三江平原濕地ch

三江平原濕地ch

烷（ch4）和氧化亞氮（n3o）是gac中唯一的溫室氣體。其加熱潛力是co的21倍或310倍。自工業(yè)革命以來,由于受人類活動的影響,大氣中的CH4和N2O氣體濃度在持續(xù)不斷地增高。已有的研究結果表明,除人為因素造成的CH4排放外,天然濕地是大氣CH4的主要來源,每年向大氣中排放的CH4占全球CH4排放總量的20%左右。其中,高緯度地區(qū)泥炭濕地CH4排放量占天然濕地CH4總排放量的50～60%。N2O主要來源于森林和草原的土壤排放以及海洋、化石燃料燃燒、植物燃燒、化工生產和農業(yè)生產等,大氣中90%的N2O來自于地表生物源。農業(yè)土壤每年約釋放3×106t,自然土壤為6×106t,而土壤對N2O的吸收較少。土壤中氮素的生成轉化過程,都伴隨著N2O的產生。對北方積水濕地而言,水位的頻繁波動和凍融交替也能加劇土壤N2O的排放。雖然目前的研究已經對地表生物源CH4、N2O排放規(guī)律有了較多的研究和認識,但是地表生物源的溫室氣體排放在時空兩個方面都有比較大的變化,精確估計其排放通量還需要進一步的資料積累,特別是對北方中高緯度地區(qū)濕地冬季溫室氣體排放通量的評估還比較薄弱。自90年代以來,國內一些學者分別對我國不同地區(qū)、不同類型的濕地CH4和N2O排放及影響因子進行過研究[13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23],特別是在人工濕地——稻田生態(tài)系統(tǒng)方面,已經取得了較多的研究成果。目前對中國稻田CH4排放量的估算介于5.16～17.20TgCH4/a,王明星在大量實驗的基礎上,比較精確地估算出中國稻田CH4排放量為10.2～12.8TgCH4/a,占全球稻田CH4排放量的1/10左右。已有的研究證明農業(yè)管理措施是影響水稻N2O排放的主要原因,插秧、排水曬田和施用氮肥均會引起水稻田N2O排放的增加,在連續(xù)的淹水期N2O排放較小而且比較穩(wěn)定。但對天然濕地特別是沼澤濕地的研究,目前主要集中在生長季的CH4排放及影響因子研究上,大多缺乏連續(xù)的、系統(tǒng)的、長期的觀測數(shù)據(jù);對N2O的觀測研究僅見少量的報導,尚沒有關于沼澤濕地CH4和N2O同步觀測的研究報道。本研究以實驗為基礎,對三江平原3種典型代表性濕地CH4和N2O排放進行同步觀測,旨在認識不同類型沼澤濕地間氣體通量差異、主要影響因素及其相互關系,了解其長期的變化規(guī)律。1材料和方法1.1江平原濕地公園概況三江平原是我國面積最大、分布最集中的天然沼澤濕地區(qū),現(xiàn)有沼澤濕地面積83.5×104hm2。植被種類組成屬于長白山植物區(qū)系,以沼澤化草甸和沼澤植被為主。試驗選在中國科學院三江平原沼澤濕地生態(tài)試驗站沼澤綜合試驗場內進行,該站位于三江平原別拉洪河流域的典型沼澤濕地分布區(qū),具體位置見圖1所示。地理坐標為47°35′N,133°31′E,海拔高度55.6m,年平均降水量550mm,平均年氣溫1.9℃。試驗場為一典型的碟形洼地,從外圍到核心區(qū)依次分布著灌叢雜草、小葉章(Deyeuxiaangustifolia)濕草甸、毛果苔草(Carexlasiocarpa)和漂筏苔草(Carexpseudocuraica)等多種類型的濕草甸和草本沼澤。研究中,選取3種不同水分條件下的濕地類型:灌叢雜草濕地、小葉章濕地和毛果苔草沼澤開展?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)CH4、N2O排放通量的同步觀測研究,各觀測采樣點的土壤類型分別為:草甸白漿土、潛育白漿土和腐殖質沼澤土,其理化性質詳見表1。1.2采樣及質譜分析氣體樣品的采集利用靜態(tài)箱法,裝置為50cm×50cm×50cm四面和頂部封閉的不銹鋼材質采樣箱,箱頂內部裝有兩個小風扇和一個鉑電阻溫度傳感器,采氣孔和電源插孔開在箱壁上,箱底基座為下沿帶孔的不銹鋼槽架。插入地下20cm,為了減少采樣時對基座和周圍環(huán)境的擾動,各個觀測采樣點分別架設了10～20m左右的棧橋。實驗設計3個平行,植物生長季每周采樣2次,非生長季的冬季每月采樣觀測一次,并在植物生長的旺盛時期挑選晴朗的天氣條件進行日變化觀測采樣,白天采樣間隔為2小時,夜間間隔3小時。采樣時,在不銹鋼槽架注水密封,樣品采集用100ml醫(yī)用注射器抽取,在30min時間段內每隔10min采集1次氣體樣品,樣品在12h內,帶回實驗室用Agilent4890氣相色譜儀離子火焰化檢測器(FID)和電子捕獲檢測器(ECD)同步分析,色譜儀設置如下:柱箱溫度55℃,離子火焰化檢測器工作溫度200℃,色譜柱采用長度為2m內徑2mm的60～80目13XMS填充物來分離CH4,載氣為高純氮氣,流速30cm3/min;電子捕獲檢測器工作溫度330℃,色譜柱采用長度為1m內徑2mm的80～100目PorapakQ填充物來分離N2O,載氣為高純氮氣,流速35cm3/min。1.3被測氣體通量模型氣體排放通量的定義為單位時間、單位面積觀測箱內排放的被測氣體質量的變化。可用下列公式表示:式中,F為被測氣體通量(mg·m-2h-1),A為觀測箱所包圍的土壤面積,Δm/Δt為觀測箱內被測氣體質量隨時間的變化,v為觀測箱的容積,ρ為箱內氣體密度(mol/m3),h為采樣箱高度,Δc/Δt為被測氣體在觀測時間內濃度隨時間的變化。2結果與討論2.1不同類型濕地的排放特征2.1.1生長季單峰型圖2是采用每月8次(冬季1次)采樣結果計算的三江平原3種主要類型濕地2002年6月到2004年8月的CH4月平均排放通量,可以看出三江平原3種主要類型濕地CH4排放在季節(jié)波動的基礎上均具有明顯的年際差異。毛果苔草沼澤和小葉章濕地CH4排放通量在2002和2003年呈雙峰型,尤以2003年最為典型,而2004年則為單峰型;灌叢濕地的CH4排放通量在研究進行的兩年中均比較小,生長季一般小于1mg·m-2·h-1,冬季冰雪覆蓋期一般表現(xiàn)為微量的吸收。沼澤地CH4是在淹水的厭氧環(huán)境中,有機質在甲烷菌的作用下分解所產生的。因此,土壤有機質含量高和地表長期積水或過濕是CH4產生的兩個必要前提。毛果苔草沼澤多發(fā)育在洼地中心或河漫灘,生育期積水狀況與冬季和前期的降水量有直接關系.2001年冬季和2002年春季降水平穩(wěn),屬正常水平,但7月份的雨季降水量較少,而蒸發(fā)強烈,沼澤積水蒸發(fā)量大于補給量,毛果苔草沼澤積水深度不斷下降,最后干涸。與此相對應,CH4排放通量也隨毛果苔草積水深度的不斷降低而降低,這說明在毛果苔草沼澤積水減少或干涸,植物受水分脅迫時,甲烷排放通量由于厭氧條件的改變而降低。進入8月份,降水充沛,沼澤恢復積水,此時氣溫也比較高,毛果苔草沼澤CH4排放通量迅速增加,達到全年的第二個排放高峰期。9月份以后,隨著秋季的來臨,三江平原的氣溫逐漸降低,毛果苔草沼澤CH4排放通量也隨之減小。2003年的情況與2002年比較類似,但表現(xiàn)更為典型。2004年毛果苔草沼澤CH4排放通量在整個生長季都比較大,這是由于2003年冬季和2004年春季降雪豐富,故夏季融化后沼澤積水較深,而且6、7、8月份的雨季降水量也仍然比較豐富,所以沼澤沒有明顯的枯水期,毛果苔草沼澤CH4排放通量在整個生長季節(jié)呈單峰型。小葉章濕草甸雖然沒有穩(wěn)定的地表積水,但土壤多常年過濕或在雨季地表有薄層積水。CH4排放既有明顯的季節(jié)變化也有不確定性變化,排放高值出現(xiàn)在2002年的6和9月以及2003年的6月和8月,排放低值出現(xiàn)在冬季的12月份到次年的3月份,以及2002年的7月下旬和2003年7月下旬到8月中旬。冬季由于環(huán)境溫度比較低,地面封凍結冰,小葉章濕草甸CH4的產生與排放均比較小。從4月份開始,隨著氣溫的不斷回升,CH4排放通量明顯增大,到6月份達到一個排放峰值期。此時,由于氣溫高,天氣炎熱,蒸發(fā)量很大,若降水較少,易發(fā)生季節(jié)性干旱,2002年和2003年均發(fā)生不同程度的季節(jié)性干旱。由于季節(jié)性干旱造成小葉章濕草甸地表積水干涸和土壤水分下降,從而使得CH4的產生與排放迅速降低,直到8月份的雨季才得以恢復,因此小葉章濕草甸生長季CH4的排放通量呈雙峰型。從圖2也可以看出,小葉章濕草甸全年CH4排放趨勢與氣溫變化趨勢很相似,但也有不確定性變化存在,這主要是由于濕地積水條件的變化所引起。灌叢濕地多發(fā)育在洼地邊緣或平地中的島狀高地上,故又稱為島狀林地,由于地勢相對比較高,地表基本上沒有明積水存在,但地表長期過濕,土壤水分常年在80%以上。土壤CH4的產生一般需要較強的還原環(huán)境,與常年積水的毛果苔草沼澤和季節(jié)性積水的小葉章濕地相比,灌叢濕地土壤還原性要差一些,因此其CH4排放通量一般比較小。灌叢濕地的甲烷排放通量在生長季小于1mg·m-2·h-1,且隨土壤濕度的變化而變動,降水分布均勻的年份呈單峰型,在發(fā)生季節(jié)性干旱的年份多呈雙峰型。冬季灌叢濕地的甲烷通量一般表現(xiàn)為負通量。濕地CH4排放通量的大小,主要由土壤微生物的活性所決定,在充分積水的環(huán)境中,溫度要素是決定土壤微生物活性的主導因子。在水分條件不足的情況下,水分條件就成為影響濕地CH4產生與排放的首要因素。圖3、圖4分別是實測的2002年生長季毛果苔草沼澤和小葉章濕地CH4排放通量與積水深度的季節(jié)變化,從圖中可以很直觀地看出:濕地CH4排放通量與濕地積水動態(tài)趨勢基本一致,但在濕地積水趨于干枯時,濕地CH4排放通量變化一般滯后于采樣點積水深,即在積水干枯的初期依然有CH4排放;而在雨季降雨的初期,采樣點積水深又反過來滯后于濕地CH4排放。這種現(xiàn)象是由于沼澤濕地有較厚的草根層,可以儲藏水分,當表層積水干涸后,草根層下層依然有充足的水分而維持一段時期的厭氧環(huán)境。同樣,當沼澤濕地徹底干涸后,降雨會首先補充草根層的蓄水,當草根層過飽和后,才產生地表積水。2.1.2種類型濕地的日變化由于濕地CH4排放和土壤溫度關系密切,而在太陽輻射晝夜變化的影響下,土壤溫度有比較明顯的日變化特征。因此,我們進行了濕地CH4排放通量的日變化研究,來查明溫度要素變化對濕地CH4排放的影響,日變化觀測采樣的日期分別是毛果苔草沼澤:2003年5月27～28日;小葉章濕地:2003年8月13～14日;灌叢濕地:2003年8月26～27日。圖5是選擇根據(jù)觀測值繪制的毛果苔草沼澤、小葉章濕草甸和灌叢濕地CH4排放通量與地表溫度和地下5cm地溫的日變化曲線(a、b、c),表2是統(tǒng)計的三江平原3種主要類型濕地日CH4排放通量與溫度的相關關系?？梢钥闯?毛果苔草沼澤CH4排放通量的日變化曲線與地下5cm地溫日變化趨勢比較一致,二者極顯著相關,相關系數(shù)可達到0.762(N=12,P<0.01)而與采樣箱內氣溫和地表溫度(水溫)的相位差異較大。小葉章濕草甸CH4排放通量與采樣箱內氣溫和地表溫度均極顯著相關,相關系數(shù)分別為0.791(N=13,P<0.01)和0.794(N=13,P<0.01),與地下5cm地溫的相關性不大。灌叢濕地CH4排放通量日變化的趨勢與地表溫度的日變化趨勢比較一致,但相關性并未達到顯著性水平。以上結果表明積水的毛果苔草沼澤CH4的產生,主要發(fā)生在5cm以下的含水草根層;而常年土壤過濕的小葉章濕草甸和灌叢濕地CH4的產生,主要發(fā)生在0～5cm的淺層。3種類型濕地CH4排放通量的晝夜間差異均十分明顯,小葉章濕草甸和灌叢濕地CH4排放通量基本上與地表溫度和地下5cm地溫的日變化進程一致,而積水的毛果苔草沼澤CH4排放通量則比地表溫度滯后,但與地下5cm地溫的日變化進程一致。毛果苔草沼澤CH4排放通量的最大值大致出現(xiàn)在傍晚的19時左右,小葉章濕草甸和灌叢濕地CH4排放通量的最大值一般出現(xiàn)在下午14時左右。由3種不同積水型濕地CH4排放日變化研究,說明濕地CH4的產生與排放和地溫的關系密切,但由于不同類型濕地積水狀況、土壤結構的不同,其CH4產生與排放的深度也有所差異。2.2不同類型濕地的氮o排放特征2.2.1種濕地no的年際變化及對環(huán)境的意義有研究報導沼澤濕地可能是大氣N2O的一個吸收匯,但從本長達三年的觀測結果來看,沼澤濕地在生長季依然是大氣N2O的排放源,但非生長季的冰雪覆蓋期是大氣N2O的弱吸收匯。圖6是自2002年6月至2004年8月三江平原毛果苔草沼澤、小葉章濕草甸、灌叢濕地N2O月平均排放通量的柱狀圖,由于觀測期間三江平原年際間降水的差異,造成3種類型濕地積水條件和土壤濕度條件的差異,進而影響到3種濕地N2O的月平均排放通量變化。2002年生長季N2O的排放毛果苔草與灌叢濕地呈雙峰型;小葉章濕地呈單峰型,而且6月份毛果苔草沼澤N2O排放通量為負值,而小葉章濕地和灌叢濕地為正值,這在觀測進行的三個生長季中是惟一的一次。估計可能是由于安裝采樣底座對沼澤濕地的過度擾動踐踏,使得沼澤地土壤草根層中保存的大量氣體冒泡外溢所引起。從2002年10月開始到2003年4月份,隨著三江平原冬季的來臨和積雪的堆積,毛果苔草和小葉章濕地N2O排放通量也變成了負值(缺灌叢資料),其中小葉章濕地N2O通量吸收值較大。2003年生長季,3種濕地N2O排放通量呈典型的雙峰型,而且整個生長季都相對比較小,2003年冬季到2004年春季期間3種濕地N2O排放通量基本上以吸收為主,但在11、12月以及3、4月份隨著積雪的融化,3種濕地N2O排放通量有時候表現(xiàn)為正值。2004年生長季,3種濕地N2O排放通量數(shù)值都比較大,毛果苔草沼澤表現(xiàn)為單峰型,而小葉章濕地和灌叢濕地表現(xiàn)為雙峰型,以灌叢濕地N2O排放通量最大。從三年的研究結果來看,生長季沼澤濕地依然是大氣N2O的吸收匯,但由于各個年份天氣氣候的差異,直接影響沼澤土壤環(huán)境,進而影響硝化和反硝化作用,使得濕地N2O的排放也存在著比較大的年際差異和季節(jié)排放差異。另外,沼澤濕地的凍融交替也可以導致短期的N2O排放高峰,董云社等在內蒙古羊草草原也觀察到春季N2O的爆發(fā)排放。有研究表明:早春N2O排放主要是由于凍土融化過程造成的,排放高峰一般發(fā)生在土壤融化一周后。三江平原沼澤濕地凍土一般在春季的4月底、5月初表層開始緩慢融化,到7月中旬左右深達1.6米的凍結土壤才能徹底融化通。2003和2004年5月份融化期的N2O排放通量均比較高正好說明了這點。在研究進行的兩個完整冬季(缺2002～2003冬季灌叢資料),濕地N2O通量均表現(xiàn)為吸收,但由于積雪深度的差異,使得冬季的N2O吸收通量也有明顯的年際差異存在。2.2.2溫度和日變化圖7是三江平原3種主要類型濕地的N2O排放通量與地表溫度、地下5cm地溫的日變化曲線圖,觀測日期毛果苔草沼澤和小葉章濕地為2003年8月13～14日,灌叢濕地是2003年8月26～27日.可以看出,沼澤濕地N2O排放通量的日變化并不明顯,毛果苔草沼澤與灌叢濕地的N2O日排放通量雖然有微小的變化,但并沒有明顯的日變化特征,小葉章濕地僅有一個觀測點排放通量較高,其他的觀測點也沒有明顯的日變化。從與采樣箱內氣溫和地溫的相關分析也證明了沼澤濕地N2O排放通量與溫度的關系并不顯著,相關分析見表3。一些學者通過對農田和草地生態(tài)系統(tǒng)N2O排放通量的研究發(fā)現(xiàn):旱地和草地生態(tài)系統(tǒng)的N2O排放具有隨溫度的日變化,而水稻田在淹水期N2O排放與溫度沒有明顯的相關性。水稻田日平均氣溫和5cm土層日平均溫度均介于17～34℃之間,是土壤中硝化和反硝化形成N2O的適宜溫度,但此時影響N2O排放的關鍵因素是土壤濕度或養(yǎng)分狀況,而不是溫度。當氣溫明顯降到10℃左右或5cm土壤溫度降到15℃左右時,N2O才明顯地受到日平均溫度變化的影響。沼澤濕地土壤的水分狀況與淹水期的水稻田類似,土壤積水或水分含量很高。日變化觀測采樣時期氣溫一般均高于10℃,5cm土壤溫度僅有一兩個點降到15℃左右,因此,晝夜溫度的波動范圍均在土壤中硝化和反硝化形成N2O的適宜溫度的范圍之中,其N2O排放通量與溫度的日變化也沒有明顯的相關性。2.3ch4和nao排放/吸收差異性前人所進行的三江平原沼澤濕地溫室氣體研究往往是在不同地點、不同時間、用不同的采樣方法和分析手段所進行的研究,沒有同時觀測兩種以上的氣體,因而無法進行兩種以上氣體通量特征的對比分析研究,也無法分析其排放通量的差異性。本研究在氣體樣品的實驗采集和分析中均做到了同步的采樣和分析,因此可以用來研究CH4、N2O排放/吸收的差異性。分析兩年的實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),三江平原3種典型