膠州灣潮灘濕地CHBr3通量特征及影響因素研究

宮 健,謝文霞,柴 娜 (青島大學環境科學與工程學院,山東 青島 266071)

溴仿(CHBr3)是一種重要的揮發性鹵代烴(Volatile halocarbons, VHCs)氣體,它們能在大氣中發生光化學反應產生 Br自由基.Br自由基能與大氣中的OH、O3和NO3等發生反應,對臭氧層造成破壞并且可能改變大氣中某些成分(如 CH4、氮氧化物、硫化物等)的濃度,進而對全球溫室效應產生顯著影響[1-2].雖然在大氣中 CHBr3的濃度低于二氧化碳(CO2)的濃度,但從單個分子角度來看,其吸收輻射能力遠遠大于CO2[3].由于CHBr3等VHCs對全球氣候變化所起到的重要作用,他們在海洋等環境中的研究引起各國學者的關注,在各大洋及其近海海域對其源與匯、時空變化、影響因素和海-氣交換通量等進行了大量研究[4-8].而對于受海洋和陸地雙重影響的濱海濕地揮發性鹵代烴排放特征的研究較為缺乏,這將嚴重影響全球揮發性鹵代烴排放通量估算的準確性.濱海濕地具有豐富的底物,土壤有機質含量較高,在全球碳循環中具有重要作用[9].

互花米草(Spartina alterniflora)在1979年從北美被引種到我國沿海地區,由于其超強的繁殖能力和適應能力,對當地生態環境構成嚴重威脅和破壞,已成為我國沿海濕地最嚴重的入侵物種[10].有研究表明,互花米草入侵增加了根際土壤碳含量,提高了甲烷(CH4)等溫室氣體的排放[11-12].互花米草的入侵使濕地生態環境發生很大變化,對其生源要素的循環過程產生一定影響.目前,國內對濕地溫室痕量氣體排放進行了大量研究,主要集中在黃河口鹽沼[13-14],長江口鹽沼[15-16],閩江河口濕地[17-18],福建紅樹林濕地[19].對CH4、N2O和CO2氣體的通量特征,影響因素和時空變化等方面進行了研究[20-23].而關于CHBr3通量特征的研究主要在東海,渤海以及黃海海域[24-28],對互花米草濕地 CHBr3通量的研究較為缺乏.Rhew等[29]研究指出,沿海鹽沼濕地可能是全球痕量氣體的重要來源.鑒于此,本研究選擇膠州灣互花米草濕地和光灘為研究對象,對不同潮灘濕地CHBr3排放通量、時空變化和影響因素等進行相關探究,為合理預測全球氣候變化提供依據.

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于山東省膠州灣洋河入海口濱海潮灘濕地(120°03′E～120°25′E, 36°10′N～37°12′N).膠州灣為一半封閉型海灣,面積約 438km2,灣內寬闊開敞,自然條件有相對的獨立性.膠州灣的潮汐為典型的半日潮,平均潮差2.71m,最大潮差6.87m.研究區平均降雨量 775.6mm,年均氣溫在 12.2℃,雨熱同期,有明顯的四季變化,屬于暖溫帶季風氣候.土壤類型主要是鹽漬土,覆蓋植被類型以互花米草為主.

1.2 樣地選擇與樣品采集

在膠州灣洋河入海口依據有無植被覆蓋來確定2個研究樣地,根據距海遠近,依次是互花米草濕地和光灘.在每個采樣地分別設置3個平行采樣箱,研究采用的數據是基于3個平行采樣箱數據的平均值.采樣地土壤的基本理化性質詳見表1.

本試驗原位采樣時間跨度為2016年7月～2017年5月,具體采樣時間為2016年7月、8月、9月、10月、11月、12月和2017年3月及5月,每月采樣1次.采用靜態箱法進行氣體樣品的采集.箱法比較簡單,在野外觀測中具有移動便利、擴展性強和靈敏度高等特點,尤其是在進行不同土壤類型處理的觀測方面擁有不可替代的優勢,是濕地痕量氣體觀測最常用的方法[30].采樣裝置由箱體(50cm×50cm×50cm)和底座(50cm×50cm×20cm)兩部分組成.箱體外部包裹有一定厚度的泡沫,防止由于直接輻射的影響而造成箱內溫度的大幅波動.底座上端有一2cm寬,3cm深的凹槽,采樣時將箱體罩在底座上,凹槽內填充水進行密封,防止箱體內氣體外漏和外界氣體進入.箱體內裝有用來攪動空氣的小風扇,測量箱溫的溫度傳感器,采集氣體的三通閥以及平衡箱體內外壓力的平衡管.氣體測量時間分別為10:00、13:00和16:00,在每個時間點重復測量3次,時間間隔為20min.采集的氣體注入到 1L的鋁塑復合氣袋(化工部大連光明化工研究所生產),在24h內帶回實驗室用Agilent 6890N氣相色譜儀進行分析.在氣體樣品采集過程中,同步進行氣溫、箱溫和地溫(0～25cm)的測量.同時在每個樣點進行采集 0～60cm 的土壤樣品,測定土壤含水量,鹽度,pH值,總有機碳和總硫.其中用重量法測定土壤含水量,電導分析法測量鹽度,電位法測pH值.分別用重鉻酸鉀氧化分光光度法和硫酸鋇濁度法測定總有機碳(TOC)濃度和總硫(TS).

表1 不同觀測點土壤理化性質比較Table 1 Comparison of environmental conditions of soils at different sampling sites

1.3 通量計算與統計分析

圖1 互花米草濕地和光灘在不同月份CHBr3通量變化Fig.1 Variations of CHBr3 fluxes from S. alterniflora marsh and bare flat marsh in different months

圖2 不同季節不同潮灘濕地環境溫度變化Fig.2 Variations of environment temperatures in different marshes in different season

CHBr3排放通量采用下式進行計算:式中:F為氣體排放通量, nmol/(m2?d);H 為箱體高度,m;h為水位高度,m;Vo為標準狀況下氣體的摩爾體積,(22.4L/mol);P為采樣點氣壓,Pa;PO為標準狀態下空氣氣壓,Pa;T為箱內溫度;dc/dt為單位時間箱體內氣體濃度的變化率,使用線性擬合氣體摩爾濃度隨采樣時間的變化,相關系數的平方至少大于0.9.

采用One-Way ANOVA對同一地帶不同季節以及同一季節不同地帶進行單因素差異性方差分析.運用Pearson相關性分析來檢測氣體通量和環境因素間的相關性.用 Origin2017對數據進行繪圖,SPSS20.0對數據進行統計分析.

2 結果與分析

2.1 CHBr3通量特征

圖3 不同季節CHBr3通量在不同潮灘濕地之間的空間差異Fig.3 Spatial difference of CHBr3 fluxes among different marshes in different season

整個采樣期間,在互花米草濕地和光灘的 CHBr3通 量 范 圍 為 -24.97～29.16nmol/(m2?d),年 均 值 為8.98nmol/(m2?d),整體表現為 CHBr3的排放源.在互花米草濕地和光灘,春夏秋冬四個季節的通量分別為9.21, 21.60, 11.35, 1.50nmol/(m2?d)以及 27.83, -2.71,-6.74, 17.47nmol/(m2?d).互花米草濕地中,四個季節中CHBr3均表現為排放,夏季排放明顯高于其他季節,但季節間沒有顯著性差異(P＞0.05).在光灘,夏秋季CHBr3表現為消耗,春冬季表現為排放,且不同季節間CHBr3通量沒有顯著性差異(P＞0.05).從圖 3中可知,CHBr3通量在互花米草濕地和光灘之間呈現相反的季節變化趨勢,互花米草濕地夏秋季高,光灘冬春季高.互花米草濕地的 CHBr3排放通量要高于光灘,但沒有顯著性差異.

2.2 環境因子的變化

據圖2可知,互花米草濕地和光灘在不同季節間溫度變化均比較明顯,且兩地之間的溫度變化趨勢較為一致.氣溫和不同深度地溫(0～25cm)之間的變化趨勢相似.自春季至夏季,氣溫和地溫(0～25cm)呈增加趨勢,且在夏季達到最高值,之后開始減小,在冬季氣溫和地溫均降到最低值.不同采樣點間的 pH值具有顯著性差異(P＜0.05),且互花米草濕地的pH值顯著高于光灘.互花米草濕地的有機質和 TOC含量明顯高于光灘,但兩個采樣點之間均沒有顯著性差異(P＞0.05).互花米草濕地和光灘的鹽度和含水率均沒有顯著性差異(P＞0.05),在互花米草濕地的鹽度和含水率較高.光灘的 TS含量高于互花米草濕地,但兩個采樣點之間沒有顯著性差異(P＞0.05).

表2 不同濱海地區CHBr3排放通量的比較Table 2 Comparison of CHBr3 fluxes from different coastal areas

2.3 與其他濱海地區CHBr3通量的比較

表2總結了已發表的不同研究區的CHBr3通量數據.本研究中膠州灣潮灘濕地CHBr3通量的變化范圍大于葡萄牙 Ria Formosa瀉湖和北黃海的 CHBr3通量變化范圍,小于其他研究區CHBr3通量的變化范圍.東海冬季 CHBr3平均通量[56.08nmol/(m2?d)]要大于南極海岸CHBr3平均通量[32.2nmol/(m2?d)]地區測量的CHBr3平均通量,這可能是由于南極海岸地區溫度較低造成的.在渤海和北黃海地區以及東海地區,在不同采樣時間,CHBr3通量變化也不一致,這也說明溫度變化對CHBr3通量變化有著重要影響.綜合來看,各研究區整體均表現為CHBr3通量的“源”.

表3 CHBr3排放通量與環境因子的相關性分析Table 3 Pearson correlation analysis between CHBr3 fluxes and environmental paraments

3 討論

3.1 環境因子的識別

為了探究影響CHBr3通量的可能主控因素,在本研究中對在采樣過程中測量的環境因素進行了主成分分析.在統計學上,一般認為 KMO 檢驗值大于0.6,Bartlett球形檢驗概率小于顯著性水平 0.01,則適合進行主成分分析.本文對所選取的 12個環境變量進行主成分分析發現,KMO值為 0.795,Bartlett球形檢驗概率為 0.000,由此判斷原是變量存在相關關系,適合進行主成分分析.表4是特征值及主成分貢獻率的列表.本研究中使用特征值和累積方差貢獻率兩種方法來確定主成分的數量.從表4中可以看出,提取的三個特征值大于 1的主成分(1,2,3),它們的累積方差貢獻率為 88.859%,表明提取的主成分涵蓋了原始變量足夠的信息,較好的反映了研究區的環境特征.

根據主成分分析結果(表 5),主成分 1與環境因子X7～X12有較大的正相關,與環境因子X4、X6有較大的負相關,說明主成分 1基本反映了這些環境因子的信息,而這些環境因子主要與土壤有機質和熱量有關,因此可以將主成分1看作熱量和有機質因子的代表.環境因子X2～X3及X5在主成分2上有較大的相關性,說明主成分2基本反映了這些環境因子的信息,而這些環境因子與水鹽條件和土壤營養元素相關,因此將主成分2看作是水鹽條件和土壤營養元素的代表.只有環境因子 X1在主成分3上有較大的正相關,因此將主成分3識別為pH因子.通過逐步引入-剔除法 (stepwise)建立這些環境因素與CHBr3通量的回歸方程:

式中:Y為CHBr3通量,X6為氣溫.

表4 特征值及主成分貢獻率Table 4 Eigenvalues and principal component contribution rates

表5 主成分載荷Table 5 Load of principal components

環境因素中只有氣溫進入回歸方程,說明熱量的變化對膠州灣濱海濕地系統CHBr3的排放影響顯著.回歸分析還發現,其他因素對CHBr3通量的變化也有一定影響,雖未達到顯著水平但也不容忽視.

3.2 溫度

溫度是影響痕量氣體排放的重要因素,通過影響合成酶及微生物的活性,使得 CHBr3通量有明顯的季節變化[33].溫度是季節性變化較為明顯的影響因子.在互花米草濕地,CHBr3通量的季節變化與溫度的季節變化相一致.CHBr3排放的最大通量與溫度的最大值均出現在夏季,而在冬季溫度達到最低時,CHBr3通量也處于最低值,本實驗結果說明溫度是影響 CHBr3季節性通量變化的重要因素.這與Rhew等[34]的研究結果相一致.溫度能夠影響生物反應速率以及土壤和大氣之間的氣體交換速率[35].夏季溫度較高,微生物活動增強,氣體產生和排放速率增加;溫度較低時,微生物和酶活性不能正常發揮,有機物的降解速率降低,這可能是互花米草濕地夏季 CH3Br通量大于冬季的重要原因.Redeker等[36]對水稻土的研究發現,鹵代烴的排放通量與氣溫之間具有顯著相關性.本研究中也得出了相同的結論,由CHBr3通量與環境因子的相關性分析(表3),互花米草濕地不同深度地溫(0～25cm)與CHBr3通量之間呈極顯著正相關,說明溫度對 CHBr3排放具有一定的促進作用,是影響CHBr3通量的重要因素.

在光灘,CHBr3通量與溫度的季節變化呈相反的變化趨勢,在溫度較高的夏秋季節,CHBr3的排放通量反而要低于溫度較低的冬春季節.有研究指出,在中高緯地區,發生在冬季和初春的凍融交替過程是影響濕地痕量氣體排放的重要過程[37-38],這一結論已在濕地 N2O排放中得到驗證.而本研究位于中緯度地區,在冬春季節土壤表層會發生凍融循環過程.因此,在冬春季較高的 CHBr3通量也可能與凍融循環現象有關.此外,由表 3,光灘的氣溫與 CHBr3通量之間呈極顯著負相關(P＜0.01),各土層深度的地溫(0～25cm)與 CHBr3通量相關性不顯著,這表明溫度可能不是影響光灘 CHBr3通量的主要因子.夏秋季節較低的CHBr3通量可能與多種影響因子的交互作用有關.產生這種情況的原因一方面可能是由于光灘環境更為復雜,溫度和其他生物和非生物因子產生復雜的交互作用,從而將溫度的效應掩蓋,沒有體現出來.另一方面,本實驗沒有在完整的漲落潮循環過程中測量氣體通量和環境因子,這可能導致一些重要環境因子的變化被錯失.

3.3 土壤理化性質

CHBr3的產生和排放是一個復雜的過程,與土壤微生物和酶活性等密切相關.土壤理化性質的變化能引起微生物等發生相應的改變,從而對氣體通量變化產生影響.

鹽分是影響氣體排放的重要因子.Xu等[39]研究表明,過高的鹽度會降低微生物的降解速率.鹽度過高會通過滲透壓脅迫抑制土壤微生物活性,從而降低有機質分解速率,最終影響氣體產生和排放[40].

水分含量可以直接影響氣體擴散速率,微生物活性和氧氣可利用率,并間接影響土壤pH等與氣體產生相關的因素,從而對氣體排放產生影響[41].本研究中,觀測期間的潮汐較弱,在互花米草濕地和光灘受潮汐作用影響不大.CHBr3通量與含水率之間相關性均不顯著,可能是由于不同樣區之間土壤含水率沒有顯著差異,導致 CHBr3排放受土壤含水率的影響不明顯.潮汐是沿海濕地的典型影響因素.潮汐作用通過各種物理、化學和生物過程,來影響濕地土壤生源要素的循環過程[42].海水中含有豐富的鹵離子和甲基供體,隨潮汐循環過程帶入濕地,為鹵代烴氣體產生提供了必要條件.已有研究證明[43-44],甲基供體(如 S-腺苷甲胺酸 SAM和二甲基硫丙酸 DMSP)對鹵離子的甲基化過程可以形成鹵代烷烴,是鹽沼鹵代烴自然生產的重要過程.此外,潮水是鹵代烴排放的重要源.很多研究表明[26,45],海水中有較高的CHBr3排放.沿海濕地中CHBr3等鹵代烴的排放通量有來自潮水的貢獻.潮汐對氣體通量的具體影響機制和過程還需要進一步的探究.

土壤 pH是微生物代謝過程中重要的影響因素.pH的變化會對微生物和酶活性產生影響,進而影響氣體的排放.有研究表明[46],當pH由強酸性向中性范圍變化時,土壤微生物數量會隨著 pH的升高而增加.Weissflog等[47]研究發現,揮發性鹵代烴排放量在pH呈酸性的湖泊要比pH呈中性的湖泊低.在本研究中也得到了相似的結果,互花米草濕地的 pH低于光灘,因而CHBr3通量也較光灘高.土壤pH會影響微生物的生存、活性和數量,較低的 pH會減少微生物的多樣性,從而減少氣體的產生[48-49].

在互花米草濕地和光灘,土壤有機質含量存在空間差異,互花米草濕地土壤有機質和TOC的含量高于光灘區.鹽沼土壤有機質分布的空間差異,會影響到土壤微生物種類和數量的空間差異性[50],進而影響氣體通量.王進欣等[51]研究表明,有機質含量較高的濕地對應較高的氣體通量,且氣體通量與土壤有機質之間有具有相關性.在本研究中得出了相同的結果,有機質含量較高的互花米草濕地的氣體通量高于光灘.但CHBr3通量與有機質在互花米草區相關性不顯著,光灘區呈顯著負相關.這種差異可能是由于不同地區間地形、坡度、水文和物種組成等條件的差異造成的[50].另一方面也說明氣體通量并不僅僅受單一因素的影響,有機質和其他因素的交互效應具有重要作用.

3.4 植物

研究區植被以互花米草為主,屬于維管束植物,具有高度發達的通氣組織,能為氣體排放提供通道[21].已有研究表明[53],通過米草等通氣組織發達的植物,可以有效促進氣體從沉積物向大氣中擴散.本研究中光灘沒有植被覆蓋,且CHBr3通量要低于互花米草樣區,表明互花米草有利于CHBr3通量的排放.互花米草入侵顯著提高土壤有機質含量,隨著入侵年限的增加,土壤有機碳含量逐漸增加[54-55].Ruecker等[56]發現,在鹽沼環境中,植物和植物相關的微生物群落是揮發性有機物的主要來源.根際區土壤較高的有機質含量可以為真菌等微生物活動提供豐富的碳源,促進微生物分解,并通過植物通氣組織輸送到大氣中.這說明互花米草濕地較高的 CHBr3通量可能與較高的有機質有關(表 1).王進欣等[57]研究發現,鹵代烴排放的季節變化更多的受植物地上生物量的影響.在本研究中,得到了相似的結果,在生長季(夏秋季)的 CHBr3通量明顯高于非生長季(冬春季)的 CHBr3通量,這表明互花米草濕地 CHBr3通量的季節變化與植被的生長期變化有明顯的對應關系,互花米草生長的季節變化會影響CHBr3通量變化.生長季植被具有更高的生物生產和更大的地上生物量[58],更有利于氣體的傳輸和排放.與生長季相比,冬季互花米草已經枯萎,通過植被進行氣體傳輸的途徑受到抑制[14].而且,在冬季,微生物群落和微生物活性遠低于其他季節[59].因此,在一定程度上,互花米草具有促進CHBr3排放的作用.

4 結論

4.1 綜合來看,膠州灣潮灘濕地是 CHBr3的排放源,互花米草濕地和光灘的 CHBr3通量均值分別為10.92nmol/(m2?d)和 8.96nmol/(m2?d),互花米草濕地在一定程度上能夠促進CHBr3的排放.

4.2 膠州灣潮灘濕地系統中不同潮灘濕地之間CHBr3的排放有明顯區別.夏秋季互花米草濕地較高的 CHBr3通量可能主要是受溫度和植物生物量變化的影響,而在冬春季光灘較高的CHBr3通量可能與凍融循環現象有關.

4.3 膠州灣潮灘濕地環境條件較為復雜,CHBr3的排放通量受多種因素的影響.其中溫度對CHBr3通量的影響顯著,而水鹽條件和營養元素狀況對CHBr3通量的影響也不容忽視.