气候变化对气候变化的影响以三江平原湿地为例

气候变化对气候变化的影响以三江平原湿地为例

ch4和n3o是地球上的重要温室气体，它们的分子扩温潜势分别比b221和290倍（mloyd，1995）。目前，ch4和t2o的浓度分别为1.72、0.312molmol-1，每年的增长率为0.6%和0.2%0.3%（simpsonetal.，1999）。CH4和N2O对生态环境的影响主要是能使全球气候变暖以及破坏臭氧层(Peietal.,2003),因此,近几十年来其对环境和气候变化的影响越来越引起人们的关注。大气中的CH4和N2O有70%～90%来自于地表生物源(Duxbergetal.,1993),而湿地(包括天然湿地和水稻田)CH4的排放约占全球CH4源的40%～50%(Whiting&Chanton,1993),是大气CH4的主要生物排放源;有些研究者也指出,湿地中N2O排放的增加是目前全球N2O通量的一个重要部分(Leteyetal.,1981)。因此,湿地生态系统CH4和N2O向大气的排放已成为科学研究的热点。温度、水文条件是影响湿地CH4和N2O排放的重要环境因素。水位是影响湿地CH4排放的重要因素,它决定了湿地土壤的厌氧度及氧化带的深度(Moore&Dalva,1993);而土壤的水分状况不仅影响土壤N2O的生成量,也极大地影响了N2O向大气的传输速率(刘景双等,2003)。土壤温度是限制分解过程,特别是CH4生成的主要因素(Sorrelletal.,1997);同时温度又是影响微生物硝化、反硝化活性的重要因子(Smithetal.,1998)。而湿地植物则是湿生环境的外在标志,其分布的差异性体现了湿地水文和湿地土壤环境的分异。三江平原湿地是我国最大的沼泽湿地集中、连片分布区,各类湿地总面积达83.5×104hm2(李颖等,2002)。已有的研究表明,该湿地生长季是一个CH4排放源和N2O可能的汇,土壤温度、水位和氧化还原电位是影响两种温室气体的重要影响因素,但缺少CH4和N2O排放的同步观测,而且对于影响不同类型湿地CH4和N2O排放的主导环境因子的确定还不十分清楚。本文通过对沼泽湿地生长季不同植物带CH4和N2O排放的对比研究,探讨影响不同植物带CH4、N2O排放的主要环境要素,以期深入认识沼泽湿地温室气体排放的特征及主导因子的影响,有助于进一步揭示CH4和N2O产生和排放的机理。1试验材料和方法1.1气体观测试验研究区选在三江平原腹地典型沼泽湿地分布区,区内海拔高度55.4～57.9m,属北温带湿润大陆性季风气候,1月平均气温-18～-21℃,7月平均气温21～22℃,年均温1.6～1.9℃。冰冻期达5个月,最深冻深达1.9m。年降水量565～600mm,60%以上集中在6～8月,年蒸发量542.4～580mm。气体观测试验布置在黑龙江省东北部的洪河农场内的一处碟型沼泽洼地内(47°35′17.8″N,133°37′48.4″E),距离中国科学院三江平原沼泽湿地生态实验站10.9km,面积20hm2。该沼泽洼地的植被类型及其分布特征与三江平原沼泽湿地生态试验站极其类似,在三江平原沼泽湿地类型中颇具代表性。分布的主要植物群落类型为小叶章(Deyeuxiaangustifolia)、毛果苔草(Carexlasiocarpa)和漂筏苔草(Carexpseudocuraica)。主要优势植物群落围绕洼地中心沿不同的水分梯度带由中心到边缘呈环带状分布(图1)。土壤类型依次为泥炭沼泽土和草甸沼泽土。各群落带0～25cm土壤理化性质及植物地上最大生物量见表1。在碟形沼泽洼地区,依据地表淹水状况依次选取3个观测点,即处于洼地边缘,季节性淹水的小叶章植物带(A);靠近洼地中心,长期淹水的毛果苔草植物带(B);位于洼地中心,长期淹水的漂筏苔草植物带(C)(图1)。1.2气体、水质及仪器采用静态箱_气相色谱法测定CH4、N2O的气体通量。已往的研究发现,使用透明箱均出现了明显的温室效应,箱内外温差可达5～8℃(刘景双等,2003)。为了降低静态箱内外温度的差异,本试验中采用暗箱采样。气体采集箱材质为不透明PVC板(厚度3mm),外刷白漆并罩两层白布,内置搅气小风扇和采气三通阀。箱体底面积为50cm×50cm,高为50cm。为了防止采样时箱内的气体不外泄,采样前一周在各观测点埋入不锈钢底座,采样时将采样箱扣在底座的水槽里并加水密封。采样期为2003年6月1日至9月27日,每周观测1次。样品采集用100ml医用玻璃注射器(注射嘴安装有采气三通阀),在30min时段内,每10min通过采样箱上的采气三通阀抽取箱内气体100ml。采集的气体通过采气三通阀注入铝塑复合气袋(化工部大连光明化工研究所生产,1L),密封储存。采集气体样品的同时原位同步测定气温、箱温、5cm地温以及各观测点水位。气体采集后一周内在中国科学院三江平原湿地生态试验站完成对样品中CH4及N2O气体浓度的分析。气体用配有63Ni电子捕获检测器(ECD)的岛津GC_14A气相色谱仪测定。利用下列公式计算气体通量(宋长春等,2003):式中,J为气体通量(mg·m−2⋅h−1)‚dcdtm-2⋅h-1)‚dcdt为采样时气体浓度随时间变化的直线斜率,M为被测气体的摩尔质量,P为采样点气压,T为采样时绝对温度,V0,P0,T0分别为标准状态下的气体摩尔体积、空气气压和绝对温度,H为水面以上采样箱高度。2结果与分析2.1生长季ch4的排放通量生长季沼泽湿地不同植物带在整个观测期内CH4排放通量均具有明显的季节变化(图2a)。由于3种植物带所处湿地类型水文条件的差异,CH4排放通量的特征各异。主要体现在两个方面:1)CH4排放通量随时间的变化特征不同。6月,长期淹水的B和C带CH4的排放通量逐渐增大,7、8月是CH4高排放的集中期,其通量分别达到最高值696.24和530.4mg·m-2·d-1;9月CH4的排放通量较低。季节性淹水的A带CH4排放通量在6月同样有一个逐渐增大的过程,至7月初达最大排放值204.96mg·m-2·d-1,之后通量迅速降低,8月底降至最小为1.34mg·m-2·d-1,之后的9月又出现一个较小的排放峰。总体看来,A带CH4的高排放期主要集中在6月底至7月初,较B和C带有所提前,而持续的时间明显小于前两者。2)群落类型不同,其排放强度也有很大的差异(p<0.0001)(表2)。生长季B和C带的平均排放通量分别为259.2和273.6mg·m-2·d-1,无明显差别,而A带的平均排放通量为38.16mg·m-2·d-1,分别为B、C带的14.7%和13.9%。由此看出,CH4排放强度在群落带间差异明显,且沿洼地中心到边缘呈依次降低的趋势(表2)。对比表3中所列数据发现,本研究中A、B两带生长季CH4的平均排放通量分别较该地区同时期已往研究结果低12和0.8倍。根据排放变化特征,逐时段累加估算出6～9月A、B、C3带CH4总排放量分别为:4.63、32.26和34.26g·m-2。2.2o的排放通量图2b给出了沼泽湿地生长季不同植物带N2O排放通量的季节变化特征。结果表明,B、C带N2O排放通量的季节变化特征较为一致,而又与A带除在6和8月的中下旬差异较大外,生长季其余时间的变化均保持较好的同步性。6月是B和C带N2O排放通量逐渐增大的时期,于7月中下旬出现排放峰,最大排放通量1.57和1.80mg·m-2·d-1,之后通量开始下降,经过8月的相对排放低值期后,9月初N2O又开始增加,并于9月中旬再次出现N2O的排放峰,最大排放通量1.78和1.62mg·m-2·d-1。A带N2O则在6月中旬出现一个持续两周的脉冲排放,最大排放通量2.53mg·m-2·d-1,该时期总排放量占整个生长季的1/3。8月中下旬出现一个排放低谷,最低值0.116mg·m-2·d-1,其余时间A带N2O排放通量变化特征与B、C带几乎同步。总的来看,3类群落带N2O排放通量都表现出“升高—降低—升高”的变化趋势,但A带出现第一个排放高值区的时间要明显提前于B和C带。生长季A、B、C带N2O的平均排放通量分别为:0.969、0.932和0.983mg·m-2·d-1,群落带间无明显差异(p=0.967)(表2)。由表3显示,生长季A、B两带N2O的平均排放通量分别较已往研究结果高出22和185倍。根据通量变化特征,逐时段累加估算出6～9月A、B、C3带N2O总排放量分别为0.103、0.93和0.99g·m-2。2.3土壤有机碳排放通量与水位间的相关性图3为生长季不同植物带相关环境因子的变化。各观测点5cm深地温在6月初均随气温的上升逐渐升高,至7月中旬达较大值后,又随气温的下降逐渐降低(图3a)。由于各点所处水热条件的差异,A带5cm深地温平均高出B、C带1.2～1.6℃,但这种差异没有达到显著水平(表2)。3个观测带水位的季节变化模式基本一致(图3b):6～7月,水位呈下降趋势,并于7月底降至较低水位,之后,7月底至8月初又有一个迅速上升过程,其中A带水位上升13cm,B和C带上升4cm。8月中旬后,水位逐渐下降,9月末降至观测期最低。观测期内B、C带平均水位比A带的平均水位高出20cm左右,而B和C两带间的水位无显著差异(表2)。A带土壤各深度氧化还原电位值(Eh)在(335～328mV(CV=181.1%)之间,除20cm深度A的Eh小于B、C带外,其余深度土壤的Eh均为A带最大,而B(CV=17.8%)和C带(CV=31.6%)不同深度Eh的变化范围均小于A带,但各观测点间0～100cm深度Eh并无显著差异(表2)。相关分析表明,A、B、C带CH4排放通量与气温和5cm深度地温具有一定的相关性,但除C带(p<0.05)外均未达到显著水平,而N2O排放通量与气温和5cm地温之间的相关性均较差(表4)。A带N2O排放通量与水位之间的相关性较差,B、C带N2O的排放通量与水位呈显著负相关(r1=-0.701,r2=-0.528),而各点CH4排放通量与水位的相关性均较差,但群落间CH4排放与水位呈显著正相关关系。群落间CH4与Eh之间具有弱相关性,而N2O与Eh的相关性很差(表4)。3讨论3.1年季降水差异湿地中CH4的释放取决于其生成和氧化消耗的共同作用(Roslev&King,1996)。最近的研究表明,在一些湿地中CH4的氧化甚至高达其潜在生成量的90%(King,1990),因此,湿地土壤的氧化状况在很大程度决定了其CH4释放强度的大小。而湿地土壤氧的渗透能力又与湿地的水分状况密切相关(Bubier&Moore,1994;Aerts&Ludwig,1997)。与该地区已往的研究结果相比,本研究中测得的漂筏苔草、毛果苔草和小叶章生长季平均CH4排放通量明显偏低(表3),其原因除了研究地点土壤性质的差异外,与年季降水差异而导致的湿地水分条件的不同亦有很大的关系。2003年6～9月,所在研究地区降雨量较往年偏少,累积降水量只有261mm,相当于同时期多年平均降雨量的70%左右,沼泽湿地水位相对较低,土壤氧化带深度增加,从而削弱了CH4的排放强度。特别是A带,由于处于季节性积水带,生长季的大部分时间地表无积水(图3b),表层土壤暴露于空气中,氧气的渗透能力相对提高,增强了土壤对CH4的氧化消耗作用,致使CH4排放强度较往年减弱。相对于刘景双等(2003)的报道结果,本研究中N2O的平均排放强度要高得多(表3)。其可能的原因:一方面,2003年7、9月沼泽湿地水位相对较低,土壤强烈的还原环境得以改善,氧化作用部分增强。根据李仲根1)的研究报道,这种环境条件下,土壤中的硝化作用及反硝化作用都能以较高速率进行。另一方面,由于本研究采用的是不透明静态箱,避光条件可能增大了植物排放N2O的能力。陈冠雄等(2003)研究指出,在弱光照条件下,光合作用下降,NO3-和NO2-积累,异化还原作用加强,N2O排放量增加。再者,特殊事件的贡献。特别是A带N2O在6月中旬出现一个持续两周的脉冲排放,最大排放值2.53mg·m-2·d-1,其总排放量占整个生长季的1/3。这可能与此期间A带土壤冻层融通,从而导致土壤中积累的N2O集中释放有关。根据宋长春等(2003)的研究,三江平原沼泽湿地在7月初冻土层全部融通,而季节性积水沼泽冻土层的融通时间还要提前。王跃思等(2002)在内蒙古半干旱草原的研究则发现,由于春融引起的N2O爆发式排放有可能使其月平均通量值跃居至年排放最高值。3.2温度对群落间ch4和no释放的影响一般认为,温度是影响CH4、N2O释放的重要因素(Smithetal.,1998),其作用机理主要是通过制约土壤的产甲烷菌、硝化菌和反硝化菌活性,从而影响土壤CH4、N2O的释放。本研究结果表明,A、B、C带CH4排放通量与气温和5cm深度地温具有一定的相关性,而N2O排放通量与气温和5cm地温之间的相关性均较差。这说明沼泽湿地CH4的排放对温度变化的敏感性较强,而湿地N2O的释放受温度之外的其它因素的影响较大。该结果与前人的研究一致(郑循华等,1997;Macdonaldetal.,1998)。此外,由于水文条件和土壤性质的差异,不同群落类型间5cm土壤温度表现出一定的差异性(表2)。然而,群落间CH4和N2O排放与5cm地温之间无显著的相关关系。说明温度不是导致群落间CH4和N2O排放差异的主要原因,除温度外的其它因素可能对群落间的排放差异起着主导作用(Dingetal.,2003)。水位是制约湿地CH4和N2O释放的一项重要因素(Smithetal.,1998)。研究结果发现,A带N2O排放通量与水位之间的相关性较差,B、C带N2O的排放通量与水位呈显著负相关(r1=-0.701,r2=-0.528)。由此可见,水位是影响常年积水沼泽N2O排放的主要因素(刘景双等,2003)。而从排放强度上来看,CH4的排放速率在群落间差异明显,表现为B、C带较为接近且约为A带的7倍(表2)。相关分析表明,群落间CH4排放与水位呈显著正相关关系,说明水位的差异是导致群落间CH4排放差异的主要原因。CH4排放与水位之间的相关关系已被众多野外和室内研究所证实(Aerts&Ludwig,1997;Dingetal.,2002)。群落内CH4释放与水位的相关性很差,这可能是由于群落内CH4的释放模式受温度季节变化的影响较大(Singhetal.,2000),从而掩盖了水位变化的影响。而群落间CH4释放与水位的相关性显著,则主要是由于群落间水位的差异(表2),决定了湿地植物种类的分布格局,进而影响到产CH4菌易利用性碳源的数量和CH4气体的传输(Dingetal.,2002)。不同植物带间N2O排放通量的差别甚小(表2),这可能是由于A带虽然地表经常无积水,但土壤仍处于饱和或过湿状态,土壤环境以厌氧还原环境为主,从而削弱了与B、C带之间微生物硝化、反硝化作用活性的差别所致。关于CH4和N2O产生的条件,Mitsch和Gosselink(1986)指出CH4是在严格厌氧条件下(Eh<-250mV)产生的,而N2O的产生需要部分厌氧条件(Eh<250mV)。各群落0～100cm深度土壤平均Eh在-130～-315mV之间,土壤处于强烈还原环境,基本趋势是A>B>C,但群落间的差异不显著。相关分析表明,群落间CH4与Eh具有弱相关性,即Eh低的样点,其CH4排放强度大,而Eh高的样点,其CH4排放强度小。Kludze等(1993)的研究表明,土壤的氧化还原电位越低,CH4的产生量越大。本试验结论与此一致。群落间N2O与Eh的相关性很差,说明在强烈