淡水濕地不同圍墾土壤非耕季節(jié)呼吸速率差異

何小青， 許信旺,， 方宇媛， 毛 敏， 石小磊， 鄭聚鋒

(1．池州學(xué)院 資源環(huán)境與旅游系， 安徽 池州 247000； 2．安徽師范大學(xué) 國土資源與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖， 241000； 3．南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所， 江蘇 南京 210095)

濕地是介于陸地和水體間一種特殊的過渡生態(tài)類型，由于較低的有機(jī)質(zhì)分解速率和較高的生產(chǎn)力而成為重要的碳匯，濕地的固碳潛力高于其他類型的生態(tài)系統(tǒng)，因此，采取必要的措施，維持和發(fā)展?jié)竦氐墓烫紳摿Γ瑢?duì)于增加陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫和緩解全球變暖具有深遠(yuǎn)的意義[1]。中國已在東北平原[2-8]、青藏高原[9-11]、云貴高原[12-13]以及東部平原[14-18]等開展了濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳及CO2氣體排放方面的研究，而此方面的研究主要集中在三江平原。宋長(zhǎng)春等[5]認(rèn)為濕地土壤水分梯度變化及土壤新的碳輸入條件是溫度驅(qū)動(dòng)下土壤呼吸變化的重要影響因素，濕地墾殖后土壤呼吸速率明顯增大。楊繼松等[6]認(rèn)為，在生長(zhǎng)季，濕地土壤呼吸具有明顯的時(shí)間變化特征，隨土壤溫度的上升呈指數(shù)形式增加，并受水熱條件的共同制約。黃靖宇等[7]通過研究發(fā)現(xiàn)，土地利用方式是影響土壤生物量碳及溶解有機(jī)碳變化的主要因素，天然沼澤濕地墾殖為農(nóng)田后，土壤微生物量碳及溶解有機(jī)碳顯著降低，棄耕還濕和人工造林后表層土壤微生物量碳及溶解有機(jī)碳呈顯著增加的趨勢(shì)。

由此可見，影響土壤固碳及呼吸的主要因素有水分、溫度及微生物活動(dòng)等，選擇何種濕地利用方式，使得土壤固碳能力及CO2氣體排放受到的影響最小，是合理利用濕地、減少溫室氣體排放的關(guān)鍵所在。

截止到2008年，中國現(xiàn)有濕地(不包括水稻田)總面積為324 100 km2，其中天然濕地占88%，人工濕地占12%。“長(zhǎng)江及其周圍湖群”是世界自然基金會(huì)(WWF)確定的具有全球意義的生態(tài)區(qū)域之一，也是中國濕地生物多樣性的關(guān)鍵地區(qū)之一，由于該區(qū)域?yàn)橹匾霓r(nóng)業(yè)水產(chǎn)基地，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，當(dāng)?shù)氐臐竦孛媾R著巨大的壓力，面積不斷減少[19]。因此，加強(qiáng)對(duì)該區(qū)域濕地改造對(duì)環(huán)境影響的研究非常必要。

關(guān)于皖江濕地及不同圍墾利用方式下土壤碳呼吸的研究較少，已有的研究也主要集中在濕地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存、分布、空間差異及開墾后含量變化方面[14-16]。所以本文選擇皖江地區(qū)作為研究區(qū)域，在人為干擾較少的非耕季節(jié)開展土壤呼吸CO2排放通量野外觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，直觀評(píng)價(jià)濕地及不同圍墾利用方式下土壤呼吸CO2的貢獻(xiàn)效率，以期為溫室氣體減排提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 自然地理概況

皖江地區(qū)，即長(zhǎng)江下游安徽段，屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，年平均日照時(shí)數(shù)2 000～2 100 h，年平均氣溫15.7～16.6 ℃，年均相對(duì)濕度75%，無霜期230～250 d，年平均降水量1 050～1 400 mm，年均蒸發(fā)量1 500～1 800 mm，降水季節(jié)分配不均[20]。該區(qū)域有安慶沿江地區(qū)、升金湖、淡水豚保護(hù)區(qū)、揚(yáng)子鱷保護(hù)區(qū)、龍感湖、十八索以及太平湖等一些有代表性的濕地。

皖江流域濕地一般在每年的11月至翌年的4月可以出露，生長(zhǎng)著自然草甸植被，常見的是蘆葦和苔草，還生長(zhǎng)有水蕨、眼子菜、黑藻和苦草等植物[16]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和研究方法

1.2.1 樣地選擇 選擇毗鄰平天湖的天然濕地(草甸土)、濕地圍墾形成的旱地(灰潮土)以及水稻田(潴育性水稻土)為研究對(duì)象，旱地和水稻田圍墾的年限為20 a。在3個(gè)樣地各選一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，為保證數(shù)據(jù)的可比性，觀測(cè)點(diǎn)位置盡量接近，濕地測(cè)試點(diǎn)(30°39′N，117°34′E；海拔高度16 m；估計(jì)誤差11 m)、旱地測(cè)試點(diǎn)(30°39′N，117°34′E；海拔高度20 m；估計(jì)誤差6 m)、水稻田測(cè)試點(diǎn)(30°39′N，117°34′E；海拔高度17 m；估計(jì)誤差8 m)，水平距離小于20 m。

1.2.2 土壤CO2排放通量測(cè)定 采用密閉箱/便攜式紅外線氣體測(cè)定儀(MultiRAE Plus IR PGM-54)聯(lián)用技術(shù)對(duì)CO2濃度進(jìn)行測(cè)定，密閉箱為高25 cm(有效高度20 cm+埋入地下5 cm)，底面直徑27 cm的圓柱塑料箱。箱上開有兩個(gè)孔(進(jìn)氣孔、出氣孔)，內(nèi)裝微型電扇，測(cè)定時(shí)將便攜式紅外線氣體測(cè)定儀抽氣口和排氣口分別與密閉箱上的兩孔相連，形成一個(gè)閉合回路，將抽出的氣體還回到箱內(nèi)。

測(cè)定過程中，首先去除測(cè)定點(diǎn)地表生長(zhǎng)植物，打開密閉箱內(nèi)風(fēng)扇，將密閉箱開口端埋入土壤5 cm深度，迅速打開儀器，讀取CO2濃度數(shù)據(jù)X0作為初始值，5 min之后讀取的數(shù)據(jù)Xt，作為即時(shí)值。按理想氣體方程，將測(cè)得的CO2排放通量按照式(1)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(0 ℃，101.325 kPa)進(jìn)行比較：

式中：F——CO2排放通量〔mg/(m2·h)〕；Xt——CO2濃度即時(shí)值(ml/m3)；X0——CO2濃度初始值(ml/m3)；H——密閉箱的高度(m)； 273——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)溫度(K)； 44——CO2的摩爾質(zhì)量(g/mol)；Pt——測(cè)試點(diǎn)空氣壓強(qiáng)(kPa)；T——采樣時(shí)密閉箱內(nèi)平均溫度(K)； 101.325——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)大氣壓強(qiáng)(kPa)； 22.4——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)氣體摩爾體積(L/mol)； Δt——集氣時(shí)間(h)。

研究樣地水稻田種植一季稻，旱地種植棉花，在該區(qū)域水稻生長(zhǎng)季一般在5月上旬到10月上旬，棉花生長(zhǎng)季在4月上旬到11月中下旬。根據(jù)本文研究目的，選擇在非耕季節(jié)不同月份開展相關(guān)試驗(yàn)，為體現(xiàn)土壤CO2排放的季節(jié)性變化，試驗(yàn)選擇在相同天氣情況下的2012年1月8，9日(冬季)以及3月10，12日(春季)的8:00—19:00對(duì)3種類型土壤CO2排放情況進(jìn)行連續(xù)測(cè)定。在測(cè)定土壤CO2排放的同時(shí)，測(cè)得研究區(qū)域上部(0.50 m)空氣CO2濃度在1，3月份值分別為383.90和683.00 ml/m3。1月份，在溫度較高的11:00—15:00空氣中CO2濃度較低，最低峰值大概出現(xiàn)在13:00—14:00，低至342.00 ml/m3；3月份，8:00—11:00濃度維持在500～600 ml/m3波動(dòng)，最高峰值出現(xiàn)在13:00—14:00，達(dá)到890 ml/m3。

1.2.3 空氣溫度與土壤溫度的測(cè)定 為了解3種不同類型土壤CO2排放與溫度因子之間關(guān)系，在測(cè)定CO2排放的同時(shí)，用埋入式溫度計(jì)測(cè)定表層土壤(10 cm)溫度以及測(cè)點(diǎn)地表空氣溫度，感溫5 min讀數(shù)。

1.2.4 土壤TOC含量的測(cè)定 在非耕季節(jié)，以荷蘭Eijkelkamp公司生產(chǎn)的不銹鋼土鉆采樣，每種樣地按0—5，5—10，10—20，20—30 cm垂直梯度采集土樣。采樣時(shí)按照S形布點(diǎn)，五點(diǎn)混合取土樣。樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，剔除草根等雜物，磨碎過100目篩，裝袋備用。

選用重鉻酸鉀容重法—外加熱法測(cè)定并計(jì)算土壤TOC含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 天然濕地、圍墾旱地及水稻田CO2排放總體特征

研究區(qū)天然濕地、旱地及水稻田CO2排放差異顯著，CO2排放通量水稻田>旱地>濕地。測(cè)試的4 d中，天然濕地、旱地及水稻田CO2通量的平均值分別為302.66,433.80,700.70 mg/(m2·h)，天然濕地CO2通量相當(dāng)于旱地70%左右，相當(dāng)于水稻田的43%左右(表1)。由此可知，濕地對(duì)大氣中CO2濃度貢獻(xiàn)最小。

2.2 天然濕地、圍墾旱地及水稻田CO2排放非耕季節(jié)變化特征

研究區(qū)天然濕地、圍墾旱地及水稻田CO2排放通量具有明顯的季節(jié)性變化特征。濕地、圍墾旱地及水稻田CO2排放通量在1和3月分別為：233.32和372.00 mg/(m2·h),275.52和592.08 mg/(m2·h),361.24和1 040.16 mg/(m2·h)(表1)，說明3種類型土壤在春季CO2排放通量較冬季有明顯的增長(zhǎng)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于冬季，植物根系呼吸作用減弱，同時(shí)由于春季溫度升高，土壤微生物活動(dòng)加劇，植物根系呼吸作用增強(qiáng)，因此，形成了這種季節(jié)性變化特征。

表1 天然濕地、圍墾旱地及水稻田CO2排放通量 mg/(m2·h)

2.3 天然濕地、圍墾旱地及水稻田CO2排放通量增長(zhǎng)率比較

在1月天然濕地、圍墾旱地及水稻田3種類型土壤CO2排放通量相差不大，三者之比為1∶1.18∶1.55，而在3月排放通量相差較大，三者之比為1∶1.59∶2.80。其中水稻田CO2排放通量增長(zhǎng)幅度最大，增長(zhǎng)率達(dá)到188%，濕地最小，增長(zhǎng)率為59%。由此可知，季節(jié)變化對(duì)水稻田土壤CO2排放通量影響較大，而對(duì)濕地影響較小。

2.4 天然濕地、圍墾旱地及水稻田CO2排放通量與溫度相關(guān)性分析

對(duì)空氣溫度、土壤溫度分別與CO2排放通量進(jìn)行相關(guān)性分析(圖1)，濕地、旱地、水稻田與空氣溫度相關(guān)系數(shù)分別為0.62,0.84,0.74，與表層土壤溫度相關(guān)系數(shù)分別為0.30,0.64,0.66。由此可知，3種土壤類型CO2排放與空氣溫度和土壤溫度均呈正相關(guān)，與大氣溫度相關(guān)性更為顯著，且通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，濕地表層土壤溫度與CO2排放通量相關(guān)系數(shù)僅為0.30，小于水稻田及旱地，原因有待進(jìn)一步研究。

圖1 天然濕地、圍墾旱地及水稻田CO2排放通量與空氣溫度及表層土壤溫度的關(guān)系

2.5 土壤TOC含量比較

土壤TOC含量的多少可以較準(zhǔn)確地反映土壤呼吸的強(qiáng)弱程度。從圖2可看出，在表層(0—5 cm深度)，圍墾旱地及水稻田土壤TOC含量明顯大于天然濕地，這可能與農(nóng)田長(zhǎng)期施加有機(jī)肥料有關(guān)。水稻田TOC含量最大，達(dá)1.645%，旱地為1.640%，而天然濕地僅為0.978%。

圖2 天然濕地、圍墾旱地及水稻田不同深度土壤TOC含量

由此可見，表層土壤TOC含量的順序?yàn)椋核咎?旱地>天然濕地，這與測(cè)得土壤CO2排放通量規(guī)律一致。

在5—30 cm深度，天然濕地土壤TOC含量明顯高于圍墾旱地和水稻田，這說明天然濕地具有更強(qiáng)的固碳能力。

3 結(jié) 論

非耕季節(jié)，皖江地區(qū)天然濕地相對(duì)于圍墾旱地、水稻田CO2排放通量最小，濕地CO2排放通量相當(dāng)于圍墾旱地的70%左右，相當(dāng)于水稻田的43%左右，天然濕地土壤TOC含量明顯高于圍墾旱地及水稻田(0—30 cm深度土壤)，表明在非耕季節(jié)，天然濕地較圍墾旱地和水稻田對(duì)大氣中CO2濃度貢獻(xiàn)最小，能存儲(chǔ)更多的碳。3種土壤類型CO2排放3月相對(duì)于1月均有增加，表明不同土壤類型CO2排放具有相同的變化趨勢(shì)，但水稻田波動(dòng)最大，濕地波動(dòng)最小。通過與溫度相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，3種土壤類型CO2排放通量與大氣溫度和表層土壤溫度均呈正相關(guān)關(guān)系，與大氣溫度相關(guān)性更高。

[參考文獻(xiàn)]

[1]段曉男,王效科,逯非,等.中國濕地生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀和潛力[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2008,28(2):463-469.

[2]宋長(zhǎng)春,閻百興,王躍思,等.三江平原沼澤濕地CO2和CH4通量及影響因子[J].科學(xué)通報(bào),2003,48(23):2473-2477.

[3]劉子剛,張坤民.黑龍江省三江平原濕地土壤碳儲(chǔ)量變化[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2005,45(6):788-791.

[4]楊鈣仁,張文菊,童成立,等.溫度對(duì)濕地沉積物有機(jī)碳礦化的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2005,25(2):243-248.

[5]宋長(zhǎng)春,王毅勇,王躍思,等.人類活動(dòng)影響下淡水沼澤濕地溫室氣體排放變化[J].地理科學(xué),2006,26(1):82-86.

[6]楊繼松,劉景雙,孫麗娜.三江平原草甸濕地土壤呼吸和枯落物分解的CO2釋放[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào),2008,28(2):805-810.

[7]黃靖宇,宋長(zhǎng)春,宋艷宇,等.濕地墾殖對(duì)土壤微生物量及土壤溶解有機(jī)碳、氮的影響[J]. 環(huán)境科學(xué),2008,29(5):1380-1387.

[8]王憲偉,李秀珍,呂久俊,等.凍融作用對(duì)大興安嶺濕地泥炭分解排放二氧化碳的影響[J].土壤通報(bào),2010,41(4):970-975.

[9]田應(yīng)兵,熊明彪,熊曉山,等.若爾蓋高原濕地土壤—植物系統(tǒng)有機(jī)碳的分布與流動(dòng)[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2003,27(4):490-495.

[10]王德宣.若爾蓋高原泥炭沼澤二氧化碳、甲烷和氧化亞氮排放通量研究[J].濕地科學(xué),2010,8(3):220-224.

[11]高俊琴,雷光春,李麗,等.若爾蓋高原三種濕地土壤有機(jī)碳分布特征[J].濕地科學(xué),2010,8(4):327-330.

[12]田昆,常鳳來,陸梅,等.人為活動(dòng)對(duì)云南納帕海濕地土壤碳氮變化的影響[J].土壤學(xué)報(bào),2004,41(5):681-686.

[13]吳玉源,陳槐,林芳淼,等.三峽水庫澎溪河新生濕地CO2排放研究[J]. 重慶師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2012,29(3):79-83.

[14]遲傳德,許信旺,吳新民,等.安徽省升金湖濕地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存及分布[J].地球與環(huán)境,2006,34(3):56-64.

[15]許信旺,潘根興,曹志紅,等.安徽省土壤有機(jī)碳空間差異及影響因素[J].地理研究,2007,26(6):1077-1086.

[16]林凡,李典友,潘根興,等.皖江自然濕地土壤碳密度及其開墾為農(nóng)田后的變化[J].濕地科學(xué),2008,6(2):192-197.

[17]汪青,劉敏,侯立軍,等.崇明東灘濕地CO2，CH4和N2O排放的時(shí)空差異[J].地理研究,2010,29(5):935-946.

[18]馬安娜,陸健健.長(zhǎng)江口崇西濕地生態(tài)系統(tǒng)的二氧化碳交換及潮汐影響[J].環(huán)境科學(xué)研究,2011,24(7):716-721.

[19]朱振國,鄭姚閩.中國濕地調(diào)查[J].百科知識(shí),2012(3):4-8.

[20]朱同林,張光生.安徽省沿江濕地資源現(xiàn)狀、問題和對(duì)策[J].資源開發(fā)與市場(chǎng),2005,21(4):300-302.