（环境科学专业论文）胶州湾大沽河口芦苇湿地秋冬季n2o排放规律研究.pdf

a b s t r a c t c l i m a t ew a r m i n gi st h el a r g e s tg l o b a le n v i r o n m e n t a lp r o b l e mi nt h ew o r l d t h e c o p e n h a g e nm e e t i n g g r e e n h o u s eg a se m i s s i o nr e d u c t i o ni sc o n c e r n e db yi n t e r n a t i o n a l c o m m u n i t y n 2 0i sa ni m p o r t a n tg r e e n h o u s eg a s i t sg l o b a lw a r m i n gp o t e n t i a li sh i g h e r t h a nc 0 2a n dc n 4 a n di ti st h el o n g e s tl i f ei nt h ek n o w ng r e e n h o u s eg a s e s a n d s t r a t o s p h e r i co z o n es e r i o u sd a m a g e s oi t i st h ei m p a c to ft h eg l o b a le n v i r o n m e n ta n d p o t e n t i a ll o n g t e r m t h e r e f o r e s t u d i e so nn 2 0a r ec o n c e r n e d a sau n i q u ee c o s y s t e m w e t l a n di sa ni m p o r t a n ts o u r c eo fn 2 0o rs i n k s a sg l o b a l t e m p e r a t u r e sc o n t i n u et or i s e w e t l a n d sn 2 0e m i s s i o n st oc o n t r o lg l o b a lw a n n i n gh a sa v e r yi m p o r t a n tr o l e d o m e s t i cr e s e a r c hi nt h i sa r e af o c u s e do nt h er i c ef i e l d sa n d o t h e r w e t l a n d so fn 2 0e m i s s i o n sr e s e a r c h t h es t u d yo fn a t u r a lw e t l a n d si sl e s sa n d c o n c e n t r a t e di nt h es a n j i a n gp l a i nw e t l a n d b a i y a n g d i a nw e t l a n da n dr u o e r g a ip l a t e a u w e t l a n d w h i l et h ew e t l a n d so f j i a o z h o ub a yl e s s t h e r ei sn os y s t e m a t i co b s e r v a t i o no f o n l yaf e ws c a t t e r e do b s e r v a t i o n s i nt h i ss t u d y i ns e p t e m b e r2 0 0 9t of e b r u a r y2 010p e r i o d u s i n gt h es t a t i cb o x g a sc h r o m a t o g r a p h ya n df i x i n gi ns i t uo b s e r v a t i o nf i e l ds a m p l i n g w ea r es t u d y i n gn 2 0 e m i s s i o n so fd a g u h ee s t u a r i n et w od i f f e r e n tt y p e so f w e t l a n d si ni na u t u m na n dw i n t e r r e s e a r c hd a i l yc h a n g e s m o n t hc h a n g e sa n ds e a s o n a lc h a n g e so fn 2 0e m i s s i o n si nt h e s o i le c o s y s t e m a n a l y s et h ei m p a c to ft e m p e r a t u r e 5 c ms o i lt e m p e r a t u r e s o i lm o i s t u r e s o i lp h s o i ln u t r i e n t sa m m o n i u ma n dn i t r a t en i t r o g e no ns o i ln 2 0e m i s s i o n s c o m p a r e n 2 0e m i s s i o nf l u xa b o u tt w ot y p e so fw e t l a n d s a n dw e t l a n de c o s y s t e m si nt h er e g i o n n 2 0e m i s s i o n s 舶map r e l i m i n a r ye s t i m a t e a d dt h em i s s i n gd a t aj i a o z h o ub a yo f g r e e n h o u s eg a s e s a si m p r o v e m e n to fn a t u r a le s t u a r i n ec o a s t a lw e t l a n d si n v e n t o r yo f g r e e n h o u s eg a se m i s s i o n sm e n t i o n e ds c i e n t i f i cb a s i s t h em a j o rf i n d i n g sa r ea sf o l l o w s 1 d a g u h ew e t l a n d si nj i a o z h o ub a yi na u t u m na n dw i n t e rd i u r n a lv a r i a t i o no f n 2 0e m i s s i o n ss h o w e dl o c a ll a w sa n dt h er a n d o m n e s so ft h ew h o l e d a ym a x i m u m s o c c u r r e da t12o c l o c ka n d21o c l o c ka tn i g h t t h em i n i m u mv a l u ea r eu s u a l l ya r o u n d3 i nt h em o r n i n g b u tt h em o n t h l yv a r i a t i o n 2 j i a o z h o ub a ye s t u a r yw e t l a n dn 2 0f l u xm a x i m u mi no c t o b e r t h em i n i m u m i i i e m i s s i o n sa l s oa p p e a ri no c t o b e r n 2 0e m i s s i o n so f e a c hm o n t ht h r o u g hh i g ht ol o wi s o c t o b e r d e c e m b e r s e p t e m b e r f e b r u a r y j a n u a r ya n dn o v e m b e r 3 j i a o z h o ub a yw e t l a n dn 2 0e m i s s i o n ss h o w e ds i g n i f i c a n ts e a s o n a lc h a n g e si n e m i s s i o n sf r o ms o i li na u t u m ni sh i g h e rt h a nw i n t e re m i s s i o n s r e m o v et w on u m b e r so f l a r g ed e v i a t i o n b u ti nt h ea u t u m na n d w i n t e ra tt h e j u n c t i o no f11 m o n t hs a m p l i n ga n d a n a l y s i so fd a t av e r yu n s t a b l e 4 t e m p e r a t u r e w a t e rc o n t e n t a m m o n i u mn i t r a t en i t r o g e na n dn 2 0 e m i s s i o n sa r e n oq u a l i t a t i v er e l a t i o n s h i p n 2 0e m i s s i o nf l u xa n ds o i lp h sn e g a t i v ec o r r e l a t i o ni sr 一 0 9 5 4 3p 0 0 4 5 6 o 9 0 时才视为有效 每八个样品进三组标 2 l 第二章研究方法与试验设计 气 取变异系数小于0 0 1 分析条件为表3 1 在该条件下 气体样品中的c 0 2 c h 4 s i n 2 0 皆可以与空气中其他成分分离 灵敏度和稳定性都很高 表3 1 气相色谱仪n 2 0 分析条件 色谱柱 c 0 1 3 s s l m x 2 m m x p o r a p a kq 8 0 1 0 0 c 0 1 4 s s 一3 m x 2 m m x p o r a p a kq 8 0 1 0 0 柱温 检测器温度 载气及流量 c m 3 m i n 1 保留时间 m i n 5 5 f i d 前检测器2 5 0 e c d 后检测器2 3 0 高纯n z 3 5 4 3 3 3 2 气体样品采样点 采样时间和采样间隔的确定 3 3 2 1 采样点的确定 在试验区选取2 个典型断面进行采样 一个是芦苇天然湿地 一个是杂草 湿地 在芦苇湿地设置1 个采样点 杂草湿地断面设置1 个采样点 共2 个采 样点 每个典型断面设置3 个平行样 各个样相距1 米左右 图3 7 芦苇湿地采样点 退潮时 3 3 2 2 采样时间和采样间隔的确定 资料显示n 2 0 的排放量一般在夏季达到最大 但该课题申请下来是在2 0 0 9 年 1 月 此后几个月一直处于准备阶段 正式试验是从2 0 0 9 年9 月开始直至1 2 0 1 0 年的 l 一 青岛人学硕十学位论文 2 月 试验持续6 个月 跨秋冬两季 每月一次采样 一次采样连续2 4 个小时 每 隔2 个小时采1 个小时 在这1 个小时内分4 次 每隔1 5 m i n 采样一次 目前国际上使用静态箱的开始观测时问一般选择在9 0 0 1 2 0 0 点之间 并 通常假定此时的观测结果可以代表当日气体交换通量 3 8 e p s t e i n 等 3 9 1 则建议在 1 0 0 0 1 4 0 0 之间应该根据试验点的环境条件采取灵活的采样起始时间以防止 总是观测到通量的峰值 而过高估算通量 考虑到胶州湾的当地时间和北京时间一致 气体样品的存放时间问题和我们 的试验条件的限制 以及观测数据的代表性等综合因素 本试验确定以北京时间 1 2 0 0 为每次采样观测的开始时间 为了使观测结果具有更好的可比性 我们的 采样工作固定在每月中旬 根据具体天气情况进行适当调整 3 3 3 气体样品的采集 在计划采样的前一个月把底座安装在采样点 尽量降低人为扰动 露出 地面约2 c m 周围踩实 采样当天首先把顶箱扣子早己安装好的底座上 往底座的凹槽内注水 实 现水封 这一动作在以后的试验过程中要隔段时间就进行一次 以保证箱内密 封 然后罩上采样箱 采样开始先接通电源 开启风扇让采样箱内的气体与采 样点周围空气充分混合5 分钟 接着用6 0 m l 一次性注射器采集5 0 m l 背景值气 样 同时记录时间 随后每隔1 5 分钟采集一次 每次采集的气体样品保存于对 n 2 0 气体具有惰性的o 5 l 直杆全塑开关阀气体采样袋中 大连普莱特气体包装 有限公司生产 采样袋如图3 8 低温避光保存 并尽快带回实验室 用气相 色谱仪测定分析 第二章研究方法与试验设计 图3 80 5 l 直杆全塑开关阀气体采样袋 3 3 4 各个影响要素的测定 在采集气体样品的同时 同步测定每个采样点的大气温度 箱内温度和每 个采样点的5 c m l o o m 1 5 c m 2 0 c m 和2 5 c m 地温 在进行完一次2 4 个小时的采样时 要进行2 项工作 一是要采集2 个点的土样 一个点3 个平行土样 带回实验室分析 同时 用环刀采集2 个点的土样 回来称量 计算每个点的土壤容重 二是运用样方收割法 在采样点周围选择一处离静态箱不远且与测气点芦 苇长势和地形一致的典型生长区l m l m 把芦苇割掉称量 大体估算这一时期 该地的植物生长鲜量 采集的 样在实验室测定土壤含水量 p h 值 土壤中铵态氮和硝态氮的浓 度 青岛人学硕十学位论文 第四章结果与分析 4 1 芦苇湿地n 2 0 的排放特征 4 1 1 芦苇湿地n 2 0 排放的日变化 土壤n 2 0 的排放量同变化一般分为双峰型 单峰型两种峰型 一般最高排 放峰出现在午后 最低排放峰出现在凌晨 矧 黄国宏等 4 1 1 和宋文质掣4 2 1 在农田 也发现过类似的峰型 但峰值出现的时间有所不同 我们对胶州湾大沽河口芦苇湿地氧化亚氮的排放进行了6 次同变化观测 其 具体数值见表4 1 表4 1 大沽河口芦苇湿地各时间段n 2 0 排放通量 2 0 0 9 0 90 0 0 70 0 2l0 0l50 0 2 40 0 0 3o ol60 0 0 90 0 0 3 2 0 0 9 1 00 0 1 7 0 0 1 1 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 1 9 0 0 4 5o 1 3 00 1 8 9 2 0 0 9 1 10 2 4 50 2 3 00 12 7 0 6 8l 0 0 2 00 2 2 0 0 1 l8 0 6 5 2 2 0 0 9 1 20 0 5 20 0 9 3 0 1 0 40 2 2 70 0 2 l0 0 8 6 0 0 2 4 0 1 2 9 2 0 1 0 0 10 0 3 80 0 5 l0 0 1 50 1 1 4 0 0 5 l0 0 2 3 0 3 8 40 0 6 6 2 0 l o 0 2 o 0 1 3 0 0 0 8 0 0 1 00 0 1 80 0 1 30 0 1 40 0 0 0 0 0 2 0 氧化亚氮排放通量与地下5 c m 地温的日变化曲线见图4 1 l 一 第四章结果与分析 掣 e 西 e 删 圈 o e q z 0 4 0 2 o 0 o 2 罟 o 4 z o 6 0 8 图4 1 1 氧化亚氮排放通量和5 c m 地温日变化 1 8 1 6 1 4 1 2 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 0 5 o o o o 0 5 o 1 0 0 15 时间 图4 1 2 氧化亚氮排放通量和5 c m 地温日变化 印 皇 藩 懿 o n 管 己 匮 臣 一 母 v i 鼍n幡m 嚣iii一湖 一 青岛人学硕十学位论文 c 1 i e 西 e 删 0 2 0 1 o o o 1 赠 o z 0 2 o 3 一o 4 o 2 o 1 0 0 皇 5 o 1 删 o 2 0 3 0 4 0 0 2 0 0 0 1 5 o 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 5 o 0 1 0 o 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 时间 图4 1 3 氧化亚氮排放通量和5 c m 地温日变化 一1 2 o 9 0 6 0 30 0 0 3 0 6 0 2 0 o 1 5 0 1 0 0 0 5 o 0 0 0 0 5 5 c m 地温 o c 1 3 1 4 1 51 6 1 7 图4 21 月和l o 月5 c m 地温与氧化亚氮排放通量的相关关系图 分析图4 1 1 一 3 可以得出 留 邑 昏 醯 o e 9 月呈现出白天单峰型 晚上 夜间双峰型 最大值出现在晚上2 l 点左右 n 2 0 排放通量为o 0 2 4 m g m 2 h 然后在白天1 5 点左右达到第二次高峰 其通 量为o 0 2 1 m g m 2 h 1 最低值o 0 0 9 m g m 2 h 1 出现在次同凌晨3 点 1 0 月排放曲 线呈现夜间单峰型 从中午1 2 点采样开始到第二天的凌晨3 点达到最低值之前 涮o o z 第四章结果与分析 并没有明显的变化 其最高值出现在上午9 点 通量值为0 1 8 9 m g m 2 h 最 低值 0 0 4 5m g m 2 h j 出现在次同凌晨3 点 此峰型与5 c m 地温的变化幅度基本 一致 即5 c m 地温达到最高值的同时 n 2 0 的排放通量达到了最大值 但图4 2 中的l o 月图 分析出r 0 4 4 8 p 0 2 7 8 n 2 0 的排放通量和5 c m 地温没有显 著相关性 1 1 月n 2 0 排放通量的曲线是夜问单峰型 其最大值0 2 4 5 m g m 2 h o 出现在1 2 点 最低值为一0 6 8 1 m g m 2 h 一 出现在2 l 点 1 2 月排放通量呈现白 天单峰型 夜间双型 最高值出现在夜间2 l 点为0 2 2 7 m g m 2 h l 白天的1 5 点达到第二次高峰值为0 0 9 3 m g m 2 h 最低值在18 点为 0 1 0 4 m g m 2 h 次 年1 月的n 2 0 排放通量曲线为夜间双峰型 其最高值为0 出现在2 l 点 最低 值为 0 3 8 4 m g m 2 h 在次同凌晨6 点出现 最低值出现的同时也是5 c m 地温 达到最小值的时候 但如图4 2 的1 月 r 0 5 6 9 p 0 1 4 n 2 0 的排放通量和 5 c m 地温相关性不显著 2 月份为夜间单峰型 最高值出现在2 1 点 值为 0 0 1 8 m g m 2 h 最低值出现在次日早上9 点 值为 0 0 2 m g m 2 h 一 最低值的 出现比5 c m 地温最低值的出现滞后了3 个小时 中午1 2 点的排放通量也达到 一个小高峰 此时的地温也达到最高值 但此后的相关变化却不明显 分析6 次的观测结果 发现最大值一般在中午左右和夜里2 l 点左右出现 在中午左右出现最大值显示出n 2 0 通量的日变化与温度有一定的相关性 温度 升高时n 2 0 的排放量可能会增大 这点与n 2 0 排放研究的大多数结果都相符 如陈冠雄等 4 3 对稻田氧化亚氮的排放和王德宣等 2 1 对若尔盖高原沼泽湿地的 研究得出的结论类似 夜里2 1 点一般是地温处于持续下降的时候 然而n 2 0 这时候也会出现一 个小高峰 在我们的试验中 6 次观测中4 次的最高值都出现在夜里的2 1 点 这和叶欣等即 对棉花地土壤n 2 0 排放研究得出的试验结果类似 分析原因可能 是 2 1 点之前地温持续下降 此时温度变化范围加大 可能会使土壤中微生物 的硝化和反硝化细菌的活性处于升高状态 当到达2 l 点时 微生物的活性达到 最佳状态 再后来随着地温的下降 微生物的活性下降 生成n 2 0 的速率降低 直接影响氧化亚氮的排放通量 所以到2 l 点n 2 0 的通量达到最高点 n 2 0 排放的最低值一般出现在凌晨3 点 且与地温的变化趋势一致 说明 温度的下降势必会影响微生物的活性 在凌晨地温下降到了某一限度时硝化和 反硝化细菌在土壤中的活性降低 进而影响n 2 0 的排放量 这段观测期间 小范围概况可以看出n 2 0 的同变化在局部遵循一定的规律 n 2 0 的排放表现为局部的规律性同变化和整体的随机性同变化 规律性日 变化的条件极为苛刻 它要求n 2 0 排放点的土壤水分 养分 通气等条件都极 青岛人学硕十学位论文 为稳定 而且温差较大的晴天 而随机性变化 表现为排放峰不明显 或是高 峰明显 但峰值时间不固定 当土壤水分 通气状况 微生物等许多因素中的 某个因素成为影响n 2 0 排放的主要因素时 就会导致随机性的变化 因为这些 因素的变化过程不像气温和地下5 c m 地温变化那么明显 且这些因素的变化不 像日变化一样有规律 因而会导致目变化的随机性 目前对湿地n 2 0 排放的 研究还比较少 土壤中n 2 0 的产生过程又相当复杂 还受到诸多因素的影响和 制约 因此其通量具有很强的时间变异性 4 1 2 芦苇湿地n 2 0 排放的月变化 号 n 昌 面 3 咖 圈 o n z 月份 图4 3 芦苇湿地n 2 0 排放通量月变化 第四章结果与分析 靼 霹 暖 o n z 0 0 4 0 0 2 0 0 0 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 月份 图4 4 芦苇湿地氧化亚氮排放的月均通量变化 通过2 0 0 9 年9 月至2 0 1 0 年2 月初的6 次野外观测 分析图4 3 和图4 4 发现胶州湾河口湿地n 2 0 通量的最大值出现在1 0 月份 为0 2 4 5 m g m 2 h 1 排 放最小值也出现在1 0 月 为 0 6 8 1 m g m 2 h d 表现为吸收状态 分析可能原因 l o 月土壤温度较高 且干湿交替 水分波动较大 可能使得硝化和反硝化作用 交替成为n 2 0 的主要产生机制 同时也在一定程度上会抑制反硝化产物的深度 还原 从而使得n 2 0 的排放量最高 但也不排除负值的出现 在很多研究者的 研究中都曾出现负值 普遍认为冬季土壤冻结期间最有可能会出现吸收n 2 0 的 现象 目前有研究表明n 2 0 气体通量出现负值主要有两种原因 一是土壤处于 强还原状态时微生物吸收n 2 0 并将其反硝化还原成n 2 4 5 1 二是当有机质含量 较高的土壤处于干燥条件时 n 2 0 可能被土壤基质中的粘土矿物所吸附4 6 1 整 个观测期出现三个高峰 另外两个出现在1 1 月 各月n 2 0 的排放通量如图4 4 所示 从高到底依次为l o 月 1 2 月 9 月 2 月 1 月和1 1 月 观察整个观测 周期 除1 0 月和1 1 月的变化幅度较大外 其余4 次变化曲线浮动都较小 1 月和2 月n 2 0 排放量相对来说比较小 通量值都近似于0 这主要是1 月份试验的时候试验基地基本被冰雪覆盖 而且整个试验阶段的温度都维持在 0 4 c 以下 冰雪基本没有融化 再加上冬季温度较低 微生物活性较弱 n 2 0 的 排放量本身就很小 几个时间段都表现出了吸收状态 总体表现为微弱的吸收 2 月排放较1 月又有所升高 这可能跟冻土融冻有关 2 0 1 0 年的2 月份就接近 青岛人学硕十学位论文 春季了 有研究表明自然土壤n 2 0 在春季往往出现集中排放的现别4 7 1 春季 n 2 0 排放通量大主要与冻土的融冻有关 d a v i d s o n 4 8 研究表明 春季化能自养 n h 4 氧化菌产生大量n 0 2 发生化能反硝化作用而产生大量的n 2 0 董云社 2 2 等也认为在融冻期出现n 2 0 高排放是由于漫长的冬季中土壤中无机n 和可利用 c 含量富集 非常有利于土壤微生物的复苏和生理代谢活动 随着土壤的返润 反硝化作用成为n 2 0 的主要产生来源 此外随着积雪和表层土壤的缓慢融化 把冬季粘土矿物所吸附的氧化亚氮也释放出来 两方面的原因就会增加n 2 0 的 排放量 2 月份正处于融冻的待发期 与1 月份相比 其排放量有所增加 总 体表现为微弱的排放 n 2 0 一般是在微生物的硝化和反硝化过程中产生的 微生物的活性受到温 度的影响 9 月和l o 月温度高 且温差小 微生物一直生长的这种环境中适应 了当时的条件 所以n 2 0 的排放量浮动小 且绝大部分都处于排放状态 当然 也有的处于吸收状态 这可能是周围的环境条件的突然改变造成的 9 月的排 放量小于l o 月 分析原因可能是 9 月温度较高 此时的环境可能不利于土壤 中硝化和反硝化细菌的活动从而影响了n 2 0 的排放 到了l o 月 虽然温度还 是很高 但土壤的条件却改变了 采样前几天出现了连阴雨天 土壤的含水量 增大了 温度高 湿度大 就很可能促进土壤中的微生物的大量繁殖 进而促 进土壤中硝化和反硝化作用的进行 使土壤中n 2 0 的排放量明显高于9 月份 到了1 1 月处于秋冬交接段 同夜温差较大 而且环境的突然改变迫使微生物不 得不重新适应新的条件 这必然需要一段时问的调整 因而表现出较大的变化 幅度 接下去的1 2 月 次年1 月和2 月排放量较低 而且微生物已经重新适应 了较冷的环境 所以变化幅度不大 1 2 月在整个6 次采样的总通量的计算中排 在第二位 1 2 月份的排放通量总体来说还很高 分析原因 可能是冻土的作用 冰冻期的土壤中活性c n 含量增加 并且在土壤下层未上冻的土壤水溶液中 还存在在微生物活性 外部冰层的存在阻碍了氧气的进入 且内部微生物的呼 吸消耗了氧 这样就为n 2 0 的产生提供了有利的厌氧条件 此时反硝化作用强 烈 t e c p er 等 4 州也认为冬季土壤的冰冻作用会促进n 2 0 的排放 4 1 3 芦苇湿地n 2 0 排放的季节变化 经过采样分析 发现湿地n 2 0 排放量呈现出明显的季节变化 秋季土壤的 排放量明显高于冬季的排放 但1 1 月份处于秋冬交界处 另作分析 由图4 4 可知 秋季 9 月和1 0 月 的n 2 0 排放量为0 0 5 4 m g m 2 h 1 明显高于冬季 1 2 月 1 月和2 月 0 0 1 7 m g m 2 h 的排放量 把1 1 月份单独分析 是因为1 1 月 第四章结果与分析 份的采样分析数据极不稳定 在一天2 4 h 的采样之中 出现了采样以来的最高 值和最低值 且1 1 月份处于秋冬交界处 温差变化幅度很大 实验基地芦苇大 量干枯 分析原因可能是环境的突变使得硝化和反硝化细菌不得不重新适应新 的环境 还可能是鲜 干芦苇的根系分泌物不同 光合特性不同及发育进程的 差异都会影响到土壤的硝化和反硝化作用的强度 进而影响土壤生成和排放 n 2 0 的量 所以芦苇很可能对n 2 0 排放也具有重要贡献 叶欣掣4 0 在研究华北 平原农田土壤n 2 0 排放机制中也得出了类似的结果 他们认为生物影响农田土 壤n 2 0 排放量 但影响效果有差别 可见 许多研究表明 植物根系残落物和 分泌物会导致根际反硝化强度的增加 反硝化微生物的活性与根区含碳物质的 浓度密切相关 因此n 2 0 排放通量的变化具有明显的与植物生长动态相吻合的 季节性变化 表4 2 大沽河口湿地芦苇的生物量 采样时间 芦苇鲜重 k g m 2 2 0 0 9 0 9 2 0 0 9 1 0 2 0 0 9 1 l 2 0 0 9 1 2 2 0 1 0 0 1 2 0 1 0 0 2 5 2 0 6 0 0 1 0 5 0 4 0 注 表示芦苇己收割 未采样 在研究芦苇湿地n 2 0 排放的影响因素时也应该考虑到湿地植被的影响 如 表4 2 所示为研究期的生物量情况 该地的主要植被为芦苇 所以只采集了芦 苇的生物量数据 4 2 影响芦苇湿地n 2 0 排放的主要因素 土壤中n 2 0 主要是在硝化和反硝化过程中产生的 所以影响硝化和反硝化 作用的诸多因素也同样影响着n 2 0 的排放j 例如 土壤的温度 p h 值 水份 含量 土壤的有机质的种类和数量以及生物量 研究表明 在影响n 2 0 产生和 排放的诸多环境因素中 温度和湿地是自然条件下影响n 2 0 排放通量的主要因 素 它们主要通过影响微生物的活性 0 2 以及反应底物的有效性来影响n 2 0 的 排放通量 为了研究胶州湾芦苇湿地n 2 0 排放通量变化的环境影响因素 在进行n 2 0 气体采集的同时 对湿地的气温 5 c m 地温 土壤的p h 含水率 营养成分都 3 2 o i 上 n g 曲 5 蚓 明 蜜 l z 图4 5 芦苇湿地氧化亚氮排放的月平均通量与月平均气温变化 骼 疗 如图4 5 所示氧化亚氮的排放通量在l o 月份达到最高值 在1 1 月出现了 负值 在最高值出现的时侯平均气温也基本处于最高值 但通量的最低值出现 与气温的最低值出现月份并不一致 为了进一步证实以上的分析 对湿地n 2 0 0 8 6 4 2 0 z l 牡代他们侄 8 6 4 2 0 乏4 击名0 乙 第四章结果与分析 的排放通量与气温进行了回归性分析 如下图4 6 所示 结果表明r 0 9 8 5 p 0 1 0 9 n 2 0 的排放与气温变化无显著相关关系 但两者变化幅度基本保持一 致 表明气温变化对n 2 0 的排放有影响 0 06 鼍0 04 n 盖0 0 2 捌0 00 靼 0 0 2 季 0 0 4 o n z 0 0 6 0 0 8 0 10 t n 昌 西 5 删 鼎 霎 睁 o n z 10 5 0510152 0 月平均气温 o c 口 图4 6 芦苇湿地氧化亚氮平均排放通量与月平均气温变化关系 月份 图4 7 湿地氧化亚氮的月平均通量与5 e m 地温变化 霉 誊 藩 盛 o n 土壤温度对n 2 0 产生的过程也有着重要的影响 土壤温度主要通过影响微 生物的活性强度来影响硝化和反硝化的反应速率 从而影响n 2 0 的排放量 硝 2 0 8 6 4 2 0 2 2 1 1 1 1 1 8 6 4 2 0 青岛大学硕十学位论文 化作用微生物的活动范围一般在2 5 3 5 2 低于5 c 或高于4 0 c 都能抑制微生物 的活性 反硝化作用微生物的适宜温度在5 7 5 c t 5 0 如上图4 7 所示 n 2 0 的 排放通量在1 1 月份达到最低点 5 c r n 地温为1 4 5 c 根据上面的理论 则此时 最有可能的反硝化作用在起主要作用 n 2 0 的排放通量与地温的变化不相一致 对其进行回归性分析 结果表明n 2 0 的排放通量与5 c m 地温也不存在显著的相 关性 1 2 月份 1 月份和2 月份的地温明显低于5 c 抑制了微生物的生物活性 从而使n 2 0 的排放量持续走低 温度条件是影响农田土壤n 2 0 排放的主要因烈 5 3 1 此结论在农田土壤 n 2 0 的排放研究中已经得到了很好的验证 f r e n e yjr 5 4 和a n d e r s o nec 5 5 他们 的研究表明n 2 0 的排放量与温度有着明显的相关关系 这说明在低湿度的环境 条件下温度与n 2 0 的排放有明显的线性关系 但此次试验的试验基地是湿地 环境及土壤条件都比较湿润 其n 2 0 通量的季节变化与各项温度变化指标的相 关性不很明显 这与王德宣等 2 l 对若尔盖高原沼泽湿地n 2 0 的研究结果是一致 的 他们的观测结果也同样显示 不论与气温 各层土壤地温 其线性相关系 数均在o 2 5 以下 同时也说明了对于温度条件较适宜的环境 土壤的水分含量 土壤微生物成分等因素将成为影响n 2 0 排放的主导因素 4 2 2 土壤含水率对芦苇湿地n 2 0 排放的影响 l n i 目 箸 一 删 瘤 露 牛 正 气 z 月份 图4 8 芦苇湿地n 2 0 月均通量和土壤含水率的变化 水分是土壤的重要组成 土壤中不断进行的各种物质和能量的转换都是在 水的参与下完成的 水分含量高时 影响土壤的透气性 土壤微生物中的厌氧 3 5 第四章结果与分析 微生物活性升高 当土壤中水分含量低时 水的可利用性就会限制微生物的活 性过程 土壤的含水量影响土壤的通气状况和氧化还原状态 并通过影响n h 4 和n 0 3 在土壤中的分布及对微生物的有效性来影响土壤的硝化和反硝化作用 从而影响n 2 0 的排放 当土壤含水量较低时 土壤处于氧化状态 有利于硝化 作用最终产生n 0 3 一 当土壤含水量高时 土壤处于还原状态 有利于反硝化作 用生产n 2 所以只有当土壤含水量维持在一个适当限度 才能既能促进硝化作 用也能促进反硝化作用 就能使n 2 0 的排放量维持在一个较高的水平 土壤含 水量低时 n 2 0 产生随含水量的升高而增加 表明硝化作用在起主要作用 而 当土壤含水量高时 n 2 0 排放量随含水量的升高而增加 表明表土硝化作用是 主要的 底土反硝化作用是次要的 n 2 0 气体的排放主要发生在土壤表层 当土壤的含水量在饱和含水量之下 时 土壤湿度增大促进n 2 0 的排放 5 6 1 利用所得数据进行分析 如上图4 8 n 2 0 排放通量在1 0 月份达到最大值的时候 土壤含水率也达到了最大值 11 月n 2 0 的排放量到最低值的时候 含水率也近似达到最低值 从上图的曲线趋 势 我们分析出 n 2 0 的排放通量与土壤含水率的变化趋势趋于一致 但不能 简单的归结为n 2 0 的排放量与土壤水分含量呈正相关 郑循华等 57 的研究表 明 氧化亚氮的产生和排放有一最佳湿度条件 不同的土壤含水量条件下 硝 化和反硝化所起的作用不同 所以产生的n 2 0 的量也有差异 当土壤湿度为田 间持水量的9 7 1 0 0 或8 4 一8 6 w f p s 时 n 2 0 的排放最强 低于此湿度范 围时 n 2 0 排放量与土壤湿度呈正相关 高于此湿度范围时呈负相关 由此 我们的实验结果不能明确地说n 2 0 的排放量与土壤湿度变化的关系 由下图4 9 更能证明了我们的推测 其中r 0 5 p 0 2 9 6 土壤含水率与n 2 0 排放的月通 量没有明显相关关系 但总整体来看 前三个月 n 2 0 的排放通量与土壤含水 量有定性的关系 当土壤含水量升高时 n 2 0 的排放通量也升高 反之 n 2 0 的排放通量就降低 后三个月也有类似的关系 即n 2 0 排放通量的变化趋势同 土壤含水量的变化趋势一致 青岛人学硕十学位论文 吕 面 3 删 圈 霸 睁 暖 o n 7 士壤含水率 图4 9 芦苇湿地氧化亚氮平均排放通量与土壤含水率变化关系 4 2 3 土壤的p h 值对芦苇湿地n 2 0 排放的影响 土壤酸碱度是表示土壤化学性质的重要指标 n 0 3 对反硝化作用的效应与 土壤的p h 密切相关 p h 高 抑制n 2 0 还原是暂时的 尽管存在高n 0 3 一水平 只是n 2 0 长时间保持显著的排放水平 p h 低 抑制n 2 0 还原成n 2 发生在所有 n 0 3 水平 能抑制有机土壤反硝化作用 因此 土壤p h 值对n 2 0 的排放影响 非常复杂 在不同的土壤上研究者得到了不同的研究结果 3 7 会 蛇 宝 佃 o o 0 0 第四章结果与分析 f l 上 n i 皇 面 5 啦 圈 露 茸 暖 o n z 月份 图4 1 0 芦苇湿地n 2 0 月平均通量与土壤p h 值变化 卜 越 口 王 痞 我们实验过程中 采集了每个采样时间段的土壤样品 经过实验室分析 发现了这样的规律 从实验结果我们可以看到 土壤的p h 值越接近7 n 2 0 的 排放量越多 反之也越少 如图4 1 0 由于1 1 月处于冻融期且r 夜温差大的原 因 n 2 0 排放通量出现较大偏差 把偏差较大的点单独分析 进一步对氧化亚 氮的排放通量和土壤的p h 值作相关性分析 结果其i p 0 9 5 4 3 p 0 0 4 5 6 0 0 5 如图4 1 1 这一结果更确定了我们的分析 氧化亚氮的排放通量和土壤的p h 值存在着显著线性关系 呈现负相关 青岛人学硕十学位论文 上 n g 面 5 卿 圈 霰 哎 o n z 土壤p h 值 图4 1 l 芦苇湿地氧化亚氮的月平均通量与土壤p h 值的变化关系 当土壤温度 含水量等其他条件不同时 p h 值对n 2 0 排放量的影响也有 很多差异 试验表明 胶州湾大沽河芦苇湿地属于中性土 n 2 0 的排放量与土 壤的p h 值存在线性负相关关系 与d a u m 和s c h e n k t 5 8 的试验结论是相悖的 他们发现当土壤为中性时 n 2 是反硝化的主要产物 当p h 值降低时 则有利 于n 2 0 的释放 但与黄国宏等 5 9 的结论却类似 他们通过室内模拟试验得到的 结果是 在p h 值7 1 0 的范围内 随着p h 值的下降 n 2 0 的排放呈递增趋势 4 2 4 土壤的营养元素铵态氮和硝态氮对芦苇湿地n 2 0 排放的影响 铵态氮氧化和硝态氮还原都能产生n 2 0 因此n 2 0 排放可能发生在氧化型 和还原型的各种土壤中 很多试验研究表明 对于n 2 0 排放通量与土壤中铵态 氮和硝态氮的含量问题只是宏观的概括 即随着铵态氮和硝态氮含量的增加 n 2 0 的排放量也会相应的增加 如m u n o z h i n c a p i e m 等唧j 对波多黎各红树林沉 积物n 2 0 通量对氮添加响应的研究中曾得出类似的结论 3 9 第四章结果与分析 o i 上 n l 甚 兽 咖 鼎 霹 昏 卫 o 1 z 月份 图4 1 2 芦苇湿地氧化亚氮的排放量与土壤中铵态氮 硝态氮的浓度变化 分析上图4 1 2 秋季当湿地n 2 0 的排放通量达到最高值的时候 土壤中的 铵态氮的含量处于最低值 而当1 1 月份n 2 0 通量最小时 铵态氮的含量却达 到最大值 从两个极值点看 n 2 0 的排放通量似乎与土壤中铵态氮的含量存在 一定的负相关关系 1 2 月份当通量再次出现高峰的时候 土壤中铵态氮的含量 也处于一个比较高的状态 1 月份随着土壤中铵态氮的含量的减少 n 2 0 的排 放量也随之减少 分析上图4 1 2 秋季 n 2 0 排放量与硝态氮的变化趋势相反 从1 1 月开始 硝态氮含量变化和n 2 0 的排放量趋势呈现出大体的一致性 在n 2 0 的产生过程中既有硝化作用 也有反硝化作用 在还原性土壤中 n h 4 被氧化成n 0 3 一 紧接着在反硝化作用下被还原为n 2 所以在还原性土壤 中n 2 0 主要产生在硝化阶段 土壤铵态氮和硝态氮是硝化和反硝化作用的底物 对n 2 0 排放有重要影响 由图4 1 2 可知 当铵态氮含量高时 n 2 0 的排放通量 相对较低 说明硝化转化率并不高 此时可能是反硝化作用对氧化亚氮排放起 主导作用 从图中看到 一般是硝态氮的含量低时 n 2 0 的排放通量也较低 可能是反硝化的转化率低 硝化作用在起主导作用 由此可见 过高的铵态氮 和硝态氮含量都不会使硝化和反硝化n 2 0 的转化率大幅增加 两者可能起着相 互制约的关系 只有两种形式的氮维持在一个相对稳定的状态下 才能促进n 2 0 大量的产生 青岛人学硕十学位论文 比较图4 1 2 中的两个图 硝态氮含量对于n 2 0 的排放通量较铵态氮更明显 这与张振贤 林杉等的研究相似 张振贤等 6 l 的研究表明 在堆肥和复合肥处 理的土壤上n 2 0 排放与硝态氮浓度有明显的相关性 但与土壤铵态氮的浓度关 系却不显著 林杉等 6 2 j 通过对三峡库区土壤n 2 0 的排放分析 利用逐步回归方 法对铵态氮和硝态氮对n 2 0 的排放影响进行分析 结果也表明 土壤硝态含量 对n 2 0 排放影响较大 但不同的土地利用方式其结果也可能会有差异 许多研 究结果表明 n 2 0 排放通量和土壤硝态氮浓度呈正相关关系 与铵态氮浓度大 多没有相关性 只有林地表现出了一定的相关关系 此次试验只得到了硝态氮 比铵态氮对n 2 0 排放的影响大 但数据没有显示出相关关系 只涉及到铵念氮 和硝态氮各自对n 2 0 排放的影响 至于两者的贡献问题还需要通过积累分析试 验数据 通过模型的验证 有待进一步研究 此次试验研究表明 在一定的条件下