氣候變化對氣候變化的影響以三江平原濕地為例

氣候變化對氣候變化的影響以三江平原濕地為例

ch4和n3o是地球上的重要溫室氣體，它們的分子擴溫潛勢分別比b221和290倍（mloyd，1995）。目前，ch4和t2o的濃度分別為1.72、0.312molmol-1，每年的增長率為0.6%和0.2%0.3%（simpsonetal.，1999）。CH4和N2O對生態(tài)環(huán)境的影響主要是能使全球氣候變暖以及破壞臭氧層(Peietal.,2003),因此,近幾十年來其對環(huán)境和氣候變化的影響越來越引起人們的關注。大氣中的CH4和N2O有70%～90%來自于地表生物源(Duxbergetal.,1993),而濕地(包括天然濕地和水稻田)CH4的排放約占全球CH4源的40%～50%(Whiting&Chanton,1993),是大氣CH4的主要生物排放源;有些研究者也指出,濕地中N2O排放的增加是目前全球N2O通量的一個重要部分(Leteyetal.,1981)。因此,濕地生態(tài)系統(tǒng)CH4和N2O向大氣的排放已成為科學研究的熱點。溫度、水文條件是影響濕地CH4和N2O排放的重要環(huán)境因素。水位是影響濕地CH4排放的重要因素,它決定了濕地土壤的厭氧度及氧化帶的深度(Moore&Dalva,1993);而土壤的水分狀況不僅影響土壤N2O的生成量,也極大地影響了N2O向大氣的傳輸速率(劉景雙等,2003)。土壤溫度是限制分解過程,特別是CH4生成的主要因素(Sorrelletal.,1997);同時溫度又是影響微生物硝化、反硝化活性的重要因子(Smithetal.,1998)。而濕地植物則是濕生環(huán)境的外在標志,其分布的差異性體現(xiàn)了濕地水文和濕地土壤環(huán)境的分異。三江平原濕地是我國最大的沼澤濕地集中、連片分布區(qū),各類濕地總面積達83.5×104hm2(李穎等,2002)。已有的研究表明,該濕地生長季是一個CH4排放源和N2O可能的匯,土壤溫度、水位和氧化還原電位是影響兩種溫室氣體的重要影響因素,但缺少CH4和N2O排放的同步觀測,而且對于影響不同類型濕地CH4和N2O排放的主導環(huán)境因子的確定還不十分清楚。本文通過對沼澤濕地生長季不同植物帶CH4和N2O排放的對比研究,探討影響不同植物帶CH4、N2O排放的主要環(huán)境要素,以期深入認識沼澤濕地溫室氣體排放的特征及主導因子的影響,有助于進一步揭示CH4和N2O產(chǎn)生和排放的機理。1試驗材料和方法1.1氣體觀測試驗研究區(qū)選在三江平原腹地典型沼澤濕地分布區(qū),區(qū)內(nèi)海拔高度55.4～57.9m,屬北溫帶濕潤大陸性季風氣候,1月平均氣溫-18～-21℃,7月平均氣溫21～22℃,年均溫1.6～1.9℃。冰凍期達5個月,最深凍深達1.9m。年降水量565～600mm,60%以上集中在6～8月,年蒸發(fā)量542.4～580mm。氣體觀測試驗布置在黑龍江省東北部的洪河農(nóng)場內(nèi)的一處碟型沼澤洼地內(nèi)(47°35′17.8″N,133°37′48.4″E),距離中國科學院三江平原沼澤濕地生態(tài)實驗站10.9km,面積20hm2。該沼澤洼地的植被類型及其分布特征與三江平原沼澤濕地生態(tài)試驗站極其類似,在三江平原沼澤濕地類型中頗具代表性。分布的主要植物群落類型為小葉章(Deyeuxiaangustifolia)、毛果苔草(Carexlasiocarpa)和漂筏苔草(Carexpseudocuraica)。主要優(yōu)勢植物群落圍繞洼地中心沿不同的水分梯度帶由中心到邊緣呈環(huán)帶狀分布(圖1)。土壤類型依次為泥炭沼澤土和草甸沼澤土。各群落帶0～25cm土壤理化性質(zhì)及植物地上最大生物量見表1。在碟形沼澤洼地區(qū),依據(jù)地表淹水狀況依次選取3個觀測點,即處于洼地邊緣,季節(jié)性淹水的小葉章植物帶(A);靠近洼地中心,長期淹水的毛果苔草植物帶(B);位于洼地中心,長期淹水的漂筏苔草植物帶(C)(圖1)。1.2氣體、水質(zhì)及儀器采用靜態(tài)箱_氣相色譜法測定CH4、N2O的氣體通量。已往的研究發(fā)現(xiàn),使用透明箱均出現(xiàn)了明顯的溫室效應,箱內(nèi)外溫差可達5～8℃(劉景雙等,2003)。為了降低靜態(tài)箱內(nèi)外溫度的差異,本試驗中采用暗箱采樣。氣體采集箱材質(zhì)為不透明PVC板(厚度3mm),外刷白漆并罩兩層白布,內(nèi)置攪氣小風扇和采氣三通閥。箱體底面積為50cm×50cm,高為50cm。為了防止采樣時箱內(nèi)的氣體不外泄,采樣前一周在各觀測點埋入不銹鋼底座,采樣時將采樣箱扣在底座的水槽里并加水密封。采樣期為2003年6月1日至9月27日,每周觀測1次。樣品采集用100ml醫(yī)用玻璃注射器(注射嘴安裝有采氣三通閥),在30min時段內(nèi),每10min通過采樣箱上的采氣三通閥抽取箱內(nèi)氣體100ml。采集的氣體通過采氣三通閥注入鋁塑復合氣袋(化工部大連光明化工研究所生產(chǎn),1L),密封儲存。采集氣體樣品的同時原位同步測定氣溫、箱溫、5cm地溫以及各觀測點水位。氣體采集后一周內(nèi)在中國科學院三江平原濕地生態(tài)試驗站完成對樣品中CH4及N2O氣體濃度的分析。氣體用配有63Ni電子捕獲檢測器(ECD)的島津GC_14A氣相色譜儀測定。利用下列公式計算氣體通量(宋長春等,2003):式中,J為氣體通量(mg·m?2?h?1)?dcdtm-2?h-1)?dcdt為采樣時氣體濃度隨時間變化的直線斜率,M為被測氣體的摩爾質(zhì)量,P為采樣點氣壓,T為采樣時絕對溫度,V0,P0,T0分別為標準狀態(tài)下的氣體摩爾體積、空氣氣壓和絕對溫度,H為水面以上采樣箱高度。2結(jié)果與分析2.1生長季ch4的排放通量生長季沼澤濕地不同植物帶在整個觀測期內(nèi)CH4排放通量均具有明顯的季節(jié)變化(圖2a)。由于3種植物帶所處濕地類型水文條件的差異,CH4排放通量的特征各異。主要體現(xiàn)在兩個方面:1)CH4排放通量隨時間的變化特征不同。6月,長期淹水的B和C帶CH4的排放通量逐漸增大,7、8月是CH4高排放的集中期,其通量分別達到最高值696.24和530.4mg·m-2·d-1;9月CH4的排放通量較低。季節(jié)性淹水的A帶CH4排放通量在6月同樣有一個逐漸增大的過程,至7月初達最大排放值204.96mg·m-2·d-1,之后通量迅速降低,8月底降至最小為1.34mg·m-2·d-1,之后的9月又出現(xiàn)一個較小的排放峰?？傮w看來,A帶CH4的高排放期主要集中在6月底至7月初,較B和C帶有所提前,而持續(xù)的時間明顯小于前兩者。2)群落類型不同,其排放強度也有很大的差異(p<0.0001)(表2)。生長季B和C帶的平均排放通量分別為259.2和273.6mg·m-2·d-1,無明顯差別,而A帶的平均排放通量為38.16mg·m-2·d-1,分別為B、C帶的14.7%和13.9%。由此看出,CH4排放強度在群落帶間差異明顯,且沿洼地中心到邊緣呈依次降低的趨勢(表2)。對比表3中所列數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),本研究中A、B兩帶生長季CH4的平均排放通量分別較該地區(qū)同時期已往研究結(jié)果低12和0.8倍。根據(jù)排放變化特征,逐時段累加估算出6～9月A、B、C3帶CH4總排放量分別為:4.63、32.26和34.26g·m-2。2.2o的排放通量圖2b給出了沼澤濕地生長季不同植物帶N2O排放通量的季節(jié)變化特征。結(jié)果表明,B、C帶N2O排放通量的季節(jié)變化特征較為一致,而又與A帶除在6和8月的中下旬差異較大外,生長季其余時間的變化均保持較好的同步性。6月是B和C帶N2O排放通量逐漸增大的時期,于7月中下旬出現(xiàn)排放峰,最大排放通量1.57和1.80mg·m-2·d-1,之后通量開始下降,經(jīng)過8月的相對排放低值期后,9月初N2O又開始增加,并于9月中旬再次出現(xiàn)N2O的排放峰,最大排放通量1.78和1.62mg·m-2·d-1。A帶N2O則在6月中旬出現(xiàn)一個持續(xù)兩周的脈沖排放,最大排放通量2.53mg·m-2·d-1,該時期總排放量占整個生長季的1/3。8月中下旬出現(xiàn)一個排放低谷,最低值0.116mg·m-2·d-1,其余時間A帶N2O排放通量變化特征與B、C帶幾乎同步?？偟膩砜?3類群落帶N2O排放通量都表現(xiàn)出“升高—降低—升高”的變化趨勢,但A帶出現(xiàn)第一個排放高值區(qū)的時間要明顯提前于B和C帶。生長季A、B、C帶N2O的平均排放通量分別為:0.969、0.932和0.983mg·m-2·d-1,群落帶間無明顯差異(p=0.967)(表2)。由表3顯示,生長季A、B兩帶N2O的平均排放通量分別較已往研究結(jié)果高出22和185倍。根據(jù)通量變化特征,逐時段累加估算出6～9月A、B、C3帶N2O總排放量分別為0.103、0.93和0.99g·m-2。2.3土壤有機碳排放通量與水位間的相關性圖3為生長季不同植物帶相關環(huán)境因子的變化。各觀測點5cm深地溫在6月初均隨氣溫的上升逐漸升高,至7月中旬達較大值后,又隨氣溫的下降逐漸降低(圖3a)。由于各點所處水熱條件的差異,A帶5cm深地溫平均高出B、C帶1.2～1.6℃,但這種差異沒有達到顯著水平(表2)。3個觀測帶水位的季節(jié)變化模式基本一致(圖3b):6～7月,水位呈下降趨勢,并于7月底降至較低水位,之后,7月底至8月初又有一個迅速上升過程,其中A帶水位上升13cm,B和C帶上升4cm。8月中旬后,水位逐漸下降,9月末降至觀測期最低。觀測期內(nèi)B、C帶平均水位比A帶的平均水位高出20cm左右,而B和C兩帶間的水位無顯著差異(表2)。A帶土壤各深度氧化還原電位值(Eh)在(335～328mV(CV=181.1%)之間,除20cm深度A的Eh小于B、C帶外,其余深度土壤的Eh均為A帶最大,而B(CV=17.8%)和C帶(CV=31.6%)不同深度Eh的變化范圍均小于A帶,但各觀測點間0～100cm深度Eh并無顯著差異(表2)。相關分析表明,A、B、C帶CH4排放通量與氣溫和5cm深度地溫具有一定的相關性,但除C帶(p<0.05)外均未達到顯著水平,而N2O排放通量與氣溫和5cm地溫之間的相關性均較差(表4)。A帶N2O排放通量與水位之間的相關性較差,B、C帶N2O的排放通量與水位呈顯著負相關(r1=-0.701,r2=-0.528),而各點CH4排放通量與水位的相關性均較差,但群落間CH4排放與水位呈顯著正相關關系。群落間CH4與Eh之間具有弱相關性,而N2O與Eh的相關性很差(表4)。3討論3.1年季降水差異濕地中CH4的釋放取決于其生成和氧化消耗的共同作用(Roslev&King,1996)。最近的研究表明,在一些濕地中CH4的氧化甚至高達其潛在生成量的90%(King,1990),因此,濕地土壤的氧化狀況在很大程度決定了其CH4釋放強度的大小。而濕地土壤氧的滲透能力又與濕地的水分狀況密切相關(Bubier&Moore,1994;Aerts&Ludwig,1997)。與該地區(qū)已往的研究結(jié)果相比,本研究中測得的漂筏苔草、毛果苔草和小葉章生長季平均CH4排放通量明顯偏低(表3),其原因除了研究地點土壤性質(zhì)的差異外,與年季降水差異而導致的濕地水分條件的不同亦有很大的關系。2003年6～9月,所在研究地區(qū)降雨量較往年偏少,累積降水量只有261mm,相當于同時期多年平均降雨量的70%左右,沼澤濕地水位相對較低,土壤氧化帶深度增加,從而削弱了CH4的排放強度。特別是A帶,由于處于季節(jié)性積水帶,生長季的大部分時間地表無積水(圖3b),表層土壤暴露于空氣中,氧氣的滲透能力相對提高,增強了土壤對CH4的氧化消耗作用,致使CH4排放強度較往年減弱。相對于劉景雙等(2003)的報道結(jié)果,本研究中N2O的平均排放強度要高得多(表3)。其可能的原因:一方面,2003年7、9月沼澤濕地水位相對較低,土壤強烈的還原環(huán)境得以改善,氧化作用部分增強。根據(jù)李仲根1)的研究報道,這種環(huán)境條件下,土壤中的硝化作用及反硝化作用都能以較高速率進行。另一方面,由于本研究采用的是不透明靜態(tài)箱,避光條件可能增大了植物排放N2O的能力。陳冠雄等(2003)研究指出,在弱光照條件下,光合作用下降,NO3-和NO2-積累,異化還原作用加強,N2O排放量增加。再者,特殊事件的貢獻。特別是A帶N2O在6月中旬出現(xiàn)一個持續(xù)兩周的脈沖排放,最大排放值2.53mg·m-2·d-1,其總排放量占整個生長季的1/3。這可能與此期間A帶土壤凍層融通,從而導致土壤中積累的N2O集中釋放有關。根據(jù)宋長春等(2003)的研究,三江平原沼澤濕地在7月初凍土層全部融通,而季節(jié)性積水沼澤凍土層的融通時間還要提前。王躍思等(2002)在內(nèi)蒙古半干旱草原的研究則發(fā)現(xiàn),由于春融引起的N2O爆發(fā)式排放有可能使其月平均通量值躍居至年排放最高值。3.2溫度對群落間ch4和no釋放的影響一般認為,溫度是影響CH4、N2O釋放的重要因素(Smithetal.,1998),其作用機理主要是通過制約土壤的產(chǎn)甲烷菌、硝化菌和反硝化菌活性,從而影響土壤CH4、N2O的釋放。本研究結(jié)果表明,A、B、C帶CH4排放通量與氣溫和5cm深度地溫具有一定的相關性,而N2O排放通量與氣溫和5cm地溫之間的相關性均較差。這說明沼澤濕地CH4的排放對溫度變化的敏感性較強,而濕地N2O的釋放受溫度之外的其它因素的影響較大。該結(jié)果與前人的研究一致(鄭循華等,1997;Macdonaldetal.,1998)。此外,由于水文條件和土壤性質(zhì)的差異,不同群落類型間5cm土壤溫度表現(xiàn)出一定的差異性(表2)。然而,群落間CH4和N2O排放與5cm地溫之間無顯著的相關關系。說明溫度不是導致群落間CH4和N2O排放差異的主要原因,除溫度外的其它因素可能對群落間的排放差異起著主導作用(Dingetal.,2003)。水位是制約濕地CH4和N2O釋放的一項重要因素(Smithetal.,1998)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),A帶N2O排放通量與水位之間的相關性較差,B、C帶N2O的排放通量與水位呈顯著負相關(r1=-0.701,r2=-0.528)。由此可見,水位是影響常年積水沼澤N2O排放的主要因素(劉景雙等,2003)。而從排放強度上來看,CH4的排放速率在群落間差異明顯,表現(xiàn)為B、C帶較為接近且約為A帶的7倍(表2)。相關分析表明,群落間CH4排放與水位呈顯著正相關關系,說明水位的差異是導致群落間CH4排放差異的主要原因。CH4排放與水位之間的相關關系已被眾多野外和室內(nèi)研究所證實(Aerts&Ludwig,1997;Dingetal.,2002)。群落內(nèi)CH4釋放與水位的相關性很差,這可能是由于群落內(nèi)CH4的釋放模式受溫度季節(jié)變化的影響較大(Singhetal.,2000),從而掩蓋了水位變化的影響。而群落間CH4釋放與水位的相關性顯著,則主要是由于群落間水位的差異(表2),決定了濕地植物種類的分布格局,進而影響到產(chǎn)CH4菌易利用性碳源的數(shù)量和CH4氣體的傳輸(Dingetal.,2002)。不同植物帶間N2O排放通量的差別甚小(表2),這可能是由于A帶雖然地表經(jīng)常無積水,但土壤仍處于飽和或過濕狀態(tài),土壤環(huán)境以厭氧還原環(huán)境為主,從而削弱了與B、C帶之間微生物硝化、反硝化作用活性的差別所致。關于CH4和N2O產(chǎn)生的條件,Mitsch和Gosselink(1986)指出CH4是在嚴格厭氧條件下(Eh<-250mV)產(chǎn)生的,而N2O的產(chǎn)生需要部分厭氧條件(Eh<250mV)。各群落0～100cm深度土壤平均Eh在-130～-315mV之間,土壤處于強烈還原環(huán)境,基本趨勢是A>B>C,但群落間的差異不顯著。相關分析表明,群落間CH4與Eh具有弱相關性,即Eh低的樣點,其CH4排放強度大,而Eh高的樣點,其CH4排放強度小。Kludze等(1993)的研究表明,土壤的氧化還原電位越低,CH4的產(chǎn)生量越大。本試驗結(jié)論與此一致。群落間N2O與Eh的相關性很差,說明在強烈