三江平原典型沼泽湿地氧化亚氮通量特征

三江平原典型沼泽湿地氧化亚氮通量特征

1对我国湿地no排放的研究氧气亚氮（氮）是大气中一种高效的温室气体。在大革命之前，氮的浓度为0.275molmol-1，现在为0.14molmol-1，增长约14%，年增长率约为0.3%。由此产生的辐射强度为0.15wm-2。虽然氮的浓度在空气中很低，但其温室效应非常高。每个环节的氮分子的增加温室效应约为p2分子的150倍，对气候变化的贡献约为5%，此外，氮分子也破坏了气候的臭氧层。自然界上，氮氧主要来自海洋、森林和牧场的土壤排放，以及人类的石化燃料、植物燃烧、化工生产等。国内一些学者分别对我国不同地区不同类型的农田和草地、森林等生态系统的N2O排放及影响因子进行过研究[7,9,11,12,13,14,20,23,26,29],尤其是对在我国占很大面积的人工湿地-水稻田生态系统的N2O排放,已经取得了较多的研究成果,但对天然湿地特别是沼泽湿地N2O的观测研究,仅见少量的报道,而且缺乏连续的、系统的、长期的观测数据.本研究以实验为基础,通过对沼泽湿地N2O进行长期的、连续的、系统的观测采样,研究了三江平原3种典型代表性湿地N2O通量.认识不同类型沼泽湿地间的N2O通量差异,了解其长期变化规律,可为正确评价我国湿地生态系统在全球气候变化中的贡献提供基础实验数据.2研究领域和方法2.1表6表1caraica和毛果苔藓泽lapo10a三江平原是我国面积最大、分布最集中的天然沼泽湿地区,现有沼泽湿地面积83.5×104hm2.三江平原植被属于长白山植物区系,以沼泽化草甸和沼泽植被为主.由于微地形和水分条件的差异,沼泽化草甸和沼泽植被多呈环状或条状分布;在地势低洼的常年积水地带多分布漂筏苔草(Carexpseudocuraica)和毛果苔草沼泽(Carexlasiocarpa);在常年过湿或季节性积水地带多分布有乌拉苔草(Carexmeyeriana)和小叶章(Deyeuxiaangustifolia),而在高岗地带则发育着灌丛杂草和乔木(图1).试验选在中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站沼泽综合试验场内进行.该站位于三江平原典型沼泽湿地分布区的别拉洪河流域,海拔高度55.6m,中心位置47°35′N,133°31′E,年平均降水量550mm,年平均气温1.9℃.试验场为一典型的碟形洼地,从外围到核心区依次分布着灌丛杂草、小叶章湿草甸、毛果苔草和漂筏苔草等多种类型的湿草甸和草本沼泽.选取3种不同水分条件下的湿地类型(灌丛杂草湿地、小叶章湿地和毛果苔草沼泽)开展湿地生态系统N2O排放通量的观测研究,其土壤类型分别为腐殖质沼泽土、草甸白浆土和泥炭沼泽土.同时,利用自动气象站和自动小气候观测系统,进行辅助气象、水文要素的同步观测.2.2采样和分析方法气体样品的采集利用静态箱法,装置为50cm×50cm×50cm四面和顶部封闭的不锈钢材质采样箱,箱顶内部装有两个小风扇和一个铂电阻温度传感器,采气孔和电源插孔开在箱壁上,箱底基座采用下沿带孔的不锈钢槽架,插入地下20cm.为了减少采样时对基座和周围环境的扰动,各个观测采样点分别架设了10～20m左右的栈桥.实验采用3个平行重复,同时采集气体样品,观测采样频率为每周2次,并每月选择晴朗的天气条件进行1次日变化观测采样,白天采样间隔为2h,夜间间隔3h.采样时,在不锈钢槽架注水密封,样品采集用100ml注射器抽取,在30min时间段内每隔10min采集1次气体样品,样品在12h内带回实验室,用Agilent4890气相色谱仪电子捕获检测器(ECD)分析.色谱仪设置如下:柱箱温度55℃,电子捕获检测器工作温度330℃,色谱柱采用长度为1m内径2mm的80～100目PorapakQ填充物来分离N2O,载气为高纯氮气,流速35cm3·min-1.2.3被测气体密度参数温室气体排放通量的定义为单位时间、单位面积观测箱内排放的被测气体质量的变化,可用下列公式表示:F=Δm/(A·Δt)=ρ·ν·Δc/(A·Δt)=ρ·h·Δc/Δt式中,F为被测气体通量(mg·m-2·h-1),A为观测底座所包围的土壤面积,Δm/Δt为采样箱内被测气体质量随时间的变化,ν为50cm×50cm×50cm采样箱的容积,ρ为箱内气体密度(ρ=n/v=P/RT,单位为mol·m-3,P为箱内气压,T为箱内气温,R为气体常数),h为采样箱高度,Δc/Δt为被测气体在观测时间内浓度随时间的变化.3结果与分析3.1降水年际变化对沼湿地的影响有研究曾报道沼泽湿地可能是大气N2O的一个潜在吸收汇,但从本研究长达3年的观测研究结果来看,沼泽湿地在生长季依然表现为大气N2O的弱排放源,而非生长季的冰雪覆盖期是大气N2O的弱吸收汇.根据每月的实际观测采样分析结果进行算数平均,得到三江平原3种典型水分条件湿地的N2O月平均通量(图2).由图2可知,在研究所进行的3年中,3种类型湿地N2O通量在季节变化的基础上有着较大的年际间差异,排放通量变异比较大.3种类型湿地2002和2004年生长季N2O通量比较大,2003年则比较小.分析毛果苔草沼泽N2O通量年际差异,主要与年际间的气候差异有关,而降水量的年际变化对沼泽湿地的影响最大.图3是研究地区3年降水量的累积曲线.土壤N2O主要产生于硝化过程和反硝化过程,气温和土壤水分含量能明显影响微生物的活性和O2含量,从而成为土壤N2O生成的重要影响因素.在通透性良好的条件下,硝化过程会放出N2O;在土壤积水或通透性较差的条件下,反硝化过程通常是N2O的主要来源.对积水湿地而言,水位的频繁波动也能加剧土壤N2O的排放.研究进行的3年中,以2003年最为干旱,2004年前期积水较深,后期干旱沼泽积水干枯,而以2002年水位波动最为频繁,因此毛果苔草沼泽2002年N2O的排放最大.小叶章湿地一般发育在水位波动比较大的地形条件下,故生长季的N2O排放比毛果苔草沼泽要大.2003年因气候比较干旱,小叶章湿地水位波动不大,N2O排放通量在观测研究进行的3年中最小.灌丛湿地一般发育在高岗地带,地表常无明显积水,群落分布非常不均匀,因此观测样点的选择和生育期降水将直接影响其N2O的排放通量.表1是根据3年的实测结果统计的三江平原3种类型湿地年N2O地-气交换通量,生长季采用每周2次的实测数据统计,非生长季采用每月1次的实测结果.毛果苔草沼泽和小叶章湿地年平均N2O排放通量分别是53.928和21.408mg·m-2·yr-1.这一结果比Laine等在芬兰中部的沼泽地Lakkasuo(年平均气温3℃,年降水量700mm,地理位置45°01′N,130°13′E)所观测的结果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泽湿地的水位变化比Lakkasuo沼泽地要频繁和剧烈.常年无明显积水的灌丛湿地N2O排放通量最大,达657.120mg·m-2·yr-1.3.2o气体通量动态变化在本研究进行的3年中,气候差异比较大,其中2002年属于降水正常年份,但观测资料不全;2003年生长季为典型的干旱年份,不具有代表性,但冬季的降雪量正常;2004年前期属于降水偏多年份,但后期比较干旱,全年降水基本正常,故选择2003年11月～2004年10月的观测资料分析3种典型类型湿地全年N2O的季节变化规律.图4是三江平原3种主要类型湿地2003～2004年度冬季冰雪覆盖期的N2O通量动态,冰雪覆盖下的沼泽湿地其N2O通量主要表现为以微弱的吸收为主.11、12月3种湿地N2O通量数值非常的小,近似于0,除小叶章湿地11月为很微弱的吸收外,均表现为微弱的排放.1、2和3月3种湿地N2O通量表现为明显的吸收.4月是冰雪的融化季节,我们增加了观测频率,虽然有个别的观测值表现为弱的排放,但总体趋势还是以吸收为主.统计结果显示,冬季(11月～次年4月)毛果苔草沼泽和小叶章湿地以吸收为主,平均吸收通量分别为-0.013和-0.052mg·m-2·h-1,灌丛湿地则表现为很微弱的排放,平均排放通量为0.012mg·m-2·h-1.董云社等在内蒙古温带草原的冬季也都观测到了N2O以负值为主的现象.目前已知的N2O气体通量出现负值主要发生在以下两种情况:一是土壤处于强还原状态时微生物吸收N2O并将其反硝化还原成N2;另一种情况是当有机质含量较高的土壤处于干燥条件时,N2O可能被土壤基质中的粘土矿物所吸附.三江平原湿地土壤一般均处于较强的还原状态,毛果苔草沼泽和小叶章湿地土壤氧化还原电位仅在水体表层5cm的薄层范围内为正值,其它深度均为负值,表现为强还原状态,值大约在-100～-400mV的范围内.相对而言,冬季土壤较夏季干燥一些,因此三江平原湿地冬季N2O气体通量以吸收为主可能是两种情况共同作用的结果.3种湿地2004年生长季(5～10月)的N2O通量动态曲线见图5.生长季3种湿地N2O通量总体上表现为排放,仅有个别时间表现为很微弱的吸收.3种湿地春季(5月)N2O排放通量稍大一些,夏季次之,秋季最小.许多研究也曾报道过自然土壤春季N2O出现集中排放的现象.春季N2O排放通量大,主要原因是与冻土的融冻有关.Davidson研究认为,N2O爆发排放的原因还可能是化能自养NH4+氧化菌产生的大量NO2-发生化能反硝化作用的结果.董云社等认为,春季草地出现N2O高排放是由于漫长冬季土壤中无机N和可利用C含量的富集,十分有利于土壤微生物的复苏和生理代谢活动,因此随着土壤的逐渐返润,反硝化作用成为N2O产生的主要来源.此外春季随着积雪和土壤的缓慢融化,把冬季土壤基质中的粘土矿物所吸附的N2O释放出来,更增加了N2O的排放.夏季灌丛湿地的N2O排放比较稳定;毛果苔草沼泽由于长期积水,出现N2O吸收与排放交替进行的现象,但平均通量仍以排放为主;小叶章湿地在夏季随着降水的自然发生出现淹水与落干交替的现象,因而N2O排放通量也比较大.秋季随着气温的不断降低,土壤硝化和反硝化的能力都在不断降低,因而生成的N2O量也就越来越少.虽然生长季3种类型湿地N2O通量排放与吸收都会出现,但以排放为主.相对而言,灌丛湿地N2O排放通量最大,最高0.506mg·m-2·h-1(5月16日),毛果苔草沼泽最小,负排放出现的次数也最多,小叶章湿地在积水落干后出现的排放峰值为0.307mg·m-2·h-1(6月29日).3种类型湿地N2O通量的标准差在水位变化频繁的年份比较大,而干旱年份则比较小(表2).3.3种类型沼湿地no排放通量的日变化在进行沼泽湿地N2O排放通量年际与季节变化实验,探索其季节变化和年际变化规律的同时,我们还进行了其日变化的观测采样分析实验.毛果苔草沼泽、小叶章湿地和灌丛草甸的N2O排放通量与地表温度、地下5cm地温的日变化曲线见图6.由图6可以看出,3种类型沼泽湿地N2O排放通量的日变化并不明显,与地下5cm地温的相关分析也证明了沼泽湿地N2O排放通量与温度的关系并不显著(R2<0.25,N=11).毛果苔草沼泽与灌丛湿地的N2O日排放通量并没有明显的日变化,小叶章湿地仅有一个观测点的排放通量较高,其它的观测点也没有明显的日变化,说明一天内沼泽湿地N2O排放通量没有明显的波动,气温日变化的幅度还不足以引起硝化-反硝化过程的加剧或减弱,进而引起湿地N2O通量的明显变化.4地面湿地no排放、排放情况4.1三江平