全 文 :植物生态学报 2009, 33 (3) 617~623
Chinese Journal of Plant Ecology
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收稿日期: 2008-02-20 接受日期: 2009-02-01
基金项目: 国家自然科学基金(30670349)
E-mail: mccnefu@yahoo.com
小兴安岭典型草丛沼泽湿地CO2、CH4和
N2O的排放动态及其影响因素
牟长城 石兰英 孙晓新
(东北林业大学林学院,哈尔滨 150040)
摘 要 2007年6~10月, 采用静态箱-气相色谱法, 同步研究了小兴安岭典型修氏苔草(Carex schmidtii)沼泽湿地
CO2、CH4和N2O排放通量的季节动态及其与环境因子的关系, 估算了CO2、CH4和N2O的生长季排放量, 探讨了沼
泽湿地碳与氮的源汇关系。结果表明: 草丛沼泽生长季节温室气体排放量以CO2占绝对优势(99.61%), CH4的排放
量次之(0.39%), N2O的排放量最低(0.000 7%), 且为碳、氮的吸收汇(分别为固定量的53.93%和0.04%); CO2、CH4
和N2O生长季平均排放通量依次为487.89、1.88和0.004 mg·m–2·h–1, 且具有明显的季节变化特征, CO2和N2O的最高
排放量均出现在夏季(6月24日至8月14日和7月14日至8月14日), CH4的最高排放量出现在夏秋季(8月24日至9月24
日), 其中, CO2季节变化与空气温度和0~20 cm土壤温度具有显著相关性(p < 0.05), CH4与空气温度具有显著相关
性(p < 0.01), N2O与水位具有显著的负相关性(p < 0.05)。
关键词 草本沼泽 温室气体排放 小兴安岭
FLUXES AND CONTROLS OF CO2, CH4 AND N2O IN A MARSH WETLAND OF
XIAOXING’AN MOUNTAINS, NORTHEASTERN CHINA
MU Chang-Cheng, SHI Lan-Ying, and SUN Xiao-Xin
College of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China
Abstract Aims Our objectives were to evaluate the CO2, CH4 and N2O budget for exploring the re-
lationship of source or sink of carbon and nitrogen, to understand seasonal variations of CO2, CH4 and
N2O and to explore the effects of temperature and moisture on CO2, CH4 and N2O fluxes in a marsh
ecosystem over a growing season.
Methods We analyzed temporal fluxes and factors that influenced CO2, CH4 and N2O fluxes in a
Carex schmidtii marsh of Xiaoxing’an Mountains from June to October 2007, using a static chamber
and gas chromatograph technique.
Important findings CO2 flux was the highest (99.61%), followed by CH4 (0.39%) and N2O (0.000
7%) in greenhouse gases emission from the marsh. The marsh was a sink of carbon (53.93%) and nitro-
gen (0.04%). Average CO2, CH4 and N2O fluxes were 487.89, 1.88 and 0.004 mg·m–2·h–1, respectively,
and displayed large seasonal variations. The highest emissions of CO2 and N2O were observed in sum-
mer (from June 24 to August 14 and from July 14 to August 14, respectively), and the highest emissions
of CH4 were in summer and fall (from August 24 to September 24). The CO2 fluxes were significantly
correlated with temperature (p < 0.05) (air temperature and soil temperature at 0, 5, 10, 15 and 20 cm),
the CH4 fluxes were significantly correlated with air temperature (p < 0.01) and the N2O fluxes were
negatively significantly correlated with standing water depth (p < 0.05).
Key words marsh, greenhouse gas emission, Xiaoxing’an Mountains
DOI: 10.3773/j.issn.1005-264x.2009.03.021
CO2、CH4和N2O是3种与生物碳氮循环密切 相关的重要温室气体, 对全球气候变化具有巨大
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的影响(Alm et al., 1999a)。因此, 与其相关的土壤
碳、氮损失, 近年来备受关注(Hadi et al., 2005;
Brix et al., 2001)。湿地是温室气体重要的源和汇
(Whiting & Chanton, 2001), 且多数湿地是CO2的
汇和CH4的源(Brix et al., 2001; Bubier & Moore,
1994), 但在某些季节和年份, 一个湿地可能从碳
汇向碳源转化 (Bubier et al., 2003; Alm et al.,
1999b, 1997; Whiting, 1994)。自然湿地N2O排放量
相对较低, 一般表现为汇或者弱源(Regina et al.,
1996; Martikainen et al., 1993)。因此, 目前对于湿
地温室气体的源汇问题尚存有争议。
在湿地温室气体排放的时间动态方面, 一般
认为: 由于环境因素调节了微生物过程, 湿地温
室气体排放具有很强的季节变化 , 如: 湿地CH4
的排放 , 一般夏季和秋季大于春季和冬季(杨继
松等, 2006; 郝庆菊等, 2004a, 2004b; Huttunen et
al., 2003; 王毅勇等, 2004; Van der Pol-van Das-
selaar et al., 1999; Sugimoto & Fujita, 1997)。由于
水热条件及植物生长状况等因素的影响 , 湿地
CO2排放量在夏季最大, 春秋季次之, 冬季最低,
季节变化明显(Liikanen et al., 2006; 宋长春等 ,
2006a; 郝庆菊等, 2004b; Bubier et al., 2003; Sil-
vola et al., 1996); 而湿地N2O排放变异性较大。有
的研究发现, N2O排放在春、夏季高, 在秋、冬季
低(Liikanen et al., 2006; 宋长春等, 2006a; 王毅
勇等 , 2006); 也有研究发现 , N2O排放在秋季最
高, 夏季次之, 冬季最低(Søvik & Kløve, 2007)。
因此, 目前有关湿地温室气体排放的季节变化规
律还莫衷一是。
在湿地温室气体排放的影响因素方面, 多数
学者认为: 湿地温室气体动态受气候和环境条件
的剧烈影响 , 特别是受到温度和湿度的影响
(Bubier et al., 2003; MacDonald et al., 1998;
Nykänen et al., 1998; Silvola et al., 1996; Marti-
kainen et al., 1993; Moore & Dalva, 1993)。他们认
为: 随着温度的升高, 光合作用速率和异养微生
物活动增强促进了温室气体的产生, 水位决定了
湿地有氧和厌氧微生物过程在泥炭层中的位置和
程度(Liikanen et al., 2006), 因此, 当水位达到或
接近泥炭表层时, CH4排放速率最大(Jauhiainen et
al, 2005; Moore & Dalva, 1993), 但水位再进一步
升高时 , 对CH4排放的影响并不大 , 而此时泥炭
地表温度对CH4排放的影响有所增强(Hargreaves
et al., 2001)。由于在有氧条件下有机物质具有更
高的分解速率, CO2排放随着水位的降低而增加
(Silvola et al., 1996), 且在水分条件不能成为限
制因素时 , 温度对其具有显著的影响(Bubier et
al., 2003)。水位也是影响常年积水沼泽N2O生长
季排放通量的主要因素(杨继松等, 2006), 在较低
水位时, 具有较高的N2O排放量。其原因是, 硝化
作用的增强或提高了反硝化作用中NO3–的可利
用性 (Regina et al., 1996; Martikainen et al.,
1993)。此外, 也有研究认为, 沼泽湿地N2O排放
与土壤温度存在正相关关系(宋长春等, 2006a)。
因此, 目前在湿地温室气体排放的控制因素方面
尚存争议。
我国天然沼泽湿地有1.37×107 hm2, 主要分
布于东北的三江平原和大、小兴安岭, 若尔盖高
原, 以及海滨、湖滨、河流沿岸等(国家林业局,
2004)。但是, 目前国内对淡水草丛沼泽湿地温室
气体排放的研究工作主要集中于三江平原(宋长
春等, 2003, 2004; 王德宣等, 2002a)和若尔盖高
原(Zhang et al., 2005; 王德宣等 , 2002b), 而对
大、小兴安岭林区沼泽湿地温室气体排放的研究
至今未见报道。本文根据野外实地观测结果, 分
析了小兴安岭林区典型修氏苔草(Carex schmid-
tii)沼泽主要温室气体CO2、CH4和N2O排放的季节
动态及其影响因素, 探讨草丛沼泽湿地温室气体
源汇关系, 揭示林区典型草丛沼泽湿地温室气体
排放规律, 以便为客观评价我国天然湿地温室气
体排放总量、控制温室气体排放及湿地保护与合
理利用提供科学依据。
1 材料和方法
1.1 研究区域概况及样地设置
研究地点位于小兴安岭中段, 黑龙江省东北
部伊春市友好林业局永青林场 , 地理坐标是
128°30′36″~128°45′00″ E、48°03′53″~48°17′11″ N,
平均海拔在260~500 m之间, 属于温带大陆湿润
季风气候 , 受海洋气团和西伯利亚寒流影响 ,
气温波动较大。冬季干冷而漫长 , 夏季闷热多雨
但短暂。全年有两个降水高峰期 , 一个是冬季降
雪 , 另一个是每年7~8月间的降雨 , 高峰期降水
占全年降雨量的70%。地带性土壤是暗棕壤 , 占
所有土壤类型的71%, 其他的土壤还有草甸土、
沼泽土和泥炭土 , 草甸土和沼泽土占27%, 泥
牟长城等: 小兴安岭典型草丛沼泽湿地 CO2、CH4和
3 期 N2O 的排放动态及其影响因素 DOI: 10.3773/j.issn.1005-264x.2009.03.021 619
炭土占2%。主要湿地类型有森林沼泽、灌丛沼
泽、草丛沼泽、藓类沼泽和浅水沼泽等。研究
工作中 , 选取该地区最具代表性的季节性积水
的修氏苔草沼泽 , 设置3个重复 , 土壤类型为泥
炭沼泽土 , 0~30 cm土壤的理化性质见表1。统计
分析了3个重复的土壤有机质、全氮和有机碳含
量 , 及其pH值和C:N比 , 发现它们并无显著差异
(p>0.05)。
表1 修氏苔草沼泽土壤化学性质(平均值±标准偏差)
Table 1 Chemical properties of soil in the Carex schmidtii marsh (mean±SD)
箱
Chamber
有机质
Organic matter (%)
全氮
Total nitrogen (%)
有机碳
Organic carbon (%)
pH值
pH value
C:N
箱1 Chamber 1 47.95±1.79 1.09±0.26 27.81±1.03 5.04±0.05 26.62±6.61
箱2 Chamber 2 48.79±0.36 1.04±0.25 28.30±0.21 5.13±0.13 28.53±7.58
箱3 Chamber 3 49.22±6.35 1.07±0.28 28.55±3.68 5.25±0.14 27.37±3.99
1.2 气体的采集和分析
本实验采用静态暗箱-气相色谱法测定CO2、
CH4和N2O的通量。采样箱采用标准式组合设计,
由箱体、加长箱和底座3部分组成。箱规格为 50
cm × 50 cm × 50 cm , 为防止安插底座对样地土
壤的扰动, 取样前数天将底座底插入土中10 cm。
采集气体样品时, 各部分之间均用水密封。采样
箱外用泡沫包裹以确保箱内温度变化不大, 箱内
装有小风扇和温度传感器。采样周期为2007年6
月初至2007年10月底。采样时间为9:00~11:00, 样
品采集用60 ml注射器 , 在30 min时间段内每10
min 采集1次(每次采集4个气体样品), 采样频率
为每10 d 1次, 同时, 原位同步测定气温、箱温,
5、10、15、20、30和40 cm地温, 以及观测点水
位。样品采集后装入500 ml的铝塑复合气袋(大连
光明化工厂生产)中储存。一周内在中国科学院长
白山森林生态系统定位站内使用HP5890II气相色
谱仪分析气体。CO2和CH4用离子火焰化检测器
(FID)检测, N2O用电子捕获检测器(ECD)检测。30
min内采集的4个气体样品浓度与采样时间间隔
存在线性相关关系, 所有样品的决定系数在R2 >
0.95时被视为有效并被采用。
1.3 气体排放通量的计算
气体排放通量为单位时间、单位面积观测箱
内排放的被测气体质量的变化:
F=(△m/△t)×ρ×(V/A)=h×ρ×(△m/△t)
式中 , F为气体的通量 (mg·m−2·h−1), V为观
测箱的容积(m3), A为观测时包围的土壤面积(m2),
ρ为箱内气体密度(mol·m−3), △m/△t为气体在观
测时间内浓度随时间变化的直线斜率, h为观测
箱的高度(m)。F为正值时表示释放, 负值时表示
吸收。
1.4 数据统计与分析方法
采用Pearson相关和偏相关分析环境因素与
排放通量的关系。应用One-way ANOVA对3个重
复点的土壤化学性质进行差异性分析。所有统计
过程均由软件SPSS 11.0完成。
2 结 果
2.1 草丛沼泽湿地CO2、CH4和N2O排放通量的季
节变化及其与环境因子的关系
草丛沼泽湿地在生长季节的CO2、CH4和N2O
排放具有明显的季节性变化规律。其中, 生长季
节的CO2排放通量分布在76.07~809.25 mg ∙m−2·
h−1 (平均值为487.89 mg∙m−2· h−1), 呈现出生长季
初期和末期排放较低, 中期排放最高(分别在6月
下旬、7月中旬和8月中旬出现3个峰值: 794.21、
790.74和809.25 mg∙m−2· h−1)的单峰型变化规律
(图1)。温度是其排放通量季节变化的重要影响因
素。排放通量与空气温度和5、10、15 cm土壤温
度都具有极显著的相关性(p < 0.01), 与地表温度
和20 cm土壤温度具有显著的相关性(p < 0.05)。而
水位对季节变化的影响不大(p > 0.05)。
生长季节CH4排放通量分布在0.68~1.89 mg∙
m−2· h−1(平均值为1.88 mg∙m−2·h−1), 呈现明显的
双峰型变化规律。其中, 8月下旬至9月下旬为高排
放期(较季节平均值提高58.00%~284.60%, 并在8
月下旬和9月下旬分别出现两个峰值: 6.33和7.23
mg∙m−2·h−1), 7月次之, 6月和10月最低(图2)。空气
温度是其季节变化的重要影响因素(p<0.01), 而
水位对季节变化的影响不大(p>0.05)。
生长季节N2O排放通量分布在−0.02~0.03 mg
620 植 物 生 态 学 报 www. plant-ecology.com 33 卷
∙m−2·h−1(平均值为0.004 mg∙m−2·h−1), 呈现波动性
单峰型变化规律, 即7月中旬至8月上旬排放量最
高 , 但波动性较大 , 其他时段均不高 , 甚至出现
短暂的吸收(图3), 且水位与N2O排放通量的季节
变化呈现显著的负相关关系(p < 0.05), 而温度的
影响作用不明显(p > 0.05)。
图1 修氏苔草沼泽CO2通量的季节变化
Fig. 1 Seasonal changes of CO2 flux in the Carex schmid-
tii marsh
图2 修氏苔草沼泽CH4通量的季节变化
Fig. 2 Seasonal changes of CH4 flux in the Carex schmid-
tii marsh
2.2 草丛沼泽湿地碳、氮的源汇分析
根据2007年生长季(6~10月)每月上、中、下
旬CO2、CH4和N2O排放通量的实测数据, 计算各
月份的排放量并加和得到3种温室气体在生长季
的排放总量, 得知在整个生长季节CO2处于排放
状态, 排放量为17 841.78 kg·hm−2; CH4绝大部分
时间处于排放状态(仅出现一次吸收过程), 排放
量为69.33 kg·hm−2, 吸收量为0.07 kg·hm−2, 净排
放量为69.26 kg·hm−2; 而N2O排放与吸收过程交
替出现(15次观测中有4次吸收过程), 排放量为
图3 修氏苔草沼泽N2O通量和水位的季节变化
Fig. 3 Seasonal changes of N2O flux and water level in the
Carex schmidtii marsh
图4 修氏苔草沼泽温度的季节变化
Fig. 4 Seasonal changes of air temperatures in the Carex
schmidtii marsh
0.20 kg·hm−2, 吸收量为0.06 kg·hm−2, 净排放量
为0.14 kg·hm−2。将以上数据按分子组成计算得到
草丛沼泽湿地总排放碳量为4 917.89 kg·hm−2, 总
排放氮量为0.09 kg·hm−2; 进一步对3种温室气体
(CO2、CH4和N2O)排放量进行比较, CO2占温室气
体 排 放 总 量 的 99.61%, CH4 占 0.39%, N2O 占
0.000 7%, 其中, CO2排放占绝对优势地位。
牟长城等: 小兴安岭典型草丛沼泽湿地 CO2、CH4和
3 期 N2O 的排放动态及其影响因素 DOI: 10.3773/j.issn.1005-264x.2009.03.021 621
同时, 根据对草丛植物碳氮含量的测定结果
(含碳量40.03%, 含氮量0.85%), 计算同期观测的
草丛沼泽生物量(22 780.00 kg·hm−2·a−1)(生长期末
的全部生物量干重 )中的固碳总量为 9 118.83
kg·hm−2, 固氮总量为193.63 kg·hm−2。进一步将生
长季节草丛沼泽湿地碳、氮排放量和固定量加以
对比分析 , 得到沼泽湿地碳排放量占固定量的
53.93%, 氮排放量仅占固定量的0.04%。因此, 小
兴安岭林区草丛沼泽在生长季节是碳、氮的吸收
汇。
3 讨 论
3.1 季节变化及其与环境因子的相关性
小兴安岭草丛沼泽湿地的CO2排放具有这样
的季节变化规律, 可能主要是由于初期随着温度
的升高(图4)植物生长逐渐加快, 土壤微生物活动
逐渐加强, 使得生态系统呼吸速率呈现逐渐升高
的趋势; 在6月下旬至8月中旬, 水热条件均达到
最佳状态, 植物进入旺盛生长阶段, 微生物活动
强烈 , 使得呼吸速率达到最高水平 ; 而8月下旬
后, 温度降低(图4), 降水减少, 植物生长日趋衰
退, 微生物活动日趋减弱, 致使生态系统呼吸速
率呈现逐渐减低的趋势。在夏季具有最高的排放
量, 这与许多的研究结论一致(宋长春等, 2006a,
2006b; Liikanen et al., 2006; 郝庆菊等, 2004b;
Bubier et al., 2003; Silvola et al., 1996)。而草丛沼
泽湿地在整个生长季的CO2排放通量与温度具有
显著的相关性, 这在很多的研究中也得到了证实
(郝庆菊等, 2004b; Bubier et al., 2003)。同时, 季
节排放通量均值与以往的研究相比, 在生长季的
相同时段生态系统呼吸速率略高 (宋长春等 ,
2006b; 郝庆菊等, 2004b), 这种差异的产生可能
与两地不同的土壤、气候和环境条件有关。
小兴安岭草丛沼泽湿地CH4排放有这样的季
节变化规律, 可能是由于: 从6月上旬至8月中旬
为土壤的化冻期, 泥炭层化冻很薄, CH4产生量较
少 , 此时 , 由于地表温度相对较高 (18.1~42.5
℃)(图4), 可能使CH4氧化菌活性有所增强, 消耗
了更多的CH4; 而在8月下旬至9月下旬 , 泥炭层
已经全面解冻, CH4产生量增大, 但此时地表温度
相对较低(8.2~16.0 )℃ (图4), 可能因此而抑制了
CH4的氧化, 因此CH4的排放量相对较高。草丛沼
泽湿地在夏、秋季CH4的排放量最高(8月下旬至9
月下旬), 这与以往研究得到的结果一致(杨继松
等 , 2006; 郝庆菊等 , 2004a, 2004b; 王毅勇等 ,
2004; Huttunen et al., 2003; Van der Pol-van Das-
selaar et al., 1999)。温度是影响草丛沼泽湿地CH4
季节变化的重要影响因子, 这一结论已被很多研
究所证实 (Freeman et al., 2002; Saarnio et al.,
1998; Bubier & Moore, 1994)。但水位对CH4排放
的季节变化影响不大, 这可能是由于: 草丛沼泽
湿地较高的水位, 为CH4的产生提供了较充分的
厌氧环境。在季节通量方面, 除了杨继松等(2006)
的研究中小叶章(Calamagrostis angustifolia)湿地
CH4排放值低于本研究外, 很多研究值均明显高
于草丛沼泽几倍至十几倍不等(宋长春等, 2006b;
杨继松等, 2006; Bubier et al., 2005; 郝庆菊等,
2004a, 2004b), 其原因除了研究地点土壤性质差
异外, 还与不同地区、不同年际的气候和环境因
素差异导致的湿地水文状况不同有密切的关系。
小兴安岭草丛沼泽湿地N2O排放具有这样的
季节变化规律, 其原因可能是: 由于水位的剧烈
变化对硝化和反硝化过程产生了较大的影响, 致
使排放具有明显的波动趋势, N2O季节通量与水
位具有相反的变化趋势(图3), 8月上旬水位处于
整个观测期的中等水平, 可能此时的适宜水位有
利于硝化和反硝化作用的进行, 因而此时出现最
高排放值, 即在夏季具有较高的排放量。在很多
的研究中得到了相近的结论(Liikanen et al., 2006;
宋长春等, 2006a; 王毅勇等, 2006)。而且, 水位与
N2O的季节排放具有显著的负相关性, 这种关系
已被众多研究所证实(杨继松等, 2006; 王德宣等,
2005; 宋长春等 , 2006a, 2006b; Regina et al.,
1996)。在季节通量方面: 草丛沼泽湿地排放值显
著地低于以往的研究(杨继松等, 2006; 王德宣等,
2005; Nykänen et al., 1995), 由此可见, 小兴安岭
生长季草丛沼泽整体上是N2O的弱排放源。
3.2 沼泽湿地的碳、氮的源汇状况
由于光合作用对CO2的吸收, 自然湿地因此
被认为是大气CO2的汇(Brix et al., 2001; Bubier &
Moore, 1994), 小兴安岭草丛沼泽湿地碳氮排放
量非常低, 并且表现为碳、氮的汇, 这与以往一些
研究结论相近(Regina et al., 1996; Martikainen et
al., 1993)。然而也有研究认为, 湿地能成为大气
CO2的源(Oechel et al., 1997; Whiting, 1994), 其
中, Bubier等(2003)对加拿大安大略湖泥炭沼泽的
622 植 物 生 态 学 报 www. plant-ecology.com 33 卷
研究, 曾发现在干旱的夏季湿地有从碳汇向碳源
转变的现象。因此, 鉴于沼泽湿地气候和环境的
不断变化 , 有必要对其进行长期连续的观测研
究。
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责任编委: 古滨河 责任编辑: 王 葳