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N2O flux characteristics and emission contributions of Calamagrostis angustifoliawetland during growth and non-growth seasons

生长季与非生长季小叶章湿地N2O通量特征及排放贡献



全 文 :书生长季与非生长季小叶章湿地
犖2犗通量特征及排放贡献
孙志高1,2,刘景双2,杨继松3,牟晓杰1,王玲玲1
(1.中国科学院烟台海岸带研究所,山东 烟台264003;2.中国科学院东北地理与农业生态研究所,
吉林 长春130012;3.沈阳大学,辽宁 沈阳110044)
摘要:2003年5月-2004年4月,利用静态箱-气相色谱法对生长季与非生长季三江平原小叶章湿地N2O通量特
征及排放贡献进行了研究。结果表明,生长季N2O呈脉冲式排放,通量介于0.005~0.111mg/(m2·h),5月较低
通量与降水较多有关,6月通量骤然增加与冻层融通有关,7-8月与降水少及蒸发旺盛有关,9月与土壤中较多氮
有关。N2O通量与5cm地温呈显著正相关(犘<0.01);非生长季N2O表现为“吸收-排放”,通量介于-0.0015~
0.0497mg/(m2·h)。N2O通量与气温、土壤融化时间均呈指数关系(犘<0.01),说明在冻结期,温度仍是控制微
生物活性的主要因素,而在融化期,温度和冻层融通是导致N2O通量迅速增加的重要原因。总之,生长季 N2O排
放量为205.54mgN2O/m2,为N2O的“源”,非生长季 N2O排放量为-26.97mgN2O/m2,为 N2O的“汇”,全年
N2O排放量为178.57mgN2O/m2,为N2O重要释放“源”。
关键词:N2O通量;生长季;非生长季;小叶章湿地;三江平原
中图分类号:S161.2+1  文献标识码:A  文章编号:10045759(2009)06024206
   N2O是仅次于CO2 和CH4 的重要温室气体,其在过去100年中对全球温室效应的贡献达4%~7%[1]。目
前,全球大气中的N2O浓度已从工业化前的270×10-9,增加到2005年的319×10-9,并以每年0.26%的速度递
增[2]。尽管N2O在大气中的浓度和年增长速率均低于CO2(379×10-6和约0.5%)[2],但增温效应却为CO2 的
150~200倍[3]。由于N2O在大气中的寿命可达150年,所以它对全球环境的影响是长期和潜在的[4]。N2O对
大气环境的影响已引起国际学术界和各国政府的广泛关注。目前,国外已在天然湿地N2O排放规律、排放量估
算、影响因素及环境效应等研究领域开展了大量研究[5~11],并取得了许多重要成果。与之相比,国内也在该领域
开展了许多工作,且当前研究主要集中在三江平原沼泽湿地[12~15]、若尔盖高原湿地[16]、青藏高原湿地[17,18]、长江
口和珠江口潮滩湿地[19,20]及南极海岸苔原或沼泽湿地[21,22]N2O释放特征、影响因素及硝化-反硝化等的相关
探讨上。总之,当前国内外的相关研究主要集中在植被生长季的探讨上,对非生长季的相关研究还不多见,而当
前研究中基于较短时间尺度(如生长季)的N2O排放量估算往往会影响对N2O“源/汇”功能的正确认识[2]。
三江平原是我国湿地面积较大、类型较齐全的地区之一。沼泽化草甸和沼泽是该区主要植被类型,而沼泽化
草甸又以小叶章(犆犪犾犪犿犪犵狉狅狊狋犻狊犪狀犵狌狊狋犻犳狅犾犻犪)群系最为普遍。小叶章湿地是该区最为普遍的湿地类型,约占湿
地面积的34.45%,常分布于高河漫滩、一级阶地和碟形洼地边缘,地表无或有少量积水,其对水分的变化极为敏
感。目前,国内关于生长季与非生长季小叶章湿地N2O通量特征及排放贡献的研究还未见报道,本试验对此进
行了研究,研究结果不仅可揭示小叶章湿地全年的 N2O排放规律及影响因素,而且其对正确评估小叶章湿地
N2O的“源/汇”功能及其对大气环境的影响也尤为重要。
1 材料与方法
1.1 研究区自然概况
试验于生长季(2003年5-10月)和非生长季(2003年11月-2004年4月)在中国科学院三江平原沼泽湿
242-247
2009年12月
   草 业 学 报   
   ACTAPRATACULTURAESINICA   
第18卷 第6期
Vol.18,No.6
 收稿日期:20090105;改回日期:20090311
基金项目:国家自然科学基金项目(40803023),中国科学院“优秀博士学位论文、院长奖获得者”科研启动专项资金项目(AJ0809BX036),山
东省黄河三角洲生态环境重点实验室开放基金项目(2007KFJJ01),中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2YW223;
KZCX2YW309)和中国科学院烟台海岸带所前沿领域项目(HJ0810BX047)资助。
作者简介:孙志高(1979),男,山东烟台人,副研究员,博士。Email:zgsun@yic.ac.cn
地生态试验站以东12km的野外试验场(47°35′17.8″N,133°37′48.4″E)进行。研究样地位于三江平原腹地的
典型沼泽湿地分布区,海拔55.4~57.9m,属温带大陆性季风气候,冬季严寒漫长,夏季温暖湿润,1月平均气温
-18~-21℃,7月平均气温21~22℃,年均气温1.9℃,≥10℃的年有效积温2300℃左右。该区年均降水量
600mm左右,60%以上集中在6-9月。试验场地貌类型为该区沼泽发育最为普遍的碟形洼地,面积约20hm2。
自洼地中心到边缘分布的主要建群种为漂筏苔草(犆犪狉犲狓狆狊犲狌犱狅犮狌狉犪犻犮犪)、毛果苔草(犆.犾犪狊犻狅犮犪狉狆犪)、乌拉苔草
(犆.犿犲狔犲狉犻犪狀犪)和小叶章(犆.犪狀犵狌狊狋犻犳狅犾犻犪)。土壤类型主要为草甸沼泽土、腐殖质沼泽土和泥炭沼泽土。
1.2 研究方法
1.2.1 样点布设及气体采集 在试验场小叶章湿地分布区内布设观测点位,采用静态箱(暗箱)法采集气体样
品。为防止采样时箱内气体逸出,采样前2周在观测点埋入底座。生长季观测时,将静态箱扣在底座凹槽后加水
密封,而在非生长季,若地表有积雪,事先将采样点积雪清除,并在静态箱扣入底座凹槽后用湿雪密封。2个时段
的采样频次分别为4次/月和2~3次/月,观测时间为当日9:00-10:00。采样用100mL玻璃注射器(装有三通
阀),在60min时段内每20min采集100mL气体置于铝塑复合气袋中。同步测定温度、降水量和冻深/融深等
环境数据。
1.2.2 气体分析及通量计算 N2O气体样品用配有63Ni电子捕获检测器(ECD)的岛津GC14A气相色谱仪测
定。填充材料为PorapakQ,检测器、进样口和分离柱的温度分别为300,100和60℃,载气为高纯氮气(纯度>
99.999%)。N2O通量采用下式计算:
犑=d犮d狋×

犞0×

犘0×
犜0
犜×犎
式中,犑为通量[mg/(m2·h)],d犮/d狋为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),犘为气压(Pa),犜为绝对温度(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 为箱高(m)。
1.2.3 数据处理与统计 运用Origin7.5和SPSS10.0软件进行作图和相关分析。
2 结果与分析
2.1 生长季N2O通量特征及影响因素
小叶章湿地在生长季的N2O呈脉冲式排放
图1 2003年生长季与非生长季湿地 犖2犗
通量、气温及地温变化
犉犻犵.1 犆犺犪狀犵犲狊狅犳犖2犗犳犾狌狓,犪狋犿狅狊狆犺犲狉犻犮狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲
犪狀犱犵狉狅狌狀犱狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲狅犳狑犲狋犾犪狀犱犻狀犵狉狅狑狋犺犪狀犱
狀狅狀犵狉狅狑狋犺狊犲犪狊狅狀犻狀2003
特征(图1),通量介于0.005~0.111mg/(m2·h),
均值为0.059±0.034mg/(m2·h)(表1)。具体
而言,湿地在5月的排放通量很低,原因与此间降
水量大(图2),土壤较好水分状况不利于N2O排
放有关。至6月,N2O通量骤然增加,原因与此
间土壤冻层融通有关。一般而言,小叶章湿地的
冻层在5月末-6月中上旬基本融通,随冻层不
断融通,冻层以下在冬季累积的大量N2O得以迅
速释放,由此使得 N2O通量在此间出现较高峰
值。6月末-8月下旬,小叶章湿地 N2O通量一
直较高,原因与此间(特别是8月份)降水较少、气
候干旱及水分蒸发量大有关。2003年生长季的
降水量为302mm(图2),而多年平均降水量为
454mm,相差152mm,说明2003年生长季的降
水量较往年偏低。另外,就降水时间分配而言,生
长季降水集中分布在5和7月,除5月降水量明
显高于多年平均降水量外,其他各月特别是6,8
342第18卷第6期 草业学报2009年
和9月的降水量较多年平均降水量均有很大降低,说明因降水较少、蒸发旺盛而使得湿地水分状况发生较大改
变,这种改变又使得土壤氧化还原电位迅速升高,从而使硝化-反硝化作用的反应条件得以改善,进而促进N2O
排放。这一结论正好与Regina[5]所报道的湿地水位下降、土壤水分含量降低会促进N2O排放的结论相吻合。8
月末,湿地N2O通量出现了1次较为明显低值[0.014mg/(m2·h)],原因与此间降水有关。尽管8月的降水量
较多年平均降水量有很大降低,但因该月降水大多集中于月末,故较为频繁和较多降水又使得土壤的水分状况得
以改善(局部出现地表积水),而土壤水分含量较高的土壤环境又不利于N2O排放。整个9月,湿地N2O通量均
较高,原因除了与此间降水较少而引起土壤含水量较低外,更主要与土壤中用于硝化-反硝化的有效碳氮含量较
高有关[23~25]。9月,小叶章处于生长末期[26],其生长所需氮较旺期和成熟期有很大降低[27],而此间降水又使许
多氮沉降到系统中,这就在一定程度上改善了土壤的氮物质基础,进而会为硝化-反硝化提供较为丰富的物质反
应条件。10月上旬,湿地N2O通量迅速降低,原因与生长季末温度大幅度降低有关。相关分析表明,湿地N2O
通量与气温的相关性很差,但与5cm地温密切相关(犘<0.01)(图3),说明湿地N2O通量在很大程度上受5cm
地温的影响。
2.2 非生长季湿地N2O通量特征及影响因素
小叶章湿地在非生长季的N2O通量总体表现为“吸收-排放”(图1),即2003年11月上旬-2004年3月下
图2 2003年生长季降水量与多年平均降水量
犉犻犵.2 犘狉犲犮犻狆犻狋犪狋犻狅狀犪狀犱狀狅狉犿犪犾狆狉犲犮犻狆犻狋犪狋犻狅狀
犻狀犵狉狅狑狋犺狊犲犪狊狅狀犻狀2003
图3 生长季温度与犖2犗通量的关系
犉犻犵.3 犚犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆犫犲狋狑犲犲狀狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲狊犪狀犱
犖2犗犳犾狌狓犲狊犻狀犵狉狅狑狋犺狊犲犪狊狅狀
表1 生长季与非生长季犖2犗通量范围、均值及标准差
犜犪犫犾犲1 犚犪狀犵犲狊,犿犲犪狀狊犪狀犱狊狋犪狀犱犪狉犱犱犲狏犻犪狋犻狅狀狊狅犳犖2犗犳犾狌狓犲狊犻狀犵狉狅狑狋犺犪狀犱狀狅狀犵狉狅狑狋犺狊犲犪狊狅狀 mg/(m2·h)
月份
Month
生长季 Growthseason
范围
Range
均值
Mean
标准差
Standarddeviation
月份
Month
非生长季 Nongrowthseason
范围
Range
均值
Mean
标准差
Standarddeviation
5 - 5.835×10-3 0 11 -5.100×10-3~-1.960×10-2 -1.235×10-2 1.025×10-2
6 6.373×10-3~7.906×10-2 4.396×10-2 3.178×10-2 12 -1.500×10-3~-1.810×10-2 -9.800×10-3 1.174×10-2
7 4.380×10-2~9.784×10-2 6.544×10-2 2.361×10-2 1 -1.560×10-2~-5.570×10-2 -3.565×10-2 2.835×10-2
8 1.423×10-2~1.106×10-1 7.795×10-2 4.336×10-2 2 - 6.800×10-3 0
9 5.580×10-2~9.084×10-2 7.484×10-2 1.604×10-2 3 -1.220×10-2~-1.175×10-2 -1.457×10-2 2.700×10-3
10 - 1.424×10-2 0 4 3.480×10-2~4.970×10-2 4.225×10-2 1.054×10-2
5~105.385×10-3~1.106×10-1 5.935×10-2 3.387×10-2 11~4 -1.500×10-3~4.970×10-2 -6.800×10-3 2.681×10-2
442 ACTAPRATACULTURAESINICA(2009) Vol.18,No.6
旬,湿地土壤吸收大气中的N2O,而4月向大气排放N2O。总体而言,此间N2O通量范围为-0.0015~0.0497
mg/(m2·h),均值为(-0.0068±0.0268)mg/(m2·h)(表1),为N2O的“汇”。具体来说,11月,湿地气温骤然
降低,由此导致其对N2O的吸收量一直保持在较高水平上。至12月中旬,湿地气温有所回升,由此使得其对
N2O的吸收量达到最低值。12月末-1月末,湿地气温又骤然降低,并于1月一直保持-23℃左右,此间湿地对
N2O的吸收量不断增加,并于1月下旬达到最大值。2月中旬-3月下旬,尽管湿地气温逐渐回升,但此间其对
N2O的吸收量除2月中旬相对较低外,其他时期均维持在较高水平上,且变化也比较平缓。到4月,随冻层融
化,湿地由N2O的“汇”转化为“源”,且其排放量也随气温升高而迅速增加,至4月下旬,其通量高达0.0497
mg/(m2·h)。小叶章湿地非生长季N2O通量与气温存在明显指数相关关系(犘<0.01)(图4),说明湿地土壤在
冻结期,温度仍是控制微生物活性的主要因素,这一结论又与Alm等[28]的研究结果相一致。另外,土壤融化时
间与N2O通量也呈较好指数关系(犘<0.01)(图5),说明湿地土壤在融化期,随温度升高,微生物活性逐渐增强,
进而导致N2O通量逐渐增加。此外,冬季土壤产生的N2O可能因冻层存在而部分封存在冻层中,而在融化期,
随冻层不断融通,这部分N2O逐渐释放,进而导致4月后其通量迅速增加。
2.3 生长季与非生长季N2O排放量及排放贡献
小叶章湿地N2O排放量的估算结果表明(表2),生长季湿地N2O排放量为205.54mgN2O/m2,为N2O的
排放“源”。比较而言,各月N2O的排放贡献以7,8和9月较高且比较接近(23.48%,28.10%和25.57%),6月
次之(15.75%),5和10月较低(1.95%和5.15%)。而在非生长季,湿地N2O排放量为-26.97mgN2O/m2,为
N2O的“汇”。比较而言,各月湿地N2O的“汇”功能以1月最强(100.52%),3月次之(41.68%),11,12和2月较
低(25.31%,27.47%和18.24%)。4月,湿地发挥N2O的“源”功能,其对非生长季 “汇”功能的削弱贡献高达
-113.21%。总之,小叶章湿地全年的N2O排放量为178.57mgN2O/m2,为N2O的重要释放“源”。
图4 非生长季犖2犗通量与温度的关系
犉犻犵.4 犚犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆犫犲狋狑犲犲狀犖2犗犳犾狌狓犲狊
犪狀犱狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲狊犻狀狀狅狀犵狉狅狑狋犺狊犲犪狊狅狀
图5 犖2犗通量与融化天数的关系
犉犻犵.5 犚犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆犫犲狋狑犲犲狀犖2犗犳犾狌狓犲狊
犪狀犱狋犺犪狑犻狀犵犱犪狔狊
表2 生长季与非生长季湿地犖2犗排放量估算
犜犪犫犾犲2 犈狊狋犻犿犪狋犻狅狀狅犳犖2犗犲犿犻狊狊犻狅狀犪犿狅狌狀狋犳狉狅犿狑犲狋犾犪狀犱犻狀犵狉狅狑狋犺犪狀犱狀狅狀犵狉狅狑狋犺狊犲犪狊狅狀 mgN2O/m2
项目Item
生长季 Growthseason
5 6 7 8 9 10
总计Sum
N2O排放量 N2Oemissionflux(mgN2O/m2) 4.01 32.37 48.25 57.76 52.56 10.59 205.54
所占比例Percentofgrowthseason(%) 1.95 15.75 23.48 28.10 25.57 5.15 100
项目Item
非生长季 Nongrowthseason
11 12 1 2 3 4
总计Sum
N2O排放量 N2Oemissionflux(mgN2O/m2) -6.80 -7.49 -27.01 -4.90 -11.20 30.42 -26.97
所占比例Percentofgrowthseason(%) 25.31 27.47 100.52 18.24 41.68 -113.21 100
542第18卷第6期 草业学报2009年
3 结论
2003年,生长季湿地N2O呈脉冲式排放特征,通量为0.005~0.111mg/(m2·h);5月较低通量与降水较多
有关,6月通量骤然增加与冻层融通有关,7-8月与降水少及蒸发旺盛有关,9月与土壤中丰富的氮有关;湿地土
壤N2O通量与5cm地温呈线性相关(犘<0.01)。
2003年,非生长季湿地N2O表现为“吸收-排放”,通量为-0.0015~0.0497mg/(m2·h);N2O通量与气
温、土壤融化时间均呈指数关系(犘<0.01),说明在冻结期,温度仍是控制微生物活性的主要因素,而在融化期,
温度和冻层融通是导致N2O通量迅速增加的重要原因。
生长季湿地N2O排放量为205.54mgN2O/m2,为 N2O排放“源”,而在非生长季,N2O排放量为-26.97
mgN2O/m2,为N2O的“汇”;湿地全年N2O排放量为178.57mgN2O/m2,为N2O重要释放“源”。
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犖2犗犳犾狌狓犮犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊犪狀犱犲犿犻狊狊犻狅狀犮狅狀狋狉犻犫狌狋犻狅狀狊狅犳犆犪犾犪犿犪犵狉狅狊狋犻狊犪狀犵狌狊狋犻犳狅犾犻犪
狑犲狋犾犪狀犱犱狌狉犻狀犵犵狉狅狑狋犺犪狀犱狀狅狀犵狉狅狑狋犺狊犲犪狊狅狀狊
SUNZhigao1,2,LIUJingshuang2,YANGJisong3,MOUXiaojie1,WANGLingling1
(1.YantaiInstituteofCoastalZoneResearch,ChineseAcademyofSciences,Yantai264003,China;
2.NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,ChineseAcademyofSciences,
Changchun130012,China;3.ShenyangUniversity,Shenyang110044,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Thenitrousoxide(N2O)fluxcharacteristicsandemissioncontributionsof犆犪犾犪犿犪犵狉狅狊狋犻狊犪狀犵狌狊狋犻犳狅
犾犻犪wetlandintheSanjiangPlainduringgrowthandnongrowthseasonswereobserved犻狀狊犻狋狌withstaticcham
berandGCmethodsfrom May2003toApril2004.TherangeofN2Ofluxesduringthegrowthseasonwas
0.005-0.111mg/(m2·h)andshowedpulseemissioncharacteristics.ThelowerN2OfluxesinMaywerecor
relatedwithabundantprecipitation,whilethesharplyincreasedfluxesinJunewerecorrelatedwiththethawof
frozenlayers.BetweenJulyandAugust,theN2Ofluxeswerecorrelatedwithlessprecipitationandgreater
evaporation,andinSeptember,thefluxdependedonavailablenitrogeninthesoil.Furtheranalysisindicated
thattheN2Ofluxesduringthegrowthseasonweresignificantly(犘<0.01)positivelycorrelatedwith5cm
groundtemperature.TherangeofN2Ofluxesduringthenongrowthseasonwas-0.0015-0.0497mg/(m2·h),
presenting“absorptionemission”characteristics.Furtheranalysisindicatedthattherelationshipbetweenthe
N2Ofluxesandatmospherictemperaturesorsoilthawdayswasinaccordwithexponentialmodel(犘<0.01)
indicatingthat,inthefrozenperiod,temperaturewasstilthemainfactorcontrolingmicrobialactivity.Inthe
thawperiod,temperatureandthawoffrozenlayerswereimportantforinductionoftherapidincreaseinN2O
fluxes.Inconclusion,theN2Oemissionamountduringgrowthseasonwas205.54mgN2O/m2,actingasthe
emission“source”,whileduringnongrowthseason,itwas-26.97mgN2O/m2,the“sink”.Overal,the
N2Oemissionoverthewholeyearwas178.57mgN2O/m2,animportantN2Oemission“source”.
犓犲狔狑狅狉犱狊:N2Oflux;growthseason;nongrowthseason;犆犪犾犪犿犪犵狉狅狊狋犻狊犪狀犵狌狊狋犻犳狅犾犻犪wetland;SanjiangPlain
742第18卷第6期 草业学报2009年