三江平原沼泽湿地植被群落生物量与温室气体排放

三江平原沼泽湿地植被群落生物量与温室气体排放

1温室气体释放过程建模生态研究的重点之一是对生物地球化学过程中微生物作用的估计。为了预测温室气体在所有微生物作用下的影响，必须预测和预测温室气体在未来环境和经济影响下的影响，并采取适当的对策。现在，我们主要使用生态系统类型与温室气体释放量之间的经验关系来计算温室气体的宏观释放量。根据“典型区域”中温室气体释放量及其代表生态系统的体积积，计算温室气体释放量。后者可分为经验公式模型和释放过程机模型。经验公式模型是指根据各种陆地环境气体释放过程的监测结果，为估算温室气体释放量与控制因子之间的定量关系模型，计算客观尺度中的释放。释放过程的机理模型是基于温室气体生成、消耗和传输过程中各控制因素之间的定量关系而建立的模拟模型。有研究者认为,植物生长与微生物过程有内在关系,植物生长动态、营养物质循环与微生物活动产生的温室气体排放密切相关,这个过程是通过影响枯落物中碳的化学性质而控制微生物对枯落物的分解来决定的.利用遥感技术能快速得到地上生物量,如果生物量与温室气体排放之间有很好的相关性,则能够通过遥感技术获取地上生物量而估算出区域的温室气体排放.因此,有必要研究植物生物量与温室气体排放之间的关系.而已有研究表明,氧化亚氮和甲烷的排放与地上生物量有关.本文根据2003年的观测数据,初步探讨典型沼泽湿地地上生物量与CH4、N2O释放量关系.2试验材料和方法2.1实验观测和植物生物量现状研究区选在三江平原有代表性的别拉洪河与浓江河河间地带(133°31′E,47°35′N),区内分布有大面积的天然沼泽湿地.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.气体观测和植物生物量实验布置在黑龙江省东北部的洪河农场三区试验场,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.试验场内的地貌类型为三江平原沼泽发育最为普遍的碟形洼地,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.主要植被类型有小叶章(Deyeuxiaangustifolia)、毛果苔草(C.lasiocarpa)、漂筏苔草(C.pseudocuraica)等.土壤类型依次为泥炭沼泽土和草甸沼泽土.各群落带0～25cm土壤理化性质如表1所示.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群落;靠近洼地中心,长期淹水的毛果苔草群落;位于洼地中心,长期淹水的漂筏苔草群落.2.2气体采集和通量采用静态箱-气相色谱法测定CH4、N2O的气体通量.气体采集箱材质为不透明PVC板(厚度30mm),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,每种植被类型布置两观测点,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,每周观测一次.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.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气体质量分数的分析.在实验室用HP4890气相色谱仪同时测定CH4和N2O质量分数.CH4采用单阀单柱进样、CH4分离采用长度2m、内径2mm的60～80目13XMS色谱柱,柱箱温度55℃,离子火焰化检测器(FID)检测,工作温度为200℃,载气为高纯氮气,流量为30mL/min;N2O采用单阀单柱进样,分离条用长度2m、内径2mm的60～80目PorapakQ色谱柱,用电子捕获检测器(ECD)进行检测,检测器工作温度330℃,载气为高纯氮气,流量为30mL/min;气体通量采用以下公式计算:J=dcdt⋅MV0⋅PP0⋅T0T⋅HJ=dcdt⋅ΜV0⋅ΡΡ0⋅Τ0Τ⋅Η式中,J为气体通量(mg·m-2·h-1);dc/dt为采样时气体体积分数随时间变化的直线斜率;M为被测气体摩尔质量;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、空气绝对温度和气压;H为采样箱高度.本研究以测定植物活体的干重来表示生物量.地上生物量采用收割法,即在样地生物量测定区内按植物生长特点每15d左右采样一次.采样时,在每种植被类型样地内随机选取3～4个25cm×25cm的小样方,用剪刀沿地面剪下植物的地上部分并将其带回实验室.105℃杀青30min,置于80℃烘干箱中烘干至恒重,称量干重.运用Excel2003和SPSS11.5软件包进行数据统计与分析.本文中除作特别说明,平均值都以算术平均值计算.3结果与讨论3.1地上生物量的季节变化三江平原地处我国东北边陲,气候属温带湿润、半湿润气候.受气温、光照、土壤养分、水分状况等因素影响,三江平原主要植被群落生物量呈现出规律性的变化.从2003年生物量监测结果来看:在植物生长期内,毛果苔草(MG)、漂筏苔草(PF)、小叶章湿草甸(XYZ)地上生物量变化呈现出单峰型特征(图1),在8月中旬和9月初达到地上生物量最高值.不同植被类型中以小叶章湿草甸地上生物量最大,毛果苔草和漂筏苔草相对较小.最大峰值过后,随着秋季的来临,温度的降低,植物光合能力减弱并渐趋衰老.在此过程中,营养物质不断流失并开始向地下转移,从而导致地上生物量的降低.至10月中旬左右,随着气温的继续降低,植物地上部分几乎完全枯死并呈立枯状或枯落物归还地表,地上生物量降至最低.尽管地上生物量的变化趋势基本一致,但其生物量的大小以及最大峰值出现的时间却有很大差异.在整个生长季内,小叶章湿草甸的地上生物量不但显著大于漂筏和毛果,而且其最大值出现的时间(8月末)也比毛果、漂筏(9月中旬)提前15d左右.造成这种差异的原因主要与植物体的生物生理特性及各自的生境有关.而这种单峰型的生长曲线又与近20年月平均降水量单峰型的趋势线相吻合(图2),反映出植被生长节律与该区温带季风气候雨热同季的特点相适应.数学模拟表明,沼泽湿地植物的地上生物量的季节变化呈单峰型,可用函数Y=b0+b1T+b2T2+b3T3表示,其中b0,b1,b2,b3为常数,T为时间(d),Y为生物量(g·m-2),R2值在0.87以上,在0.05水平显著(见表2).3.2生长季不同植物带no的排放特征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3).由于三种植物带所处湿地水文条件的差异,CH4排放通量的特征各异.6月,小叶章、漂筏和毛果CH4排放都呈现增加趋势.在7月初季节性积水的小叶章排放达到最大值,而长期积水的毛果和漂筏到7月中旬排放达到最大值.7、8月是长期淹水的漂筏和毛果CH4高排放的集中期,其通量分别达到最高值696.2mg·m-2·d-1和530.4mg·m-2·d-1;而9月,CH4的排放通量较低.季节性淹水的小叶章CH4排放通量7月初达最大排放值204.9mg·m-2·d-1,之后通量迅速降低,8月底降至最小1.3mg·m-2·d-1,之后的9月又出现一个较小的排放峰.总体看来,小叶章CH4的高排放期主要集中在6月底至7月初,较漂筏和毛果有所提前,而持续的时间明显小于前两者.而且群落类型不同,其排放强度也有很大的差异(P<0.01)(表3).生长季毛果和漂筏的平均排放通量分别为259.2mg·m-2·d-1和273.6mg·m-2·d-1,无明显差别,而小叶章的平均排放通量为38.2mg·m-2·d-1,分别为毛果、漂筏的14.7%(P<0.01)和13.9%(P<0.01).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3).图4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,除6月中旬和8月下旬小叶章与毛果、漂筏N2O排放通量差异较大外,生长季其余时间的变化均保持较好的同步性.6月是毛果和漂筏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1.57mg·m-2·d-1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的排放又开始增加,并于9月中旬再次出现N2O的排放峰,最大排放通量1.78mg·m-2·d-1和1.62mg·m-2·d-1.小叶章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,其余时间小叶章点N2O排放通量变化特征与毛果、漂筏点几乎同步.小叶章点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.小叶章群落土壤在6月中旬出现排放高峰,这可能与此期间小叶章群落土壤冻层融通,从而导致土壤反硝化作用加强以及土壤中积累的N2O集中释放有关.Bochove等发现冬季雪覆盖下农田仍有N2O排放,占全年的25%,在春融期出现排放高峰,最大峰值达1.728mgN2O·m-2·d-1.王跃思等在内蒙古半干旱草原的研究发现,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.Teepe等对森林N2O排放研究中,也观测到在5月未融化期出现N2O排放高峰,峰值达1.34mgN2O·m-2·d-1.根据宋长春等的研究,三江平原沼泽湿地在7月初其冻土层全部融通,而季节性积水沼泽冻土层的融通时间还要提前,在融化期间N2O排放通量有一个明显的排放过程.总的来看,三类群落带N2O排放通量都表现出“升高—降低—升高”的变化趋势,但小叶章出现第一个排放高值区的时间要明显提前于毛果和漂筏.生长季小叶章、毛果、漂筏N2O的平均排放通量分别为:0.969mgN2O·m-2·d-1、0.932mgN2O·m-2·d-1和0.983mgN2O·m-2·d-1,群落带间无明显差异(P=0.967)(表3).3.3植物生物量与气排放通量已有研究表明,湿地植物在甲烷排放过程中起着提供底物及传输甲烷和氧气的作用.植物通过根系分泌物和脱落物为产甲烷菌提供底物,植物根的分泌物及呼吸作用产生的CO2是CH4产生的重要基质;较强的光合作用必然增大根系的分泌物的产生,从而影响CH4的产生与排放通量.当季植物提供的甲烷碳一般占生物量的3%～7%,湿地CH4排放通量与生态系统净生产力(NEP)间存在密切的相关关系,生物量越高,甲烷排放就越多,有一定的线性关系.丁维新等研究表明,在同种植物生长的沼泽中,甲烷排放与植物地上部分生物量密切相关,植物生物量是导致同种植物生长的沼泽甲烷排放产生空间变异的关键因素之一.Seastedt认为,植物生物量与N的气体排放通量密切相关,因为两者都与水分和N素的可利用性密切相关.Groffman和Turner选取9种土地利用类型生物量与氮素气体排放量证实含氮气体与生物量呈现强的相关关系.本研究中,由于生物量的采集每月2次,而气体的采集时间为每周采集即每月采集4次,所以将气体通量每半月平均估算这段时间内总的排放量.则每半月气体排放量计算数学表达式为:T=(X1+X2)2×15Τ=(X1+X2)2×15,式中X1、X2分别表示半月中的两次通量值.通过对三江平原沼泽湿地生长季不同植被群落生物量与排放通量排放关系的研究,发现在各植被群落出现最大生物量之前,生物量与CH4、N2O气体排放累积量呈现强的线性相关(如图5).可用线性函数表示:Y=aX+b,其中a,b为常数,X为生物量(g·m-2),Y为气体排放累积量(mg·m-2),R2都在0.89以上,在0.05水平上差异显著(见表4).这说明在沼泽湿地,CH4和N2O的排放量与地上生物量有密切关系.在研究过程中,我们不区分植被类型对生物量与CH4、N2O的排放量进行分析.结果发现,虽然地上生物量与N2O排放量仍呈线性相关(P<0.05),但与CH4排放量关系不明显(图5).这表明,植物生物量并非导致甲烷在不同种植被类型间排放产生的明显空间差异的关键因素,而是导致同种植物生长的沼泽甲烷排放产生空间变异的关键因素.这也说明在今后若以生物量来估算沼泽湿地温室气体排放,应区分不同的植被类型进行估算.4ch4群落排放特征(1)三江平原典型沼泽湿地植物的地上生物量呈现季节性变化,可用函数Y=b0+b1T+b2T2+b3T3表示,其中b0,b1,b2,b3为常数,T为时间(d),Y为生物量(g·m-2),R2值在0.87以上,在0.05水平上显著.(2)三江平原沼泽湿地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.根据排放变化特征,逐时段累加估算出6～9月小叶章、漂