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Effect of air temperature and rainfall on wetland ecosystem CO2 exchange in China.

气温和降雨量对中国湿地生态系统CO2交换的影响


湿地由于具有较高的初级生产力以及较低的有机质降解速率而成为缓解全球变暖的潜在有效碳汇.虽然近年来中国湿地生态系统CO2交换过程及其影响机制研究取得了一系列进展,但尚缺乏对数据进行系统性整合分析.基于29篇文献的数据,对中国21个典型湿地植被净生态系统CO2交换(NEE)、生态系统呼吸(Reco)、总初级生产力(GPP)、NEE的光响应参数以及Reco的温度响应参数进行整合分析,并探讨了这些指标对温度与降雨的响应.结果表明: 年尺度上,气温和降雨量对NEE(R2=50%,R2=57% )、GPP(R2=60%,R2=50%)和Reco(R2=44%,R2=50%)均有显著影响(P<0.05).生长季尺度上,NEE (R2=50%)、GPP (R2=36%)和Reco(R2=19%)与气温呈显著相关(P<0.05);同时NEE(R2=33%)和GPP(R2=25%)也与降雨量呈显著相关(P<0.05),但Reco与降雨量的相关关系不显著(P>0.05).生长季降雨量与最大光合速率(Amax)之间呈显著相关 (P<0.01),但与表观量子产率(α)、白天生态系统呼吸速率(Reco,day)无显著相关(P>0.05).生长季气温对α、AmaxReco, day均无显著影响(P>0.05).生态系统基础呼吸速率(Rref)与降雨量无显著相关(P>0.05),但是生态系统呼吸的温度敏感系数(Q10)与降雨量呈显著的线性负相关(P<0.05),同时气温对Q10(R2=0.35)、Rref(R2=0.46)均产生显著影响(P<0.05).

Wetland can be a potential efficient sink to reduce global warming due to its higher primary productivity and lower carbon decomposition rate. While there has been a series progress on the influence mechanism of ecosystem CO2 exchange over China’s wetlands, a systematic metaanalysis of data still needs to be improved. We compiled data of ecosystem CO2 exchange of 21 typical wetland vegetation types in China from 29 papers and carried out an integrated analysis of air temperature and precipitation effects on net ecosystem CO2 exchange (NEE), ecosystem respiration (Reco), gross primary productivity (GPP), the response of NEE to PAR, and the response of Reco to temperature. The results showed that there were significant responses (P<0.05) of NEE (R2=50%, R2=57%), GPP (R2=60%, R2=50%) Reco (R2=44%, R2=50%) with increasing air temperature and enhanced precipitation on the annual scale. On the growing season scale, air temperature accounted for 50% of the spatial variation of NEE, 36% of GPP and 19% of Reco, respectively. Both NEE (R2=33%) and GPP (R2=25%) were correlated positively with precipitation (P<0.05). However, the relationship between Reco and precipitation was not significant (P>0.05). Across different Chinese wetlands, both precipitation and temperature had no significant effect on apparent quantum yield (α) or ecosystem respiration in the daytime (Reco,day, P>0.05). The maximum photosynthesis rate (Amax) was remarkably correlated with precipitation (P<0.01), but not with air temperature. Besides, there was no significant correlation between basal respiration〖KG*3〗(Rref)and precipitation (P>0.05). Precipitation was negatively correlated with temperature sensitivity of Reco(Q10, P<0.05). Furthermore, temperature accounted for 35% and 46% of the variations in temperature sensitivity of Reco(Q10) and basal respiration (Rref, P<0.05), respectively.


全 文 :气温和降雨量对中国湿地生态系统 CO2交换的影响

初小静1,2  韩广轩1∗∗
( 1中国科学院烟台海岸带研究所中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室, 山东烟台 264003; 2中国科学院大学,
北京 100049)
摘  要  湿地由于具有较高的初级生产力以及较低的有机质降解速率而成为缓解全球变暖
的潜在有效碳汇.虽然近年来中国湿地生态系统 CO2交换过程及其影响机制研究取得了一系
列进展,但尚缺乏对数据进行系统性整合分析.基于 29 篇文献的数据,对中国 21 个典型湿地
植被净生态系统 CO2交换(NEE)、生态系统呼吸(Reco)、总初级生产力(GPP)、NEE 的光响应
参数以及 Reco的温度响应参数进行整合分析,并探讨了这些指标对温度与降雨的响应.结果表
明: 年尺度上,气温和降雨量对 NEE(R2 = 50%,R2 = 57% )、GPP(R2 = 60%,R2 = 50%)和 Reco
(R2 = 44%,R2 = 50%)均有显著影响(P<0.05) .生长季尺度上,NEE (R2 = 50%)、GPP (R2 =
36%)和 Reco(R2 = 19%)与气温呈显著相关(P<0.05);同时 NEE(R2 = 33%)和 GPP(R2 = 25%)
也与降雨量呈显著相关(P<0.05),但 Reco与降雨量的相关关系不显著(P>0.05) .生长季降雨
量与最大光合速率(Amax)之间呈显著相关 (P<0.01),但与表观量子产率(α)、白天生态系统
呼吸速率(Reco,day)无显著相关(P>0.05) .生长季气温对 α、Amax和 Reco, day均无显著影响(P>
0.05) .生态系统基础呼吸速率(Rref)与降雨量无显著相关(P>0.05),但是生态系统呼吸的温
度敏感系数(Q10)与降雨量呈显著的线性负相关(P<0.05),同时气温对 Q10(R2 = 0.35)、Rref
(R2 = 0.46)均产生显著影响(P<0.05) .
关键词  气温; 降雨量; 中国湿地; 生态系统 CO2交换; 光响应; 温度响应
∗国家自然科学基金项目(41301083)和国家科技支撑计划项目(2011BAC02⁃B01)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: gxhan@ yic.ac.cn
2015⁃01⁃16收稿,2015⁃06⁃18接受.
文章编号  1001-9332(2015)10-2978-13  中图分类号  Q148  文献标识码  A
Effect of air temperature and rainfall on wetland ecosystem CO2 exchange in China. CHU
Xiao⁃jing1,2, HAN Guang⁃xuan1 ( 1Key Laboratory of Coastal Environmental Processes and Ecologi⁃
cal Remediation, Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai
264003, Shandong, China; 2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) .
⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(10): 2978-2990.
Abstract: Wetland can be a potential efficient sink to reduce global warming due to its higher pri⁃
mary productivity and lower carbon decomposition rate. While there has been a series progress on
the influence mechanism of ecosystem CO2 exchange over China’ s wetlands, a systematic meta⁃
analysis of data still needs to be improved. We compiled data of ecosystem CO2 exchange of 21 typi⁃
cal wetland vegetation types in China from 29 papers and carried out an integrated analysis of air
temperature and precipitation effects on net ecosystem CO2 exchange (NEE), ecosystem respiration
(Reco), gross primary productivity (GPP), the response of NEE to PAR, and the response of Reco
to temperature. The results showed that there were significant responses (P<0.05) of NEE (R2 =
50%, R2 = 57%), GPP (R2 = 60%, R2 = 50%) Reco (R2 = 44%, R2 = 50%) with increasing air
temperature and enhanced precipitation on the annual scale. On the growing season scale, air tem⁃
perature accounted for 50% of the spatial variation of NEE, 36% of GPP and 19% of Reco, respec⁃
tively. Both NEE (R2 = 33%) and GPP (R2 = 25%) were correlated positively with precipitation
(P<0.05). However, the relationship between Reco and precipitation was not significant (P>0.05).
Across different Chinese wetlands, both precipitation and temperature had no significant effect on
apparent quantum yield (α) or ecosystem respiration in the daytime (Reco,day, P>0.05). The maxi⁃
mum photosynthesis rate (Amax) was remarkably correlated with precipitation (P<0.01), but not
应 用 生 态 学 报  2015年 10月  第 26卷  第 10期                                                           
Chinese Journal of Applied Ecology, Oct. 2015, 26(10): 2978-2990
with air temperature. Besides, there was no significant correlation between basal respiration (Rref)
and precipitation (P>0.05). Precipitation was negatively correlated with temperature sensitivity of
Reco (Q10, P<0.05). Furthermore, temperature accounted for 35% and 46% of the variations in
temperature sensitivity of Reco (Q10) and basal respiration (Rref, P<0.05), respectively.
Key words: air temperature; precipitation; Chinese wetlands; ecosystem CO2 exchange; light
response; temperature response.
    湿地是地球上陆地和水生生态系统相互作用而
形成的独特生态系统,由于具有较高的生产力及氧
化还原能力使其成为生物地球化学作用非常活跃的
场所,在碳氮的储存方面起着极其重要的作用[1-2] .
尽管湿地面积仅占全球陆地面积的 2% ~ 6%,但其
碳储量却占陆地生态系统碳储量的 12% ~ 20%[3] .
由于其巨大的碳库储存能力和较高的生产力, 湿地
生态系统在过去 5000 ~ 10000 年内一直是大气 CO2
的重要碳汇[1],而且与全球气候变化有着直接而紧
密的联系.因此,加强我国湿地碳循环研究不仅是揭
示湿地碳汇形成机制的需要,也是我国在履行应对
气候变化义务中维护国家利益的战略需求.
净生态系统 CO2交换(NEE)是植被光合固定碳
(生态系统总生产力,GPP)与生态系统呼吸释放碳
(生态系统呼吸,Reco)之间相互平衡的结果.量化生
态系统 NEE与影响因素之间的关系是模型预测未
来全球变化对陆地生态系统影响的基础[4] .涡度相
关(eddy covariance)观测技术和理论的不断发展为
探讨生态系统尺度的 CO2交换时空变化提供了新途
径,成为长期测算生态系统碳通量最可靠和切实可
行的方法[5],被认为是现今唯一能直接测定陆地生
态系统与大气间物质与能量交换通量的标准方法.
与箱式法(明箱和暗箱)相比, 涡度相关技术提供了
一个更大空间和更长时间的通量观测数据,有利于
量化生态系统尺度上的碳交换过程[6] .研究表明,湿
地生态系统 CO2交换动态变化很大程度上受辐射、
温度、降水等气象因子和植被生长动态变化的影
响[7-9],这些环境因子和生物因子主要通过对生态
系统总初级生产力和生态系统呼吸的影响决定净生
态系统碳收支.例如,光合有效辐射(PAR)是影响植
物光合作用的主要限制因子,很多研究表明湿地白
天的 NEE 与 PAR 之间符合很好的直角双曲线关
系[8,10];湿地夜晚的 NEE(即生态系统呼吸)通常与
温度(气温或地温)有很好的指数函数关系[11-13];而
生物要素中物种组成的改变及植物生产力的变化通
过光合和呼吸作用直接影响湿地 CO2 交换动
态[14-16],研究发现,有无植被覆盖对湿地生态系统
呼吸速率的影响较显著[17],其中,叶面积指数
(LAI)是影响 CO2日最大吸收速率的一个关键因
子,且随 LAI增加 NEE呈线性增加趋势[18] .
气候变化如增温或降水量变化等是生态系统
CO2交换动态变化的主要驱动因素[19
-24] .例如,温度
是鄱阳湖苔草湿地 CO2通量的主要控制因子[25],是
小兴安岭沼泽湿地生态系统 CO2交换季节与年际变
化的关键因子[26] .研究发现,增温显著影响青藏高
原高寒草甸生态系统碳通量变化,其中年 GPP 增加
了 34.3%,年 NEE增加了 29.6%[22];Zhuang等[27]对
青藏高原的研究也发现增温显著增加生态系统
GPP.对降雨的研究发现,在有效降雨发生的 4 ~ 5 d
后生态系统 NEE 会达到最大值, 10 d 后会降至初
始 NEE的 60% ~ 70%,GEP 会在有效降雨发生的
10~15 d后降至初始 NEE 的 30% ~ 50%[7];小降雨
甚至中型降雨会引起碳的流失,而强降雨事件虽然
也会在短期内引起碳的流失,但后期会因植物的生
长而使生态系统固碳能力增强[28] .因此,温度和降
雨量对生态系统碳收支具有重要影响[29-30] .
虽然有关降雨和温度对湿地生态系统 CO2交换
的研究已经有了很长历史,但已往研究大多集中在
单次降雨量、降雨方式、增温以及极端气温和降雨对
单一生态系统 CO2交换的影响,鲜少有研究立足于
大空间宏观尺度上探讨气温和降雨量(年尺度和生
长季尺度)对湿地生态系统 CO2交换的影响.近年
来,中国湿地生态系统 CO2交换过程及其影响机制
研究取得了一系列进展,有力地推动了中国湿地碳
交换模拟和碳汇功能评估研究.然而,至今尚缺乏对
中国湿地碳交换研究成果进行较系统的总结.本文
通过挖掘已有的研究数据,利用数据整合分析手段
探讨空间尺度气温和降雨量对中国不同湿地生态系
统类型 CO2交换的影响, 以期增进对我国湿地生态
系统 CO2交换的变化规律及其控制机理的理解.
1  材料与方法
1􀆰 1  文献选取和数据库建立
用于本研究的文献主要来源于多种中英文期刊
979210期                          初小静等: 气温和降雨量对中国湿地生态系统 CO2交换的影响           
数据库[如 Web of Knowledge、Spring⁃Link、Elsevier
Science、National Knowledge Infrastructure(CNKI)]和
书籍,搜索文献的关键词包括:湿地(wetland)、碳收
支(carbon budge)、CO2交换(CO2 exchange)、碳通量
(carbon flux).文献选取标准为:1)研究对象属于中
国湿地范畴;2)试验设计必须在生态系统层次;3)
报道的数据至少包含生长季尺度或者全年尺度的
NEE、GPP 以及 Reco中的一项;4)报道中的影响因子
包含生长季或全年的温度和 /或降雨量.
虽然近年来对中国湿地生态系统 CO2交换的研
究较多,但只有不足 1 / 3的相关文献符合选取标准,
共 29 篇.这些研究的观测地点涉及沼泽湿地、河流
湿地、湖泊湿地、滨海湿地和人工湿地 5大湿地类型,
共 21种湿地植被类型(图 1和表 1).文献所采用的观
测方法可分为静态箱(明箱与暗箱)和涡度相关法.其
中,涡度相关法用的比较多,占总文献量的 60%以上.
观测持续时间从一个生长季到 3年不等.
1􀆰 2  数据处理与分析
提取每个湿地站点的 NEE、GPP、Reco、NEE的光
响应模型参数值以及 Reco温度响应模型参数值,并
对数据单位进行统一转化处理.中国湿地生态系统
CO2交换研究中 NEE 的光响应大都基于 Michaelis⁃
Menten模型进行模拟:
NEE=Reco,day-
Amax×α×PAR
Amax+α×PAR
(1)
式中: Reco,day为白天生态系统呼吸 ( μmol CO2 ·
m-2·s-1); α 为 表 观 量 子 产 量 ( μmol CO2 ·
μmol-1PAR);Amax为最大光合速率(μmol CO2·m
-2·
s-1).
Reco的温度响应主要通过指数模型进行拟合:
图 1  中国湿地生态系统 CO2交换的观测地点
Fig.1   Locations of ecosystem CO2 exchange measurements of
Chinese wetlands.
    Reco,night =Rrefexp(bT) (2)
式中:Reco,night为夜晚生态系统呼吸(μmol CO2·m
-2
·s-1);T 为空气温度或土壤温度(℃);Rref为湿地
生态系统基础呼吸速率(μmol CO2·m
-2·s-1);b
为温度反应系数.
生态系统温度敏感性系数(Q10)基于以下公式
进行计算:
Q10 =exp(10b) (3)
运用线性回归方法分别分析全年尺度和生长季
尺度上气温和降雨量与湿地 NEE、GPP 和 Reco的关
系;运用多元回归分别分析全年与生长季时间尺度
上气温与降雨量对生态系统 CO2交换的协同影响作
用;运用线性回归方法分析气温和降雨量与 Michae⁃
lis⁃Menten模型(式 1)参数 α、Amax、Reco,day的关系,以
及与指数模型(式 2)拟合系数 Rref和 Q10的关系.所
有数据分析均基于统计分析软件 SPSS 16.0 完成,
相关图形均基于 SigmaPlot 10.0完成.
2  结果与分析
2􀆰 1  气温和降雨量对湿地生态系统 CO2交换量的
影响
线性回归分析表明,在全年尺度上,不同湿地生
态系统类型的 NEE 与气温 (R2 = 0. 5, n = 20,P <
0􀆰 01)和降雨量(R2 = 0.57,n= 20,P<0.01)都显著负
相关,说明湿地生态系统 CO2的吸收强度(NEE 为
负值表示生态系统吸收 CO2,反之为释放 CO2)与气
温和降雨量呈正相关,年均气温与年均降雨量越大,
湿地生态系统 CO2的吸收强度越大.不同湿地生态
系统类型的 GPP 与气温(R2 = 0.60,n = 14,P<0.01)
和降雨量(R2 = 0.50,n = 14,P<0.01)都呈显著正相
关,说明随着温度、降雨量的增加,湿地生态系统的
固碳能力呈上升趋势.不同湿地生态系统类型的
Reco与气温 (R2 = 0. 44,n = 21,P < 0. 01)和降雨量
(R2 =0.50,n=21,P<0.01)也都呈显著正相关 (图 2).
在生长季尺度上,不同湿地生态系统类型的
NEE与气温(R2 = 0.50,n = 28, P<0.01)和降雨量
(R2 = 0.33,n= 32,P<0.01)的线性模型均达到了极
显著水平,虽与全年尺度上的变化趋势一致,但是变
化率相对较小,其中气温可以解释 NEE 变异的
47%,相对于降雨量的 25%,其决定系数更大.不同
湿地生态系统类型的 GPP 与气温呈显著的线性正
相关关系,随着年均温的升高,GPP 呈指数线性增
长 (R2 = 0.36,n= 24,P<0.01),且与降雨量之间呈极
0892                                     应  用  生  态  学  报                                      26卷
表 1  不同湿地生态系统 CO2交换(净生态系统 CO2交换(NEE), 总初级生产力(GPP), 生态系统呼吸(Reco)
Table 1  Ecosystem CO2 exchange (net ecosystem CO2 exchange (NEE), gross primary productivity (GPP), ecosystem res⁃
piration (Reco) in different wetland ecosystems
湿地类型
Wetland
type
地点
Site
纬度
Latitude
经度
Longitude
植被
Vegetation
测定时间
Measured
time
气温
Air
temperature
(℃)
降雨量
Precipitation
(mm)
NEE
(g C·
m-2·a-1)
GPP
(g C·
m-2·a-1)
Reco
(g C·
m-2·a-1)
参考文献
Reference
沼泽湿地
Marsh
大兴安岭沼泽泥炭地 52°56′ 122°51′ 柴桦、笃斯越橘、狭叶
杜香
2011年
2012年
-4.30 452.00 -33.10
-29.63
463.30
335.16
430.18
305.53
[31]
wetland 小兴安岭修氏苔草沼
泽湿地
48°10′ 128°36′ 修氏苔草 2007年生长季
2008年生长季
0.68
0.49
630.00
630.00
486.60
445.40
[26,32]
小兴安岭灌丛沼泽湿

48°10′ 128°36′ 油桦-修氏苔草 2007年生长季 0.44 630.00 549.02
毛果苔草 2003年
2004年
1.90 600.00 526.10
546.27
[33]
三江平原湿地 47°35′ 133°31′ 漂筏苔草、毛果苔草 2004年生长季 15.63 251.20 -198.00 492.18 294.18 [34]
2005年生长季 15.78 341.20 -96.00 479.84 383.84
2006年生长季 16.75 479.70 -47.00 377.65 330.65
青藏高原高寒湿地 37°37′ 101°19′ 帕米尔苔草、藏嵩草 2005年 -1.05 475.00 86.19 615.70 701.93 [18]
青藏高原高寒湿地草

37°35′ 101°20′ 藏嵩草、帕米尔苔草、
杉叶藻
2004年 -1.50 493.50 101.10 575.70 676.80 [35]
2005年 -1.00 475.20 44.00 682.90 726.40
2006年 -0.80 562.40 173.20 631.00 808.80
若尔盖高寒湿地 33°56′ 102°52′ 藏嵩草、侧茎垂头菊 2008年 1.10 650.00 -47.10 589.80 542.70 [7]
2009年 -79.70 672.10 592.40
若尔盖高原沼泽湿地 32°47′ 102°32′ 木里苔草、乌拉苔草 2003年生长季
2004年生长季
2005年生长季
0.80 700.00 137.39
130.56
127.98
[36]
河流湿地
River wetland
长江中游河流湿地 30°30′ 117°2′ 杨树 I-69、益母草 2006年
2007年
17.30 1458.00 1074.70
1127.00
[37]
湖泊湿地 扎龙湖泊湿地 46°52′ 123°47′ 芦苇、金鱼藻 2008年 3.50 420.00 -41.40 [38]
Lake wetland 2009年 -138.66
天鹅洲湿地 29°48′ 112°34′ 灰化苔草、
牛鞭草、虉草
2005年 5月—2006年 4月 16.00 1200.00 77.76 803.37 881.13 [39]
鄱阳湖苔草湿地 28°48′ 116°12′ 灰化苔草、
下江委陵菜
2009年 9月—2010年 4月 17.60 1500.00 -1717.70 [25]
灰化苔、轮叶
黑藻、南荻
2009年 5月—2014年 6月 17.40 1501.25 1401.37[40]
滨海湿地 辽河三角洲芦苇湿地 41°08′ 121°54′ 芦苇 2005年 8.30 631.00 -65.00 1256.80 1191.80 [8]
Coastal 2006年 -230.00 1124.00 894.00 [41]
wetland 2007年 -53.00 925.00 872.00
2011年 12.40 599.80 -163.38 583.75 420.38 [42]
黄河三角洲芦苇湿地 37°46′ 118°59′ 芦苇、盐地碱蓬 2011年生长季 23.00 496.20 -237.40 585.70 348.30 [13]
2010年生长季 21.40 494.70 -260.73 712.36 451.90 [43]
黄河口潮间盐沼湿地 37°48′ 119°10′ 盐地碱蓬、柽柳、 2012年生长季 20.93 525.53 -22.28 118.34 96.28 [11]
31°31′ 121°57′ 海三棱藨草 2004年 5月—2005年 4月 15.50 1143.70 -182.80 1245.80 1063.00 [44]
长江口潮滩湿地 D:31°31′ 121°57.64′ 芦苇、互花米草 2005年 15.70 1000.40 -925.42 [45]
M:31°31.014′ 121°58.3′ -793.91
S:31°35.079′ 121°54.21′ 芦苇、 互花米草、海
三棱藨草
-859.64
闽江河口湿地 26°2′ 119°38′ 短叶茳芏 2009年 19.60 1346.00 nd nd 757.53 [46]
芦苇 1033.00
互花米草 592.00
广州红树林湿地 22°54′ 113°24′ 茳芏、芦苇 2005年 3—12月 21.90 1582.00 -722.73 [47]
人工湿地 三江平原稻田 47°35′ 133°31′ 水稻 2004年 1.90 600.00 128.73 [33]
Artificial 淮河流域稻田 32°33′ 116°47′ 水稻 2008年生长季 906.70 -300.05 [48]
wetland 亚热带稻田 30°30′ 117°2′ 水稻 2003年 16.50 1050.00 -675.16 1598.54 923.40 [49]
显著线性正相关(R2 = 0.25,n = 26,P<0.01),与全年
尺度相比其变化率更大.不同湿地生态系统类型的
Reco虽与气温极显著相关(P<0.01),但与降雨量的
相关关系不显著(P>0.05) (图 3).
多元回归分析表明, 全年尺度上,平均气温和
降雨量对湿地生态系统 CO2交换空间变异的协同影
响达到 51%~67%;生长季尺度上,该协同影响达到
21%~62%(表 2).
189210期                          初小静等: 气温和降雨量对中国湿地生态系统 CO2交换的影响           
图 2  全年尺度上不同湿地生态系统类型 NEE、GPP 和 Reco与气温和降雨量的关系
Fig.2  Relationships between NEE, GPP or Reco and air temperature or precipitation in different wetland ecosystems on the annual
scale.
表 2  全年与生长季尺度上湿地生态系统 CO2交换组分与气温(T)和降雨量(PPT)的关系
Table 2  Relationships of ecosystem CO2 exchange component with air temperature (T) and precipitation (PPT) in wetland
on the annual and growing scale
时间尺度
Time scale
生态系统 CO2交换
Ecosystem CO2
exchange
方程
Equation
F P R2 n
年尺度 NEE NEE=-10.6T-0.91PPT+470 10.96 <0.01 0.67 28
Annual GPP GPP= 29.9T+0.15PPT+538 6.70 <0.05 0.57 21
time scale Reco Reco = 3.4T+0.53PPT+287 6.70 <0.05 0.51 21
生长季尺度 NEE NEE=-15.3T-0.8PPT+442 22.60 <0.01 0.62 30
Growing GPP GPP= 28.6T+1.3PPT-371 10.24 <0.01 0.60 24
season scale Reco Reco = 12.7T+0.24PPT+215 3.60 <0.05 0.21 32
2􀆰 2  气温与降雨量对湿地 NEE光响应的影响
不同湿地生态系统类型生长季白天的 NEE 与
PAR 之间均符合直角双曲线关系,可用 Michaelis⁃
Menten模型进行拟合(表 3).PAR 可以解释不同湿
地生态系统类型 NEE 变异的 12% ~81%,拟合参数
α 的变化范围为 0. 002 ~ 0. 065 μmol CO2 ·μmol
-1
PAR,Amax的变化范围为 0.2~44.24 μmol CO2·m
-2·
s-1,Reco, day time的变化范围为 0.29 ~ 6.82 μmol CO2·
m-2·s-1 .
相关分析表明,不同湿地生态系统类型生长季
气温对 α、Amax和 Reco, day time无显著影响(P>0.05);降
雨量虽对 α和 Reco, day time也无显著影响(P>0.05),但
Amax与降雨量呈显著相关(图 4):
y= 0.06x-18.76(n= 19,R2 = 0.91,P<0.001)
2892                                     应  用  生  态  学  报                                      26卷
图 3  生长季尺度上不同湿地生态系统类型气温、降雨量与 NEE、GPP、和 Reco的关系
Fig.3  Relationships between NEE, GPP or Reco and air temperature or precipitation in different wetlands ecosystems on the growing
season scale.
表 3  不同湿地生态系统生长季 NEE和光合有效辐射(PAR)的直角双曲线模型(式 1)的模拟参数
Table 3  Parameters of the rectangular hyperbolic response of NEE to photosythetically active radiation (PAR) as described
in Eq.(1) during the growing season in different wetland ecosystems
湿地类型
Wetland
type
研究地点
Site
测定时间
Measured
time
表观量子产量
Apparent quantum
yield
(μmol CO2·
μmol-1 PAR)
最大光合速率
Maximum
photosynthesis
rate
(μmol CO2·
m-2·s-1)
白天生态系统
呼吸速率
ecosystem
respiration
in daytime
(μmol CO2·
m-2·s-1)
R2 n 参考文献
Reference
沼泽湿地 大兴安岭 2010年 0.002 6.64 3.62 0.25 727 [31]
Marsh wetland 沼泽泥炭地 2011年 0.002 10.51 3.30 0.45 1690
2012年 0.002 10.87 2.10 0.37 956
2004年生长季 0.002 0.50 2.73 0.44 2375 [34]
三江平原湿地 2005年生长季 0.002 0.33 2.05 0.13 2363
2006年生长季 0.002 0.20 1.82 0.12 3152
若尔盖高寒湿地 2008年生长季 0.023 6.59 2.05 0.32 1062 [7]
2009年生长季
湖泊湿地
Lake wetland
天鹅洲湿地 2005年生长季 0.008 4.26 1.69 0.51 [39]
滨海湿地 辽河三角洲 2005年生长季 0.065 19.89 nd 0.70 55 [8]
Coastal wetland 芦苇湿地 2011年 0.070 15.45 6.82 0.48 [42]
黄河三角洲 2011年生长季 0.003 14.24 3.78 0.38 3225 [13]
芦苇湿地 2010年生长季 0.055 8.18 3.18 0.73 90 [43]
黄河口潮间 2012年生长季 0.004 2.25 0.29 0.35 4051 [11]
盐沼湿地 0.024 44.24 0.64 720 [45]
长江口潮滩湿地 2005年生长季 0.020 39.03 0.61 720
0.017 36.68 0.54 1200
nd: 未测 No measure.
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图 4  不同湿地生态系统类型生长季 Michaelis⁃Menten模型模拟参数 α、Amax和 Reco,day与气温、降雨量的关系
Fig.4  Relationships between analog parameters α, Amax and Reco,day of Michaelis⁃Menten with air temperature and precipitation during
growing seasons in different wetland ecosystems.
图 5  不同湿地生态系统类型气温、降雨量对 Q10、Rref的影响
Fig.5  Effects of air temperature and precipitation on Q10 and Rref across different wetland ecosystems.
4892                                     应  用  生  态  学  报                                      26卷
表 4  不同湿地生态系统中方程 Reco,night = Rrefexp(bT)的回归系数 Rref、b以及生态系统呼吸温度敏感性(Q10)
Table 4  Regression coefficients Rref, b of the equation Reco,night =Rref exp(bT) and temperature sensitivity of ecosystem respi⁃
ration (Q10) in different wetland ecosystems
湿地类型
Wetland type
研究地点
Site
测定时间
Measured time
Rref b Q10 R2 n 参考文献
Reference
沼泽湿地 大兴安岭 2010年 4.10 [31]
Marsh wetland 沼泽泥炭地 2011年 3.10
2012年 4.90
2004年生长季 0.037 0.063 1.88 0.60 86 [34]
三江平原湿地 2005年生长季 0.009 0.120 3.37 0.56 69
2006年生长季 0.016 0.110 3.30 0.52 128
青藏高原高寒湿地 2005年 0.068∗ 0.081∗ 0.81∗ [18]
河流湿地 长江中游河流湿地 2005年 7月—2007年 12月 0.090∗ 0.039∗ 1.48∗ 0.29∗ 620∗ [37]
River wetland 0.089 0.041 1.51 0.24 620
湖泊湿地 天鹅洲湿地 2005年 5月—2006年 4月 0.023 0.075 0.33 [39]
Lake wetland 0.018∗ 0.080∗ 0.42∗
鄱阳湖苔草湿地 2009年 9月—
2010年 4月非淹水期
0.019 0.120 0.43∗ 0.90 [25]
2009年 5月—2011年 6月 0.026 0.092 0.83 22 [40]
0.032∗ 0.077∗ 0.89∗ 22
滨海湿地 辽河三角洲 2005年生长季 2.38 0.56 [8]
Coastal wetlands 芦苇湿地 2011年 0.012 0.083 2.30 0.44 [42]
黄河三角洲 2011年生长季 2.30 5308 [13]
芦苇湿地 2010年生长季 0.013 0.091 2.48 0.68 933 [43]
黄河口潮间盐沼湿地 2012年生长季 1.33 0.08 [11]
人工湿地 三江平原水稻田 2004年 0.025 0.060 1.80 0.46 [33]
Artificial wetland 2004年生长季 0.027 0.093 2.50 0.88 [51]
∗湿地生态系统呼吸与气温的关系 Relationship between respiration and air temperature in wetland ecosystem.
式中:y为 Amax(μmol CO2·m
-2·s-1);x 为降雨量
(mm).
2􀆰 3  气温和降雨量对湿地 Reco温度响应的影响
湿地生态系统呼吸(Reco)通常与温度(土壤温
度或气温)呈指数关系,为分析生态系统的温度敏
感性,引入 Q10模型 (表 4).中国湿地 Q10范围为
0.43~4.90,相对已有的研究 2.00~2.6[50]范围更广,
其中,沼泽湿地 Q10范围在 1.88 ~ 4.9,滨海湿地 Q10
范围为 1.33 ~ 2.48,且一般说来,低温少雨的高纬度
地区的 Q10值比高温多雨的低纬度地区 Q10值大
(表 4).
对提取的指数模型拟合参数以及气温、降雨数
据进行相关分析,结果显示,降雨量对 Rref(P>0.05)
无显著影响,与 Q10呈显著的线性负相关(R2 = 0.34,
P<0.05),气温对 Q10(R2 = 0.35,P<0.05)、Rref(R2 =
0.46,P<0.05)均产生显著影响.通过相关性分析可
以看到,Q10与 Rref值均随温度升高呈下降趋势(图
5),温度的敏感性在减弱,但 Q10对于温度的响应敏
感性高于 Rref对于温度的敏感性.
3  讨    论
3􀆰 1  气温与降雨量对湿地生态系统 CO2交换量的
影响机制
气温与降雨量是影响不同湿地生态系统 CO2交
换空间变异的驱动因子(图 2、图 3).全年尺度上,平
均气温和降雨量的协同作用可以解释湿地生态系统
CO2交换空间变异的 51%~67%,其中平均气温可以
解释其空间变异的 42% ~ 56%,平均降雨量可以解
释其空间变异的 42%~67% (图 2);生长季尺度上,
平均气温和降雨量的协同作用能够解释湿地生态系
统 CO2交换空间变异的 21% ~ 62%,其中平均气温
可以解释其空间变异的 21% ~ 47%,平均降雨量可
以解释其空间变异的 25%~33%(图 3).说明降雨量
和气温是影响湿地生态系统 CO2交换空间变异性的
关键因子.对若尔盖高原湿地生态系统 CO2通量的
研究发现,气温与降雨量的协同作用是湿地生态系
统 CO2通量年际变化的主控因子[7] .温度变异与夏
季洪水是造成美国温带灌木湿地以及临近森林湿地
年际碳通量差异的主要因素[29-30] .对其他类型生态
589210期                          初小静等: 气温和降雨量对中国湿地生态系统 CO2交换的影响           
系统的研究也发现类似研究结果[52-55] .另外,气温
和降雨量在全年尺度上对湿地生态系统 CO2收支的
影响远大于生长季尺度,这可能是因为在生长季植
被快速生长,植被物种组成、生物量及叶面积指数等
生物要素发生变化,成为湿地生态系统 CO2交换的
主导因子,从而弱化了温度和降雨量对湿地生态系
统 CO2交换的影响.例如,Humphreys 等[56]对北美地
区泥炭地的研究发现,植被指数对生态系统 CO2空
间变异至关重要;Lund 等[53]通过对欧洲以及北美
12个泥炭与湿地站点的研究发现;生长季降雨量可
以解释其生态系统 NEE变异的 21%;但是降雨量与
叶面积的协同影响作用则达到 89%;同时 LAI 可以
解释 GPP 空间变异的 80%.
我国季风性气候的显著特点是雨热同期(P<
0􀆰 01, 图 6),由于 NEE是 GPP 与 Reco之间相互平衡
的结果[57],雨热同期显著影响不同湿地生态系统类
型碳累积(GPP)与碳排放(Reco)过程,最终影响到
NEE的变化. GPP 与 Reco均随气温升高而增加(图
2、图 3).一方面,气温升高可加快植物叶面的蒸腾
速率[22,58],提高植物的光合作用强度[59],从而促进
GPP 增加;另一方面,气温升高引起土壤温度的升
高,加速有机质的分解,加快植物根系和土壤微生物
的呼吸速率[36,57],从而促进 Reco增加.气温升高对
GPP 和 Reco促进的相对程度,决定了湿地生态系统
土壤碳库变化方向[22] .NEE与气温的负相关关系说
明,气温升高引起 GPP 增加程度超过 Reco的增加幅
度,使得湿地生态系统净碳固定(NEE)增加.
降雨量通过影响不同湿地生态系统类型的土壤
湿度和水位,从而对 NEE 产生影响.土壤湿度是表
征土壤对植被根系以及土壤微生物供水能力的指
标,土壤湿度过小,植物生理活动受阻,叶片萎蔫,导
图 6  不同湿地生态系统类型年平均气温与年平均降雨量
的关系
Fig.6  Relationships between mean annual air temperature and
precipitation in different wetland ecosystems.
致白天植被的光合能力以及呼吸强度下降[59] .水位
变动是影响植被生长及分布的重要因素[60],已有研
究表明,地表积水改变底质的氧化还原环境,对植物
的生长和生理功能产生极大影响,改变植物生物量
分配格局和生物量的产出,最终影响到湿地生态系
统的固碳能力[30,61] .研究发现,美国纽埃西斯河三角
洲草本沼泽被河水淹没、表面有积水时,表现为碳
汇;而当河流水位下降、沼泽积水消失时,生态系统
转变为碳源[62] . Chimner 等[63]发现,水位下降对泥
炭沼泽生态系统呼吸的影响存在一个阈值,当水位
达到这个阈值时,CO2排放量达到观测期内的最大
值,超过这个阈值对 CO2排放量没有明显影响.然
而,Lafleur 等[64]研究表明,寒温带泥炭沼泽生态系
统呼吸受温度控制而不是地下水位,Updegraff等[65]
和 Waddington等[66]的研究也得到类似结果.由此可
见,湿地水位与 NEE 的关系较为复杂,存在着极大
的不确定性.但目前国内有关水位的研究较少,由于
缺乏有效数据量,无法进行整合分析,因此本次研究
没有涉及.但地表水深在一定程度上受降雨量(输入
量)、温度(输出)和地形(容纳量)这 3 个条件的影
响,本文采用的降雨量和温度在一定程度上是影响
地表水深状况的一个重要因素,特别是对于非潮汐
湿地[61] .
3􀆰 2  气温与降雨量对湿地生态系统类型 CO2交换
光响应的影响
不同湿地生态系统类型生长季白天的 NEE 与
PAR 之间符合直角双曲线关系[11,43] .在全国尺度
上,Amax、Reco,day与 α 等模型参数值一般在低温少雨
的高纬度地区较低,而在高温多雨的低纬度地区相
对较高(表 3).
植物的光合作用包括光反应和暗反应两个基本
过程.由于暗反应是多步酶促生化反应过程,温度通
过直接影响酶系列化学反应,从而影响光合速率的
变化[67] .在较低气温下,增温对光合起促进作用,此
时光合速率随气温升高而增加;而较高气温下,光合
速率会先稳定升高后下降,一方面,是由于较高气温
下蒸腾强度的降低引起水分亏缺,从而导致气孔导
度的降低[68],另一方面,高温会导致叶绿体中的酶
失活,导致光合速率停止[69] .光合速率对气温的响
应规律同时表明,在不同光合有效辐射下,光合速率
对气温的响应相差很大[58,69] .
降雨量通过影响土壤水分,对植物的光合作用
及物质运移等生理活动产生重要影响[63-70] .研究发
现,光合速率对土壤水分具有明显的阈值响应特
6892                                     应  用  生  态  学  报                                      26卷
点[71],水分过多或过少均会导致光合速率产生抑
制.一方面,水分亏缺会导致气孔部分关闭,气孔导
度下降,致使通过气孔进入叶片的 CO2减少,引起光
合产物输出变慢、光合机构受损、光合扩展面积受到
抑制[72];另一方面,水分过多会造成植物根际缺氧,
使得生理生化过程受阻,同时水分附着叶面,使得气
体交换受到抑制,叶肉细胞处于低渗状态,出现明显
的光饱和、光抑制现象,致使光合速率下降[71,73] .
3􀆰 3  气温与降雨量对湿地生态系统类型 CO2交换
温度响应的影响
不同湿地生态系统类型的 Reco通常与温度呈指
数关系[11-12,42] .其他研究也发现,湿地生态系统呼吸
的季节变化趋势与温度变化基本一致,两者一般具
有显著的相关性[52,74] .无论是植物的自养呼吸,还是
土壤、微生物的异养呼吸均受到温度的影响[75-76] .
例如,Chen等[74]对加拿大太平洋西北部花旗松森
林连续 9年的研究发现,91%生态系统呼吸变异取
决于气温的变化.
气温对 Q10产生影响主要通过影响酶的活性实
现.低温时,酶的活性受到限制,随着温度的增加活
性增强,当超过最适温度后,酶活性急剧下降,甚至
降解,总体表现为生态系统温度敏感性随温度的增
加而下降[77] .一方面,酶促反应要进行需要一定的
活化能,随着温度的增加,会有越来越多的分子达到
或超过了自身的活化能,反应会加快,但是达到活化
能的分子增加的速率会随着温度的增加而相对减
少[78],表现在试验中就是 Q10值随着温度的升高而
降低[78-79] .另一方面,温度同时通过间接的途径即
底物供应对生态系统温度敏感性产生影响,由于米
氏常数 Km(酶促反应达到其最大速度一半时的底物
浓度)具有温度敏感性,所以温度升高时,Km变大,
其起的相对作用变大,此时整个反应的温度敏感性
就变小;反之,温度降低时,此时整个反应的温度敏
感性则变大[79] .Q10值随温度升高而降低是温度通过
直接和间接途径共同作用的结果,尤其是通过影响
底物供应的间接途径[80] .
降雨量通过影响土壤含水量对 Q10产生影响.在
降雨量较少的干旱年份,受气孔和非气孔因素的共
同影响,植物的光合作用与土壤微生物的活性降低,
使得向根系输送的有机物减少,这些都会引起根系
呼吸和土壤微生物呼吸的减弱从而降低了生态系统
温度敏感性[81] .但大多数情况下,水分会通过对基
质扩散的影响而作用于湿地生态系统呼吸温度敏感
性[82];而在降雨适中水分条件较适宜时由于可溶性
物质的扩散并不受土壤水分的限制,相反温度还加
快了物质扩散,因此土壤呼吸的温度敏感性就较
高[83];但在降雨量较大、土壤含水量较高时,土壤的
大孔隙则会充满水,此时根系呼吸和凋落物分解由
于氧气的供应不足而减弱[84],土壤呼吸的温度敏感
性也会下降.
4  结    论
对于不同中国湿地生态系统而言,全年尺度上,
气温和降雨量对其 NEE、GPP 和 Reco的空间梯度变
化均产生显著影响;在生长季尺度上,NEE、GPP 和
Reco与气温呈显著相关,同时不同湿地生态系统类型
的 NEE 和 GPP 与降雨显著相关,但是,Reco与降雨
量的关系不显著;生长季降雨量与 Amax之间显著相
关,与 α、Reco,day time无显著相关,且气温对 α、Amax和
Reco,day time均无显著影响;Rref与降雨量无显著相关,
但 Q10与降雨量呈显著的线性负相关,同时气温对
Q10、Rref均产生显著影响.此外,本次研究中水位对湿
地生态系统 CO2交换的影响机制没有涉及,因此,在
以后有关湿地生态系统 CO2交换研究中,除了加强
有关水热因子中气温与降雨量的连续观测,增加水
位的观测有助于深刻理解分析湿地源汇功能和影响
机制.
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作者简介  初小静,女,1988年生,硕士研究生. 主要从事湿
地碳收支研究. E⁃mail: xjchu@ yic.ac.cn
责任编辑  杨  弘
0992                                     应  用  生  态  学  报                                      26卷