三江平原泥炭沼泽湿地N2O排放通量及影响因子

朱晓艳 ,宋长春 ,郭跃东 ,石福习 ,王丽丽 (.中国科学院东北地理与农业生态研究所,吉林 长春3002；2.中国科学院大学,北京 00049)

N2O是3种温室气体中(CO2、CH4和N2O)中寿命最长的(可达 114年),并且其增温潜势在100年时间尺度上是CO2的大约298倍[1].N2O不仅能与平流层中的O3分子发生光化学反应从而使臭氧层遭到破坏[2],而且N2O的排放与大气酸沉降息息相关[3].IPCC报告[1]指出,目前大气层中N2O浓度相对于工业革命之前已经增加了44×10-9(17%), 2005 年已经增加到 319×10-9.如果N2O增加一倍将会导致全球气温升高0.44oC,O3量减少 10%,从而使地球接收的紫外辐射增加20%.因此,N2O对全球气候及环境的影响是长期和潜在的[4].

北半球中高纬地区泥炭沼泽湿地对全球气候变化表现出较高的敏感性和不确定性[5],在控制和调节大气中的温室气体浓度方面发挥着重要的作用.由于较低的温度和过湿的环境, 湿地土壤储存着大量的有机碳和氮,成为潜在的 N2O弱的排放源或汇[6].虽然,不同类型的沼泽湿地影响N2O排放的因子不同,但是土壤水分和土壤温度是影响 N2O排放的主要控制因素[6-12].当土壤中有机碳和无机氮含量充足时,土壤充水孔隙率控制着 N2O的排放[9],并且水位降低能够促进N2O排放[10];然而,Lohila等[11]通过对芬兰北部矿养沼泽研究发现,当水位低于 2.3cm 时出现了N2O的吸收现象,原因可能是当土壤中的NO3-缺乏时,大气中的N2O被吸收到土壤中充当电子载体.N2O排放通量季节变化模式随沼泽湿地沉积物土壤的升温而变化,表明土壤温度对于N2O的排放具有重要影响[12].此外,植物体[13]、外源N输入[11,14]、pH 值[15-16]以及土壤 Eh[17-18]等都会对N2O的排放产生重要影响.

三江平原是我国淡水沼泽湿地分布最为集中的地区,该区沼泽湿地面积大约为10400km2[19],且根据有无泥炭的积累,可分成泥炭沼泽和潜育沼泽,其中泥炭沼泽面积 243km2,均属草本泥炭[20].以往对三江平原沼泽N2O排放的研究多集中于不同植被类型的潜育沼泽[13,18-19,21-22].据悉,目前仍未有对该区泥炭沼泽湿地温室气体排放进行相关的观测和研究.鉴于此,本研究运用改善的静态暗箱-气相色谱法对三江平原泥炭沼泽湿地植物生长季N2O排放通量特征和关键影响因素进行初步研究.本文的研究结果将弥补该区泥炭沼泽湿地N2O排放通量观测数据的空白,从而进一步缩小对区域乃至全国温室气体排放通量评估的误差.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站的西南方向约 38km野外试验场内(47°29′N, 133°21′E, 56m a.s.l.).试验场所处地区属于温带大陆性季风气候, 年均气温为 2.52℃,年均降水为 558mm,并且具有较大的时空变异规律[18].该区属于季节性冻融区,每年的10月末到次年的4月初土壤和水分完全冻结[19].本区泥炭沼泽最早形成于早全新世初期,具有连续性,并且长期处于低位发育阶段[23].泥炭层的厚度在30cm以上.优势种为毛苔草(Carex lasiocarpa),盖度为 75%～95%,其次为狭叶甜茅(Glyceria spiculosa),盖度为10%～20%.伴生种有乌拉苔草(Carex meyeriana),睡莲(Nymphaea tetragona),驴蹄草(Caltha palustris),苔藓植物(Bryophyte)等,盖度不到 1%.土壤剖面上层为草根层,中间为海绵状的泥炭层,下层为透水性差的潜育层.具体土壤理化性质见表1.

表1 三江平原泥炭沼泽湿地土壤基本理化性质(平均值±标准误)Table 1 Soil physical and chemical characteristics in the peatland of the Sanjiang Plain (Mean ± SE)

1.2 气体采集与分析

气体排放通量观测(2012年5月中旬至10月中旬)采用静态暗箱-气相色谱法,采样频率为间隔4d.试验包括有植被和去除植被两种处理,每种处理各4个重复.取样前将规格为0.5×0.5×0.2m不锈钢底座插入土壤中 20cm,整个生长季底座放在试验地不动以保证对底座内部植被和土壤的干扰最小.采样箱规格和操作规范参照文献[19].为了减少采样时对基座和周围环境的扰动,各个观测采样点架设了采样栈桥.与以前该区气体采集相比[13-14,18-19],本研究进行一些改善.例如,在采样箱的顶端根据当地的风速和采样箱体积安装了平衡管.平衡管采样时打开,采样间隔时关闭[24].此外,气体采集过程中每间隔8min采集5个气体样品.

所采集气体样品在 4h内带回实验室用HP4890气相色谱仪分析 N2O浓度.所有观测数据均在 R2>0.87(n=5)的情况下,只有 4次观测值有效时,R2>0.94;或只有 3次浓度观测值有效时,R2>0.996,才视为有效,否则舍弃.N2O通量速率根据箱内气体浓度随时间变化的斜率来计算.具体详细计算公式参照文献[25].

1.3 环境因子测定

每次观测时同步测定相关环境因子,用便携式数字温度计(JM624, Jinming Instrument CO.,Tianjing, China)测定箱内和箱外温度.不同深度(5, 10, 15, 20, 25cm)的土壤温度通过特制的高精度地温计(分度值为 0.2℃)进行测量.采用钢钎测量融深,在采样箱附近通过直尺测定水位深度.10cm处土壤的体积含水量采用 TDR(Trime-PICO32, IMKO Co., Germany)进行测量.所有环境因子的测定在采样箱附近0.5m以外,避免对采样箱底座内土壤和植被造成影响.

每两周选取3个0.5m×0.5m草本样方,收获样方内所有草本地上部分,带回实验室在80oC烘干至恒重测定地上生物量.植被株高每次采集气体样品时通过直尺测量.

1.4 数据分析与处理

运用SPSS16.0逐步回归分析影响N2O排放通量的主控环境影响因子;运用线性和非线性回归分析N2O排放通量与水位和不同深度土壤温度的关系;通过重复测量方差,分析植被去除与否对N2O排放通量的影响.运用SigmaPlot 11.0软件进行绘图.

2 结果与讨论

2.1 N2O排放季节动态

图1 2012年植物生长季排放有植被和无植被N2O季节动态以及与各环境要素关系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泽湿地 N2O排放通量的季节性动态变化特征明显,呈现波动性单峰型变化趋势(图1).观测期间,N2O通量随水位的波动而波动,排放趋势呈跳跃状,与水位的变化此消彼长,变化范围为 5.92～180.38μg/(m2·h),最大值出现在 7月中旬,最小值出现在生长季末,平均通量为(76.77±74.89)μg/(m2·h).这表明,三江平原毛苔草泥炭沼泽湿地生长季是N2O的排放源.

三江平原毛苔草泥炭沼泽湿地N2O排放季节变化规律主要是由于影响N2O排放的环境因子季节动态明显.该区属于温带大陆性季风气候,降水集中于春季和秋季,夏季高温少雨,土壤季节性冻融,加之纤维状的草本泥炭孔隙度大,吸水渗透能力强[26],对水分和气温的季节性变化敏感,使得毛苔草泥炭沼泽湿地N2O排放季节性变化明显.

2.2 N2O排放通量与各环境要素的关系

通过对各环境因子(水位、土壤10cm体积含水量、不同深度土壤温度、植物株高、地上生物量和土壤融深)与 N2O排放通量逐步回归分析,表明影响N2O排放季节动态的最主要控制因素是土壤温度(10cm)和土壤水分.

2.2.1 土壤温度对N2O排放通量的影响 曲线回归分析表明,各层土壤温度与N2O排放通量之间存在极显著指数相关关系(P<0.01),并且随着土壤深度的增加,土壤温度对N2O排放通量的影响程度下降,各回归方程如表2所示.10℃以下,加上秋雨频繁,使得 N2O 排放出现最小值.Lohila等[11]研究发现植物生长季N2O排放与土壤温度(7cm)呈现正的指数相关.本研究也发现N2O排放与表层土壤温度相关性更高,当土壤深度在 10cm 以下时,随着土壤深度的不断增加,这种关系逐渐减弱(表 2),原因可能是表层土壤有机质和无机氮含量高,并且植物根系大多分布于表层,根系分泌物多,硝化细菌和反硝化细菌活性强;此外,表层土壤可以更好的吸收大气中N沉降[10,29-30].

表2 N2O排放通量与不同深度土壤温度的关系Table 2 Relationship between N2O fluxes and soil temperature at different soil depths

土壤温度对产生N2O的生物学过程有着十分重要的影响,通过影响硝化细菌和反硝化细菌的活性间接影响N2O的产生速率[27].郑循华等[28]研究表明,太湖地区稻麦轮作生态系统大部分N2O是在15～25℃范围内产生,只有不到6%是在30℃以上或10℃以下产生.试验观测初期土壤温度随气温逐渐升高,此时硝化和反硝化细菌数量可能增多,活性可能增强,并且植物生长代谢旺盛,促进N2O的产生与排放,因此N2O排放呈现出逐渐升高的趋势(图1).这表明在适宜的土壤水分条件和一定温度范围内,N2O排放随土壤温度的上升而增加.而在生长季末,由于土壤温度降到

2.2.2 土壤水分对N2O排放通量的影响 土壤中硝化-反硝化作用的强弱直接影响着 N2O通量[27].湿地土壤水分直接关系到土壤通气状况和O2含量,在通透性良好条件下,硝化过程占主导优势;在土壤长期积水或通透性较差的情况下,反硝化过程通常是 N2O 的主要来源[18].因此,土壤水分通过影响土壤中 O2含量直接影响着硝化-反硝化作用,从而间接对N2O产生造成影响.土壤含水量过低或者土壤持续淹水都不利于硝化及反硝化细菌的生长,7月中旬高温少雨,可能此时的水位和微域环境最有利于硝化和反硝化作用的进行,因而此时出现最高排放值.

由图 2可见,N2O与水位呈极显著(P<0.01)线性负相关,这种关系已经被众多的研究所证实[6,31].Rudaz等[32]研究发现,当土壤含水量处于饱和含水量以下时,N2O与土壤水分呈现正相关;处于饱和含水量以上时,二者呈现负相关.可见土壤含水量不同,二者呈现的关系不同,本研究中的泥炭地土壤含水量远在饱和含水量之上,因此当夏季水位下降时,N2O排放量增加,呈现负相关关系.Regina等[6]也发现,不管何种原因引起的水位下降都会促进N2O的排放.但是如果土壤严重缺氧,反硝化过程就会促进N2O进一步还原生成N2,因此只有当O2适量(约为0.5%),才能产生较高的N2O/N2比率[11].

图2 N2O排放通量与水位的关系Fig.2 Relationship between N2O fluxes and water table depth

2.2.3 植被对N2O排放通量的影响 运用重复测量方差分析发现,有植被参与下的 N2O 排放通量均高于无植被参与的(图 3),前者是后者的1.7倍,并且二者存在极显著差异(F=25.098, P<0.01).由图1可以看出,大量N2O的排放及排放高峰期均在植物生长期内,说明植被的存在促进了N2O的排放,植物体本身直接或间接参与了 N2O的排放.首先,植物根系及根系分泌物影响产生N2O的微生物过程,特别是根系对离子的吸收和分泌有机酸,使根际土壤 pH值发生改变,从而影响硝化和反硝化过程[27];其次,植物可以通过根系呼吸消耗土壤中的 O2,有利于反硝化作用进行[11];第三,植物特别是维管束植物可以通过植物组织的生理反应排放N2O.例如,Martin等[33]研究发现许多湿地植物都具有较高的蒸腾作用,可把水体中的NO3-输送到土壤厌氧层中,从而促进了反硝化作用的发生.但是,湿地植被到底如何促进N2O的排放以及其影响机理问题还需要进一步探讨.

图3 有植被和无植被N2O排放对比Fig.3 Comparation between N2O emission with plants and without during the growing seasons

2.3 泥炭沼泽湿地与潜育沼泽湿地N2O排放通量比较

对三江平原泥炭沼泽湿地生长季 N2O排放总量进行估算[34]大约为 7.29×1010mg/a,即为72.9Mg/a,表明毛苔草泥炭沼泽是三江平原沼泽湿地N2O通量的潜在排放源.

式中:F为三江平原泥炭沼泽湿地植物生长季N2O排放总量,μg/a;Ci为植物生长季各月N2O排放通量平均值;hi为各月的总小时数,h;M 为三江平原泥炭沼泽湿地面积,m2.

同该区生长季潜育沼泽湿地已有研究相比,毛苔草泥炭沼泽湿地N2O平均排放通量明显高于毛苔草潜育沼泽湿地[20～60μg/(m2·h),2002～2005表3],与小叶章潜育沼泽湿地个别年份差异不大(表 3).这主要是因为相对于以往年份,2012年生长季降水年内变异和月内变异大,水位的频繁波动使得硝化作用和反硝化作用交替出现,加剧了N2O的产生.其次,泥炭沼泽湿地土壤容重小,草本泥炭质地海绵状,孔隙度大,土壤吸水能力和渗透能力强[25].当水位下降时,泥炭沼泽渗透 O2的能力也比较强,土壤中的 O2含量增加,对硝化和反硝化作用均有利,导致 N2O 排放升高.此外,泥炭沼泽湿地由于土壤有机质含量丰富,使得植物地上生物量大于潜育沼泽湿地(数据未显示),更多的生物量为N2O通量提供了更多的基质和排放通道,促进了N2O产生和排放.由于本研究只是对N2O排放的初步研究,有关三江平原泥炭沼泽湿地和潜育沼泽湿地温室气体排放差异的详细研究还有待于进一步进行长期野外对比观测.

表3 三江平原植物生长季N2O排放与已有研究比较Table 3 The N2O fluxes studied in growing season of the Sanjiang Plain and cornparisons with other research

3 结论

3.1 在植物生长季,三江平原毛苔草泥炭沼泽湿地N2O的排放通量变化范围为5.92～180.38μg/(m2·h),最大值出现在 7月中旬,最小值出现在生长季末,整体平均通量为(76.77±74.89)μg/(m2·h),高于该区毛苔草潜育沼泽N2O的排放通量.

3.2 回归分析表明,土壤温度和土壤水分是制约N2O排放的主要环境因子.此外,有植物参与的N2O排放量是无植被的 1.7倍,表明植物体参与了N2O排放并对其产生重要影响.

3.3 通过对该区泥炭沼泽湿地生长季N2O排放总量进行初步估算,每年植物生长季N2O排放总量大约为72.9Mg,表明毛苔草泥炭沼泽是三江平原沼泽湿地N2O通量的潜在排放源.

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