博斯騰湖人工和天然蘆葦濕地土壤CO2、CH4和N2O排放通量

王金龍,李艷紅,*, 李發東,3,4

1 新疆維吾爾自治區重點實驗室“新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室”，烏魯木齊 830054 2 新疆師范大學地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054 3 中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101 4 中國科學院大學資源與環境學院，北京 100190

蘆葦濕地是世界上分布較廣、占地面積較大的主要濕地類型,在溫室氣體CO2、CH4和N2O的匯集和排放中起到重要作用[1]。了解蘆葦濕地溫室氣體排放規律,準確估算蘆葦濕地溫室氣體排放量對于正確理解大氣溫室氣體的動態變化是十分必要的。國內外研究學者將天然蘆葦濕地生態系統作為一種類型和其他生態系統對比,從而體現其溫室氣體排放特征。王蒙[2]對杭州灣蘆葦濕地CH4、N2O和CO2排放通量研究表明,土壤有機碳、pH和土壤溫度等對溫室氣體排放通量有顯著影響。Kaki等[3]對芬蘭南部的沿海蘆葦濕地甲烷排放研究表明,濕熱的生長季節甲烷排放通量高于干冷的非生長季節。張穎等[4]對遼河河口蘆葦濕地N2O通量研究表明,蘆葦濕地是N2O的重要的排放“源”,N2O通量秋季顯著高于夏季。近些年來,人工濕地技術處理污水日益廣泛,導致人工蘆葦濕地面積顯著增多,這會對大氣溫室氣體的變化產生重要的影響。博斯騰湖是我國最大的內陸淡水湖泊,也是我國重要的蘆葦濕地[5],天然蘆葦濕地面積約384.80km2,人工蘆葦濕地面積約122.51km2。研究淡水湖泊人工、天然蘆葦濕地土壤溫室氣體源匯問題,其研究結果對深入研究干旱區湖泊濕地溫室氣體排放通量,尤其是對干旱區湖泊濕地蘆葦人工恢復技術推廣具有重要的科學價值。因此,本文以干旱區博斯騰湖蘆葦濕地土壤為研究對象,選取人工和天然蘆葦濕地為研究區域,探究人工和天然蘆葦濕地土壤CO2、CH4和N2O的排放特征,探討土壤溫度、土壤含水量等環境因素對CO2、CH4和N2O排放的影響,對我國蘆葦濕地溫室氣體觀測數據進行重要補充,同時為評價我國干旱區蘆葦濕地在全球氣候變化中的作用提供科學參考。

1 試驗地概況

博斯騰湖位于新疆巴音郭愣蒙古族自治州(41°44′—42°16′N,86°11′—87°27′E),是全國最大的內陸淡水湖泊。湖區降水稀少,多年平均降水量為77.23mm,年蒸發量為2241.48mm,屬中溫帶干旱荒漠氣候。年均日照時數3074—3143h,晝夜溫差大,良好的光熱條件,為湖區蘆葦的生長提供了極為有利的自然條件。研究區設置在博斯騰湖西岸揚水泵站附近,土壤以沼澤土為主,天然蘆葦主要依靠湖水漫溢或地下水維持生命,人工蘆葦利用農田排水和灌渠退水作為生長用水,長勢優于天然蘆葦。樣地內人工蘆葦和天然蘆葦的平均蓋度分別為72%、43%,平均高度分別為3.52、1.79m,地上生物量分別為1148.75、175.25g/m2。

2 研究方法

2.1 氣體采集與分析

本研究設置人工蘆葦濕地(artificial reed wetland)和天然蘆葦濕地(natural reed wetland)2個處理,每個處理設3個重復,共計6個小區,各小區面積為10m×10m。土壤CO2、CH4和N2O的獲取與測定采用靜態箱-氣相色譜法。靜態箱體由內徑22cm、高19.5cm的圓柱形PVC管制成,不銹鋼底座嵌入土壤中并固定于采氣樣點,整個觀測期不再移動。土壤溫室氣體采集從2015 年1月開始至2015年12月結束,采樣頻次為每月1次。根據研究區的不同,將一年分為四季,即春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(1—2月、12月),為避免天氣等因素的影響,選取天氣晴朗、風速大致均一的條件下進行氣體樣品采集。采樣均于當地時間9:00開始[6]。采氣時,將采氣箱放在不銹鋼底座凹槽中,立即注水密封,并用100mL 塑料注射器于扣箱后0、5、10、15min 分別抽取30mL氣體,每個小區共采集4個氣樣,采集的氣樣迅速寄往中國科學院禹城綜合試驗站,并使用氣相色譜儀(GC 7890A)進行分析。采氣期間同時記錄土壤溫度(5cm)、近地表溫度。

氣體通量的計算是通過氣體濃度隨時間的變化,計算單位地表面積的氣體排放通量。土壤溫室氣體排放通量用以下公式計算[7]：

F=60/100ρh×p/1013×273/(273+T)×dCt/dt

式中：F是被測氣體排放通量[CO2單位為mg m-2h-1,CH4和N2O單位為μg m-2h-1];ρ為標準狀態下被測氣體的密度(g/L)；h為箱高(cm)；p為采樣點的氣壓(kPa)；T為采樣時箱內平均氣溫(℃)；t是采樣時間(min)；dCt/dt為采集箱內被測氣體體積分數的變化率[μL L-1min-1]。

年度累計排放量以相鄰兩次采樣平均通量乘以間隔時間然后累加得出,即：

M=(Fi+1+Fi)/2×(ti+1-ti)×24

式中：M為土壤CO2、CH4或N2O累積排放總量；F為CO2、CH4或N2O排放通量；i代表采樣次數；ti+1+ti表示兩個相鄰測定日期的間隔。

本研究選取100年尺度來計算土壤CH4和N2O排放的全球增溫潛勢(GWP)：

GWP=25×[CH4]+298×[N2O]+1×[CO2]

式中：25和298分別為CH4和N2O在百年尺度上相對于CO2的GWP倍數。

2.2 土壤采集與測定

2.3 數據分析與處理

采用Pearson相關分析溫室氣體與環境因子的關系,采用t檢驗比較人工、天然蘆葦濕地之間溫室氣體通量的差異,統計分析采用SPSS 19.0 完成,采用Sigma Plot 10.0 作圖。

3 結果與分析

3.1 人工、天然蘆葦濕地土壤CO2、CH4和N2O排放規律

人工和天然蘆葦濕地土壤CO2通量的季節變化形式基本一致(圖1),是以夏季為排放峰值的單峰曲線,但二者排放強度存在差異。人工、天然蘆葦濕地土壤CO2排放范圍分別為: 10.1—588.4、10.3—469.6mg m-2h-1,年排放均值分別為172.4mg m-2h-1和142.6mg m-2h-1；人工和天然蘆葦濕地的CH4的排放具有一致的季節變化規律,但表現出較大的年際波動(圖1)。二者土壤CH4排放形式為以5月和9月為峰值的雙峰曲線形式。春季返青期開始驟增,5月排放量最大,至冬季CH4的排放形式較為平緩。人工、天然蘆葦濕地土壤的CH4排放范圍分別為:2.9—82.4、3.1—64.8μg m-2h-1,年排放均值分別為29.1μg m-2h-1和23.8μg m-2h-1；人工、天然蘆葦濕地土壤N2O通量的季節變化形式基本一致(圖1),是以春末夏初的6月為排放峰值的單峰曲線。春季返青期開始驟增,至6月排放量最大,之后緩慢下降,于冬季達到最低。人工、天然蘆葦濕地土壤N2O排放范圍分別為: 1.32—29.7、1.9—14.3μg m-2h-1,年排放均值分別為10.8μg m-2h-1和7.8μg m-2h-1。綜上所述,人工蘆葦濕地土壤CO2、CH4和N2O排放通量均大于天然蘆葦濕地,但差異不顯著(P>0.05)。

圖1 人工、天然蘆葦濕地土壤CO2、CH4和N2O排放通量Fig.1 Fluxes soil of CO2, CH4, and N2O in artificial and natural reed wetlands

3.2 人工、天然蘆葦濕地土壤CO2、CH4和N2O通量與水熱因子的關系

2015年人工、天然蘆葦濕地土壤溫度變化趨勢及變幅近一致,均為單峰曲線,二者土壤溫度變化范圍分別為-7—18.7℃、-7.2—21.1℃(圖2)；人工、天然蘆葦濕地近地面大氣溫度變化趨勢均為單峰曲線,峰值出現在8月,變化范圍分別為-8—20℃、-10—25℃(圖2)；人工、天然蘆葦濕地土壤含水量變化趨勢均為雙峰曲線,在 5月達到峰值,此后下降,于9—10月逐漸回升,局部有所波動,變化范圍分別為6%—18%、4.9%—17%(圖2)。t檢驗表明,人工、天然蘆葦濕地之間的土壤溫度和近地表溫度無顯著差異(P>0.05),但人工蘆葦濕地土壤含水量顯著高于天然蘆葦濕地(P<0.05)。

圖2 人工、天然蘆葦濕地全年土壤溫度、近地表溫度和土壤含水量變化趨勢Fig.2 The trend of annual soil temperature, near-surface temperature and soil water content in artificial and natural reed wetlands

由表1可知,土壤溫度對人工、天然蘆葦濕地溫室氣體通量的影響存在差異。土壤溫度與人工、天然蘆葦濕地CO2和N2O通量均達到極顯著正相關(P<0.01),與CH4通量均達到顯著正相關(P<0.05)；土壤含水量與CO2通量均未達到顯著相關水平,但對人工蘆葦濕地CO2通量的影響更明顯。土壤含水量與CH4通量呈極顯著正相關(P<0.01),同樣與N2O通量均未達到顯著相關水平；近地表溫度對人工、天然蘆葦濕地溫室氣體通量的影響與土壤溫度相一致,與CO2及N2O通量均達到極顯著正相關(P<0.01),與CH4通量均達到顯著正相關(P<0.05)。

表1 土壤CO2、CH4和N2O通量與水熱因子相關關系

**極顯著相關(P<0.01); *顯著相關(P<0.05)

3.3 人工、天然蘆葦濕地土壤CO2、CH4和N2O通量與土壤理化性質的關系

2015年人工、天然蘆葦濕地土壤均呈堿性,土壤pH值季節變化不明顯,二者pH最高值均于秋季出現,而最低值出現于夏季,變化范圍分別為7.68—9.07、7.84—9.30(圖3)；天然蘆葦濕地土壤鹽分含量有明顯的季節變化,并且顯著高于人工蘆葦濕地(P<0.05),變化范圍分別為1.72—7.34、0.93—1.25g/kg(圖3)；人工、天然蘆葦濕地土壤有機碳含量季節變化明顯,二者峰值分別出現在秋季和夏季,變化范圍分別為10.53—19.29、10.20—18.49g/kg(圖3)；人工、天然蘆葦濕地土壤銨態氮和硝態氮含量季節變化均較明顯,二者均在夏季和秋季達到峰值,變化范圍分別為6.07—50.33mg/kg和25.41—77.87 mg/kg、4.55—10.33mg/kg和8.69—60.87mg/kg(圖3)。

圖3 人工、天然蘆葦濕地土壤理化性質變化趨勢Fig.3 The trend of soil physical and chemical properties in artificial and natural reed wetlands

表2 土壤CO2、CH4和N2O通量與土壤理化性質相關關系

**極顯著相關(P<0.01); *顯著相關(P<0.05)

3.4 人工、天然蘆葦濕地溫室氣體累積排放總量及GWP

溫室氣體累積排放量的大小可以反映某段時間內溫室氣體排放強度的大小。全球增溫潛勢(GWP)通常被用來定量衡量不同溫室氣體對全球變暖的相對影響,常以CO2當量來衡量[9]。在百年時間尺度上,1分子 CH4排放到大氣中相當于25分子CO2的輻射影響,而1分子N2O的輻射影響是CO2的298倍[10]。研究測定表明(表3),人工蘆葦濕地土壤CO2、CH4和N2O累積排放量均高于天然蘆葦濕地。這可能是由于人工蘆葦較好的生長狀況改善了土壤環境條件,更有利于CO2、CH4和N2O的產生。另外,其較豐富的根系在CO2、 CH4和 N2O的產生和排放中起到重要作用。植物根系分泌物不僅可以為溫室氣體的產生提供底物[11],還能刺激土壤有機碳的分解[12],從而促進CO2、CH4和N2O的產生。本研究中測定的CO2通量是靜態箱內土壤排放的CO2量,未考慮植物對CO2的吸收固定,因此,土壤CO2年累積排放總量較高。全球增溫潛勢的大小取決于 3 種溫室氣體累積排放量的大小。博斯騰湖蘆葦濕地土壤全球增溫潛勢表現為：人工蘆葦濕地(15150.18kg/hm2)>天然蘆葦濕地 (12484.21kg/hm2)。這可能是由于人為干預后,人工蘆葦生物量明顯增大,大量的凋落物提供了充足的碳源,使得土壤中碳的排放大于碳的固定,溫室氣體累積排放量及增溫潛勢高于天然蘆葦。綜上所述,人工和天然蘆葦濕地在100年時間尺度上綜合表現為溫室氣體的“源”,表明人工和天然蘆葦濕地土壤對全球變暖有促進作用。

表3 人工、天然蘆葦濕地土壤溫室氣體累積排放通量及全球增溫潛勢

4 討論

4.1 人工、天然蘆葦濕地土壤CO2排放特征及差異

4.2 人工、天然蘆葦濕地土壤CH4排放特征及差異

博斯騰湖人工、天然蘆葦濕地土壤CH4季節排放通量表現為以5月和9月為峰值的雙峰曲線形式,這與遼河三角洲蘆葦濕地甲烷以夏季為排放峰值的單峰曲線形式不一致[19]。人工、天然蘆葦濕地土壤CH4年排放范圍分別為2.9—82.4、3.1—64.8μg m-2h-1,高于扎龍高寒蘆葦濕地[20],低于杭州灣蘆葦濕地[21]、遼河三角洲蘆葦濕地[22],甲烷排放通量大小存在差異可能是由于不同地域的環境因子與蘆葦生長階段和狀態的不同造成的。觀測期內人工、天然蘆葦濕地土壤CH4排放出現雙峰形式,是由于4月下旬開始凍土融化過程使得土壤含水率升高,而9月降水明顯增多,土壤水分增高有利于產甲烷菌活性增強,而人工蘆葦濕地由于人工引灌,其土壤含水量顯著高于天然蘆葦濕地(P<0.05),因此表現為更強的CH4排放。人工、天然蘆葦濕地年均土壤CH4排放通量大小表現為：人工蘆葦濕地>天然蘆葦濕地,這可能與不同生長狀況下 CH4產生所需的底物數量、產甲烷菌活性和土壤理化性質等的差異有關[23]。土壤有機碳是土壤CH4產生的底物來源之一[24],它通過為產甲烷菌提供產CH4底物和能源而間接影響CH4的產生。有研究表明,土壤CH4排放通量與土壤有機碳含量呈顯著的正相關關系[25],這與本文研究結論一致。土壤pH及鹽分是通過影響微生物及酶活性進而影響土壤CH4的產生。研究表明,土壤產甲烷菌的最佳pH范圍為6.9—7.2之間[26],并且一定濃度的鹽分對濕地甲烷的產生與排放具有促進作用[27]。但土壤pH及鹽分是通過自身變化而引起其他理化性質的變化,并未直接影響土壤CH4的產生。因此,土壤有機碳含量和土壤含水量的差異可能是造成兩者CH4排放通量不同的主要原因。

4.3 人工、天然蘆葦濕地土壤N2O排放特征及差異

5 結論

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