三江平原典型沼澤濕地氧化亞氮通量特征

三江平原典型沼澤濕地氧化亞氮通量特征

1對我國濕地no排放的研究氧氣亞氮（氮）是大氣中一種高效的溫室氣體。在大革命之前，氮的濃度為0.275molmol-1，現(xiàn)在為0.14molmol-1，增長約14%，年增長率約為0.3%。由此產(chǎn)生的輻射強度為0.15wm-2。雖然氮的濃度在空氣中很低，但其溫室效應(yīng)非常高。每個環(huán)節(jié)的氮分子的增加溫室效應(yīng)約為p2分子的150倍，對氣候變化的貢獻約為5%，此外，氮分子也破壞了氣候的臭氧層。自然界上，氮氧主要來自海洋、森林和牧場的土壤排放，以及人類的石化燃料、植物燃燒、化工生產(chǎn)等。國內(nèi)一些學(xué)者分別對我國不同地區(qū)不同類型的農(nóng)田和草地、森林等生態(tài)系統(tǒng)的N2O排放及影響因子進行過研究[7,9,11,12,13,14,20,23,26,29],尤其是對在我國占很大面積的人工濕地-水稻田生態(tài)系統(tǒng)的N2O排放,已經(jīng)取得了較多的研究成果,但對天然濕地特別是沼澤濕地N2O的觀測研究,僅見少量的報道,而且缺乏連續(xù)的、系統(tǒng)的、長期的觀測數(shù)據(jù).本研究以實驗為基礎(chǔ),通過對沼澤濕地N2O進行長期的、連續(xù)的、系統(tǒng)的觀測采樣,研究了三江平原3種典型代表性濕地N2O通量.認(rèn)識不同類型沼澤濕地間的N2O通量差異,了解其長期變化規(guī)律,可為正確評價我國濕地生態(tài)系統(tǒng)在全球氣候變化中的貢獻提供基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù).2研究領(lǐng)域和方法2.1表6表1caraica和毛果苔蘚澤lapo10a三江平原是我國面積最大、分布最集中的天然沼澤濕地區(qū),現(xiàn)有沼澤濕地面積83.5×104hm2.三江平原植被屬于長白山植物區(qū)系,以沼澤化草甸和沼澤植被為主.由于微地形和水分條件的差異,沼澤化草甸和沼澤植被多呈環(huán)狀或條狀分布;在地勢低洼的常年積水地帶多分布漂筏苔草(Carexpseudocuraica)和毛果苔草沼澤(Carexlasiocarpa);在常年過濕或季節(jié)性積水地帶多分布有烏拉苔草(Carexmeyeriana)和小葉章(Deyeuxiaangustifolia),而在高崗地帶則發(fā)育著灌叢雜草和喬木(圖1).試驗選在中國科學(xué)院三江平原沼澤濕地生態(tài)試驗站沼澤綜合試驗場內(nèi)進行.該站位于三江平原典型沼澤濕地分布區(qū)的別拉洪河流域,海拔高度55.6m,中心位置47°35′N,133°31′E,年平均降水量550mm,年平均氣溫1.9℃.試驗場為一典型的碟形洼地,從外圍到核心區(qū)依次分布著灌叢雜草、小葉章濕草甸、毛果苔草和漂筏苔草等多種類型的濕草甸和草本沼澤.選取3種不同水分條件下的濕地類型(灌叢雜草濕地、小葉章濕地和毛果苔草沼澤)開展?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)N2O排放通量的觀測研究,其土壤類型分別為腐殖質(zhì)沼澤土、草甸白漿土和泥炭沼澤土.同時,利用自動氣象站和自動小氣候觀測系統(tǒng),進行輔助氣象、水文要素的同步觀測.2.2采樣和分析方法氣體樣品的采集利用靜態(tài)箱法,裝置為50cm×50cm×50cm四面和頂部封閉的不銹鋼材質(zhì)采樣箱,箱頂內(nèi)部裝有兩個小風(fēng)扇和一個鉑電阻溫度傳感器,采氣孔和電源插孔開在箱壁上,箱底基座采用下沿帶孔的不銹鋼槽架,插入地下20cm.為了減少采樣時對基座和周圍環(huán)境的擾動,各個觀測采樣點分別架設(shè)了10～20m左右的棧橋.實驗采用3個平行重復(fù),同時采集氣體樣品,觀測采樣頻率為每周2次,并每月選擇晴朗的天氣條件進行1次日變化觀測采樣,白天采樣間隔為2h,夜間間隔3h.采樣時,在不銹鋼槽架注水密封,樣品采集用100ml注射器抽取,在30min時間段內(nèi)每隔10min采集1次氣體樣品,樣品在12h內(nèi)帶回實驗室,用Agilent4890氣相色譜儀電子捕獲檢測器(ECD)分析.色譜儀設(shè)置如下:柱箱溫度55℃,電子捕獲檢測器工作溫度330℃,色譜柱采用長度為1m內(nèi)徑2mm的80～100目PorapakQ填充物來分離N2O,載氣為高純氮氣,流速35cm3·min-1.2.3被測氣體密度參數(shù)溫室氣體排放通量的定義為單位時間、單位面積觀測箱內(nèi)排放的被測氣體質(zhì)量的變化,可用下列公式表示:F=Δm/(A·Δt)=ρ·ν·Δc/(A·Δt)=ρ·h·Δc/Δt式中,F為被測氣體通量(mg·m-2·h-1),A為觀測底座所包圍的土壤面積,Δm/Δt為采樣箱內(nèi)被測氣體質(zhì)量隨時間的變化,ν為50cm×50cm×50cm采樣箱的容積,ρ為箱內(nèi)氣體密度(ρ=n/v=P/RT,單位為mol·m-3,P為箱內(nèi)氣壓,T為箱內(nèi)氣溫,R為氣體常數(shù)),h為采樣箱高度,Δc/Δt為被測氣體在觀測時間內(nèi)濃度隨時間的變化.3結(jié)果與分析3.1降水年際變化對沼濕地的影響有研究曾報道沼澤濕地可能是大氣N2O的一個潛在吸收匯,但從本研究長達3年的觀測研究結(jié)果來看,沼澤濕地在生長季依然表現(xiàn)為大氣N2O的弱排放源,而非生長季的冰雪覆蓋期是大氣N2O的弱吸收匯.根據(jù)每月的實際觀測采樣分析結(jié)果進行算數(shù)平均,得到三江平原3種典型水分條件濕地的N2O月平均通量(圖2).由圖2可知,在研究所進行的3年中,3種類型濕地N2O通量在季節(jié)變化的基礎(chǔ)上有著較大的年際間差異,排放通量變異比較大.3種類型濕地2002和2004年生長季N2O通量比較大,2003年則比較小.分析毛果苔草沼澤N2O通量年際差異,主要與年際間的氣候差異有關(guān),而降水量的年際變化對沼澤濕地的影響最大.圖3是研究地區(qū)3年降水量的累積曲線.土壤N2O主要產(chǎn)生于硝化過程和反硝化過程,氣溫和土壤水分含量能明顯影響微生物的活性和O2含量,從而成為土壤N2O生成的重要影響因素.在通透性良好的條件下,硝化過程會放出N2O;在土壤積水或通透性較差的條件下,反硝化過程通常是N2O的主要來源.對積水濕地而言,水位的頻繁波動也能加劇土壤N2O的排放.研究進行的3年中,以2003年最為干旱,2004年前期積水較深,后期干旱沼澤積水干枯,而以2002年水位波動最為頻繁,因此毛果苔草沼澤2002年N2O的排放最大.小葉章濕地一般發(fā)育在水位波動比較大的地形條件下,故生長季的N2O排放比毛果苔草沼澤要大.2003年因氣候比較干旱,小葉章濕地水位波動不大,N2O排放通量在觀測研究進行的3年中最小.灌叢濕地一般發(fā)育在高崗地帶,地表常無明顯積水,群落分布非常不均勻,因此觀測樣點的選擇和生育期降水將直接影響其N2O的排放通量.表1是根據(jù)3年的實測結(jié)果統(tǒng)計的三江平原3種類型濕地年N2O地-氣交換通量,生長季采用每周2次的實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計,非生長季采用每月1次的實測結(jié)果.毛果苔草沼澤和小葉章濕地年平均N2O排放通量分別是53.928和21.408mg·m-2·yr-1.這一結(jié)果比Laine等在芬蘭中部的沼澤地Lakkasuo(年平均氣溫3℃,年降水量700mm,地理位置45°01′N,130°13′E)所觀測的結(jié)果2.13～9.35mgN·m-2·yr-1(合6.694～29.385mgN2O·m-2·yr-1)要大一些,原因可能是三江平原沼澤濕地的水位變化比Lakkasuo沼澤地要頻繁和劇烈.常年無明顯積水的灌叢濕地N2O排放通量最大,達657.120mg·m-2·yr-1.3.2o氣體通量動態(tài)變化在本研究進行的3年中,氣候差異比較大,其中2002年屬于降水正常年份,但觀測資料不全;2003年生長季為典型的干旱年份,不具有代表性,但冬季的降雪量正常;2004年前期屬于降水偏多年份,但后期比較干旱,全年降水基本正常,故選擇2003年11月～2004年10月的觀測資料分析3種典型類型濕地全年N2O的季節(jié)變化規(guī)律.圖4是三江平原3種主要類型濕地2003～2004年度冬季冰雪覆蓋期的N2O通量動態(tài),冰雪覆蓋下的沼澤濕地其N2O通量主要表現(xiàn)為以微弱的吸收為主.11、12月3種濕地N2O通量數(shù)值非常的小,近似于0,除小葉章濕地11月為很微弱的吸收外,均表現(xiàn)為微弱的排放.1、2和3月3種濕地N2O通量表現(xiàn)為明顯的吸收.4月是冰雪的融化季節(jié),我們增加了觀測頻率,雖然有個別的觀測值表現(xiàn)為弱的排放,但總體趨勢還是以吸收為主.統(tǒng)計結(jié)果顯示,冬季(11月～次年4月)毛果苔草沼澤和小葉章濕地以吸收為主,平均吸收通量分別為-0.013和-0.052mg·m-2·h-1,灌叢濕地則表現(xiàn)為很微弱的排放,平均排放通量為0.012mg·m-2·h-1.董云社等在內(nèi)蒙古溫帶草原的冬季也都觀測到了N2O以負值為主的現(xiàn)象.目前已知的N2O氣體通量出現(xiàn)負值主要發(fā)生在以下兩種情況:一是土壤處于強還原狀態(tài)時微生物吸收N2O并將其反硝化還原成N2;另一種情況是當(dāng)有機質(zhì)含量較高的土壤處于干燥條件時,N2O可能被土壤基質(zhì)中的粘土礦物所吸附.三江平原濕地土壤一般均處于較強的還原狀態(tài),毛果苔草沼澤和小葉章濕地土壤氧化還原電位僅在水體表層5cm的薄層范圍內(nèi)為正值,其它深度均為負值,表現(xiàn)為強還原狀態(tài),值大約在-100～-400mV的范圍內(nèi).相對而言,冬季土壤較夏季干燥一些,因此三江平原濕地冬季N2O氣體通量以吸收為主可能是兩種情況共同作用的結(jié)果.3種濕地2004年生長季(5～10月)的N2O通量動態(tài)曲線見圖5.生長季3種濕地N2O通量總體上表現(xiàn)為排放,僅有個別時間表現(xiàn)為很微弱的吸收.3種濕地春季(5月)N2O排放通量稍大一些,夏季次之,秋季最小.許多研究也曾報道過自然土壤春季N2O出現(xiàn)集中排放的現(xiàn)象.春季N2O排放通量大,主要原因是與凍土的融凍有關(guān).Davidson研究認(rèn)為,N2O爆發(fā)排放的原因還可能是化能自養(yǎng)NH4+氧化菌產(chǎn)生的大量NO2-發(fā)生化能反硝化作用的結(jié)果.董云社等認(rèn)為,春季草地出現(xiàn)N2O高排放是由于漫長冬季土壤中無機N和可利用C含量的富集,十分有利于土壤微生物的復(fù)蘇和生理代謝活動,因此隨著土壤的逐漸返潤,反硝化作用成為N2O產(chǎn)生的主要來源.此外春季隨著積雪和土壤的緩慢融化,把冬季土壤基質(zhì)中的粘土礦物所吸附的N2O釋放出來,更增加了N2O的排放.夏季灌叢濕地的N2O排放比較穩(wěn)定;毛果苔草沼澤由于長期積水,出現(xiàn)N2O吸收與排放交替進行的現(xiàn)象,但平均通量仍以排放為主;小葉章濕地在夏季隨著降水的自然發(fā)生出現(xiàn)淹水與落干交替的現(xiàn)象,因而N2O排放通量也比較大.秋季隨著氣溫的不斷降低,土壤硝化和反硝化的能力都在不斷降低,因而生成的N2O量也就越來越少.雖然生長季3種類型濕地N2O通量排放與吸收都會出現(xiàn),但以排放為主.相對而言,灌叢濕地N2O排放通量最大,最高0.506mg·m-2·h-1(5月16日),毛果苔草沼澤最小,負排放出現(xiàn)的次數(shù)也最多,小葉章濕地在積水落干后出現(xiàn)的排放峰值為0.307mg·m-2·h-1(6月29日).3種類型濕地N2O通量的標(biāo)準(zhǔn)差在水位變化頻繁的年份比較大,而干旱年份則比較小(表2).3.3種類型沼濕地no排放通量的日變化在進行沼澤濕地N2O排放通量年際與季節(jié)變化實驗,探索其季節(jié)變化和年際變化規(guī)律的同時,我們還進行了其日變化的觀測采樣分析實驗.毛果苔草沼澤、小葉章濕地和灌叢草甸的N2O排放通量與地表溫度、地下5cm地溫的日變化曲線見圖6.由圖6可以看出,3種類型沼澤濕地N2O排放通量的日變化并不明顯,與地下5cm地溫的相關(guān)分析也證明了沼澤濕地N2O排放通量與溫度的關(guān)系并不顯著(R2<0.25,N=11).毛果苔草沼澤與灌叢濕地的N2O日排放通量并沒有明顯的日變化,小葉章濕地僅有一個觀測點的排放通量較高,其它的觀測點也沒有明顯的日變化,說明一天內(nèi)沼澤濕地N2O排放通量沒有明顯的波動,氣溫日變化的幅度還不足以引起硝化-反硝化過程的加劇或減弱,進而引起濕地N2O通量的明顯變化.4地面濕地no排放、排放情況4.1三江平