（环境科学专业论文）裸露潮间带表观co2通量的变化规律.pdf

及环境因素的影响，归纳出利用较少观测数据计算日间表观c o ：通量总量的方法。 该方法计算得到的日间表观c 0 ：通量总量对实测结果的线性回归方程为y = 0 9 3 5 3 x + 0 0 0 8 7 2 ( r 2 = 0 7 5 ，n = 4 3 2 ) 。 裸露潮间带沉积物一大气间表观c 0 ：通量日间平均值存在明显的月变化，而 表层沉积物氧化还原电位和温度的月变化是造成表观c 0 ：通量月变化的主要因 素。低氧化还原电位( 如e h t h ea p p a r e n tc 0 2f l u xa tt h eb o t t o mo ft h ei n t e r t i d a lz o n e i tw a ss h o w nt h a tt h e d a y t i m ev a r i e t yo ft h ea p p a r e n tc 0 2f l u xb e t w e e nt h es e d i m e n ta n dt h ea t m o s p h e r ei n t h eq i n g d a ob a ya n dj i a o z h o ub a yw a st h es a m ea st h a ti nt h el a o s h a nm o u n t a i n s c e n i ca r e a ，q i n g d a o t i d e ，s e d i m e n tr e d o xp o t e n t i a la n dt e m p e r a t u r ew e r et h em a i ne n v i r o n m e n t a l f a c t o r si m p a c t i i a gt h ea p p a r e n tc 0 2f l u xf r o mi n t e r t i d a ls e d i m e n t st ot h ea t m o s p h e r e t h et i d em a i n l yi m p a c t e dt h ea p p a r e n tc 0 2f l u xi nt h ed a y t i m ee b bt i d e ；t h es e d i m e n t r e d o xp o t e n t i a ld i d n to n l yi m p a c tt h er a t ei nw h i c ht h ea p p a r e n tc 0 2f l u xc h a n g e d w i t ht h eh e i g h tt ot i d ei nt h ed a y t i m ee b bt i d eb u ta l s oi m p a c t e dt h ea v e r a g ea p p a r e n t c 0 2f l u xi nt h ed a y t i m ef l o o dt i d ew h e nt h es e d i m e n tr e d o xp o t e n t i a lw a sl o w ；t h e s e d i m e n tt e m p e r a t u r ei m p a c t e dt h ea v e r a g ea p p a r e n tc 0 2f l u xi nt h ed a y t i m ef l o o d t i d ew h e nt h es e d i m e n tr e d o xp o t e n t i a lw a sh i g h ，i na d d i t i o n ，t h el o ws e d i m e n t t e m p e r a u r ei n d u c e dt ot h el o wa p p a r e n tc 0 2f l u xi nt h ee v e n i n g ， - o b s e r v i n gt h et o t a la p p a r e n tc 0 2f l u xf r o mt h es e d i m e n tt ot h ea t m o s p h e r ei nt h e d a y t i m en e e d sl o t so ft i m eb e c a u s eo ft h eo b v i o u sd a y t i m ev a i e t yo ft h ea p p a r e n tc 0 2 f l u x 。t m sw o r ks u m m e du pt h em e t h o dw h i c hc a nb eu s e dt oe s t i m a t et h et o t a l d a y t i m ea p p a r e n tc 0 2f l u x 、舫maf e wo fd a t ab a s e do nt h ev a r i e t yo ft h ea p p a r e n t c 0 2a n dt h ei n f l u n c ef r o me n v i r o n m e n tf a c t o r s 1 1 1 el i n e a rr e g r e s s i o nb e t w e e nt h e e s t i m a t e da n dm e a s u r e da p p a r e n tc 0 2f l u x e sw a sy = o 9 3 5 3 x + 0 0 8 7 2 ( r 2 = o 7 5 ) t h em o n t h l yv a r i e t yo ft h ed a y t i m ea v e r a g ea p p a r e n tc 0 2f l u xw a so b v i o u s a n d r e d o xp o t e n t i a la n dt e m p e r a t u r ew e r et w om a i nf a c t o r si m p a c t i n gt h ed i u r n a l a p p a r e n tc 0 2f l u xf r o mi n t e r t i d a ls e d i m e n t st ot h ea t m o s p h e r e w h e nt h er e d o x p o t e n t i a lw a sb e l o w3 0 0m vt h er e d o xp o t e n t i mw a st h ek e yf a c t o rc o n t r o l l i n g a p p a r e n tc o ：f l u xw h i l et h ei m p a c to ft e m p e r a t u r ew a sl i m i t e d ；w h e nr e d o xp o t e n t i a l r a n g e df r o m3 0 0t o5 0 0m v , b o t hr e d o xp o t e n t i a la n dt e m p e r a t u r ew e r e m a i nf a c t o r s r e g u l a t i n gt h ev a r i a t i o ni na p p a r e n tc 0 2f l u x ，w i t hm o r ei m p o r t a n tr o l eo ft e m p e r a t u r e t h a nr e d o xp o t e n t i a l ；w h e nt h er e d o xp o t e n t i a iw a sa b o v e5 0 0m v , t h ea p p a r e n tc 0 2 f l u xw a sh i g hb e c a u s eb o t ht h er e d o xp o t e n t i a la n dt e m p e r a t u r ew e r eh i g h ，w h i l et h e i m p a c to ft h ev a r i a t i o ni nr e d o xp o t e n t i a la tt h i sh i g hv a l u eo na p p a r e n tc 0 2f l u xw a s l i m i t e d ，t h u sl e a v i n gt e m p e r a t u r ev a r i a t i o nt h es o l ei m p o r t a n ti n f l u e n c i n gf a c t o r t h u s ， t h eh i g h e rt h er e d o xp o t e n t i a la n dt e m p e r a t u r ea r e ，t h eh i g h e rt h ea p p a r e n tc 0 2f l u x f r o ms a n d yi n t e r t i d a ls e d i m e n tt ot h ea t m o s p h e r e t h ee q u a t i o nf = ( a e h + ) i n c l u d i n gb o t ht h er e d o xp o t e n t i a la n d t e m p e r a t u r eb a s e do nv a n th o f fe q u a t i o nc o u l de s t i m a t et h et h ed a y t i m ea v e r a g e a p p a r e n tc 0 2 f l u xb e t t e gi nt h i se q u a t i o n ，fi st h ed a y t i m ea v e r a g ea p p a r e n tc 0 2 f l u x ， ai st h er a t ei nw h i c ht h ea p p a r e n tc 0 2f l u x c h a n g e sw i t hr e d o xp o t e n t i a l ，e hi st h e r e d o xp o t e n t i a la tt h ed e p h to f1c m r 0 i st h ea p p a r e n tc 0 2f l u xa to c a n do m v , ki s ac a n s t a n ta n dc a nb eu s e dt oc a l c u l a t eq l0 ，ti st h et e m p e r a t u r ea tt h ed e p t ho f1c m k e y w o r d s ：a p p a r e n tc 0 2f l u x ，i n t e r t i d a l ，c a r b o nc y c l e ，c a r b o nc y c l e ，w e t l a n d ， r e d o x 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含末获得 ! 造；塑遗查基丝盂墨挂剔童塑数：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：彳南朋全 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被金阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名：夕场朋企 导师签字： 签字日期：年月日 协翠 i 签字日期：叼 年多月罗臼 裸露潮间带表观c 0 2 通量的变化规律 o 前言 工业革命前自公元1 0 0 0 年至1 8 0 0 年大气中c o ：的平均浓度为2 7 5 p p m ，且仅 在5 p p m 的范围内波动，然而，工业革命以来，人类活动将大量的以化石( 煤、 石油) 形式固定的碳重新释放到大气中，大气c 0 ：浓度自1 8 7 0 年首次成为这之 前近9 0 0 年间的最高值以来，其总体上呈持续上升趋势1 。当前大气中c o 。水平 在过去4 2 万年间是未曾有过的，并且仍以平均每年1 5 - 1 8 p p m 的速度增长乜i 羽。 大气中c o ：浓度的持续增加已被确认是全球气候变暖的主要原因n 1 ，是世界经济 可持续发展和国际社会所面临的最为严峻的挑战哺3 。除了交通、能源消耗等人类 活动外，地球系统碳循环过程对大气温室气体浓度的增加起着极其重要的作用。 在当今国际重大环境科学计划，如国际地圈一生物圈计划( i g b p ) 、世界气候研究 计划( w c r p ) 及全球环境变化的人文因素计划( i h d p ) 中，碳循环都是其中的核 心研究内型渊，其研究涉及碳循环的方方面面，重点要回答全球碳源汇的空间 分布格局和人类活动对其的影响、以及未来全球碳源汇及碳通量的变化趋势等 科学问题( i g b p ，i h d pa n dw c r p ，2 0 0 1 ) 哺1 。鉴于碳循环对于全球经济贸易和 环境保护的重要性，目前在一定程度上已演变成一个具有政治色彩的全球问题。 尤其是我国以煤碳等化石燃料为主的能源结构在最近的将来不会发生根本变化， 我国在大气c o 。排放方面将会在新世纪里受到愈来愈多的环境压力和国际压力。 碳循环研究已不仅具有理论意义，还具有重要的现实意义徊 。 湿地是陆地上常年、季节性积水或过湿的土地，并与在其上生长栖息的生物 种群，构成具有重要环境功能的独特生态系统。湿地由水陆相互作用形成，环境 水文特征、生物地球化学过程和生物适应使湿地具有独特的物理、化学和生物学 结构及功能，而且对环境变化十分敏感。作为具有能量积累特征的生态系统，湿 地的物理、化学条件使其具有“碳汇”的功能。在化学元素循环中特别是c 0 ：和 c h 4 等温室气体的固定和释放中，湿地起着重要的“开关”作用，被称之为“转 换器”。湿地碳循环对全球气候变化有重要作用，而研究湿地土壤c 0 。通量是研 究湿地碳循环的关键部分n 们。 潮间带是众多种湿地中的一类，是陆地与海洋的交接地带。潮间带存在于陆 地和海洋两个生态系统之间，受到陆岸人为和近岸水质的双向污染，大量的有机 裸露潮问带表观c 0 2 通量的变化规律 污染物在此堆积，并通过暴气富氧过程而被氧化，会产生较大的沉积物一大气问 c o ：释放通量。因此，在全球碳循环中的地位不可低估。关于潮间带的碳循环， 已有不少研究，如，潮间带碳库组成。1 以及碳积蓄的沉积环境和水动力条件 1 5 3 ，潮间带各种形态碳与海水的交换途径n 删引，潮间带不同植物种类的固碳效果 犯司等，但潮间带沉积物一大气间c o ：释放通量研究的报道较少。m a g e n h e i m e r 等 汹3 曾报道了加拿大新不伦瑞迪省b a yo ff u n d y 弱潮盐沼不同植被覆盖区域的c 0 。 通量，认为该区域c 0 。通量的空间变化主要受生物量及水位的影响。m i t s u r u 等 口刀利用静态箱法，在日本c o a s t a ll a g o o n 边缘砂质海岸和盐沼上对c 0 ：通量进 行了为期三天卓有成效地对比研究。其观测结论是，砂质海岸上通量的空间变化 与时间变化主要受水位影响：而滨海盐沼上，c o 。通量的空间变化主要受地上生 物量影响，c o ：的日变化主要受地表温度影响。我国有着1 8 万k m 的海岸线，有 着广阔的潮间带。据统计，仅高程在海图0 m 以上的潮间带就有2 1 7 1 0 4 k m 2 ， 相当于我国1 4 的湖泊湿地( 8 3 5 1 0 4 k m 2 ) 面积。尽管我国有着广阔的潮间带， 但是我国潮间带沉积物一大气间c 0 ：释放通量研究与国外研究相比更为有限，仅 有杨红霞与王东启等嘞喝们对长江口崇明东滩潮间带沉积物一大气间c o ：释放通量 进行了相关研究，认为东滩潮间带c 0 。通量的时间变化同时受温度、光照度和植 物影响。对于更易受全球变暖及海平面上升影响的广大的中国北方未有高等植物 覆盖的裸露潮间带，到目前为止，尚没有相关研究结果发表。 因此，裸露潮间带沉积物一大气间表观c o ：交换研究对于开展及完善潮间带 碳循环研究意义重大，正确认识裸露潮间带沉积物一大气间c 0 ：交换特征及影响 因素是潮间带碳循环研究的重要补充之一。 2 裸露潮间带表观c 0 2 通量的变化规律 1 文献综述 近1 0 0 多年来，全球平均气温经历了冷一暖一冷一暖两次波动，总得看为上 升趋势；进入八十年代后，全球气温明显上升并且呈现出加速升温的趋势， 1 9 0 6 2 0 0 5 年温度升高0 7 4 高于1 9 0 1 2 0 0 0 年温度升高幅度( 0 6 ) ( i p c c ， 2 0 0 7 ) ( 图卜1 ) 。导致全球变暖的主要原因是人类在近一个世纪以来大量使用矿 g l o b a lt e m p e r a t u r e ( l a n d o c e a ni n d e x ) 譬 v - u “d l j - “ ； 萝 “一，n e wa n a i v 瓤向i l l u a lm e 釉 。毛 一0 l d i n a l w z s 5 、e 盯m e a n i， t ，一一一 e w 奠n a i y 钔三) v 潮m 囔n 凛严 w 妻 1嗽4 - 髟 囊鲜 羔惫 謦 ： ，n j v 辩 瀑 强0 髟 ； 警 捌 葛 望 鑫 瓣_ _ 嘎甄慈 7 巍 图卜工业革命以来全球平均气温变化幅度(，) 1 一 ( ， ) 物燃料( 如煤、石油等) ，排放出大量的包括c o 。在内的多种温室气体。由于这 些温室气体对来自太阳辐射的短波具有高度的透过性，而对地球反射出来的长波 辐射具有高度的吸收性，即“温室效应”，全球气候持续变暖。全球变暖会导致 全球降水量重新分配、冰川和冻土消融、海平面上升等现象，既危害自然生态系 统的平衡，又威胁人类的食物供应和生存环境。全球气候变化问题，已经引起了 各国科学界、政府的高度重视。年气候变化框架公约：京都议定书( ) 规定了发达国家和经济转轨国家在年到年的承诺期内将 种温室气体( 包括：。，。，。， ， ) 的排放总量在年的 基础上平均减少5 2 。年9 月，我国领导人在南非召开的可持续发展世界 首脑会上，代表中国政府正式宣布核准了京都议定书。尽管我国政府已正式 t，一。一一嚣=；vllilll野vlo二iioo 核准了京都议定书但是我国以煤碳等化石燃料为主的能源结构在最近的将 来不会发生根本变化，这势必会导致我国在大气c 魄排放方面将会受到愈来愈多 的环境压力和国际压力。鉴于此，碳循环研究已不仅具有理论意义，还具有重要 的现实意义“1 ，我国必须加快对c 啦浓度、碳通量、碳循环的监铡和研究工作 管理好c 啦的“源”与“汇”，以兑现我国政府的承诺”1 。 全球变暖的实质是碳的自然循环系统在人类活动压力下失调进而导致温室 气体( c 0 ：) 的激增。自然界中各种形态的碳元素在大气圈、水圈、生物圈和岩 石圈之间相互转换和运移的过程即为全球碳循环。当前学术界所关注的碳元素的 表生循环发生在地球表层系统，以外力( 主要是太阳能) 为主要驱动力。土壤 沉积物与大气之间的c 啦交换是碳的表生地球化学循环的一个重要环节”。 1 1 全球碳循环 一j 总，+ l 纛兰冀 裸露潮间带表观c 0 2 通量的变化规律 ( 1 ) 岩石圈中的碳 地壳岩石中平均含有0 2 7 的碳，约有6 5 5 1 0 g t c ，其中7 3 是以碳酸 盐岩( 海相碳酸盐岩、沉积碎屑岩中碳酸盐胶结物以及泥质岩中碳酸盐矿物) 和 幔源碳的形式存在，其余部分以石油、天然气、煤等各种有机碳形式存在。在各 种内外营力作用过程中( 如脱碳气、氧化、热裂解、微生物降解等) ，碳以水溶 气相、油溶气相、连续气相、连续液相等各种形式迁移或转化，最终以c o 。等气 体形式通过地下水、油( 气) 田、地热区、活动断裂带和火山活动不断地释放出 来，或者储存在沉积地层中成为c 0 ：气田陋3 1 。尽管地质碳库是最大的碳库，但其 中储存的绝大多数的碳不参与全球的碳循环。除了人类大规模的矿产和燃料开 采，使岩石圈储存的碳得以释放，并直接影响全球碳循环平衡外，岩石圈的碳的 活动一般只对地球的局部产生影响( 如火山喷发引发区域的c 0 ：浓度升高) 或者 只会在较大的时间尺度内( 千年以上) 发生作用。 岩溶碳循环是全球碳循环的重要一环，全球陆地碳酸盐岩体碳库容量估计近 1x1 0 ”g t c ，分布面积为2 2 1 0 7 甜。碳酸盐的产生与地质历史时期的大气、气 候、水热和生物环境条件密切相关，它是过去全球碳循环方向和强度变化过程中 被固化的部分。岩溶作用是岩溶水系统内可溶岩、水、空气、生物界面之间的地 球化学场上能量、物质交换的表现及结果，在岩溶作用过程中存在c 0 ：- h 。0 一碳酸 盐岩三相动态平衡过程口引。碳酸盐岩的溶蚀过程是从大气中吸收碳的过程，凝结 钙华的过程是碳的排放过程。当大气中c 0 = 浓度降低时，岩溶系统中将出现钙华 凝结沉降，并向大气中排放c o 。，反之则吸收c o ：。在目前全球c 0 1 浓度普遍过高 的状况下，岩溶系统对碳的调节作用主要以吸收碳为主。在上部覆盖土壤的岩溶 地区，土壤层是比较关键和特殊的环节，土壤库中c 0 ：含量的高低直接影响表层 岩溶带岩溶作用的发生。碳酸盐岩中的碳“活化”及溶蚀作用是消耗大气c 0 ：的 复杂过程：大气c 0 ：一植物或生物土壤c o 。一溶于水的c o ：一碳酸盐岩被溶蚀而消 耗的c 0 ：曲副。此外，环境条件的改变也可导致岩溶作用向相反方向发展啪1 。 ( 2 ) 陆地生态系统中的碳 陆地生态系统是全球碳循环又一重要碳库，每年净吸收0 4 g t c ，其贮存的 碳总量为2 4 7 7 g t c ，其中植物体储存了4 6 6 g t c ，土壤( 地表1 m 深度范围) 储存 了2 0 1 1 g t c 船7 1 。陆地生态系统一大气的碳通量取决于植物的光合作用、呼吸作用 裸露潮问带表观c 0 2 通量的变化规律 和土壤微生物之间的平衡，这些过程受温度、降水、土壤质地和养分供应的强烈 影响。陆地表面有广泛的人类活动干扰，极易影响生态系统碳的储存，从而影响 大气与生态系统之间的碳平衡。尽管陆地生态系统是人类最熟悉的环境，但是， 陆地生态系统对全球碳循环的影响程度还难以准确把握，这是因为陆地生态系统 对全球碳循环的贡献受人类对地表的改造状况( 如森林砍伐、草地改造为农田等) 和生态系统净生产力( 如大气c 0 ：浓度升高，可引起生产力的提高，从而吸收更 多的c o ：) 的影响。 土壤具有储存转化有机碳的作用，土壤的矿化作用( 包括根的呼吸、土壤动 物和微生物的代谢作用) 是自然生态系统中重要的c o ：释放过程，其对全球碳循 环的影响是k 时间尺度的。但是日益加强的土地利用加速了土壤的碳呼吸，动植 物残体和有机质分解增强，土壤贮存的碳大幅度减少，通过水土、大气输出而成 为重要的碳源。伴随着高纬度地区温度的大幅上升，高纬度地区的冻土带和泥炭 地中储存的c 0 。和c h 4 也将逐步释放出来，这些地区难于分解的碳，随着温度升 高也将加速分解，并最终以超过光合作用固碳能力的水平向大气中释放。陆地表 面的岩石、土壤与生物等经过各种自然营力，产生大量的有机与无机碳，以及河 流自生的有机碳，经由河流进入海洋。每年通过河流输入海洋的碳约在1 6 t 左右， 其中约6 0 为无机碳，4 0 为有机碳。河流碳通量与碳循环的其他环节不同， 如在“大气一海洋”、“大气一陆地生态系统”等循环中，碳的交换是双向同时 进行的，而河流碳通量在特定的时间和地区是由陆地单向流入海洋的。自工业革 命以来，由于人类活动的增强，对地表水文、水化学、植被和土壤结构性质的影 响程度在不断加大，毁林开荒、大规模机械耕作都会增加土壤的侵蚀速率，大量 土壤有机质被淋溶、冲刷进入河湖、汇入海洋，工业废物排放、富营养化和酸雨 等现代环境问题都会影响河流碳通量，并且在很大程度上是加强了河流碳通量， 使得淡水和近海成为附加的碳汇啪1 。 ( 3 ) 海洋中的碳 海洋是全球生态系统的重要组成部分，在地球系统中，其与大气、陆地紧密 联系在一起，在调节全球气候等方面发挥着举足轻重的作用1 。海洋碳循环过程 较陆地更为复杂，不仅涉及海洋生物、化学过程，还与不同时空尺度的海洋环流 密切相关。全球变化引起的海洋变化十分明显，现在已经能够观测到海洋的大尺 6 裸露潮问带表观c 0 2 通量的变化规律 度物理、化学和生物特征的变化，其中海洋食物链结构、海岸带富营养化和珊瑚 礁退化最为明显，海洋生物地球化学过程的研究可为进一步了解认识海洋变化的 机制奠定基础。海洋的碳储量高达3 8 0 0 0 g t c ，是重要的c 0 ：汇。根据测算陋= 钔3 ， 在每年由人类排放的碳中，大约3 0 - - 一4 0 由海洋吸收。根据人为释放c o ：会使海 水溶解态无机碳1 3 c 尸c 比率减小的原理测算，1 9 7 卜1 9 9 0 年海洋的吸收值为2 1 1 5 g t c a ，根据人为释放c 0 ：造成0 ：n ：比率变化的原理测算，1 9 8 9 1 9 9 4 年 海洋的吸收值为1 9 0 5 g tc a ，普遍的认识是海洋年均吸收值为1 5 2 5 g t c 。 ( 4 ) 大气中的碳 大气中的碳主要以c o 。、c h 。和c o 的形式存在，碳储量合计约7 3 0 g t c 曲引，其 中以c o ：最为重要。在整个地质历史时期，大气碳含量始终处于变化之中。利用 极地冰芯对古大气成分的研究表明3 1 ：过去1 6 万年以来，大气c 0 ：和c h 及氧同 位素温度指标之间存在显著的正相关关系，在末次冰期，大气c o ：和c t h 浓度分 别为2 0 0l ag g 和0 4ug g 左右，随着温暖的冰后期的到来，大气c 0 = 和c h 4 浓 度迅速上升到2 8 0ug g 和0 6 9 g 左右，并在以后的时间里基本稳定在这一水 平上。但自工业化革命以来，这一状况发生了巨大的改变，大气c 0 。浓度骤升至 目前的3 7 7ug g 。 1 2 湿地碳循环 作为地球三大生态系统之一h 劓，湿地是陆地上常年、季节性积水或过湿的土 地，并与在其上生长栖息的生物种群，构成具有重要环境功能的独特生态系统。 湿地是一类跨越了极大时空范围、具有极大时空变异性的多样化生态系统的总 称，根据r a m s a r 公约对湿地的定义，通常包括泥炭地、森林湿地、灌丛沼泽 ( s w a m p ) 、腐泥沼泽( m a r s h ) 、苔藓泥炭沼泽( b o g ) 、湿草甸及其他潮湿低地，也 包括所有季节性或常年积水地段，如湖泊、河流及泛洪平原、河口三角洲、滩涂、 珊瑚礁、红树林、水库、池塘、水稻田以及低潮时水深浅于6 m 的海岸带等n 别。 1 2 1 全球及我国湿地生态系统概况 由于目前湿地分类指标的不同及人类活动导致的湿地面积的不断变化，不同 学者所统计的全球湿地面积有一定差异，但总体上进入2 0 世纪9 0 年代后，全球 7 裸露潮间带表观c 0 2 通量的变化规律 湿地面积明显减少，湿地总面积约为2 3 1 0 6 2 9 1 0 6 k i n 2 ，约占全球陆地表面 积的1 ，删。我国湿地面积约为6 5 9 4x1 0 4 k m ( 不包括江河、池塘) ，位居亚洲 第一位，世界第四位，其中天然湿地约为2 5 9 4 xi 0 4 k i ，包括沼泽湿地约1 1 9 7 1 0 4 k 岔，潮间带滩涂约2 1 7 1 0 4 k w ，浅海水域2 7 1 0 4 k m ：等；人工湿地4 0 0 1 0 4 k m - 。哺3 。在我国面积广阔的各类湿地中，滨海湿地约5 9 4 1 0 4 k i n ，其具体分 布如图1 - 3 所示。 图1 - 3 中国滨海湿地分布图( 张晓龙，2 0 0 5 ) f i g 1 3t h ed i s t r i b u t i o no fc o a s t a lw e t l a n di nc h i n a ( x i a o l o n gz h a n g ，2 0 0 5 ) 8 裸露潮间带表观c 0 2 通量的变化规律 1 2 2 湿地在全球碳循环研究中的作用 湿地是各种生物地球化学作用非常活跃的场所，在碳的储存中起着举足轻重 的作用。目前，对全球湿地碳库总量的估计，各家有异。据加拿大1 9 9 8 年国家 碳汇报告估计，湿地碳库储量占全球陆地生物圈总碳库量的1 4 ( c a n a d a ，1 9 9 8 ， n a t i o n a lc i i m a t e c h a n g ep r o c e s s ，n a t i o n a ls i n k s t a b l e s ，f o u n d a t i o np a p e r ， f i n a lr e p o r t ) ；z h a n g 等认为，湿地碳库储量占陆地碳库总储量的1 5 - - 3 0 盯4 引： 吕宪国、何岩等在陈宜瑜主编的中国湿地研究一书中给出的数字是湿地占陆 地碳库总储量的1 5 ；而联合国粮农组织( f a o ) 的世界森林状况报告中，综合了 d i x o n ( 1 9 9 4 ) 和s c h l e s i n g e r ( 1 9 9 7 ) 的研究，认为湿地仅占全球陆地生物圈碳总 量的7 ，全球陆地生物圈碳库总量为2 2 0 0 p g ，则湿地碳库总量为1 5 4 p g h 引。尽 管对全球湿地碳库总量的估计各家不一，但是所有的结果都表明湿地中储存着数 量不菲的碳。 湿地除储存着大量碳，其与大气间的碳交换量也十分巨大。根据b r i x 等2 0 0 1 年的研究结果，湿地植物净同化的碳仅有1 5 再释放到大气中，表明湿地生态系 统能够作为一个抑制大气c 如升高的碳汇。同时，湿地生境是大气c h 。主要的自 然来源，估计全世界每年有1 1 0 1 0 1 2 9 c h 。是来自天然湿地中的厌氧分解，天然 湿地每年向大气中排放的c 乩占全球c 也排放总量的9 - 2 0 4 蚋。 随着全球变暖，全球降水量重新分配、冰川i 和冻土消融、海平面上升，湿地 的分布将发生巨大变化。许多湿地逐渐干涸，土壤温度升高，土壤物理性状和通 气性等产生较大变化，有机质及沉积泥炭分解速率提高，碳的释放量增加，导致 湿地由碳的汇变成碳的源。因此，湿地碳循环研究对于全球碳循环及气候变化研 究至关重要。 1 2 3 湿地碳循环的生物地球化学过程 湿地碳循环主要包括2 个基本过程：( 1 ) 植物通过绿色叶片的光合作用固定 大气c 0 ：并形成总初级生产力，此过程主要受太阳辐射、气温、水分和养分供应 等因子的驱动，此过程中植物需要消耗部分光合产物为其自身生命活动提供能 量，同时释放c o ：；( 2 ) 植物死亡后其残体在微生物作用下分解转化( 如图1 4 ) ， 一部分转化成颗粒有机碳( p a r t i c u l a t eo r g a n i c c a r b o n ，p o c ) 和简单的可溶性 有机碳( d i s s o l v e do r g a n i cc ，d o c ) ，在水介质中经过微生物作用或直接氧化 9 裸露潮间带表观c o ：通量的变化规律 为c o 。( h c o 。一) ，一部分形成泥炭，逐年堆积上层泥炭以及仍未完全分解的植物残 体，继续参与以上分解转化，此过程是个复杂的生物地球化学过程。此外，对于 开放或半开放的湿地系统，p o c 和d o c 是外界与系统之间碳交换的2 个重要形态， 它们在湿地系统的碳收支中也具有重要意义h 9 1 。 图1 - 4 湿地有机碳分解转化流程( 张文菊，2 0 0 7 ) f i g 1 4t u r n o v e rf l o w c h a r to fo r g a n i cci nw e t l a n d e c o s y s t e m ( w e n j uz h a n g ，2 0 0 7 ) 全球范围内，气候因子与植被类型、底物性质以及养分有效性对湿地有机碳 分解转化过程都有不同程度的影响。对于某一特定区域，有机碳分解机制主要受 三方面因素的制约咖1 ： ( 1 ) 底物的性质：研究表明底物性质是控制湿地有机碳分解的主要因素之 一随。不同种类凋落物分解速率不同，原因在于凋落物所含的易分解、难分解物 质以及c n 比的差异。待分解底物的c n 、c p 以及c n p 比通过对微生物同化 作用的影响，来控制有机碳的分解速率。湿地其它养分如n 、p 、s 等元素的有效 性、d o c 和电子受体如o 。、f e 3 + 、m n 4 + 、n 0 。一、s 0 。扣、c 0 。等的含量对有机碳的分解 转化也有重要影响哺乏5 3 1 。有研究发现，养分贫瘠的盐湖沼泽沉积物中施入n 、p 后，沉积物呼吸加速，施肥点成为大气“温室气体”的“源”哑1 ，1 2 年后，沉 积物上层的半分解有机碳与对照相比减少了4 7 5 9 一，相当于每年损失约4 0 9 m 。 这说明增加n 、p 养分容量能加速沉积物中有机碳周转，导致湿地生态系统有机 碳损失的增加哺州。也有研究表明，盐沼湿地沉积物中硫酸盐、铁的还原作用对碳 的再矿化具有重要的影响，其地球化学作用可用下列反应式表示啼 ： 裸露潮问带表观c 0 2 通量的变化规律 s o ：。+ c h 3 c 0 0 。+ 2 h + 一2 c q + 2 r d + h s 8 f e o o h + c h 3 c 0 0 。+ 1 7 日+ 专2 c d 2 + 1 4 皿d + 8 f e 2 + ( 2 ) 影响分解微环境的理化性状，如水文状况、温度、p h 、e h 等： a 水文状况：由于湿地生态系统处于高地和深水系统之间，对于水文变化( 水 的滞留和运动) 特别敏感。水文条件不仅能直接改变湿地的理化性状，如养分的 有效性、基质的缺氧程度、基质盐度、沉淀性质和p h 值等，而且也是最终选择 系统生物群落的主要因素之一f 5 4 3 。湿地土壤微生物活性较同一气温下的旱地低， 湿地比相邻早地的土壤酶活性也要低得多晦引。湿地生态系统的干湿交替会引起土 壤微生物活性及种群的改变，并对有机碳的分解转化过程产生影响。 b 温度：温度是影响有机碳分解过程的一个至关重要的因子。温度对基质呼 吸速率的影响一般用q ，。函数关系来表示，即温度每升高1 0 时呼吸速率增加的 倍数。不同的生态系统中q ，。值有所差异，通常情况下的q 。= 2 。寒冷地区的q 。 值往往大于2 酾引。在水分条件为非限制因子时，基质的呼吸强度与温度呈正相关 关系晦 。但在沼泽、积水冻原等湿地生态系统中，湿度和供氧强度成为限制因子 时，基质的呼吸速率与温度的关系是非线性的嘞3 。 c 通气状况与氧化还原电位( e h ) ：基质供氧不足时微生物的活性将受到抑 制。湿地在淹水时，沉积物表层中的氧只需几小时到几天就耗尽，因为氧在溶液 中的扩散比在多孔介质中慢9 9 9 9 ，这种低扩散能导致厌氧或还原条件。长期 渍水的沉积物基质，其e h 低，厌氧性强。1 4 c 标记的有机物料的腐解试验表明， 腐解速率随着e h 的降低而降低，释放的1 4 c 0 ：量也随着e h 值的降低而减少嘞3 。 dp h 值：p h 值与氧化一还原电位联合作用，通过控制分解过程中微生物的 种类、数量及其活性来影响有机碳的分解。d e l a u n 等汹3 研究发现，一定的氧化一 还原电位( 一1 5 0 , - 一5 0 0 m v ) 范围内，h c 标记的有机物料在p h 为6 5 时的分解率 ( h c o ：计) 最高。p h 高于或低于6 5 时，其分解速率都显著降低。j e n k i n s o n 也 曾指出，在酸性土壤( p h ：3 7 ) 中，植物残体分解初期的分解速率较慢，直至腐解 5 年后才看到土壤酸度的这种影响。由此可见，适度的中性环境条件利于有机碳 分解哪】。 。 ( 3 ) 待分解底物与分解微环境共存的时间：l o c k a b y 等认为凋落物输入分解 微环境的时间对其分解过程能产生持续影响嘞1 。 裸露潮问带表观c o ：通量的变化规律 1 3 湿地碳循环的研究进展 经过多年的研究，对湿地碳循环的生物地球化学过程已经有了比较清楚的认 识，由于温室效应的增强，湿地碳通量研究受到越来越多的重视，目前，有关碳 通量的研究，主要集中在以下几个方面：湿地中碳通量的时空变化；影响碳储存 与排放的因素以及碳通量的模拟旧3 。 ( 1 ) 湿地中碳通量的时空变化：k a n gh 和f r e e m a nc 对英国北威尔士的酸 性泥炭沼泽和森林沼泽的c h 4 通量的研究显示不同类型湿地的c h 4 排放存在差异； 在酸性泥炭沼泽，c 地有两个释放高峰分别为春季和秋季；而在森林沼泽，1 0 月 和1 1 月是释放高峰期1 ；而宋长春等的研究显示，我国三江平原沼泽湿地c o ： 排放的最大值出现在7 、8 月份，c h 4 通量的最大值出现在8 月份，c 0 ：、c h 。通量 的最小值均出现在冬季隋”并且冻一融时间长达8 个月的三江平原，冬季沼泽湿地 c h 4 排放量在全年排放量中占有重要份额，融冻期沼泽湿地出现明显的c h 4 和c 观 排放峰值，季节性积水沼泽化草甸c 也和c 0 ：排放量大于常年积水沼泽湿地阳纠。 j u k k aa l m 等研究认为，冬季雨养泥炭沼泽的c h 4 释放低于矿养泥炭沼泽m3 1 。此外， 王德宣等认为，若尔盖高原泥炭沼泽湿地c o 。呼吸通量日变化为单峰型，高峰出 现在1 3 时和】5 时；2 0 0 3 - 2 0 0 5 年该沼泽湿地c 0 ：通量平均值仅为同期草地c 0 ： 通量平均值的6 0 阳6 5 1 。 ( 2 ) 影响碳储存与排放的因素：影响碳储存与排放的主要因素与影响湿地 有机碳转化过程的因子相同，主要有气候因子、植被类型、底物性质、影响分解 微环境的理化性状及碳在湿地中的停留时间( 详见1 2 3 ) 。 ( 3 ) 湿地碳通量的模拟：2 0 世纪7 0 年代后，国际上一些学者开始着手湿 地碳循环模型的建立与研究工作，许多研究者在北半球泥炭地开展了大量有关泥 炭积累动态、分布与分解模型方面的研究，鉴于模型模拟尺度与模拟精度之间的 平衡，大多数的湿地碳循环动力学模型主要侧重于系统物质生产力、有机质与养 分积累状况及其影响因素和温室气体排放等某些方面的过程描述。目前，我国一 些学者在湿地植物生长动态模拟的统计模型与泥炭积累动力学模型方面也进行 了一些探讨h 机驯。 湿地土壤沉积物一大气间c 0 ：通量是湿地碳循环的重要组成部分，随着全球 变暖及京都议定书承诺期的日益临近，对湿地土壤沉积物一大气间c 0 ：通量 1 2 裸露潮间带表观c o ：通量的变化规律 研究的关注与日俱增。 1 3 1 湿地土壤沉积物大气间c 0 2 通量的测定方法 湿地土壤沉积物一大气间c 0 ：通量的测定方法主要有静态箱法、动态箱法、 微气象法，而美国l i c o r 公司的l i - 8 1 0 0 全自动土壤碳通量测量系统是较为成 功的用于测量土壤沉积物一大气间c 0 。通量的商品化仪器。 1 3 1 1 静态箱法 ( 1 ) 静态箱碱液吸收法 将盛有一定浓度n a 0 h 溶液的宽口容器n 蜘或者将吸满n a 0 h 溶液海绵放于宽口 容器中哺3 ，容器置于采样箱中。测定时快速盖箱并将箱子下边缘密封好，测定时 间通常为2 4 小时。测定结束后，马上将吸有c 0 ：的n a 0 h 溶液用h c l 滴定。根据 碱液吸收的c 0 。量，推算出土壤沉积物一大气间c 0 。通量。 静态箱一碱液吸收法具有可长时间、多点测定土壤沉积物c 0 ：通量的优点。 然而，这种方法由于碱对c 0 ：的吸收能力会有可能在c 0 ：通量低时，因箱内碱吸 收剂对c o ：的吸收速率超过土壤沉积物c 0 ：排放速率，增大土壤沉积物一大气间 c 0 。浓度梯度，造成观测值偏高，也有可能在c 0 。通量高时，因箱内碱吸收剂对 c 0 ：的吸收速率低于土壤沉积物c o ：排放速率，造成观测值偏低嘲3 。 ( 2 ) 静态箱气相色谱法 用一个无底的箱子罩住所测地表面，每隔一段时间抽取一次箱内空气( 图 1 - 5 所示) ，然后利用气相色谱仪测定其中c 0 ：的浓度，求出浓度随时间的变化率， 根据式( 1 - 1 ) 计算c o ：通量 f ：p 旦上互l 箜( 1 1 ) a 易td t 式中，f 是被测气体排放量，v 是箱内空气体积，a 是箱子覆盖的面积，c 是t 时刻箱内c 0 ：体积混合比浓度，t 是时间，p 是标准状态下的c