水量以下時,N2O與土壤水分呈現正相關;處于飽和含水量以上時,二者呈現負相關.可見土壤含水量不同,二者呈現的關系不同,本研究中的泥炭地土壤含水量遠在飽和含水量之上,因此當夏季水位下降時,N2O排放量增加,呈現負相關關系.Regina等[6]也發現,不管何種原因引起的水位下降都會促進N2O的排放.但是如果土壤嚴重缺氧,反硝化過程就會促進N2O進一步還原生成N2,因此只有當O2適量(約為0.5%),才能產生較高的N2O/N2比率[11].

圖2 N2O排放通量與水位的關系Fig.2 Relationship between N2O fluxes and water table depth

2.2.3 植被對N2O排放通量的影響 運用重復測量方差分析發現,有植被參與下的 N2O 排放通量均高于無植被參與的(圖 3),前者是后者的1.7倍,并且二者存在極顯著差異(F=25.098, P<0.01).由圖1可以看出,大量N2O的排放及排放高峰期均在植物生長期內,說明植被的存在促進了N2O的排放,植物體本身直接或間接參與了 N2O的排放.首先,植物根系及根系分泌物影響產生N2O的微生物過程,特別是根系對離子的吸收和分泌有機酸,使根際土壤 pH值發生改變,從而影響硝化和反硝化過程[27];其次,植物可以通過根系呼吸消耗土壤中的 O2,有利于反硝化作用進行[11];第三,植物特別是維管束植物可以通過植物組織的生理反應排放N2O.例如,Martin等[33]研究發現許多濕地植物都具有較高的蒸騰作用,可把水體中的NO3-輸送到土壤厭氧層中,從而促進了反硝化作用的發生.但是,濕地植被到底如何促進N2O的排放以及其影響機理問題還需要進一步探討.

圖3 有植被和無植被N2O排放對比Fig.3 Comparation between N2O emission with plants and without during the growing seasons

2.3 泥炭沼澤濕地與潛育沼澤濕地N2O排放通量比較

對三江平原泥炭沼澤濕地生長季 N2O排放總量進行估算[34]大約為 7.29×1010mg/a,即為72.9Mg/a,表明毛苔草泥炭沼澤是三江平原沼澤濕地N2O通量的潛在排放源.

式中:F為三江平原泥炭沼澤濕地植物生長季N2O排放總量,μg/a;Ci為植物生長季各月N2O排放通量平均值;hi為各月的總小時數,h;M 為三江平原泥炭沼澤濕地面積,m2.

同該區生長季潛育沼澤濕地已有研究相比,毛苔草泥炭沼澤濕地N2O平均排放通量明顯高于毛苔草潛育沼澤濕地[20～60μg/(m2·h),2002～2005表3],與小葉章潛育沼澤濕地個別年份差異不大(表 3).這主要是因為相對于以往年份,2012年生長季降水年內變異和月內變異大,水位的頻繁波動使得硝化作用和反硝化作用交替出現,加劇了N2O的產生.其次,泥炭沼澤濕地土壤容重小,草本泥炭質地海綿狀,孔隙度大,土壤吸水能力和滲透能力強[25].當水位下降時,泥炭沼澤滲透 O2的能力也比較強,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.此外,泥炭沼澤濕地由于土壤有機質含量豐富,使得植物地上生物量大于潛育沼澤濕地(數據未顯示),更多的生物量為N2O通量提供了更多的基質和排放通道,促進了N2O產生和排放.由于本研究只是對N2O排放的初步研究,有關三江平原泥炭沼澤濕地和潛育沼澤濕地溫室氣體排放差異的詳細研究還有待于進一步進行長期野外對比觀測.

表3 三江平原植物生長季N2O排放與已有研究比較Table 3 The N2O fluxes studied in growing season of the Sanjiang Plain and cornparisons with other research

3 結論

3.1 在植物生長季,三江平原毛苔草泥炭沼澤濕地N2O的排放通量變化范圍為5.92～180.38μg/(m2·h),最大值出現在 7月中旬,最小值出現在生長季末,整體平均通量為(76.77±74.89)μg/(m2·h),高于該區毛苔草潛育沼澤N2O的排放通量.

3.2 回歸分析表明,土壤溫度和土壤水分是制約N2O排放的主要環境因子.此外,有植物參與的N2O排放量是無植被的 1.7倍,表明植物體參與了N2O排放并對其產生重要影響.

3.3 通過對該區泥炭沼澤濕地生長季N2O排放總量進行初步估算,每年植物生長季N2O排放總量大約為72.9Mg,表明毛苔草泥炭沼澤是三江平原沼澤濕地N2O通量的潛在排放源.

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