全 文 ：泉州湾红树林湿地土壤 CO2通量周期性变化特征
*
王宗林1 摇 吴沿友1,2**摇 邢德科1 摇 刘荣成1 摇 周贵尧1 摇 赵摇 宽1
( 1现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室 /江苏省重点实验室 /江苏大学农业工程研究院, 江苏镇江 212013; 2中国
科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室, 贵阳 550002)
摘摇 要摇 福建泉州湾红树林湿地生态系统所处地属正规半日潮,为新近栽植的人工修复林
带.采用 Li鄄840 便携式土壤二氧化碳分析仪测定主要红树群落土壤 CO2排放通量,研究土壤
CO2通量周期性变化特征.结果表明: 泉州湾红树林处于幼林期,其土壤 CO2通量较小;早、晚
潮潮间期,秋茄和桐花树群落土壤 CO2浓度和通量随退潮时间变化趋势基本一致;泉州湾红
树林湿地土壤 CO2浓度和通量分别为 557. 08 ~ 2211. 50 滋mol·mol-1和 - 0. 21 ~ 0. 40
滋mol·m-2·s-1,早、晚潮潮间期和晚、早潮潮间期 CO2通量平均值分别为 0. 26 和 -0. 01
滋mol·m-2·s-1;对于同一退潮时刻,早、晚潮潮间期 CO2通量大于晚、早潮潮间期.早、晚潮潮
间期 CO2通量与对应的即时 CO2浓度呈“钟冶型变化,CO2通量随 CO2浓度的增加呈先增加后
降低的趋势,近似高斯分布,据此可建立该系统土壤 CO2通量与 CO2即时浓度的数学模型.
关键词摇 红树林湿地摇 CO2通量摇 潮间期摇 秋茄摇 桐花树
文章编号摇 1001-9332(2014)09-2563-06摇 中图分类号摇 X16摇 文献标识码摇 A
Periodic characteristics of soil CO2 flux in mangrove wetland of Quanzhou Bay, China. WANG
Zong鄄lin1, WU Yan鄄you1,2, XING De鄄ke1, LIU Rong鄄cheng1, ZHOU Gui鄄yao1, ZHAO Kuan1
(1Ministry of Education and Jiangsu Province Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and
Technology / Institute of Agricultural Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu,
China; 2State Key Laboratory of Environmental Geochemistry, Institute of Geochemistry, Chinese Acade鄄
my of Sciences, Guiyang 550002, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(9): 2563-2568.
Abstract: Mangrove wetland ecosystem in Quanzhou Bay in Fujian Province is newly restored with
a regular semidiurnal tide. Soil CO2 concentration in the mangrove soil was determined by Li鄄840
portable gas analyzer, and periodic characteristics of soil CO2 emission was investigated. The soil
CO2 flux in the wetland soil was relatively small because the mangrove was young. The change
trends of soil CO2 concentration and flux with time were consistent in Kandelia obovate and Aegiceras
corniculatum communities in the intertidal periods. The CO2 concentration and flux in the wetland
soil were 557. 08-2211. 50 滋mol·mol-1 and -0. 21-0. 40 滋mol·m-2·s-1, respectively. The
average CO2 flux in the wetland soil was 0. 26 滋mol·mol-1·s-1 in the intertidal of morning and
evening tides(early interti鄄dal) and -0. 01 滋mol·m-2·s-1 in the intertidal of evening and morn鄄
ing tides (late intertidal), respectively. At the same time after the tide, the concentration and flux
of CO2 in the mangrove soil in early intertidal was higher than that in late intertidal. In early interti鄄
dal, the relationship between the flux and instantaneous concentration of CO2 in the wetland soil was
expressed as a bell鄄shaped curve, and CO2 flux increased first and then decreased with the increa鄄
sing CO2 concentration, which was in conformity with Gaussian distribution.
Key words: mangrove wetland; CO2 flux; intertidal; Aegiceras corniculatum; Kandelia obovate.
*“十二五冶国家科技支撑计划项目(2009BADB2B04鄄03)资助.
**通讯作者. E鄄mail: yanyouwu@ ujs. edu. cn
2013鄄12鄄16 收稿,2014鄄05鄄26 接受.
摇 摇 二氧化碳(CO2)是最主要的温室气体,对全球
气候变暖的贡献约为 70% [1] .土壤作为生态系统的
重要组成部分,既是一个巨大的碳库,又是大气 CO2
重要的碳源[2] .土壤 CO2通量表现为土壤呼吸,是土
壤与大气间的气体交换量,包含吸收和释放两部分.
吸收部分是指土壤自养微生物同化 CO2量,释放部
分是由于土壤微生物氧化有机物和根系呼吸产生,
极少的部分来自土壤动物的呼吸和化学氧化[3-4] .
关于土壤 CO2通量的研究已逐渐成为全球变化研究
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 9 月摇 第 25 卷摇 第 9 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Sep. 2014, 25(9): 2563-2568
的核心[5] .湿地与森林、海洋并成为全球三大生态
系统[6],其碳通量与全球变化密切相关. 天然湿地
每年向大气中排放的 CO2占全球 CO2排放总量的
5% ~8% [2] .红树林生态系统作为重要的湿地生态
系统之一,与单纯意义上的森林和海洋生态系统有
关联也有区别.
红树林湿地是指生长着红树植物群落的湿地,
红树植物群落是生长在热带、亚热带海岸潮滩盐渍
土壤的特有的木本植物群落,在海岸河口生态系统
中不仅具有防浪护岸固沙作用[7],还具有其他的生
态价值和经济价值[8] . 有研究认为,红树林生态系
统是一个强的碳汇,而土壤 CO2通量是碳主要输出
源,是影响其汇值的关键因素[9-12] . 因此,对土壤
CO2通量周期性变化规律研究具有重要意义.
目前对沼泽、平原、滨海等其他湿地类型土壤
CO2通量的研究较多[13-17],对红树林 CO2通量的研究
多集中在土壤鄄大气界面 CO2通量的影响因子和应用
等方面[6,12,18 - 19],潮涨、潮落下滩涂土壤 CO2通量日
变化特征的研究则较少.本研究对红树人工林在成林
初期的土壤 CO2通量日变化规律进行了研究,分析
CO2通量与该段时间内即时 CO2浓度的变化规律,为
下一步建立合适的数学模型提供参考,为估算红树林
生态系统碳源 /汇值提供简便易行的方法,为恢复我
国沿海地区红树林生态系统提供科学依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
泉州湾河口红树林湿地 (24毅48忆—24毅51忆 N,
118毅46忆—118毅46忆 E)位于福建省东南部泉州湾,属
南亚热带海洋性季风气候,年均温 19. 2 益,极端最
低气温 2. 1 益,极端最高气温 37 益,4 月均温 20. 4
益,7 月均温 27. 1 益,11 月均温 19. 3 益,全年几乎
无霜;年均降水量 1120 mm,降雨主要集中在 5—6
月,年均蒸发量 2000 mm;土壤盐度为 3. 9 ~ 34. 1.
该区是典型的浅水型河口半封闭港湾,水区受潮汐
变化明显,为正规半日潮,即一日之内两次涨落,每
次周期 12. 4 h. 洛阳江红树林湿地总面积 876郾 9
hm2,其中滩涂面积 568. 5 hm2,水域面积 308郾 4
hm2 .秋茄(Kandelia obovate)、桐花树(Aegiceras cor鄄
niculatum)和白骨壤(Avicennia marina)等树种为优
势植物,但白骨壤的分布面积较小.该区土壤 pH 为
6. 92 ~ 7郾 66,呈明显的中性偏弱碱性[20],主要为黏
土质粉砂沉积物,粉砂含量最多,>43% ;黏土含量
次之,>35% ;砂含量为 0. 56% ~20% [21] .
1郾 2摇 试验设计
根据该区红树林分布情况,选择洛阳江中游屿
头村的秋茄群落和桐花树群落作为 2 个土壤原位测
定点.监测完整潮间期即早潮、晚潮后 6 h 内的 CO2
浓度值,监测 3 d,作为 3 个重复.潮间期为 6 ~ 7 h,
测定潮水退后 1、2、3、4、5 和 6 h,潮水刚退的时刻为
0 h.
1郾 3摇 测定项目与方法
1郾 3郾 1 CO2浓度测定摇 采用 Li鄄840 便携式土壤二氧
化碳分析系统(Li鄄COR,US)测定 CO2浓度. 该系统
由红外 CO2 / H2O分析仪、空气泵、掌上电脑、蓄电池
和土壤呼吸气室组装而成. 土壤空气采气室由裹尼
龙网的玻璃漏斗和惰性硬质塑料管(内径 2 mm)组
成,硬质塑料管一端套在倒置的玻璃漏斗颈部,连接
处用石蜡密封,另一端通过橡胶软管与 Li鄄840 探头
连接,并在接口处涂抹石蜡以防漏气.
2013 年 6 月 23—27 日和 9 月 8—9 日,分别测
定土壤表层的 CO2实时浓度.在距树干 15 cm处,将
采气室压按在土壤表层 1 cm 处,连接好 Li鄄840 系
统,确保各处不漏气后,开始测定.连续测定 10 min,
数据记录频率为 10 s[22] .
1郾 3郾 2 CO2通量的计算摇 CO2通量的计算公式为:
F=10000k· VA·
1
Vm
式中:F 为 CO2排放通量(滋mol·m-2·s-1 ); k 为
CO2浓度的变化速率(滋mol·mol-1·s-1);V 为采样
气室的体积(m3);A 为采样气室底面积(m2);Vm为
标准状态下气体摩尔体积(22. 4 L·mol-1).
1郾 4摇 数据处理
采用 SigmaPlot 12. 3 软件进行数据统计分析,
利用单因素方差分析(one鄄way ANOVA)方法进行方
差分析和差异显著性检验(琢 = 0. 05). 利用 Origin
8. 5 软件作图.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 早、晚潮潮间期土壤 CO2浓度和通量的变化
由图 1 可以看出,早、晚潮潮间期 6 h 内桐花树
群落土壤 CO2浓度大于秋茄群落,同一时刻相差均
为 300 滋mol·mol-1;两者在潮间期的变化趋势基本
一致,均随时间的推移逐渐增加. 桐花树群落土壤
CO2浓度为 880 ~ 2211 滋mol·mol-1,秋茄为 696 ~
1892 滋mol·mol-1 .在潮间期前半段和后半段时间,
秋茄和桐花树群落土壤 CO2浓度的增加速度均是先
快后慢.
4652 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
图 1摇 早、晚潮潮间期秋茄(a)和桐花树(b)群落土壤 CO2浓
度和通量
Fig. 1摇 Soil CO2 concentration and flux of Kandelia obovate (a)
and Aegiceras corniculatum (b) communities in early intertidal.
摇 摇 桐花树群落土壤 CO2通量大于秋茄群落,在 3
和 6 h,秋茄群落分别出现最大差值 0. 03 滋mol·m-2
·s-1和最小差值 0. 005 滋mol·m-2·s-1 . 但两者随
时间的推移变化趋势一致,均先增加后降低. 早、晚
潮潮间期桐花树群落土壤 CO2通量为 0. 14 ~ 0郾 40
滋mol·m-2·s-1,平均为 0. 26 滋mol·m-2·s-1;秋茄
群落土壤 CO2通量为 0. 13 ~ 0. 37 滋mol·m-2·s-1,
平均为 0. 25 滋mol·m-2·s-1 .
2郾 2摇 桐花树群落土壤 CO2浓度和通量的周期性
变化
因秋茄和桐花树群落土壤 CO2的变化较一致,
故以桐花树群落为例分析土壤 CO2浓度和通量的周
期性变化.由图 2 可以看出,桐花树群落土壤 CO2浓
度为 557. 08 ~ 2211. 50 滋mol·mol-1 . 早、晚潮潮间
期 CO2浓度逐渐上升,上升幅度逐渐减小;晚、早潮
潮间期土壤 CO2浓度总体呈上升趋势,1 ~ 4 h上升,
随后下降又再上升. 对于同一潮退时刻,早、晚潮潮
间期的 CO2浓度明显高于晚、早潮潮间期.
桐花树群落土壤 CO2通量在早、晚和晚、早 2 个
潮间期的变化趋势不同.在晚、早潮潮间期受夜间环
境影响变化较复杂,先上升后出现负值,最后上升为
正值. 整个周期的 CO2 通量为 - 0郾 21 ~ 0郾 40
滋mol·m-2·s-1,平均为-0. 01 滋mol·m-2·s-1,最
图 2摇 桐花树群落土壤 CO2浓度和通量的周期变化
Fig. 2摇 Period changes of soil CO2 concentration and flux of Ae鄄
giceras corniculatum community.
A: 早、晚潮潮间期 Early intertidal; B: 晚、早潮潮间期 Late intertidal.
大值在早、晚潮潮间期 3 h 时,最小值在晚、早潮潮
间期 5 h左右.在相同的潮退时间,早、晚潮潮间期
的 CO2通量明显高于晚、早潮潮间期.
2郾 3摇 土壤 CO2通量和浓度的回归分析
由图3可以看出,桐花树和秋茄群落土壤CO2
图 3摇 秋茄(a)和桐花树(b)群落土壤 CO2通量与即时浓度
的关系
Fig. 3 摇 Relation between CO2 flux and instantaneous CO2 con鄄
centration in the soil in Kandelia obovate (a) and Aegiceras cor鄄
niculatum (b) communities.
56529 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王宗林等: 泉州湾红树林湿地土壤 CO2通量周期性变化特征摇 摇 摇 摇
表 1摇 桐花树和秋茄群落土壤 CO2通量与即时 CO2浓度的
回归参数
Table 1摇 Regression parameters of the flux of CO2 in the
soil under Kandelia obovate and Aegiceras corniculatum with
the instantaneous CO2 concentration
群落类型
Commuinty type
x0 a b R2
桐花树
K. obovate
1584. 4025 0. 3988 473. 0275 0. 9963**
秋茄
A. corniculatum
1293. 9655 0. 3813 443. 4602 0. 9674*
*P<0. 05; **P<0. 01.
通量随土壤即时释放 CO2浓度的变化趋势基本相
同,均为先增加后降低,呈“钟冶型;而桐花树群落土
壤 CO2通量在更高的浓度值时才达到最大值. 按三
参数高斯回归方程 y=ae[-0. 5(
x-x0
b )]2进行回归分析,相
关参数见表 1,桐花树和秋茄群落均呈显著相关.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 国内外典型地区红树土壤 CO2通量
本研究中红树林土壤 CO2 通量与 Lovelock
等[23-25]研究结果一致(表 2),但是分布在其范围的
低位区间内.这是由于本研究区域为新近人工红树
林恢复区,所栽植秋茄和桐花树树龄均在 5 a 以内,
由于中龄林土壤中可溶性有机碳(DOC)和微生物
生物量碳(MBC)均小于成熟林[26],所以幼龄林土壤
中 DOC和 MBC较低.另外,泉州湾的正规半日潮导
致林下不易留储枯枝落叶,且淤积速度一般,所以该
滩涂的腐殖质层较薄甚至缺失.因此,滩涂土壤有机
物氧化释放的 CO2量较天然成熟红树林低,土壤正
通量(释放大于吸收时)也低.
3郾 2摇 早、晚潮潮间期桐花树和秋茄群落土壤 CO2浓
度和通量变化规律
早、晚潮潮间期,秋茄和桐花树群落土壤 CO2浓
度和通量随退潮时间变化趋势基本一致,表明土壤
温度、含水量和土壤微生物等对该区域土壤 CO2浓
度的影响方式相同[27] . 李兆富等[4]认为,多数情况
下,土壤温度和水分通过影响土壤微生物代谢和植
物根系生长对 CO2排放产生作用. 但在此过程中哪
一个因素的影响更大,主要取决于湿地的环境限制
因子.秋茄和桐花树群落土壤 CO2浓度和通量在同
一时段变化趋势相同,其影响因子的作用机制一致,
而且桐花树是该区域适生性最好的植物[28],因此,
可以用桐花树群落土壤 CO2浓度和通量的周期性变
化来表征泉州湾红树林湿地土壤 CO2浓度和通量的
周期性变化.
在潮间期内,桐花树群落土壤 CO2浓度和通量
大于秋茄群落,这与它们自身特征有关.桐花树属矮
灌丛型、栽植密度较大,落叶较多,且不易随潮水外
散,因此能就地分解,导致土壤有机质含量大,微生
物分解速率快. 这不仅使桐花树群落土壤释放的
CO2浓度增大,而且释放的速率也快,导致通量值较
大.另外,桐花树根系须根较多,根表面积较大,可能
导致根碳分泌速率增快和异养呼吸水平的提
高[23-24,28] .
3郾 3摇 泉州湾红树林湿地土壤 CO2通量周期性变化
泉州湾红树林湿地土壤 CO2通量随潮汐周期性
变化而变化,12. 4 h 为一个周期,分早潮和晚潮.
早、晚潮潮间期的 CO2通量大于晚、早潮潮间期. 这
不仅与温度、光照的变化有关,也说明潮涨潮落过程
会影响滩涂的 CO2通量变化. 这主要是通过影响含
水量和土壤盐度等[29]理化性质来实现的. 早、晚潮
潮间期,CO2通量随时间推移先迅速上升后缓慢降
低,在 3 h左右达到最高值,其原因可能是在潮水退
后的 2 ~ 3 h,土壤含水量迅速下降,温度逐渐上升,
使土壤微生物活性增强并达到最适宜活动状态,氧
化有机物速率加快,因此排放CO2速率变快. 之后,
表 2摇 各地区红树林湿地土壤 CO2通量
Table 2摇 Soil CO2 flux in different mangrove regions
研究地点
Study site
CO2通量
CO2 flux
(滋mol·m-2·s-1)
研究方法
Study method
主要红树
Main mangrove
文献
Reference
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6652 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
随着阳光照射强度加大,温度升高,地下潜水位下
降,滩涂土壤明显变干,含水量迅速下降. 这对微生
物活性造成影响[30],进而影响 CO2排放.
晚、早潮潮间期,该区域既有 CO2的释放也有吸
收,平均值为-0. 01 滋mol·m-2·s-1,总体平衡. 夜
间土壤温度、含水量等变化明显. 另外,本研究区林
小且疏,海风的影响会使该变化更加剧烈,进而造成
各时间段 CO2通量值的波动.晚潮退后,土壤含水量
下降较快,而此时温度下降较慢,可能导致微生物有
一段活跃期,以致 CO2通量上升;随后,温度下降较
快使微生物活性明显降低,加之夜间植被呼出的
CO2缺乏光和作用的吸收,可能会使土表的 CO2分
压高于随含水量降低通透性越来越强的土壤,最终
使空气中 CO2进入土壤,出现通量的负值并连续降
低;下一个潮水来前,土壤潜水位上升,通透性急剧
变差,尽管此时微生物活性较弱,但根呼吸的贡献开
始凸显[31],使通量值略变正.
3郾 4摇 泉州湾红树林湿地土壤 CO2通量和即时浓度
的关系
通常认为,土壤 CO2通量受到群落土壤条件(如
土壤温度、pH、含氧量、微生物状况、土壤利用现状
等)、水文状况、植被类型以及外部气象条件[5]的综
合影响,很难用得到的既定方程模型进行预测、估
算.如果两个研究区条件相似,可以用已得方程模型
进行精确估算.建立即时浓度与通量的模型,通过测
定瞬时 CO2浓度,就可以预测近似环境下的土壤
CO2通量变化.
由于土壤 CO2通量变化具有周期性,且晚、早潮
潮间期平均通量接近 0,因此本文研究了早、晚潮潮
间期泉州湾红树林湿地土壤即时 CO2浓度与该时间
段 CO2通量间的变化规律,发现两者均接近高斯分
布,即随土壤即时 CO2浓度增加,CO2通量先增加后
降低,对其进行 y = ae[-0. 5(
x-x0
b )]2回归分析,对两组参
数进行比较,发现两者相差较小,说明可以用相关性
显著的桐花树群落模型代表本区域进行预测估算.
4摇 结摇 摇 论
泉州湾红树林处于幼林期,其土壤 CO2通量较
小.早、晚潮潮间期,秋茄和桐花树群落土壤 CO2浓
度和通量随退潮时间的变化规律一致,但在同一时
刻,桐花树群落大于秋茄群落.泉州湾红树林湿地土
壤 CO2浓度和通量的周期性变化分别为 557. 08 ~
2211. 50 滋mol·mol-1和-0. 21 ~ 0. 40 滋mol·m-2·
s-1,早、晚潮潮间期土壤 CO2浓度和通量值基本大于
晚、早潮潮间期,后者受夜间环境影响较大,说明潮
涨、潮落过程会影响滩涂的 CO2通量变化.基于泉州
湾红树林湿地土壤 CO2浓度和通量的周期性变化特
征,发现早、晚潮潮间期一定时段内 CO2通量与对应
即时 CO2浓度呈“钟冶型,即随 CO2浓度增加其通量
先增加后降低,接近规则高斯分布,可以据此建立该
系统下土壤 CO2通量与即时 CO2浓度的数学模型.
关于该区域土壤环境因子对 CO2通量的影响,需在
潮汐周期内土壤理化性质、微生物活性(如微生物
生物量碳、氧化还原酶活性等)等微观尺度上进行
研究.
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作者简介摇 王宗林,男,1988 年生,硕士研究生.主要从事湿
地生态系统土壤碳转化研究. E鄄mail: guilin19881010wa@
163. com
责任编辑摇 孙摇 菊
8652 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷