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A preliminary study on carbon dioxide, methane and nitrous oxide fluxes from intertidal flat wetlands of the Yellow River estuary

黄河口滨岸潮滩湿地CO2、CH4和N2O通量特征初步研究



全 文 :书黄河口滨岸潮滩湿地犆犗2、犆犎4和犖2犗
通量特征初步研究
王玲玲1,2,孙志高1,牟晓杰1,2,孙万龙1,2,宋红丽1,2,姜欢欢1,2
(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重点实验室 山东省海岸带环境过程重点实验室,
山东 烟台264003;2.中国科学院研究生院,北京100039)
摘要:2009年8月,运用静态暗箱-气相色谱法对夏季黄河口滨岸潮滩湿地CO2、CH4 和N2O通量的日变化特征
进行了原位观测。结果表明,夏季低潮滩沉积物-大气界面的CO2、CH4 和 N2O通量均具有明显日变化特征,日
通量范围分别为-18.755~43.731,-0.070~0.224和-0.002~0.008mg/(m2·h),均值为11.630,0.079和
0.005mg/(m2·h),全天表现为三者的排放“源”;中潮滩沉积物-大气界面CO2、CH4 和N2O通量的日变化范围
分别为-30.780~25.734,-0.111~0.100和-0.004~0.006mg/(m2·h),均值为4.570,0.011和0.002
mg/(m2·h),全天亦表现为三者的排放“源”;中潮滩-大气界面CO2、CH4 和 N2O通量的日变化范围分别为
46.253~102.637,-0.211~0.048和-0.008~0.008mg/(m2·h),均值为76.656,-0.038和-0.002mg/(m2·h),
全天表现为CO2 的“源”、CH4 和N2O的“汇”。本研究还发现,中潮滩的CO2 通量与气温呈显著正相关(犘<0.05)
关系,低潮滩沉积物的CH4 通量与气温、地表温度和5cm地温呈极显著正相关(犘<0.01)关系,而中潮滩的 N2O
通量与气温、地表温度和不同深度地温(5,10,20cm)呈显著(犘<0.05)或极显著(犘<0.01)负相关关系;沉积物基
质和翅碱蓬群落是影响CO2、CH4 和 N2O通量特征的重要因素,而水分、盐分对于三者通量特征的影响也不容
忽视。
关键词:CO2;CH4;N2O;潮滩;黄河口
中图分类号:S151.9+3  文献标识码:A  文章编号:10045759(2011)03005111
 CO2、CH4 和N2O是大气中最主要的3种温室气体,其浓度增加导致的全球变暖是当前世界各国政府和科
学家日益关注的全球性重大环境问题。据IPCC(联合国政府间气候变化专门委员会)第4次评估报告,CO2、
CH4 和N2O的浓度已分别由工业化前的280×10-6,715×10-9和270×10-9增加至2005年的379×10-6,1774
×10-9和319×10-9[1],而三者对于全球变暖的增温贡献分别为60%,15%和5%[2]。受人类活动等因素影响,目
前大气中CO2 浓度正以年均1.9×10-6的速率增加,比有连续直接大气观测以来年均1.4×10-6的增长速率更
高[1]。大气中CH4 的年均增长率约为1.1%[2,3],其在当前大气中的浓度已远远超出冰芯记录得到的65万年以
来浓度的自然变化范围(320×10-9~790×10-9)[1]。N2O是仅次于CO2、CH4 的重要温室气体,其在大气中的
浓度正以每年0.26%的速度递增[1]。尽管N2O在大气中的浓度很低,但其分子增温效应却为CO2 的200~300
倍,CH4 的5~25倍[2]。由于N2O在大气中的寿命可达150年,又因其与O3 层破坏和酸沉降息息相关,所以它
对于全球环境的影响是长期的和潜在的[4,5]。
湿地作为与森林、海洋相并列的三大生态系统之一,对全球变化具有重要影响。湿地是碳、氮的源、汇或转化
器,在全球碳、氮循环过程中发挥着重要作用[6]。目前,国内外已在农田(含人工湿地水稻田)、草地和森林生态系
统CO2、CH4 和N2O排放特征及影响机制等方面开展了大量深入研究[710]。比较而言,天然湿地系统温室气体
排放研究开展相对较晚,但其研究对象已涉及沼泽湿地、泥炭湿地、森林湿地和滨海湿地等。滨海湿地处于海陆
第20卷 第3期
Vol.20,No.3
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA   
51-61
2011年6月
 收稿日期:20100416;改回日期:20100611
基金项目:国家海洋局海洋-大气化学与全球变化重点实验室基金(GCMAC1002),国家自然科学基金项目(40803023),山东省自然科学基金
重点项目(ZR2010DZ001),中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2YW223)和中国科学院战略性先导科技专项
(XDA05030404)资助。
作者简介:王玲玲(1985),女,山东临沂人,在读硕士。Email:wangl2009@163.com
通讯作者。Email:zgsun@yic.ac.cn
相互作用地带,是响应全球变化和人类活动较为敏感的生态系统之一,其对大气环境的影响早就引起人们重视。
国外对滨海湿地温室气体排放研究开展较早,国内在最近几年才开始进行相关研究。目前,国外已对滨海湿地
CO2、CH4 和N2O排放特征、生成机制及影响因素等进行了许多研究,且研究领域已涉及海湾潮滩湿地或盐
沼[6,1114]、河口海岸湿地或滨岸湿地[1518]以及南极滨海湖岸湿地[19]。与之相比,国内也在相关领域开展一些工
作,且当前研究主要集中于南极海岸苔原湿地[20,21],珠江口和长江口湿地[2224],南方红树林湿地[25,26]以及福建闽
江口湿地[27,28]等的相关探讨上。黄河三角洲由黄河携带大量泥沙填充渤海淤积而成,是我国暖温带保存最完
整、最广阔和最年轻的湿地生态系统。到目前为止,国内关于黄河三角洲滨海湿地温室气体排放研究还未见报
道。为此,在2009年夏季湿地植物生长旺期(8月)对黄河口滨岸潮滩湿地CO2、CH4 和N2O通量的日变化特征
及影响因素进行了初步研究,研究结果对填补当前该区湿地温室气体排放研究的空白以及深入开展湿地碳、氮循
环过程研究具有重要意义。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验于2009年8月23-24日在山东省黄河三角洲国家级自然保护区,今黄河入海口滨岸潮滩湿地进行。
黄河三角洲国家级自然保护区(37°40′~38°10′N,118°41′~119°16′E)于1992年经国家林业局批准建立,是全
国最大的河口三角洲自然保护区,在世界范围河口湿地生态系统中具有较强的代表性,主要保护黄河口新生湿地
生态系统和珍稀濒危鸟类。保护区属暖温带季风气候区,具有明显的大陆性季风气候特点,雨热同期,四季分明,
冷热干湿界限极为明显。该区年平均气温12.1℃,无霜期196d,≥10℃的年积温约4300℃,年均蒸发量1962
mm,年均降水量为551.6mm,70%的降水集中于7,8月份。保护区的土壤类型主要为隐域性潮土和盐土,主要
植被类型为芦苇(犘犺狉犪犵犿犻狋犲狊犪狌狊狋狉犪犾犻狊)群落、穗状狐尾藻(犕狔狉犻狅狆犺狔犾犾狌犿狊狆犻犮犪狋狌犿)群落、假苇拂子茅(犆犪犾犪犿犪
犵狉狅狊狋犻狊狆狊犲狌犱狅狆犺狉犪犵犿犻狋犲狊)群落、白茅(犐犿狆犲狉犪狋犪犮狔犾犻狀犱狉犻犮犪)群落、柽柳(犜犪犿犪狉犻狓犮犺犻狀犲狀狊犻狊)群落、翅碱蓬(犛狌犪犲
犱犪狊犪犾狊犪)群落及补血草(犔犻犿狅狀犻狀狌犿狊犻狀犲狀狊犲)群落等。
1.2 样地设置
本研究的采样断面设在黄河入海口北部,由黄河口滨岸至潮滩布设样线。由于高潮滩的假苇拂子茅群落、芦
苇群落、白茅群落以及柽柳群落带狭窄且不连续,因此没有设置采样点。中潮滩广泛分布着翅碱蓬群落,且群落
外观整齐。低潮滩为光滩,宽度可延伸几千米,直至潮下带。此次观测在中潮滩(37°46′38.9″N,119°09′41.4″E)
和低潮滩(37°45′57.0″N,119°09′40.7″E)各布设1个观测点位,每个点位设置3个重复。同时,在中潮滩同一
样地内布设植被处理点位(3个重复),于采样前2周将潮滩植被翅碱蓬小心剪除仅留下1cm左右短茬,不破坏
潮滩沉积物表层,研究中潮滩沉积物温室气体排放情况以及植被生长对温室气体排放的影响。黄河口滨岸潮汐
为不规则半日浅海潮,每日出现的高低潮差一般为0.2~2.0m。由于观测期间潮汐较弱,所以低潮滩观测点位
受潮汐作用影响不大。2个点位土壤的基本理化性质如表1所示。
表1 观测点位土壤基本理化性质
犜犪犫犾犲1 犆狅犿狆犪狉犻狊狅狀狅犳犲狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犮狅狀犱犻狋犻狅狀狊狅犳狋犺犲狋狑狅狋狔狆犲狊狅犳犛.狊犪犾狊犪狑犲狋犾犪狀犱
点位
Site
土层
Soillayer
(cm)
电导率
Electricconductivity
(μs/cm)
温度
Temperature
(℃)
水分
Moisture
(cm3/cm3)
pH 有机质
Organicmatter
(%)
NO3--N
(mg/kg)
NH4+-N
(mg/kg)
全氮
Totalnitrogen
(mg/kg)
低潮滩 0~10 15.79±0.36 28.27±6.20 27.84±0.708.55±0.080.94±0.042.36±1.404.66±2.43 557.3±40.9
Lowtidalflat 10~20 13.72±1.33 25.72±2.12 39.38±0.619.03±0.590.72±0.101.25±0.253.03±0.35 403.5±13.2
中潮滩 0~10 17.96±0.11 27.07±5.76 28.93±0.678.86±0.050.93±0.050.76±0.192.01±0.94 505.5±99.3
Middletidalflat 10~20 15.97±0.21 26.05±2.20 38.83±0.858.97±0.110.89±0.030.87±0.021.36±0.37 492.3±59.3
25 ACTAPRATACULTURAESINICA(2011) Vol.20,No.3
1.3 样品采集与分析
试验采样期间为晴到多云天气,为黄河口地区夏季最为典型的天气状况,日照充足,高温炎热。CO2、CH4 和
N2O气体采集采用静态暗箱-气相色谱法。采样箱由0.4mm厚的铁皮制成,箱体四周及顶部用白色泡沫包裹
以确保采样时箱内温度变化不大。采样箱采用标准式组合设计,由箱体和底座两部分组成,箱体规格为50cm×
50cm×100cm,底座为50cm×50cm×20cm。采集样品时,采样箱各部分之间均用水密封。采样箱内装有搅
气小风扇、温度传感器、采气三通阀及气压平衡管。试验于当日9:00开始,每4h进行1次观测,样品采集采用
60mL注射器,在60min时间段内每20min采集1次样品(共采集4个气体样品),气体样品置于0.5L的铝塑
复合气袋中(化工部大连光明化工研究所生产)。样品采集后36h内,在实验室用Agilent7890气相色谱仪同时
分析CO2、CH4 和N2O气体浓度。60min内采集的4个气体样品浓度与采样时间间隔存在相关关系,所有样品
的相关系数均在犚2>0.95时才视为有效。样品采集的同时,同步观测的环境因子有土壤含水量、土壤电导率
(EC)、气温、箱温、地表温度、不同深度(5,10,15和20cm)地温等。
1.4 通量计算
CO2、CH4 和N2O排放通量采用下式计算:
犑=d犮d狋×

犞0×

犘0×
犜0
犜×犎
式中,犑为气体通量(mg/m2·h),d犮/d狋为采样时气体体积分数随时间变化的回归曲线斜率,犕 为被测气体摩尔
质量(g/mol),犘为采样点气压(Pa),犜为采样时绝对温度(K),犞0,犘0,犜0 分别为标准状态下的气体摩尔体积
(mL/mol)、空气气压(Pa)和绝对温度(K),犎 为地面(或水面)以上采样箱高(m)。
1.5 统计分析
运用Origin7.5和SPSS10.0软件对数据进行作图、计算和相关分析。
2 结果与分析
2.1 温度变化
研究期间低潮滩和中潮滩1天中的温度变化极为明显(图1),在13:00左右,低潮滩和中潮滩的箱温、气温、
地表温度和5cm地温均达到最高值。不同的是,低潮滩15和20cm地温的最高值明显滞后,而中潮滩仅有15
cm的地温具有明显滞后现象。
图1 潮滩环境温度的变化
犉犻犵.1 犆犺犪狀犵犲狊狅犳犲狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲狊犻狀狋犻犱犪犾犳犾犪狋
2.2 低潮滩沉积物-大气界面CO2、CH4 和N2O通量特征
2.2.1 CO2 通量特征 夏季低潮滩沉积物的CO2 通量具有明显的日变化特征(图2a)。凌晨5:00-9:00,低潮
滩沉积物吸收大气中的 CO2,而后向大气排放 CO2。总体而言,低潮滩沉积物 CO2 通量的日变化范围为
35第20卷第3期 草业学报2011年
-18.755~43.731mg/(m2·h),均值为11.630mg/(m2·h),其中吸收峰出现在9:00,排放峰出现在13:00,全
天整体表现为CO2 的排放源。这一结果与长江口崇明东滩低潮滩[24]的相关研究结论相反,原因可能与黄河口滨
岸低潮滩的弱碱性沉积物(表1)对微生物呼吸排放的CO2 吸收能力较低有关。
2.2.2 CH4 通量特征 夏季低潮滩沉积物的CH4 通量亦具有明显的日变化特征,总体表现为“排放-吸收”
(图2b),其排放通量为-0.070~0.224mg/(m2·h),均值为0.079mg/(m2·h)。总体而言,CH4 通量在白天
较大,并于下午13:00出现排放峰值0.224mg/(m2·h),之后其排放通量逐渐降低,并于凌晨1:00出现吸收峰
值-0.070mg/(m2·h),全天表现为CH4 排放源。相关研究[27]也表明,潮滩湿地CH4 的排放量在白天较高,凌
晨最低,原因主要与环境温度条件有关[2830],白天温度高,光照强,有利于CH4 的产生和输送,而凌晨温度低,光
照缺乏,不利于CH4 的产生和输送。
图2 低潮滩沉积物-大气界面犆犗2、犆犎4 和犖2犗通量
犉犻犵.2 犆犗2,犆犎4犪狀犱犖2犗犲狓犮犺犪狀犵犲犳犾狌狓犲狊犪狋
犾狅狑狋犻犱犪犾犳犾犪狋狊犲犱犻犿犲狀狋犪狋犿狅狊狆犺犲狉犲犻狀狋犲狉犳犪犮犲
图3 中潮滩沉积物-大气界面犆犗2、犆犎4 和犖2犗通量
犉犻犵.3 犆犗2,犆犎4犪狀犱犖2犗犲狓犮犺犪狀犵犲犳犾狌狓犲狊犪狋
犿犻犱犱犾犲狋犻犱犪犾犳犾犪狋狊犲犱犻犿犲狀狋犪狋犿狅狊狆犺犲狉犲犻狀狋犲狉犳犪犮犲
45 ACTAPRATACULTURAESINICA(2011) Vol.20,No.3
2.2.3 N2O通量特征 夏季低潮滩沉积物的 N2O日通量介于-0.002~0.008mg/(m2·h),均值为0.005
mg/(m2·h),整体表现为N2O排放源(图2c)。N2O通量在白天呈逐渐增加变化,并于17:00出现排放峰值。
夜间N2O的排放量很低,其在21:00还出现吸收峰。总体而言,低潮滩沉积物N2O通量的日变化特征受温度的
影响极为明显(图1,图2c),低潮滩不同环境温度的峰值一般均出现在13:00,但其 N2O通量峰值却出现在
17:00,具有明显的时间滞后性,原因可能与沉积物中参与硝化-反硝化作用的微生物活性对环境温度的响应存
在滞后效应有关。相关研究[3133]也表明,N2O排放通量的日变化受环境温度的影响极为明显,且其变化与温度
变化存在明显的时间滞后性。
2.3 中潮滩沉积物(割除植被)-大气界面CO2、CH4 和N2O通量特征
2.3.1 CO2 通量特征 夏季中潮滩沉积物的CO2 日通量为-30.780~25.734mg/(m2·h),均值为4.570mg/
(m2·h),全天表现为CO2 排放源(图3a)。尽管低潮滩沉积物亦表现为CO2 排放源,但其排放特征与中潮滩沉
积物存在明显差异。低潮滩沉积物的CO2 排放峰值出现在13:00,吸收峰值出现在9:00,凌晨和上午表现为吸
收,而下午和夜间表现为排放。不同的是,中潮滩沉积物的CO2 排放峰值出现在上午9:00,吸收峰值出现在下午
13:00,夜间、凌晨和上午表现为排放,而下午表现为吸收。产生这种差异的原因可能主要与低潮滩和中潮滩沉积
物基质状况(如C/N)的差异有关(表1)。同时,中潮滩沉积物残留的割除植被短茬可能对其CO2 通量也具有重
要影响。
2.3.2 CH4 通量特征 夏季中潮滩沉积物的CH4 日通量为-0.111~0.100mg/(m2·h),均值为0.011
mg/(m2·h),全天表现为CH4 排放源(图3b)。CH4 排放峰值出现在凌晨5:00,之后其排放通量逐渐降低,并于
17:00-21:00出现CH4 吸收现象,且在21:00达到吸收峰值。中潮滩沉积物CH4 通量在凌晨5:00取得排放峰
值的原因可能主要与环境温度开始升高(图1),有利于微生物和小型动物(螃蟹)活动,进而促进土壤中积聚的
CH4 释放有关。另外,CH4 排放峰值和吸收峰值均不出现在温度最高和最低时,说明温度对于中潮滩沉积物
CH4 排放的影响可能并不重要。
2.3.3 N2O通量特征 夏季中潮滩沉积物的 N2O日通量整体呈双峰型变化,即在9:00-13:00和21:00-
1:00两个时间区间表现为排放,而在17:00和5:00表现为吸收。N2O 的日通量为-0.004~0.006
mg/(m2·h),均值为0.002mg/(m2·h),整体表现为N2O排放源(图3c),这一结果与 MuozHincapié等[18]对
波多黎各红树林沉积物N2O的研究结果相近。对比研究发现,中潮滩不同环境温度变化与N2O通量变化的一
致性较差(图1,图3c),说明温度可能并不是影响其N2O通量变化的重要因素。
2.4 中潮滩(未割除植被)-大气界面CO2、CH4 和N2O通量特征
2.4.1 CO2 通量特征 夏季中潮滩沉积物、翅碱蓬的呼吸作用使得中潮滩-大气界面全天持续排放大量CO2
(图4a),其日通量为46.253~102.637mg/(m2·h),均值为76.656mg/(m2·h),为低潮滩沉积物和中潮滩沉
积物CO2 排放通量的6~17倍。相关研究也表明,中潮滩CO2 的排放通量明显大于低潮滩沉积物和中潮滩沉积
物[20]。白天CO2 的排放通量较高,即使在午后环境温度降低的情况下(图1),CO2 排放通量也一直增加,并于
13:00-17:00出现排放峰值。与之相比,夜间至凌晨的CO2 通量相对较低,其在21:00出现CO2 通量最低值。
中潮滩-大气界面CO2 通量的日变化特征主要取决于翅碱蓬的自养呼吸和土壤异养呼吸的综合影响,而二者受
环境温度的影响均非常明显。夜间中潮滩的环境温度均较低,植物自养呼吸和土壤异养呼吸的综合影响可能相
对较弱,由此使得其CO2 通量较低。而凌晨CO2 通量呈增加趋势,原因可能主要与环境温度开始逐渐升高(图
1)以及土壤中小型动物(螃蟹)的剧烈活动有关。
2.4.2 CH4 通量特征 夏季中潮滩-大气界面的CH4 通量具有明显的日变化,呈“吸收-排放”特征(图4b),
即白天吸收CH4,夜间排放CH4,且吸收峰值出现在上午9:00,排放峰值出现在晚上21:00。总体而言,中潮滩
CH4 的日通量为-0.211~0.0478mg/(m2·h),均值为-0.038mg/(m2·h),表现为CH4 的汇。然而,现有相
关研究大多认为中潮滩湿地为CH4 的排放源[24,34]。产生这种差异的原因主要与不同研究地点的土壤背景、环境
因子、植被类型、植被生长状况及生理活动等的差异有关。
55第20卷第3期 草业学报2011年
2.4.3 N2O通量特征 夏季中潮滩-大气界面的N2O
图4 中潮滩-大气界面犆犗2、犆犎4 和犖2犗通量
犉犻犵.4 犆犗2,犆犎4犪狀犱犖2犗犲狓犮犺犪狀犵犲犳犾狌狓犲狊犪狋
犿犻犱犱犾犲狋犻犱犪犾犳犾犪狋犪狋犿狅狊狆犺犲狉犲犻狀狋犲狉犳犪犮犲
通量总体亦表现为“吸收-排放”特征(图4c),即上午
9:00至晚上21:00吸收大气中的N2O,之后则向大气
排放N2O。总体而言,中潮滩N2O的日通量为-0.008
~0.008mg/(m2·h),均值为-0.002mg/(m2·h),表
现为N2O的汇。这一结果与Shingo等[13]对泰国南部
热带滨海湿地的研究报道相一致,但与王东启等[24]对
夏季长江口潮间带、Law等[35]对英国西南部 Tamar
河口潮间带的研究报道相反。
3 讨论
3.1 温度与CO2、CH4 和N2O通量的相关分析
研究时段内,环境因子变化较为明显的是温度(包
括气温、地表温度和不同深度地温)。相关分析表明,
除中潮滩 CO2 通量与气温呈显著正相关外(犘<
0.05),低潮滩和中潮滩沉积物的CO2 通量与温度的
相关性均较差(表2)。中潮滩和中潮滩沉积物的CH4
通量与温度的相关性均不显著,而低潮滩沉积物的
CH4 通量与气温、地表温度均呈极显著正相关(犘<
0.01)。另外,除中潮滩的 N2O通量与气温、地表温
度、不同深度(5,10和20cm)呈显著(犘<0.05)或极
显著(犘<0.01)负相关外,低潮滩沉积物、中潮滩沉积
物的N2O通量与温度的相关性均不显著。温度对低
潮滩、中潮滩部分温室气体的显著影响机制在于,一方
面相对较高的温度条件下分子扩散较快,有利于气体
扩散;另一方面,温度升高可促进沉积物中微生物活性
增强,其参与生物地球化学循环的速度加快,有利于气
体产生。另外,温度对低潮滩、中潮滩大多温室气体通
量特征的影响较弱,说明其他因素可能在温室气体排
放过程中发挥了更为重要的作用,进而掩盖了温度变
化的影响,而这些因素可能是水分状况、电导率、植被
状况以及沉积物基质状况等。
3.2 水分对CO2、CH4 和N2O通量的影响
土壤水分是控制生物(异养微生物和植物)产生CO2 的最重要因子之一,同时也是控制厌氧环境条件下
CH4、N2O产生与排放的关键因素,它直接影响O2 可利用率、气体扩散速率和微生物活性,并间接影响与气体产
生相关的土壤pH值、氧化还原电位等因素[11],最终影响到气体的产生与扩散。本研究中,由于观测期间潮汐较
弱,故观测点受潮汐作用影响不大,土壤含水量在一天内无较大幅度变化。另外,由于本次观测是在一场降水后
的24h内完成的,所以低潮滩和中潮滩的土壤含水量差异不大(表1),未达到显著水平(犘>0.05)。尽管如此,2
个地点土壤含水量之间的差异仍对3种气体的产生具有一定的影响。本研究发现,中潮滩(水分含量相对较高)
的CO2 排放量要高于低潮滩(水分含量相对较低),这一结果与 Moore和Dalva[36]就加拿大沼泽和泥炭地土壤
CO2 释放对不同土壤含水量响应的研究结论相一致,但也有研究发现,CO2 排放与湿地水位呈负相关关系[37]。
造成这种差异的原因可能主要与不同研究地点的水热交互状况有关。Sjgersten和 Wookey[38]认为温度是控制
65 ACTAPRATACULTURAESINICA(2011) Vol.20,No.3
CO2 排放的主要因子,而极端水分条件(干旱或湿润)可能减少CO2 排放。Flanagan和Veum[39]也指出,高温条
件下土壤水分增加可降低CO2 排放,但这种关系在低温条件下并不明显。本研究还表明,中潮滩的CH4 排放量
低于低潮滩。目前国内外的许多研究表明,湿地水分与CH4 排放之间的关系非常复杂。就滨海湿地而言,天文
潮影响的短期水位变化对CH4 排放既有正面也有负面影响。Middelburg等[40]的研究表明,天文潮潮位变化(即
潮位上升和下降)时CH4 通量最大。还有研究[41]发现,湿地水位在0~15cm时,CH4 产生,低于该平均值时,
CH4 产生量较少,而高于该平均值时则影响不大。另外,许多研究表明,湿地的N2O释放与土壤含水量呈负相
关关系[4244],本研究也得到类似的研究结果(中潮滩N2O排放量低于低潮滩)。但也有研究表明,湿地N2O排放
与土壤含水量呈正相关关系[36],这可能与不同研究地点的环境状况有关。Hirota等[11]的研究表明,沙质海岸水
位升高一方面可为硝化-反硝化作用产生N2O提供良好的需氧-厌氧环境,另一方面潮汐可能将水体表面的
N2O输送到沙质海岸,从而导致N2O的排放量增加。
表2 温度与犆犗2、犆犎4 和犖2犗通量的犘犲犪狉狊狅狀相关性分析
犜犪犫犾犲2 犘犲犪狉狊狅狀犮狅狉狉犲犾犪狋犻狅狀犪狀犪犾狔狊犻狊犫犲狋狑犲犲狀犆犗2、犆犎4狅狉犖2犗犳犾狌狓犲狊犪狀犱狋犺犲狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲狊
样点
Site
气体
Gas
气温
Atmospheric
temperature
地表温度
Surface
temperature
5cm地温
5cmground
temperature
10cm地温
10cmground
temperature
15cm地温
15cmground
temperature
20cm地温
20cmground
temperature
低潮滩 CO2 0.152 0.257 0.326 0.594 0.752 0.520
Lowtidalflat CH4 0.918 0.944 0.923 0.697 0.295 -0.054
N2O 0.668 0.633 0.602 0.397 0.123 -0.265
中潮滩无植被 CO2 -0.472 -0.469 -0.482 -0.603 -0.675 -0.705
Middletidalflat CH4 0.317 0.330 0.158 -0.060 -0.348 -0.277
withoutplants N2O -0.213 -0.127 -0.172 -0.187 -0.327 -0.173
中潮滩有植被 CO2 0.834 0.795 0.799 0.759 0.568 0.602
Middletidalflat CH4 -0.791 -0.771 -0.746 -0.625 -0.022 -0.130
withplants N2O -0.821 -0.837 -0.925 -0.967 -0.628 -0.830
 犘<0.05;犘<0.01.
3.3 电导率对CO2、CH4 和N2O通量的影响
目前,关于湿地碳动态的许多研究中,温度、水分被认为是影响CO2、CH4 通量变化的主要因子,但也有研究
显示盐度在影响滨海湿地CO2、CH4 通量变化中发挥了重要作用[25,27,45],它通过影响微生物及植物活动(光合作
用和呼吸作用)间接影响CO2、CH4 的通量变化。同时,盐分状况亦可通过影响湿地植物-土壤系统的氮周转以
及硝化-反硝化细菌活性而影响N2O释放。本研究中,低潮滩和中潮滩的土壤盐度(以电导率表征)明显不同
(表1),低潮滩沉积物(盐度相对较低)的CO2 排放量大于中潮滩沉积物(盐度相对较高)。Krasakopoulou等[46]
的研究发现,爱琴海北部大部分浅滩在盐度较低时的CO2释放量较高。其他一些研究也表明,海水稀释(如河口
区淡水输入)可明显减少表层的CO2 浓度及释放量[47]。本研究还表明,低潮滩的CH4 排放通量要大于中潮滩。
Magenheimer等[45]的研究表明,盐沼湿地CH4 排放通量与采样点表层孔隙水中的盐分呈负相关。卢昌义等[25]
对红树林土壤CH4 产生潜力的研究亦发现盐分对CH4 产生潜力具有一定的抑制作用。国内外许多研究得到类
似研究结果,原因可能主要有两方面[28]:第一,盐分增加提高了土壤中电子受体的数量,在CH4 产生菌与电子受
体竞争底物来源时处于劣势,只有当电子受体还原待尽时才会有CH4 产生;第二,盐分增加可能会限制产生
CH4 微生物的活性,从而降低CH4 的产生量。另外,盐度升高也可抑制反硝化作用的进行[14],进而导致N2O的
排放量减少。Law等[35]的研究表明,英国Tamar河口水体的N2O通量在较低盐分区取得最大值。Smith等[14]
的研究则发现,墨西哥湾海岸不同研究地点沉积物的N2O排放通量差异很大,淡水沼泽最大,盐分较低盐沼次
75第20卷第3期 草业学报2011年
之,盐分较高盐沼最低。本研究也得到类似研究结果(低潮滩的N2O排放量大于中潮滩),原因可能主要有两方
面:第一,较高盐分条件下NH4+在沉积物中的滞留时间缩短,在未发生硝化作用前就从沉积物中扩散出来[48]或
降低了沉积物中NH4+的浓度[49],从而导致硝化作用及硝化-反硝化作用减弱;第二,高盐分对微生物(如硝化
细菌)的生理作用具有一定影响[50]。
3.4 植被对CO2、CH4 和N2O通量的影响
植被对CO2、CH4 和N2O通量的影响不可忽视。植物通过光合作用和呼吸作用影响CO2 通量,整体为大气
中CO2 的汇;植物对CH4 和N2O产生与排放的影响主要通过以下途径:1)植物根系及分泌物等影响土壤相应气
体产生菌的活动[51,52];2)植物自身产生或吸收气体[5254];3)植物起到了导管作用,将土壤产生的气体排放到大
气[52,55]。本次日变化监测中潮滩(有植被)-大气界面CO2 通量明显高于低潮滩沉积物-大气界面和中潮滩沉
积物(无植被)-大气界面,主要就与静态暗箱采样植物光合作用弱,呼吸作用较强密切相关。另外,此次日变化
监测还发现中潮滩(有植被)整体表现为CH4 和N2O的汇。与中潮滩沉积物CH4 排放通量的对比研究可知(图
3b,图4b),翅碱蓬的存在显著影响沉积物CH4 的产生、氧化与传输过程,且有无植被条件下,CH4 动态过程的
发生机制也存在明显差异,但关于翅碱蓬对CH4 排放的具体影响仍需进一步研究。而黄河口滨岸中潮滩(有植
被)整体表现为N2O的汇,原因可能主要有2方面:一是与其沉积物中用于硝化-反硝化作用的基质状况有关。
相对于低潮滩沉积物,中潮滩沉积物的有机质、全氮、硝态氮和氨态氮含量大多较低(表1),说明其氮素物质基础
较差,可能对硝化-反硝化过程产生限制作用,进而不利于N2O的产生和排放;二则是与植被有关。中潮滩广泛
分布着翅碱蓬群落,翅碱蓬植株矮小,其在生长旺期的平均高度为(29.55±5.54)cm(狀=48)。可能正是由于翅
碱蓬植株低矮,所以在采样间隔期间采样点植株及周围植株光合作用释放的O2 很容易扩散到中潮滩的沉积物
表层,进而使得沉积物中导致N2O产生的反硝化过程得到抑制,并最终影响到N2O的产生和排放。由于植物对
N2O的吸收与排放早有报道[53],所以中潮滩 N2O汇的形成可能也与翅碱蓬本身对 N2O的吸收有关,但关于
N2O是如何被翅碱蓬吸收或排放以及这些过程与哪些代谢活动有关仍需进一步研究。另外,中潮滩剪除翅碱蓬
后测定沉积物-大气界面的CO2、CH4 和N2O交换,在一定程度上可能改变沉积物中根际的原始条件,进而可能
对微生物活性产生一定影响,但这种影响目前尚不能确定。同时,剪除植被后,残存在沉积物表面的短茬依然可
作为扩散通道,气体可直接从根部扩散进入大气,进而可能放大通量数值,但目前尚不能定量给出数值。另外,剪
除翅碱蓬后,其残存根系和短茬可在一定时期后死亡,而死亡过程和死亡后残存根系和短茬对3种气体排放的影
响亦需进一步研究。
4 结论
夏季低潮滩沉积物的CO2、CH4 和N2O通量均具有明显的日变化特征,全天整体表现为三者的排放“源”;温
度和沉积物基质是影响CO2、CH4 和N2O日通量特征的重要因素。
夏季中潮滩沉积物CO2、CH4 和N2O通量亦具有明显的日变化特征,且全天整体表现为三者的排放“源”;温
度可能不是影响三者通量变化的重要因素,沉积物基质和翅碱蓬短茬可能发挥重要作用。
夏季中潮滩-大气界面CO2、CH4 和N2O通量的日变化全天整体表现为CO2 的“源”,CH4 和N2O的“汇”;
温度、沉积物基质及翅碱蓬群落是影响三者通量变化的重要因素。
水分和盐分也是影响CO2、CH4 和N2O通量变化的重要因子;低潮滩沉积物(水分、盐分较低)CH4 和N2O
的日均通量均大于中潮滩和中潮滩沉积物(水分、盐分较高),但其CO2 日均通量小于中潮滩而大于中潮滩沉积
物,这可能与翅碱蓬群落的存在密切相关。
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犻狀狋犲狉狋犻犱犪犾犳犾犪狋狑犲狋犾犪狀犱狊狅犳狋犺犲犢犲犾狅狑犚犻狏犲狉犲狊狋狌犪狉狔
WANGLingling1,2,SUNZhigao1,MOUXiaojie1,2,SUNWanlong1,2,
SONGHongli1,2,JIANGHuanhuan1,2
(1.LabofCoastalWetlandEcology,YantaiInstituteofCoastalZoneResearch,ChineseAcademyofSciences,
Yantai264003,China;2.GraduateSchoolofChineseAcademySciences,Beijing100039,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Thediurnalvariationcharacteristicsofcarbondioxide(CO2),methane(CH4)andnitrousoxide
(N2O)fluxesfromintertidalflatwetlandoftheYelowRiverestuarywereobservedinsituwithastaticcham
berandGCinAugust2009.CO2,CH4andN2Ofluxesfromthelowtidalflatsedimentshowedanobvious
diurnalvariation.Thefluxrangeswerefrom-18.7546to43.7308,-0.0698to0.2242and-0.0016to
0.0083mg/(m2·h),andthedailyaveragefluxeswere11.6297,0.0787and0.0046mg/(m2·h),respec
tively,whichshowedthatthelowtidalflatsedimentwasthesourceofatmosphericCO2,CH4andN2O.The
fluxrangesofCO2,CH4andN2Ointhemiddletidalflatsedimentwerefrom -30.7799to25.7342,
-0.1113to0.1001and-0.0044to0.0063mg/(m2·h),andthedailyaveragefluxeswere4.5699,
0.0113and0.0023mg/(m2·h),respectively,whichshowedthatthemiddletidalflatsedimentwasalsothe
sourceofatmosphericCO2,CH4andN2O.ThefluxrangesofCO2,CH4andN2Ointhehightidalflatwere
from46.2533to102.6374,-0.2109to0.0475and-0.0083to0.0078mg/(m2·h),andthedailyaver
agefluxeswere76.6561,-0.0379and-0.0020mg/(m2·h),respectively,whichshowedthatthehigh
tidalflatwasnotonlythesourceofatmosphericCO2butalsoasinkforatmosphericCH4andN2O.Further
analysisshowedthatCO2fluxfromthemiddletidalflatsedimentwassignificantlypositivelycorrelatedwithat
mospherictemperatures(犘<0.05),aswastheCH4fluxfromthelowtidalflatsediment(0and5cmground
temperatures(犘<0.01)),buttheN2Ofluxfromthemiddletidalflatsedimentwassignificantlynegatively
correlatedwithatmospherictemperaturesanddifferentdepthsofgroundtemperatures(5,10and20cm)(犘<
0.05or0.01).Inaddition,sedimentsolventandtheSuaedasalsacommunitywerethemainfactorsaffecting
thefluxcharacteristicsofCO2,CH4andN2O,whilesoilwatercontentandsalinityalsoaffectedthem.
犓犲狔狑狅狉犱狊:carbondioxide;methane;nitrousoxide;intertidalflat;YelowRiverestuary
16第20卷第3期 草业学报2011年