全 文 ：第 33 卷第 7 期
2012 年 7 月
环 境 科 学
ENVIRONMENTAL SCIENCE
Vol． 33，No． 7
Jul．，2012
闽江河口短叶茳芏湿地 CH4 和 N2 O 排放对氮输入的
短期响应
牟晓杰1，4，刘兴土1，2* ，仝川2，孙志高3
(1. 中国科学院东北地理与农业生态研究所湿地生态与环境重点实验室，长春 130012;2. 福建师范大学地理科学学院亚热
带湿地研究中心，福州 350007;3. 中国科学院烟台海岸带研究所海岸带环境过程重点实验室，烟台 264003;4. 中国科学
院研究生院，北京 100049)
摘要:利用静态箱-气相色谱法，研究了氮输入对闽江河口短叶茳芏湿地 CH4 和 N2O排放通量的短期影响．结果表明，高氮输
入在不同采样时间均促进了湿地 CH4 排放，低氮输入在不同时间则具有不同的变化特征．与对照处理相比，低氮和高氮 2 种
处理分别使湿地 CH4 排放通量增加了 － 44. 35% ～ 1 057. 35%和 7. 15% ～ 667. 37% ．外源氮输入在 24 h内对湿地 N2O排放通
量具有明显的正激发效应，最高可增加 171. 60 倍和 177. 79 倍，但在 8 d 后，氮输入对湿地 N2O 排放的激发效应减弱甚至消
失．氮输入在短时间内对湿地土壤 Ec、pH和 Eh均未产生显著影响．湿地 CH4 排放通量在对照处理下仅与 5 cm Eh存在显著
负相关，在低氮处理下仅与 10 cm地温呈显著负相关，在高氮处理下则与 5 cm Ec、0、5 cm pH以及 0、5、10 cm土壤 Eh均呈
显著相关性，而 N2O排放通量在不同处理下与湿地气温、地温、盐度、pH和 Eh等环境因子均不存在显著相关性．研究表明，探
讨氮输入对湿地温室气体排放的影响应考虑其时间变异性．
关键词:CH4;N2O;氮输入;滨海湿地;闽江口
中图分类号:X144 文献标识码:A 文章编号:0250-3301(2012)07-2482-08
收稿日期:2011-08-31;修订日期:2012-01-16
基金项目:国家重大科学研究计划项目(2012CD956100)
作者简介:牟晓杰(1982 ～) ，女，博士研究生，主要研究方向为湿地
生物地球化学，E-mail:xjmou@ 163． com
* 通讯联系人，E-mail:lxtmxh@ 163． com
Short-term Effects of Exogenous Nitrogen on CH4 and N2O Effluxes from
Cyperus malaccensis Marsh in the Min River Estuary
MOU Xiao-jie1，4，LIU Xing-tu1，2，TONG Chuan2，SUN Zhi-gao3
(1. Key Laboratory of Wetland Ecology and Environment，Northeast Institute of Geography and Agroecology，Chinese Academy of
Sciences，Changchun 130012，China;2. Research Centre of Wetlands in Sub-tropical Regions，College of Geographical Sciences，
Fujian Normal University，Fuzhou 350007，China;3. Key Laboratory of Coastal Environment Processes，Yantai Institute of Coastal
Zone Research，Chinese Academy of Sciences，Yantai 264003，China;4. Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing
100049，China)
Abstract:Using static chamber-GC techniques，the short-term effects of nitrogen input on the emission fluxes of CH4and N2O from a
Cyperus malaccensis wetland were determined． The results showed that the emission of CH4 was increased by high nitrogen input at all
sampling times，whereas the low nitrogen input exhibited different variation characteristics at different time points． Compared to the
control treatment，the CH4emission flux in the two nitrogen input treatments (N1，N2)was increased by － 44. 35% -1 057. 35% and
7. 15% -667. 37%，respectively． The input of exogenous nitrogen had positive priming effect on N2O emission flux within 24 hours，
increased by up to 171. 60 folds and 177. 79 folds，respectively． After 8 days，the priming effect by the nitrogen input weakened or
disappeared． There was no significant effect of nitrogen input on the Ec，pH and Eh of soil at different depths in the salt marsh during
the experiment． In the control treatment，the CH4 emission flux was negatively correlated solely with Eh of soil at 5 cm depth，whereas
in the N1 treatment，it was negatively correlated solely with soil temperature at 10 cm depth． In the N2 treatment，there was negative
correlation between the CH4emission flux and Ec of soil at 5cm depth，pH of soil at 0，5 cm depths，and Eh of soil at 0，5，10 cm
depths． However，no significant correlation between the N2O emission flux and the environmental variables in the wetland was found．
This study indicated that the temporal variability should be taken into consideration when examining the effects of nitrogen input on the
emission of greenhouse gases in the wetlands．
Key words:CH4;N2O;nitrogen input;coastal wetland;Min River estuary
CH4 和 N2O是大气中 2 种重要的温室气体，虽
然它们在大气中的含量低于 CO2，但在 100 年时间
尺度上其单位质量的全球增温潜势约为 CO2 的 23
倍和 296 倍［1］． 据估计，大气中每年有 15% ～ 30%
的 CH4、80% ～90%的 N2O来源于生态系统的自然
排放［2］．随着人类氮(N)排放的日益增加，外源 N
DOI:10.13227/j.hjkx.2012.07.051
7 期 牟晓杰等:闽江河口短叶茳芏湿地 CH4 和 N2O排放对氮输入的短期响应
输入逐渐成为生态系统温室气体产生和消耗过程的
重要影响因子之一［3］，其通过改变土壤 N 状况及 N
循环速率、影响植物生长和凋落物分解、改变土壤生
物数量和活性等从而影响生态系统 CH4 和 N2O 排
放［4］．湿地是 CH4 最大的天然排放源，据估计，全球
湿地 CH4 年排放量为 100 ～ 200 Tg
［5］，占全球 CH4
年排放量的 20%左右［6］． N2O是仅次于 CO2 和 CH4
的温室气体，其在大气中的浓度正以每年 0. 26%的
速度递增［7］．由于 N2O在大气中的寿命可达 150 a，
又因其与 O3 层破坏和酸沉降息息相关，所以它对全
球环境的影响是长期的和潜在的［8，9］．
滨海湿地处于海洋和陆地的交错地带，具有巨
大的生态系统服务功能，对人类社会的可持续发展
起着重要作用．然而，N 沉降的增加造成河口、江湖
等水域 N富集，并引起和将引起一系列严重的生态
问题，已经成为科学家和公众关注的热点［10，11］． 滨
海河口湿地不仅受大气 N 沉降的影响，而且河流流
域内人类生产、生活活动产生的含 N 物质通过河流
大量排放入海，也会对河口湿地生态系统造成严重
影响．据估计，当前全球由河流排放入海的可溶性有
机和无机氮(DIN 和 DON)总量为 30 ～ 36 Mt·a －1，
其中 DON占了 31% ～ 37%［12］，并且未来仍有不断
增加的趋势［13］． 因此，研究氮输入对滨海河口湿地
的影响具有重要的现实意义．目前，国外关于氮输入
对天然滨海湿地 CH4 和 N2O 排放的影响开展了较
多相关研究［14，15］，而国内该方面的相关研究多集中
在我国的三江平原淡水沼泽湿地［16 ～ 20］，关于滨海河
口湿地的相关研究还鲜见报道．在时间尺度上，关于
氮输入的生态影响有长期、短期等不同尺度的研究．
由于滨海河口湿地具有脆弱性、敏感性和动态性的
特点，研究其对氮输入的短期响应就显得非常重要．
闽江河口湿地是我国闽江流域最大的天然湿
地，是候鸟迁徙的重要驿站地、越冬地和庇护所． 闽
江河口滨岸潮滩湿地作为闽江入海河段与东海相互
作用形成的重要生态类型，承接着来自闽江中上游
带来的大量含氮物质． 据统计，2009 年闽江口为无
机氮和活性磷酸盐污染较为严重的区域，闽江氮磷
污染物排海总量为19 927 t［21］．目前，关于氮输入对
闽江河口湿地温室气体排放影响的研究还未见报
道．因此，本研究以闽江河口土著优势植物短叶茳芏
(Cyperus malaccensis)盐沼湿地为对象，分析湿地
CH4 和 N2O排放对氮输入的短期响应特征，结果对
于深入开展和探讨人类活动影响下滨海河口湿地生
态系统碳、氮循环过程及其维持机制等具有重要
意义．
1 研究区域与方法
1. 1 研究区概况
实验于 2011 年 4 月 29 日 ～ 5 月 7 日在福建省
长乐市闽江河口湿地自然保护区内面积最大的鳝鱼
滩湿地进行．鳝鱼滩湿地(26°0036″ ～ 26°0342″N，
119°3412″ ～ 119°4040″E)地处闽江入海口，分布于
琅岐岛与长乐市潭头-文岭-梅花之间的梅花水道中
偏潭头-梅花一侧，是闽江泥沙淤积形成的河口潮
滩，面积 3 120 hm2 ．潮汐属正规半日潮，气候暖热湿
润，年均气温 19. 13℃，年降雨量 1 346 mm 左
右［22］．芦苇(Phragmites australis)、短叶茳芏和藨草
(Scirpus triqueter)是该区域的土著优势挺水植物，近
年来，互花米草(Spartina alterniflora)入侵迅速，已
形成许多明显的大面积入侵斑块． 本研究在鳝鱼滩
湿地中西部五门闸附近的中偏高潮滩内进行，该区
短叶茳芏群落、芦苇群落与互花米草群落呈斑块状
镶嵌分布．在短叶茳芏群落选择一个典型研究样区
进行实验布设．
1. 2 研究方法
1. 2. 1 实验设计
实验选取闽江河口短叶茳芏湿地为研究对象，
在实验样地内随机选取 9 个 1 m ×1 m的研究小区，
设置对照、低氮和高氮 3 个氮处理水平，每个处理 3
个重复． 2011 年 4 月 29 日上午 10:00 以1 000 mL
NH4NO3 水溶液的形式进行氮输入处理，氮输入量
分别为3 g·m －2(N1)和 6 g·m －2(N2) ，对照处理
(N0)施入等量的水，分别在氮输入后的 0、3、24 和
192 h进行样品采集．
1. 2. 2 气样采集与分析
CH4 和 N2O 气体采集采用静态箱法．采样箱由
有机玻璃制成，采用标准式组合设计，由箱体和底座
2 部分组成，箱体规格为 35 cm ×35 cm × 100 cm，底
座为 35 cm ×35 cm ×50 cm．采样时，箱体和底座间
用水密封． 实验于当日 10:00 开始，样品采集采用
100 mL注射器，在 30 min时间段内每 10 min采集 1
次样品(共采集 4 个气体样品) ，气体样品置于 0. 5
L的铝塑复合气袋中，36 h 内在实验室用 Agilent
7890 气相色谱仪同时分析 CH4 和 N2O 气体浓度．
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，所有样品的相关系数均在 R2 ＞
0. 95 时才视为有效．
1. 2. 3 环境因子测定
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同步观测 1. 5 m 气温和箱温的变化，并在样品
采集后 0. 5 h 内观测不同深度(0、5、10 和 15 cm)
地温、电导率(Ec)、pH和氧化还原电位(Eh)． pH和
氧化还原电位(Eh)采用 IQ150 便携式 pH /氧化还
原电位 /温度计(IQ Scientific Instruments，USA)测
定，盐度采用 2265FS 便携式电导盐分计(Spectrum
Technologies Inc，USA)测定，气温采用便携式气象
仪(Kestrel-3500，USA)测定．
1. 2. 4 通量计算
CH4 和 N2O排放通量采用下式计算:
J = dcdt ×
M
V0
× PP0
×
T0
T × H
式中，J为气体通量［mg·(m2·h)－ 1］，dc /dt为采样
时气体体积分数随时间变化的回归曲线斜率，M
为被测气体摩尔质量(g·mol － 1) ，P 为采样点气压
(Pa) ，T为采样时绝对温度(K) ，V0、P0 和 T0 分别
为标准状态下的气体摩尔体积(mL·mol － 1)、空气
气压(Pa)和绝对温度(K) ，H 为地面以上采样箱
高(m)．
1. 2. 5 数据统计与分析
运用 Origin 7. 5 和 SPSS 13. 0 软件对数据进行
作图、计算和相关分析．
2 结果与分析
2. 1 环境因子变化特征
2. 1. 1 温度
采样期间短叶茳芏湿地的气温、箱温和不同深
度地温的变化趋势较为一致(图 1) ，各温度参数之
间的差异性达到极显著性水平(P ＜ 0. 001)．湿地环
境温度在 4 个采样时间之间的差异并不显著(P ＞
0. 05) ，在不同采样时间，湿地环境温度均表现为箱
温 ＞气温 ＞ 0 cm地温 ＞ 5 cm地温 ＞ 10 cm地温．
2. 1. 2 电导率、pH和氧化还原电位
图 2(a)为短叶茳芏湿地不同土壤深度的 Ec 变
化特征，除了在第 24 h，在各处理下，湿地土壤 Ec均
随深度增加而逐渐减低，第 3 次采样由于前 1 d 晚
上下雨，淡水的输入使得土壤 Ec 表现为 0 cm ＜ 5
cm ＞ 10 cm．采样期间，短叶茳芏湿地不同深度土壤
的 pH介于 5. 13 ～ 6. 96 之间［图 2(b) ］，湿地土壤
呈弱酸性条件，而湿地土壤的氧化还原电位则在
2. 93 ～ 110. 15 之间［图 2(c) ］，说明湿地土壤的氧
化性较强．氮输入在不同采样时间对湿地土壤 Ec、
pH和 Eh的影响不尽相同，但其对不同土层的 Ec、
pH和 Eh均未产生显著影响(P ＞ 0. 05)．
图 1 湿地环境温度变化
Fig． 1 Variation of environmental temperatures
in the C． malaccensis wetland
2. 2 湿地 CH4 排放通量对 N输入的响应
图 3 是氮输入后不同时间闽江河口短叶茳芏湿
地 CH4 排放通量的变化． 从中可知，短叶茳芏湿地
在不同采样时间均表现为 CH4 的排放源，排放通量
介于 23. 66 ～ 938. 95 ug·(m2·h)－ 1之间． 低氮处理
在施氮 0 和 24 h后对短叶茳芏湿地 CH4 排放通量
表现为促进作用，与对照处理相比分别增加了
1057. 35%和 108. 07%，而在施氮后 3 和 192 h 则表
现为抑制作用，分别降低了 42. 28%和 44. 35% ． 比
较而言，高氮输入在不同采样时间均促进了湿地
CH4 排放，其增加幅度分别为 667. 37%、7. 15%、
3. 09%和 312. 28% ． 方差分析表明，氮输入处理和
采样时间对 CH4 排放通量均未产生显著影响(P ＞
0. 05)．
2. 3 湿地 N2O排放通量对 N输入的响应
图 4 是氮输入后不同时间闽江河口短叶茳芏湿
地 N2O排放通量的变化． 从中可知，短叶茳芏湿地
在实验期间表现为 N2O 的弱源 /弱汇，排放通量介
于 － 5. 83 ～ 32. 64 μg·(m2·h)－ 1之间． 低氮和高氮
两种处理在施氮后 0、3 和 24 h 对短叶茳芏湿地的
N2O排放通量均表现为促进作用，与低氮处理相比
高氮处理的促进作用稍高，但二者之间并没有显著
差异(P ＞ 0. 05)． 在 24 h 内，随着时间的增加 N 输
入对湿地 N2O排放的促进作用逐渐增大，与对照处
理相比分别增加了 10. 83、17. 55、171. 60 倍和
11. 40、18. 40、177. 79 倍，这说明氮输入在短时间
内对湿地 N2O 排放具有明显的正激发效应．但是 8
d后，氮输入处理的 N2O 排放通量与对照处理相比
并没有显著差异(P ＞ 0. 05) ，氮输入对湿地 N2O 排
放的激发效应消失甚至表现为抑制．
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7 期 牟晓杰等:闽江河口短叶茳芏湿地 CH4 和 N2O排放对氮输入的短期响应
图 2 短叶茳芏湿地土壤电导率、pH和 Eh变化
Fig． 2 Variations of electrical conductivity，pH and Eh of soil at 0，5 and 10 cm soil depths
in the C． malaccensis salt marsh under different nitrogen levels
图 3 湿地 CH4 排放通量变化
Fig． 3 Variation of CH4 emission flux from the
C． malaccensis wetland
3 讨论
3. 1 氮输入对湿地 CH4 和 N2O排放的影响
3. 1. 1 氮输入对湿地 CH4 排放的影响
河口潮滩湿地为 CH4 的重要排放源
［15，23，24］，而
CH4 的排放通量主要取决于 CH4 产生和氧化过程
的相对平衡．本项研究发现，氮输入在短时间内总体
图 4 湿地 N2O排放通量变化
Fig． 4 Variation of N2O emission flux from
the C． malaccensis wetland
上促进了闽江河口短叶茳芏湿地的 CH4 排放．许多
研究也表明氮输入的增加可明显促进湿地的 CH4
排放．张丽华等［16］的研究发现，氮输入增加了生长
季沼泽湿地的 CH4 排放通量，氮输入处理的 CH4 排
放总量为对照处理的 2. 5 倍．宋长春等［18］的研究也
发现，氮输入促进了三江平原淡水沼泽湿地的 CH4
排放通量，与对照处理相比，其排放通量增加了
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145%，且主要与植物生长、有机质分解、根系分泌功
能及湿地温度和水文状况有关． 甲烷氧化菌在氧化
CH4 和硝化细菌氧化 NH
+
4 时需要相同的微生物酶
参与，NH +4 的输入可通过增加硝化细菌数量而抑制
甲烷氧化菌的生长及活性，导致二者对酶的竞争，从
而抑制 CH4 氧化
［25，26］．同时，NH +4 氧化过程中产生
的 NO －2 会对甲烷营养菌产生毒害作用，从而减少土
壤对大气 CH4 的氧化吸收
［27］．另外，NO －3 及与 NO
－
3
结合的阳离子都对甲烷营养菌具有直接的毒害作
用［28］，从而抑制 CH4 氧化．本研究中，低氮处理在施
氮后 3 h和 192 h对 CH4 排放的抑制作用主要与不
同采样时间的环境因子变化、植物吸收利用状况、植
物传输作用、土壤 CH4 营养菌活性等因素有关．
3. 1. 2 氮输入对湿地 N2O排放的影响
土壤硝化-反硝化作用是 N2O 产生的关键过
程，与土壤有效氮的供应状况关系密切［3］，氮输入
的增加通常引起 N2O排放通量的显著增加．本研究
发现，短叶茳芏湿地的 N2O排放通量在 24 h内均显
著高于对照处理，Muoz-Hincapié 等［29］对波多黎各
红树林(Rhizophora mangle)沉积物 N2O通量对 N添
加响应的研究也发现，随着NH +4 -N和NO
－
3 -N含量的
增加，N2O 通量逐渐增加，Aelion 等
［30］对美国南卡
罗来那滨海平原 N2O 排放的研究也表明，随着
NO －3 -N浓度的增加，N2O 产生速率和转化效率均增
加．文献［16，18］对我国三江平原淡水沼泽湿地的
研究也发现氮输入对湿地 N2O 排放通量具有明显
促进作用．总体而言，导致短叶茳芏湿地的 N2O 排
放通量显著增加的原因主要有如下 3 个方面:①氮
元素是影响闽江河口短叶江芏湿地植物生长的重要
限制性因子［31］，在受氮限制的生态系统中，植物根
系与土壤微生物间对氮存在激烈的竞争，随着外源
氮输入的增加，可被硝化细菌和反硝化细菌利用的
有效氮增加，作为硝化和反硝化过程的反应底物增
多，从而促进了土壤 N2O的排放
［32］．② 氮输入还能
够通过增加土壤中的 NO －2 浓度促进硝化细菌反硝
化作用，从而增加 N2O 排放
［33］． ③氮输入可能导致
湿地植株 N 供给过剩，使植物直接排放的 N2O 增
加［16］．然而，施氮 8 d 后氮输入对 N2O 排放通量的
影响并不显著，因为输入的氮主要被植物吸收利用
了，而存留在土壤中的 N 很少，不足以改变土壤硝
化和反硝化速率，所以对土壤 N2O 排放的影响不明
显．因为 N2O 排放通量与土壤 N 循环速率显著相
关，氮输入只有在提高土壤有效 N 含量，促进土壤
硝化、反硝化作用强度时才会明显影响土壤 N2O 的
排 放 量［34］． Moseman-Valtierra 等［15］ 对 Spartina
patens 盐沼湿地的研究也得到了相似的变化规律，
氮输入(NaNO3)在 1 h内显著增加了湿地的 N2O排
放通量，但是施氮 2 d 后氮输入处理与对照处理之
间的差异性消失． 另外，湿地 N2O 排放还与 N 的矿
化速率以及土壤自身养分状况等因素密切相关．
3. 2 环境因子对 CH4 和 N2O排放通量的影响
3. 2. 1 温度
温度是影响湿地温室气体排放的重要环境因
子，温度主要通过影响土壤微生物的活性以及植株
的 CH4 和 N2O传输与释放能力从而影响生态系统
CH4 和 N2O排放． 本研究发现，在对照处理下，N2O
排放通量与各温度参数均呈正相关关系，而氮输入
处理下的 N2O 排放通量则与各温度参数均呈负相
关关系(表 1)．低氮处理下 CH4 排放通量与温度参
数的相关关系也与对照相反(10 cm 地温除外)． 除
CH4 排放通量在低氮处理下与 10 cm地温存在显著
的负相关关系(R = － 0. 973，P ＜ 0. 05)外，其他情况
下温度对 CH4 和 N2O排放的影响均不显著，原因可
能与观测时间较短，温度的变化幅度不大有关．
表 1 温度与 CH4 和 N2O通量的 Pearson相关及显著性分析1)
Table1 Pearson correlation and significance analysis between CH4 or N2O fluxes and the temperatures
气体 处理 气温 箱温 地表温度 5 cm地温 10 cm地温
对照 0. 288 0. 297 0. 038 0. 052 － 0. 37
CH4 低氮 － 0. 608 － 0. 480 － 0. 435 － 0. 686 － 0. 973*
高氮 0. 237 0. 361 0. 227 0. 105 － 0. 429
对照 0. 722 0. 431 0. 042 0. 478 0. 664
N2O 低氮 － 0. 574 － 0. 824 － 0. 918 － 0. 720 － 0. 220
高氮 － 0. 570 － 0. 821 － 0. 917 － 0. 717 － 0. 216
1)* 表示 P ＜ 0. 05
3. 2. 2 电导率
盐分是影响滨海湿地诸生态过程的重要环境因
子．本研究中湿地土壤盐分随深度增加而逐渐降低，
这主要与表层土壤经常受海水浸渍有关． 盐分主要
通过影响微生物活性和植物活动从而间接影响 CH4
排放，盐分条件对 CH4 产生潜力具有一定的抑制作
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7 期 牟晓杰等:闽江河口短叶茳芏湿地 CH4 和 N2O排放对氮输入的短期响应
用［35，36］．盐分对 N2O排放的影响则主要通过影响湿
地硝化-反硝化细菌的活性以及湿地氮周转而进行．
高盐分不利于土壤氮素转化，且盐分越高抑制越明
显［37］． Smith等［38］研究也发现，墨西哥湾不同盐分
沉积物的 N2O排放通量存在很大差异，淡水沼泽最
大，盐分较低盐沼次之，盐分较高盐沼最低． 本研究
中，氮输入并没有对土壤盐分产生显著影响，湿地
CH4 和 N2O排放通量与盐分变化之间并没有呈现
前述的对应变化规律，主要因为滨海河口湿地特殊
的地理位置使其盐分条件受潮汐、河流和降雨等的
影响较大，输入的少量氮肥在短期内不足以对其盐
分含量产生显著影响有关．相关分析表明，湿地 CH4
和 N2O排放通量在对照处理下与各层土壤 Ec 均呈
正相关关系，而在低氮处理下则与各层土壤 Ec 呈
负相关关系，高氮处理下湿地 CH4 和 N2O排放通量
与各层土壤 Ec 的相关关系并不一致． 除 CH4 排放
通量在高氮处理下与 5 cm土壤 Ec存在显著负相关
关系(R = － 0. 996，P ＜ 0. 05)外，其他情况下湿地两
种温室气体排放通量与土壤 Ec 的相关性均不显著
(表 2)．
表 2 电导率、pH和 Eh与 CH4 和 N2O通量的 Pearson相关及显著性分析1)
Table 2 Pearson correlation and significance analysis between CH4 or N2O fluxes and electrical conductivity，pH and Eh
气体 处理
Ec pH Eh
0 cm 5 cm 10 cm 0 cm 5 cm 10 cm 0 cm 5 cm 10 cm
对照 0． 114 0． 240 0． 711 0． 573 0． 919 0． 887 － 0． 737 － 0． 963* － 0． 885
CH4 低氮 － 0． 569 － 0． 360 － 0． 554 0． 379 0． 434 0． 433 － 0． 366 － 0． 443 － 0． 429
高氮 － 0． 339 － 0． 996＊＊ 0． 288 0． 957* 0． 952* 0． 945 － 0． 954* － 0． 960* － 0． 951*
对照 0． 745 0． 461 0． 721 － 0． 331 － 0． 104 － 0． 109 0． 250 0． 046 0． 113
N2O 低氮 － 0． 841 － 0． 901 － 0． 786 － 0． 897 － 0． 806 － 0． 801 0． 903 0． 795 0． 801
高氮 － 0． 441 0． 545 0． 624 － 0． 764 － 0． 789 － 0． 783 0． 769 0． 775 0． 778
1)* 表示 P ＜ 0. 05，＊＊表示 P ＜ 0. 01
3. 2. 3 pH
土壤 pH是影响温室气体排放的关键因子． 绝
大多数土壤微生物适应中性或微碱性的条件，并对
土壤 pH的变化较为敏感［39］． 土壤 pH 主要从 3 个
方面影响最终的 CH4 排放
［5］:① 有机质分解过程;
②CH4 的产生过程;③CH4 的氧化过程．研究表明，
产 CH4 菌可以忍受的 pH 范围为 5． 5 ～ 9. 0，最适
pH范围为 6. 8 ～ 7. 2［5］．本研究中，前 3 次采样土壤
pH在 4. 71 ～ 6. 09 之间，不在产 CH4 菌活动的最适
pH范围内，所以 CH4 排放通量相对较低，而最后一
次采样土壤 pH 接近于 7，适宜土壤产 CH4 菌的活
动，所以此时 CH4 排放通量相对较高． N2O 是反硝
化作用的中间产物，N2O最终还原为 N2 的程度主要
由 N2O还原酶的活性决定，而 N2O还原酶的活性一
般随 pH值的增加、NO －3 -N浓度和氧分压的降低而
增加［40］．本研究第 4 次采样时土壤 pH升高，而 N2O
排放通量降低，可能与 pH 升高增加了 N2O 还原酶
的活性，从而增加了反硝化产物中 N2 ∶ N2O 有关．氮
输入并没有显著改变湿地不同层次土壤的 pH，主要
因为河口湿地的外界环境因素比较复杂，输入的少
量 N肥在短时间内不足以显著改变土壤的 pH． 相
关分析表明，短叶茳芏湿地的 CH4 排放通量与不同
土层的 pH均呈正相关关系，且高氮处理下短叶茳
芏湿地的 CH4 排放通量与 0 和 5 cm 土壤 pH 之间
的相关性达到显著性水平(R = 0. 957，P ＜ 0. 05;R
= 0. 952，P ＜ 0. 05) ，而湿地的 N2O排放通量则与不
同土层的 pH 均呈负相关关系，但相关性并不显著
(P ＞ 0. 05)．
3. 2. 4 氧化还原电位
土壤中 CH4 和 N2O 的生成与氧化还原电位密
切相关． Kralova 等［41］的研究发现，土壤悬液的 Eh
为 0 mV 时 N2O 排放量最大，进一步降低 Eh 将使
N2O排放量减少，而使反硝化速率和 N2 排放增加．
本研究中施氮处理下湿地 N2O 排放通量的变化与
这一规律较为相似，在前 3 次采样中，湿地 Eh 在
63. 9 ～ 136. 7 之间，并且随着时间的增加不同土层
的 Eh均不断增大，而湿地 N2O 排放通量也随时间
增加而逐渐增大，施氮 8 d后湿地各层土壤 Eh 均大
幅降低，而 N2O 排放通量也表现为类似变化规律，
甚至表现为负值．刘景双等［42］的研究也表明，Eh 是
决定沼泽湿地 N2O 生产的关键因子，并且决定了
N2O的长期排放模式． CH4 的生成一般需要较低的
氧化还原电位，因为土壤中的产甲烷菌只有在严格
厌氧条件下才具有产甲烷活性［5］． 本研究中施氮 8
d后湿地各层土壤的 Eh最低，湿地 CH4 的排放量也
最高，这可能与土壤还原性的增加促进了土壤中产
甲烷菌的活性有关． 氮输入在不同时间对湿地土壤
Eh的影响均不显著，如前所述主要因为影响河口湿
7842
环 境 科 学 33 卷
地 Eh 的因素比较复杂，输入的少量 N 肥在短时间
内不足以显著改变土壤的 Eh． 相关分析表明，短叶
茳芏湿地的 CH4 排放通量与不同土层的 Eh 均呈负
相关关系，且高氮处理下湿地的 CH4 排放通量与 0、
5 和 10 cm土壤 Eh 之间的相关性均达到显著性水
平(R = － 0. 954，P ＜ 0. 05;R = － 0. 960，P ＜ 0. 05;
R = － 0. 951，P ＜ 0. 05)．而湿地 N2O 排放通量则与
不同土层的 Eh 均呈正相关关系，但相关性并不显
著(P ＞ 0. 05)．
3. 3 氮输入对 CH4 和 N2O排放的时间变异性
本研究表明，氮输入对湿地 CH4 和 N2O排放的
影响具有明显的时间变异性，特别是 N2O排放在 24
h内表现出明显的正激发效应，但在 8 d后影响却并
不显著． Moseman-Valtierra等［15］对 Spartina patens盐
沼湿地的研究也发现，氮输入处理在 1 h 内显著增
加了湿地的 N2O排放通量，但是施氮 2 d 后氮输入
处理与对照处理之间的差异性消失．可见，氮输入后
观测时间的不同对研究结论会具有直接影响．目前，
关于氮输入对生态系统温室气体排放的研究所采取
的观测时间不尽一致，包括在氮输入后 1 h内［15］、3
～ 4 d［16，17］、1 个月［18］等进行观察，得到的观测结论
也不尽一致．氮输入生态影响的时间变异性主要因
为植物、动物、微生物对外源物质的响应和适应需要
一个时间过程，外源物质在生态系统中的消解、转化
或累积也将随时间而异，最终导致生态系统对外源
物质输入的自我调节和适应的时间变异，氮输入生
态影响的时间变异性还与外源氮的输入量、输入频
次、生态系统底质状况以及环境因子等具有密切关
系． Bradford等［43］认为通过一次性大量输入或分几
次大量输入氮肥来模拟氮输入对生态系统影响的研
究不太准确，因为实际情况下氮元素是通过高频率
少量输入的方式进行的．鉴于此，笔者认为建立温室
气体排放通量与氮输入量、土壤理化性质变化以及
各种环境因子之间的时间序列经验或机理模型或许
可以更准确地评估和预测氮输入对生态系统温室气
体排放的影响，从而为全球气候变化研究以及国家
减排政策的制定提供可靠的数据支持．
4 结论
(1)低氮输入在施加后的不同时间对湿地 CH4
排放的影响并不一致，高氮处理在施加后的不同时
间均促进了湿地 CH4 排放． 与对照处理相比，低氮
和高氮 2 种处理分别使短叶茳芏湿地 CH4 排放通
量增加了 － 44. 35% ～ 1 057. 35% 和 7. 15% ～
667. 37% ．
(2)2 种氮处理在 24 h内对湿地 N2O排放均具
有明显的促进作用，而 8 d 后促进作用消失甚至产
生微弱的抑制．氮输入最高可使湿地 N2O 排放通量
增加 171. 60 倍和 177. 79 倍．
(3)氮输入在短时间内对湿地土壤 Ec、pH 和
Eh均未产生显著影响． 湿地 CH4 排放通量在对照
处理下仅与 5 cm Eh 存在显著负相关，在低氮处理
下仅与 10cm地温呈显著负相关，高氮处理下则与 5
cm Ec，0、5 cm pH以及 0、5、10 cm土壤 Eh均呈显
著相关性，而 N2O排放通量在不同处理下与湿地气
温、地温、盐度、pH和 Eh 等环境因子均不存在显著
相关性．
(4)氮输入对湿地 CH4 和 N2O 排放的影响具
有明显的时间变异性，氮输入后的观测时间不同对
研究结论影响较大，今后应注意加强该方面的研究．
致谢:福建师范大学地理学院的黄佳芳、张永
勋、杨平、张子川、何清华、章文龙、雍石泉、林德华、
马永跃、李旭伟等同学在野外实验过程中给予了很
大的支持和帮助，在此表示诚挚的谢意!
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