河口感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量對氮沉降的短期響應

李冬冬，　仝　川,b，　黃佳芳,b

(福建師范大學 a． 地理科學學院； b． 濕潤亞熱帶生態-地理過程教育部重點實驗室， 福州 350007)

0　引　言

大氣中位于第一位的溫室氣體是CO2，其為全球變暖作出的貢獻約為63%，雖然大氣中的第二大溫室氣體是CH4，但其增溫潛勢卻是CO2的15～30倍[1]。已有研究表明，大氣中的CH4主要來源于濕地，而且濕地會對CO2產生潛在影響[2]。因此，十分有必要對濕地溫室氣體排放特征開展研究。氮沉降是指大氣中的含氮化合物通過干、濕沉降的形式重回生態系統的過程，近年來，大量燃燒化石燃料、無限制施用氮肥、隨意改變土地利用方式等，使大氣氮沉降量迅速增長[3]。在亞洲, 由于工農業的快速發展, 活性氮的使用和釋放，已經從1961年的14 Tg/a增加到2000年的68Tg/a, 預計到2050年將達到270 Tg/a[4]。中國已位列全球第三大氮沉降區，并且日益嚴重。

河口感潮沼澤濕地位于海洋和大陸的過渡區域，是大氣CH4源和CO2碳，對生態系統具有重要的服務功能[5]。濕地生態系統的氮在大氣和河流的共同作用下，必定改變原有的生物地球化學循環過程，從而影響CO2、CH4排放通量的排放特征。 關于氮沉降對CO2、CH4排放通量影響的研究多見于森林、草地、水稻田及內陸一些天然沼澤濕地[6-7]；關于氮沉降對河口感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量的影響還鮮見報道。

作為我國東南沿海重要的河口濕地之一，閩江河口感潮沼澤濕地承接著從上游和潮汐攜帶而來的大量含氮物質。目前，關于氮沉降對我國亞熱帶河口感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量影響的研究還鮮見報道。本研究以閩江河口道慶洲短葉茳芏(Cyperusmalaccensis)感潮沼澤濕地為研究對象，探討氮沉降對河口感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量的影響。本研究對于認識氮沉降對河口感潮沼澤濕地碳循環過程的影響具有現實意義。

1　研究區與研究方法

1.1　研究區概況

研究樣地位于福建閩江河口自然保護區內鱔魚灘濕地(26°00′36″～26°03′42″N，119°34′12″～119°40′40″E)，是閩江河水從上游攜帶大量泥沙在河口淤積而成。區內是典型的亞熱帶季風氣候，年均溫19.13 ℃，降雨量1 346 mm左右，屬正規半日潮。本研究在鱔魚灘濕地東部堤壩附近的高潮灘內進行，選擇一個短葉茳芏群落廣泛分布的典型樣區進行實驗布設，樣地土壤理化性質見表1。

表1　鱔魚灘感潮沼澤濕地土壤基本理化性質

注：表中數值為均值±標準差，n=4

1.2　實驗設計

在選定短葉茳芏濕地范圍內布設1條20 m×1 m與岸平行的實驗樣帶，將其等距離平分為3個重復樣區，樣區之間間距2 m。在每個處理樣區內等間距設置4個1 m×1 m 的處理小區。根據中國市域氮沉降量的一般區間以及相關研究[8]，設置對照CK(0 g NH4NO3m-2·a-1)及3個梯度的氮沉降處理：N24(24 g NH4NO3m-2·a-1)、N48(48 g NH4NO3m-2·a-1)、N96(96 g NH4NO3m-2·a-1)。將3個氮沉降處理需要施入的NH4NO3量平均分配到12個月中，從2016年10～12月，將每月分配的NH4NO3加蒸餾水配置成NH4NO3溶液。每月選擇1個小潮日樣地出露地表時，使用噴壺向氮沉降處理靜態箱底座內土壤表面噴灑NH4NO3溶液，對照底座內則施加相同量的蒸餾水。

1.3　氣體采集與測定

使用靜態暗箱法采集氣樣，靜態箱由不透明PVC板制成，分為底座和頂箱，底座頂端有環形水槽，底座尺寸：35 cm×35 cm×40cm，頂箱尺寸：35 cm×35 cm×120 cm。頂箱內部頂端裝有小風扇，側面裝有溫度計和丁基膠塞采氣孔。底座長期固定在樣地土壤中，沒入地下35 cm，出露地表5 cm。僅在每月施加溶液的第2 d采集一次氣樣，10～12月每月采集一次，共采集3次。采樣時，將頂箱罩在底座上，底座水槽加水密封，從蓋上頂箱開始每隔15 min用50 mL 帶三通閥的注射器抽取40 mL氣體注入氣袋，共抽取4次。將所采樣品運回實驗室，用氣相色譜儀(Shimadzu GC-2010，Japan)測定氣樣中CO2、CH4濃度。根據以下公式計算排放到大氣環境中的CO2、CH4通量：

式中：F為溫室氣體通量(mg·m-2·h-1)；M為CO2、CH4的摩爾質量(g/mol)；V為標準狀態下的氣體摩爾體積；dc/dt為CO2、CH4的濃度變化率；T為采樣箱內溫度( ℃)；H為采樣箱的箱高(m)。只有濃度數據的線性回歸系數R2>0.9，才計算溫室氣體通量。

1.4　環境因子測定

氣體采集同時測定底座內土壤深度為10 cm的溫度、pH值、電導率以及頂箱內的溫度等因子。土壤pH值采用IQ150便攜式pH計(IQ Scientific Instruments，USA)測定，土壤溫度與電導率采用2265FS 便攜式溫度/電導計(Spectrum Technologies Inc，USA)測定，用頂箱側部安裝的溫度計測定箱內溫度，用烘干法測定含水率，容重用環刀法測定。

1.5　數據處理與分析

運用Microsoft Excel 2003和SPSS 19.0 統計分析軟件對測定數據進行計算和分析，采用Origin 8.0 軟件進行作圖。其中，用Microsoft Excel 2003 軟件對原始數據的平均值及標準差進行計算。不同處理CO2、CH4排放通量的差異性用SPSS 19.0 統計分析軟件中單因素方差分析(ANOVA)進行檢驗，CO2、CH4排放通量與環境因子相關性用SPSS 19.0 統計分析軟件中的Pearson 相關分析進行分析。

2　結果與分析

2.1　CO2排放通量對氮沉降的響應

鱔魚灘感潮沼澤濕地CO2排放通量在不同氮沉降處理下均呈現出隨溫度降低而減少的趨勢(見圖1)。CK、N24、N48和N96處理的CO2平均排放通量分別為：(1 474.59±381.21)、(1 212.77±217.46)、(1 253.83±252.88)和(1 165.75±217.58)mg·m-2·h-1。與對照相比，N24處理CO2平均排放通量減少17.76%，N48處理CO2平均排放通量減少14.97%，N96處理CO2平均排放通量減少20.94%，CK、N24、N48和N96的CO2排放通量的變異系數分別為：77.56%、53.79%、60.51%和55.99%。雖然氮沉降對鱔魚灘感潮沼澤濕地CO2排放通量具有抑制作用，但方差分析顯示，各處理間CO2排放通量的差異性不顯著(P>0.05)，氮沉降對鱔魚灘感潮沼澤濕地CO2排放特征未產生顯著影響。

圖1CO2排放通量對氮沉降的響應

注：不同大寫字母代表同處理不同月份在P<0.05 水平上差異顯著；不同小寫字母代表同月份不同處理在P<0.05 水平上差異顯著(下同)

2.2　CH4排放通量對氮沉降的響應

鱔魚灘感潮沼澤濕地CH4排放通量在不同氮沉降處理下也表現出隨溫度降低而下降的趨勢(見圖2)。CK、N24、N48和N96處理的CH4平均排放通量分別為：(6.73±2.55)、(5.96±2.10)、(4.94±2.47)和(5.59±1.84)mg·m-2·h-1。與對照相比，N24處理CH4平均排放通量下降11.52%，N48處理CH4平均排放通量下降26.63%，N96處理CH4平均排放通量下降16.94%。與對照相比，不同氮沉降處理抑制了CH4排放通量，但方差分析顯示，不同處理CH4排放通量差異性也未達到顯著水平(P>0.05)。

圖2　CH4排放通量對氮沉降的響應

2.3　環境因子變化特征及其與氣體通量的關系

(a)

(b)

(c)

圖3環境因子變化特征

觀測期內，鱔魚灘感潮沼澤濕地土壤溫度總體表現出隨時間下降趨勢(見圖3(a))。方差分析顯示，各處理間土壤溫度差異性不顯著(P>0.05)。而土壤EC的變化規律則呈現出隨時間上升趨勢(見圖3(b))。各處理土壤EC的變化范圍為1.05～3.88(見圖3(c))，具體表現為CK>N96>N24>N48，土壤EC在各處理間差異性不顯著(P>0.05)。而土壤pH則表現出波動變化的特征，CK、N24、N48和N96的土壤pH平均值分別為：(6.50±0.10)、(6.54±0.09)、(6.71±0.06)和(6.37±0.06)，不同處理間土壤pH差異性也不顯著(P>0.05)。相關分析顯示，鱔魚灘感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量與土壤溫度具有極顯著(P<0.01)的正線性相關關系(見表2)。CO2、CH4排放通量與土壤EC和土壤pH除了個別處理之間存在顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)相關外(見表2)，其他的相關性均不顯著(P>0.05)。

表2　環境因子與CO2、CH4排放通量的相關關系

注：*和**分別表示在P<0.05 和P<0.01 水平上顯著相關

3　討　論

3.1　氮沉降對CO2排放通量的影響

3.2　氮沉降對CH4排放通量的影響

氮沉降會對CH4產生、氧化和傳輸過程產生影響，進而對CH4排放通量發生作用[12]。本研究中，鱔魚灘感潮沼澤濕地CH4排放通量受到了氮沉降的抑制作用，曾從盛等也發現CH4的產生會受到硝酸鹽的抑制，且輸入濃度和產生潛力之間具有負相關關系[13]。原因可能為：① 氮沉降使天然濕地土壤氮含量增加，增強了濕地土壤的氧化還原潛力，抑制CH4排放；② 氮沉降對CH4排放的影響主要是通過植被實現的，氮的施入提高了濕地生物量，減少了植被的根莖比，從而減少了CH4的排放[14]；③ 硝酸鹽能夠減少CH4的產生，因為一些微生物在氧化有機質時會將這些負離子作為電子受體，但是在厭氧條件下會從產甲烷菌中離開，從而降低產甲烷菌活性，使CH4排放通量減少。

3.3　環境因子對CO2、CH4排放通量的影響

本研究中，鱔魚灘感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量主要受到土壤溫度的影響，它們之間具有極顯著的正線性相關關系。植物根系呼吸和微生物活性會受控于土壤溫度，進而對CO2排放產生影響。一般來說，土壤溫度升高會增強土壤CO2向大氣的傳輸速率, 使土壤向大氣釋放的CO2增多。同時，土壤溫度升高會增加植株密度、加強根系呼吸、加快微生物分解速率，機碳源供應量增多，進而使更多的CO2得到釋放[15]。而且，土壤溫度升高還會提高微生物活性，增加耗氧量，促進產甲烷菌生長，阻礙甲烷氧化菌作用，從而抑制甲烷氧化，提高甲烷產生速率，最終使CH4排放通量增加。同時，土壤溫度升高，土壤微生物活性增強，植物生長旺盛，根系有機物釋放量增加，使土壤有機碳積累量減少，進而促進CH4排放[16]。本研究中，土壤EC、pH與CO2、CH4排放通量之間大多不相關，這主要與研究時間較短，各處理間的土壤性質差異性不顯著有關。實際上，除了上述的環境因子外，微生物活性、生物量、植被差異、土壤粒徑、含水率、容重等生物和非生物因素也會對溫室氣體的排放產生一定影響。因此，探究多因子耦合作用下長時間的溫室氣體排放特征將是我們今后研究的方向。

4　結　語

(1) 氮沉降對鱔魚灘感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量具有一定的抑制作用，但各處理間的差異性不顯著。

(2) 氮沉降沒有改變鱔魚灘感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量的時間變化規律，CO2、CH4排放通量均表現出隨溫度降低而減少的趨勢。

(3) 鱔魚灘感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量和土壤溫度具有極顯著的正線性相關關系，與土壤EC、土壤pH之間的相關性不顯著。

參考文獻(References)：

[1]IPCC. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2013.

[2]鄧湘雯, 楊晶晶, 陳槐,等. 森林土壤氧化(吸收)甲烷研究進展[J]. 生態環境學報, 2012, 21(3):577-583.

[3]Liu X J, Song L, Chune H E. Nitrogen deposition as an important nutrient from the environment and its impact on ecosystems in China[J]. Journal of Arid Land, 2010, 2(2):137-143.

[4]Galloway J N, Dentener F J, Capone D G,etal. Nitrogen cycles: Past, present, and future[J]. Biogeochemistry, 2004, 70(2):153-226.

[5]Tong C, Wang C, Huang J F,etal. Ecosystem respiration does not differ before and after tidal inundation in brackish marshes of the Min River estuary, Southeast China[J]. Wetlands, 2014, 34(2):225-233.

[6]Ambus P, Robertson G P. The effect of increased N deposition on nitrous oxide, methane and carbon dioxide fluxes from unmanaged forest and grassland communities in Michigan[J]. Biogeochemistry, 2006, 79(3):315-337.

[7]Urban N R, Eisenreich S J. Nitrogen cycling in a forested Minnesota bog[J]. Canadian Journal of Botany, 2011, 66(3):435-449.

[8]高偉, 郭懷成, 后希康. 中國大陸市域人類活動凈氮輸入量(NANI)評估[J]. 北京大學學報(自然科學版), 2014,50(5):951-959.

[9]Mo J, Zhang W, Zhu W,etal. Response of soil respiration to simulated N deposition in a disturbed and a rehabilitated tropical forest in southern China[J]. Plant and Soil, 2007, 296(1):125-135.

[10]李英臣, 宋長春, 劉德燕,等. 草甸沼澤土壤硝化-反硝化作用和有機碳礦化對氮輸入的響應[J]. 水土保持學報, 2009, 23(3):135-138.

[11]Tao B, Song C, Guo Y. Short-term effects of nitrogen additions and increased temperature on wetland soil respiration, sanjiang plain, China[J]. Wetlands, 2013, 33(4):727-736.

[12]胡敏杰, 鄒芳芳, 任鵬,等. 河口潮灘濕地CH4、CO2排放通量對氮硫負荷增強的響應[J]. 環境科學學報, 2016, 36(4):1359-1368.

[13]曾從盛, 王維奇, 仝川. 不同電子受體及鹽分輸入對河口濕地土壤甲烷產生潛力的影響[J]. 地理研究, 2008(6):1321-1330.

[14]胡敏杰, 仝川. 氮輸入對天然濕地溫室氣體通量的影響及機制[J]. 生態學雜志, 2014, 33(7):1969-1976.

[15]仝川, 鄂焱, 廖稷,等. 閩江河口潮汐感潮沼澤濕地CO2排放通量特征[J]. 環境科學學報, 2011, 31(12):2830-2840.

[16]杜慧娜, 謝文霞, 趙全升,等. 膠州灣大沽河口濕地CH4排放通量特征[J]. 濕地科學, 2016, 14(1):44-49.

好奇——創新意識的萌芽；

興趣——創新思維的營養；

質疑——創新行為的舉措；

探索——創新學習的方法。