三江平原沼泽土壤的有机碳储量和净初级生产力

三江平原沼泽土壤的有机碳储量和净初级生产力

1有机碳量及碳量三江平原沼泽土壤是重要的碳储量。全区沼泽土壤面积为11189km2,已积累的有机碳量约为2.6518×108t,其中泥炭地每年还以0.4mm的速率在堆积泥炭。1.1泥炭土有机碳量三江平原泥炭沼泽面积约326km2,占全区沼泽土壤总面积的3.0%。根据已有的工作和资料统计,泥炭土有机质含量为50%～60%,其有机碳含量介于17.73%～36.48%之间,有机碳储量为1.539×107t(表1)。本区泥炭土分布较广,几乎县县均有泥炭土的分布。1.2土壤有机碳储量三江平原地区泥炭沼泽土、腐殖质沼泽土和草甸沼泽土的面积约10863km2,占沼泽土壤总面积97%。上述三种沼泽土的有机质含量高者达50%,低者只有10%。土壤中有机碳含量差异很大,为5.8%～29%。三种沼泽土有机碳储量为2.4979×108t,高于泥炭土有机碳储量的16倍多(表2)。全区沼泽土壤有机碳总储量为2.6518×108t。可见三江平原地区的沼泽土壤是一个重要的碳储库。2江平原生态种生态绿色植物同化大气中CO2变成有机碳化物,实现大气圈向生物圈的碳素流动。植物固定碳的能力可以从生态系统净初级生产力得到反映。沼泽地是陆地生态系统中固碳能力较强的一种生态类型,它的净初级生产力达800～4000g/m2·a)。由于世界上沼泽分布广泛,从寒带到热带均有发育,因而其净初级生产力变化幅度很大。三江平原处于温带湿润季风气候区,雨热同季,比较有利于沼泽植物的生长发育。本区多为富营养草本沼泽,沼泽植物的生物生产量(地上部分)为465.9～1280.9g/(m2·a),与北半球一些国家沼泽植物年生产量相仿。2.1有机物质总量测定结果地上生物量是指在一定时间内地表单位面积所存在的有机物质总量。由于三江平原沼泽地区陆地动物的生物量所占比例很小,因此生物量主要指植物量。2.1.1沼泽植物生长特性三江平原沼泽植物地上部分每年从4月末开始生长,植物地上部分生物量便从零开始,7～8月份达到极大值,9月末、10月初停止生长,最后沼泽植物地上部分全部死亡,一次归还于土壤。次年春季又从零开始。沼泽植物在一个生活周期内生物量变化曲线呈单峰型(图1)。2.1.2健全植被生物量pn植物净初级生产量计算公式:式中Pn为净初级生产量;Δβ为生物生产量;L为枯枝落叶量;G为被动物采食的生物量。在无放牧条件下,沼泽植物被家畜采食的生物量为零。在生长季节里,我们对甜茅、毛果苔草、漂筏苔草进行测定,认为三种植物脱落物在地表的枯枝落叶量甚少,可忽略不计,因此Pn=Δβ,即取地上最高生物量为地上净初级生产量。计算结果表明,甜茅地上年净初级生产量最高,(602.2g/m2),毛果苔草次之(426.8g/m2),漂筏苔草最低(418.5g/m2)。2.2地下生物量的测定沼泽植物大部分是多年生的植物,全年地下部分的生物量很大。地下生物量在养分循环和能量输送过程中起着重要作用,大部分有效养分储存在地下部分,待死亡后,全部归还土壤中。我们采用挖掘法测定植物地下的生物量。通过5月和8月两次生物量之差,推求年生产量。测定结果表明,毛果苔草年地下生物生产量最大,为854.1g/m2,漂筏苔草最小,为47.4g/m2,狭叶甜茅居中,为391.1g/m2。2.3沼泽植物净初级生产根据几年来的定位观测及多年实地调查资料,确定本区沼泽植物的净初级生产量。从表3中看出,本区沼泽植物净初级生产量以毛果苔草为最高,每年达1280.9g/m2,而漂筏苔草最低,仅465.9g/m2。净初级生产是碳生物地球化学循环的重要环节,是碳进入生物界的主要途径。在沼泽生态系统中,沼泽植物净初级生产量反映了沼泽植物固定大气CO2的能力。通过对沼泽植物全碳含量测定,本区沼泽植物地上部分所占比例变化在36.45%～41.48%之间,地下部分变化在40.80%～44.33%之间。根据植物含碳量和年净初级生产量,可以估算本区一年中沼泽植物固定大气中CO2的总量(表4)。计算结果表明,三江平原每年通过沼泽植物可以固定大气中的碳量为4.67×105t。3低影响土壤能力在天然沼泽系统,沼泽植物死亡后,其枯枝落叶一次全部归还沼泽体内(无放牧、割草情况下)。堆积在沼泽地表的有机残体在多水的嫌气环境中,经过微生物分解和转化,最后以CO2形式从土壤释放到大气。研究表明,从土壤中释放的CO2主要来源于土壤微生物的生命活动(占85%～90%),其次是植物根的呼吸(占15%)。3.1微生物指标观测方法:将观测样地除去表层植物,罩上气室,气室为带有进出口的玻璃罩,用GXH—305型红外CO2测定器分别测出进出口CO2浓度。计算方法:采用下列公式计算土壤呼吸速率(Sr)。式中Sr为土壤呼吸速率[g/(m2·h)];A为气室占地面积(m2);C1和C2分别为进、出口测定的CO2浓度(mg/kg);F为气体流量(1/min);P为气压订正值;K是经过校正的CO2气体每升重量(g)。3.2夏季沼泽植物呼吸强度调查沼泽土壤呼吸有明显的日变化和季节变化。春季沼泽植物刚开始萌动(4月26日),测定表明,CO2日释放量为8.57g/m2,日间小于夜间土壤呼吸速率,最高值出现在22h,最低值出现在16h;5月16日观测表明,CO2日释放量上升为12.94g/m2,出现日间大于夜间土壤呼吸速率,最高值出现在13h,最低值出现在日出之后,夏季植物生长旺盛,沼泽植物已步入成熟期,8月19日测定,CO2日释放量为16.66g/m2,日间大于夜间的土壤呼吸速率,日最高值出现在19h,最低值出现在22h(图2)。从上述观测结果看出,在沼泽植物生长季节里,夏季沼泽土壤CO2释放量大于春季释放量;土壤日间呼吸速率一般大于夜间呼吸速率;最大值一般出现在午后,最小值出现在午夜或日出前后。从土壤中释放的CO2主要来源于土壤微生物的生命活动。因此,一切影响土壤微生物活动的因子均能影响土壤的呼吸强度。土壤温度、湿度与土壤呼吸关系十分密切。根据M.M科诺诺娃的试验,在土壤温度20～30℃,土壤含水量60%～80%时,土壤微生物活动能力最强,土壤有机质的分解速率最快,CO2产率最高,因此土壤呼吸速率也最大。通过在三江平原沼泽土壤温度观测表明,4月沼泽土壤温度低,5月开始升温,8月达到最高值,因而沼泽土壤呼吸也随之增强,9月后土壤呼吸逐渐减弱。另外,土壤呼吸还受控于土壤化学特性,如有机质含量、pH、氮及代换性,等等。3.3沼泽土碳释放总量将三江平原沼泽土壤划分为3大类,对其碳的年释放量进行估算(表5)。结果表明,三江平原沼泽土壤每年碳释放总量约3.951Gkg。其中,泥炭沼泽土和腐殖质沼泽土占全区沼泽土壤总面积的58.60%,年碳释放量为2.55Gkg;草甸沼泽土占38.09%,年碳释放量为1.244Gkg;泥炭土占2.91%,年碳释放量为1.57×108kg。4沼泽覆盖层2c浓度与2c流程根据1992～1994年在三江平原洪河沼泽生态站进行定位观测,沼泽生态系统贴地气层CO2浓度和CO2流的变化规律十分明显。4.1外来气流扩散模型选择三江平原最有代表性的毛果苔草沼泽(占全区沼泽面积40%)-泥炭沼泽土为基本观测点,同时选择小叶樟沼泽化草甸-草甸白浆土进行对比观测。使用仪器是GXH-305型红外CO2分析器(北京分析仪器厂制造),标准气体也由厂家提供。沼泽贴地层CO2主要依靠大气和土壤通过湍流输送获得。因此,可以从湍流扩散角度来了解沼泽贴地气层CO2的铅直输送。计算CO2经验公式:式中FC为CO2通量[(kg/m2·s)];f是把(CO2丛ppm变成kg/(m2·s)的换算系数,它等于1.67×105kg/(m2·s);Kc为CO2的湍流交换系数;为CO2的铅直梯度。4.2通量和速度指标将所观测的风、温度梯度和CO2浓度等数据经式(3)计算,得到1992～1994年毛果苔草沼泽不同发育期的CO2通量和日变化(图3)。设CO2通量方向由大气指向毛果苔草沼泽为正,反之为负。5月份在毛果苔草沼泽开花期,一天中CO2通量速度均很小,白天,CO2通量处于平衡状态,夜间只是在日落后和日出前一段时间CO2通量由毛果苔草指向大气。6月份在毛果苔草沼泽的结果期,白天CO2通量方向都是由大气指向毛果苔草沼泽,为正值;日出后,CO2通量逐渐增大,在正午前后达到较高的数值,此后CO2通量即达到平衡;从日落到午夜前后,CO2通量方向开始转由毛果苔草沼泽指向大气,但CO2通量的绝对值很小,CO2通量接近或处于平衡状态。7月末在毛果苔草沼泽的成熟期,(CO2通量减弱,日出一段时间后至日落前,CO2通量方向为正,正午前CO2通量达到较大数值,以后逐渐减小;日落后,CO2通量方向为负,开始时CO2通量处于平衡状态,午夜后,CO2通量由毛果苔草沼泽向大气输送,随后又达到平衡。在毛果苔草沼泽的黄熟期,8月末,CO2通量已经很弱,白天,CO2通量方向为正,夜间CO2通量方向为负。9月初,CO2通量只是在日落前向大气略有输送,日落后CO2通量达到平衡,CO2通量全天都几乎处于平衡状态。图3显示,从毛果苔草的结果期到成熟期,白天日出一段时间后,CO2通量方向由大气指向毛果苔草沼泽,CO2通量速度在10～13h时达到最大值。最大CO2通量速度从6月22～23日的1.679×10-5kg/(m2·s),到7月20～21日的1.186×10-5kg/(m2·s),至8月25～27日已减小到2.13×10-6kg/(m2·s)。9月5～6日,白天CO2通量方向由毛果苔草指向大气,其最大CO2通量速度为-1.63×10-6kg/(m2·s)。从6月开始,在夜间或日出、日落前后,CO2通量方向已开始由毛果苔草指向大气,最小CO2通量速度在6月20～21日是-0.03×10-6kg/(m2·s),在7月20～21日是-3.7×10-6kg/(m2·s),在8月25～26日是-0.29×10-6kg/(m2·s)。很明显,随着毛果苔草的逐渐成熟,CO2通量方向发生显著变化,CO2通量速度的最大值和最小值的绝对值都逐渐减小,即CO2通量速度波的日振幅随着毛果苔草的发育在不断衰减。一般认为植物光合作用固定的太阳光能量与从大气到植物的CO2通量成正比。表明植物层在太阳辐射能流作用下,植物光合作用旺盛时,植物层CO2浓度降低,成为强大的CO2库,从大气到植物的CO2通量也增大;当光合作用减弱甚至停止时,CO2通量也随之减小或达到平衡,这时植物层又成为CO2源。从毛果苔草沼泽不同发育期CO2浓度和CO2通量的变化中也证明了这一观点。5沼泽生态系统碳储量和碳积累量生物地球化学循环是指陆地生物和土壤以及大气之间的碳素流动或交换。三江平原沼泽面积1.12万km2,在沼泽生态系统中,沼泽植物同化大气中CO2形成有机碳化物,每年在沼泽地上部分的生物生产量为4.7185Mt,转换成碳素量是1.8874Mt,沼泽植物的地下生物生产量约为6.3807Mt,转换成碳素量是2.7819Mt。这些含碳的有机物质转移到土壤系统后,经“消费者”分解,以CO2形式返回大气。由沼泽土壤释