三江平原不同土壤水分状况对ch

三江平原不同土壤水分状况对ch

1ch4的产生ch4是世界上最受关注的碳含量之一。另一方面，作为一种重要的红外辐射活性气体，它具有很强的红外吸收范围，是一种重要的温室气体。另一方面，它也是一种化合作用的气体，易在空气中氧化，参与许多重要的气合作过程。这是气合作研究的重要组成部分之一。CH4浓度从1000~1750年的5.0×10-4μg/ml增加到2000年的1.3×10-3μg/ml,增加了一倍半,并仍以每年0.6%~0.8%的速率增加。CH4作为一种生物源气体,是由产生CH4菌在无氧环境下分解有机物产生的,包括天然和人工湿地、污水池、垃圾填埋场以及反刍动物的胃。在所有的自然源中,湿地是最大的CH4排放源,约占全球大气CH4排放的21%。湿地作为一种水陆相互作用形成的特殊自然综合体,处于陆地生态系统与水生生态系统之间,具有过湿、季节或常年积水的基本特征,其特有的厌氧环境以及丰富的有机底物浓度为CH4的产生提供了良好的条件。CH4是厌氧沉积物中有机碳矿化的最终产物,并受许多环境因素的影响,包括湿度、温度、有机碳(外源和本土)、pH、氧化还原电位以及维管植物等,这些因素单独或结合起来对湿地CH4的产生和消耗具有重大影响。2材料和方法2.1主要草地类型三江平原位于黑龙江省东北部,由黑龙江、松花江及乌苏里江冲积而成,是我国最大的低海拔淡水沼泽分布区。主要沼泽类型为毛果苔草(Carexlasiocapa)沼泽、漂筏苔草(Carexpseudocuraica)沼泽、芦苇(Phragmitesaustralis)沼泽等,主要的草甸有典型草甸、沼泽化草甸、拂子茅-芦苇(Calamagrostisepigejos-Phragmitesaustralis)沼泽化草甸、水冬瓜(Alnussibirica)沼泽化草甸4种类型,其中沼泽化草甸以小叶章草甸最为普遍,沼泽以毛果苔草沼泽为主。三江平原为温带大陆性季风气候,年平均气温1.9℃,1月平均气温-21℃,7月平均气温22℃,无霜期125天左右。年降水量600mm左右,降水集中于7~9月。为季节性冻土区,11月初地面开始封冻,冻深1.6~1.8m,翌年春开始融化,至6月中旬化通,沼泽湿地则7月中旬化通。区内土壤成土母质多为粘土或亚粘土,在土壤形成过程中广泛发育了白浆土、草甸土、沼泽土、棕壤和黑土。2.2采样箱的设置本研究的实验点设在中国科学院三江平原沼泽湿地生态实验站(E133°31′,N47°35′)内,该站位于别拉洪河与浓江的河间地带,海拔高度55.4~57.0m。试验区内沼泽类型、植被类型和土壤类型,在三江平原均具有代表性。试验场的水平结构为环形,从中心到四周呈明显的带状分布,分别是:毛果苔草-小叶章-灌丛-岛状林。按照“典型性、代表性、可操作性”的原则,依据水分条件的不同,本研究选择长期积水的毛果苔草沼泽、季节性积水的小叶章草甸和地表长期湿润但不积水的灌丛3种类型,样点选在各带的中心位置,每种生态类型各设3个重复。本实验设计的采样箱如图1所示,由底座、中箱和顶箱组成,3种箱体均由不锈钢制成,外覆绝热材料。底座长×宽×深=50cm×50cm×20cm,整个观测期间都固定在采样点上,底座的每个侧壁上距离地表10cm以下开有9个直径2cm的圆孔,以利于水分、土壤动物、微生物、养分等侧向交流,底座顶端高出土壤表面约4cm。由于毛果苔草沼泽常年积水,在每个样点都放有约1m高的三角架,协助固定底座。为防止破坏采样点周围的环境和影响样品采集,在采样点周围搭设了栈桥。中箱和顶箱容积相同,长、宽、高均为50cm,在植物生长初期,只用顶箱,随着植物的生长,可适当加一节或几节中箱。底座和中箱的上端均有深3cm、宽2cm的密封水槽,实验时往槽里浇水以防止箱子和底座的接触处漏气,在无水的时候用密封条来防止漏气。顶箱上部有两个轴流扇,用于混合箱内气体。箱子侧面安装有电源插头和气体样品接口。2.3测定植物生物量实验设计为每周采样两次,时间为周一和周四上午9:00~11:00,同时记录箱底水深、箱内气温、箱外气温、地表温度(水温)及不同深度地温和地表积水深度。气体采集方法为将采样箱放在底座上,密封时立即用100ml注射器从箱内抽取70~80ml气体,密封30min内每隔10min取样一次,并准确记录采样时间。采样结束后,立即移开采样箱。在观测期间还测定了毛果苔草沼泽和小叶章草甸不同深度的氧化还原电位及这两种植物的生物量。CH4用HP4890D气相色谱仪来分析测定,检测器为FID(氢火焰离子化检测器),色谱柱为不锈钢材料,长度×内径=2m×2mm,填充物为13X分子筛,载气为高纯N2,流量为30cm3/min,柱箱温度为55℃。2.4ch4排放通量f气体的通量表示单位时间单位面积观测箱内该气体质量的变化,一般正值表示气体从土壤排放到大气,负值表示气体从大气流向土壤或土壤吸收消耗大气中的该气体,用公式表示为:F=1.2×10−4×P×H273.15+t×dcdtF=1.2×10-4×Ρ×Η273.15+t×dcdt式中:F——CH4排放通量(mg/m2·h);t——每次采样30min内箱内温度的平均值(℃);H——采样时采样箱高度与箱底水深的差值(cm)。本文的数据为2002年6月到10月在三江平原毛果苔草沼泽、小叶章草甸和灌丛CH4排放通量的观测值,文中对个别奇异点进行了平滑处理。3结果和讨论3.1对土壤ch4排放通量的影响图2为三江平原毛果苔草沼泽、小叶章草甸和灌丛CH4排放通量的季节变化。通过数据分析小叶章草甸3个重复的CH4排放通量差异很大,F0.99(2,93)=23.7>4.84(α=0.01),差异达到高度显著水平。在野外设置的这3个重复呈直线排列,每个间隔约80cm。在整个观测期间,重复3的CH4排放通量偏小,变化范围为0.474~10.8mg/(m2·h),平均值为4.1mg/(m2·h);重复2的CH4排放通量居中,变化范围为1.0~20.3mg/(m2·h),平均值为7.4mg/(m2·h);重复1的CH4排放通量最大,变化范围为1.0~31.8mg/(m2·h),平均值为14.1mg/(m2·h),是重复2的2倍,重复3的3.5倍。这3个重复的变异系数也很高,达31.6%~117.7%,平均为64.6%。自然湿地CH4排放通量具有很强的空间变异性已是无可争辩的事实,在大范围的空间里是这样,在微域尺度(micro-scale)里也是如此。GiselaWachinger等通过室内培养实验观察到在1m2的范围内同一类型的土壤CH4排放通量差异很大,认为主要是由于土壤有机质的含量不同而致。三江平原小叶章草甸三个重复相距很近,而CH4排放通量却具有如此大的差异,初步推测也是土壤有机质的含量不同所致。另外,在野外从重复3到重复1地势稍微有下降趋势,由于地势的作用,周围土壤中产生的CH4在横向扩散中更容易积聚在重复1的土壤中。关于小叶章草甸CH4排放通量的差异,由于没有做土壤物理、化学及生物方面的试验,目前还不能具体解释。毛果苔草沼泽CH4排放通量的季节变化与辽河三角洲芦苇湿地CH4在同时期内(即从6月20日到10月20日)的季节变化规律相似,可能是二者都位于东北,气候条件比较一致,而且在这段时期内二者都是积水环境,CH4的产生、氧化、输送条件也比较相似。但毛果苔草沼泽CH4排放通量高于芦苇湿地,原因是前者土壤中有机质含量高,达35.4%,而芦苇湿地土壤有机质只有3%~6%。这段时期内毛果苔草沼泽CH4的平均排放通量为11.9mg/(m2·h),美国北部区沼泽地CH4排放通量为11mg/(m2·h),二者非常接近。湿地CH4的排放是土壤中CH4的产生、氧化、传输3个过程综合作用的共同结果,在不同的生育期,植物的生理状态及其生存环境都存在明显不同,因此CH4在不同的生育期排放通量也会有所差异。毛果苔草沼泽CH4排放在8,9月份一直较高,8月份是毛果苔草的成熟期,植株高度达到最大,为0.8~1.0m,盖度也达到最大为80%~90%,这个时期植株的通气组织最为发达,为CH4的传输提供了良好的条件,导致这段时期内CH4排放高峰的出现,达到16.0mg/(m2·h);9月份是毛果苔草的黄熟期,这个时期植物的生理活动有些减弱,根系开始衰老腐烂,为产生CH4的微生物提供了丰富的反应底物,再加上适宜的温度,从而促进了土壤中CH4的产生,为14.0mg/(m2·h);而7月份毛果苔草还处在生长发育期,植株高度还比较小,通气组织不是很发达,所以CH4排放通量较小。小叶章草甸CH4排放峰值出现在9月中上旬,主要是由于植物在黄熟期内根系脱落物和分泌物增多,温度适宜,促进了CH4的产生和排放;另外,从6月底到7月中旬,CH4排放还出现了一个次峰值,主要是由于连续高温引起的。从7月中旬到8月底,温度虽然一直较高,但降雨量大,达到214.6mm,占整个试验期间降雨量的68.3%,可能是随着水层的加深,影响了植株的光合作用和CH4传输能力等正常生理代谢活动,并且土壤中已产生的CH4在通过气泡或扩散形式穿越水层时,被氧化掉的量增大,从而减少了CH4向大气中的排放。灌丛CH4排放通量一直保持在较低的水平上,排放峰值出现在6月底到7月初,也是由高温造成的,还有一个峰值出现在9月中上旬,和小叶章草甸同时期的峰值原因相同。3种湿地类型CH4排放进入10月份以后均呈现出逐渐降低的趋势,因为9月底植株进入枯死期,生理活动衰弱,且气温逐渐下降,限制了CH4的产生和传输所致。3.2自然湿地类型的土壤厚度和土壤条件对土壤有机质含量的影响从6月到10月,CH4排放通量的平均值为毛果苔草沼泽(11.9mg/m2·h)>小叶章草甸(8.5mg/m2·h)>灌丛(0.75mg/m2·h),经过数理统计分析,这3种湿地类型之间CH4排放通量的差异均达到高度显著水平(α=0.01)。造成这种差异的主要原因是水分条件的不同,毛果苔草沼泽通常分布在各种沼泽洼地的中心,为永久积水的湿地类型,小叶章草甸分布在洼地的边缘,为季节性积水的湿地类型,而灌丛作为一种永不积水的湿地类型,大多分布在地势较高的外围地带。灌丛的水位常年处在土壤表面以下,即使在降雨量最大的8月份,其水位也没有高于地表,这就使得土壤表面CH4氧化速率升高,并限制了CH4产生所必需的厌氧环境,由此导致灌丛CH4净排放通量降低。另外,由于积水环境的影响,土壤中有机质含量也呈现出从洼地边缘到中心递增的趋势,这也导致了不同湿地类型土壤中CH4的排放差异。CH4排放通量从边缘到中心呈递增趋势,与加拿大萨斯喀彻温省北方湿地的规律性一致。3.3湿地ch4排放特性湿地CH4排放量与物理、化学及生物因素的关系密切,若想充分理解湿地CH4排放过程,需从温度、土壤水分状况、氧化还原电位以及植物等方面进行综合探讨。3.3.1ch4排放通量与湿地深度的关系度温度,尤其是土壤温度在CH4的产生和排放中起着非常重要的作用,一是土壤温度直接影响土壤微生物的活动,包括CH4产生和氧化过程中所涉及的一系列微生物菌群的数量、结构和活性;二是对土壤中CH4的输送也有明显的影响。关于CH4排放通量和温度的关系,目前还没有统一的定论,已有的研究结果中也存在着许多分歧。一些研究表明,CH4排放通量和温度变化密切相关,但也有研究指出CH4排放通量的季节变化与土壤温度相关性较差或没有明显的相关关系。本研究发现3种湿地类型CH4排放通量均和不同深度的地温或箱内外温度具有显著或极显著正相关关系。在毛果苔草沼泽,CH4排放通量和箱外温度、40cm地温呈显著正相关,相关系数分别为0.364和(N=30)和0.873(N=7),和20cm、30cm地温呈极显著正相关,相关系数分别为0.465(N=30)和0.840(N=15);在小叶章草甸,CH4排放通量和20cm地温呈显著正相关,和30cm及40cm地温呈极显著正相关,相关系数分别为0.394(N=26),0.658(N=18)和0.700(N=17);在灌丛,CH4排放通量和箱内、箱外以及40cm地温呈显著正相关,相关系数分别为0.430(N=30),0.373(N=29),0.698(N=9)。3种湿地类型箱内外温度以及各深度的地温绝大部分都呈极显著正相关(P<0.01),由于隔热作用,箱内外气温及表层土壤温度变化较大,而下层土壤温度变化则较小(见图2)。不同地点的CH4排放通量和箱体内外温度以及不同深度的土壤温度呈现出不同的表现形式(见表1),毛果苔草沼泽和箱外温度呈线性关系,和20cm地温呈对数关系,和30cm地温呈指数关系,和40cm地温则呈幂函数关系;小叶章草甸和20cm地温呈多项式函数,和30cm及40cm地温均呈指数关系,灌丛和箱体内外温度以及40cm地温也均为指数关系。温度和CH4排放通量之间具有不同的表现形式,说明了在野外条件下CH4排放对温度响应的复杂性。3.3.2eh对土壤通量的影响氧化还原电位决定着产生CH4菌的活性。Connell&Patrick报道产生CH4菌开始需要一个较高的Eh(大约-150mV),然而在印度北部的天然湿地发现,当土壤Eh低于150mV时就有利于产生甲烷菌的活性。Eh不仅影响CH4产生,还影响通过植物进行的气体传输,在较低的Eh下,植物的通气组织发达而根的范围缩小,Eh从-200mV下降到-300mV,CH4产生速率上升了10倍,排放增加了17倍。研究发现Eh是影响CH4排放的一个重要因素,小叶章草甸CH4排放通量和土壤10~40cm深处的Eh呈负相关,其中与10cm深处的Eh相关性达极显著水平,相关系数为-0.766(N=12,P<0.01),与50~80cm深处的土壤Eh均呈正相关,但均未达到显著水平;毛果苔草沼泽CH4排放通量和土壤15~100cm深处的Eh均呈负相关,并与15cm深处的Eh呈极显著负相关,相关系数为-0.644(N=15,P<0.01)(见图3)。3.3.3表面质量和表1对集料/水土壤水分状况决定了湿地沉积物中的缺氧/好氧程度,有研究指出湿地CH4排放和水位之间呈显著正相关,也有研究指出随沼泽水深的增加CH4排放反而减少。在毛果苔草沼泽,无论在单个样点还是所有样点结合起来,均没有发现水深和CH4通量之间具有相关性,这与HollyRask在加拿大萨斯喀彻温省湿地的研究结果一致。小叶章草甸CH4排放和水深呈弱负相关,这与人工湿地水稻田中水深对甲烷排放的影响一致。有报道指出降水可以促进相对较干的地点CH4排放,但在本研究中没有发现这种现象,比如在观测期间出现过几次大的降雨,但均未引起灌丛CH4排放通量的增加。3.3.4ch4植物气溶胶系统出于对湿地积水环境的适应,许多湿地植物的根、根状茎以及茎的间隙和气腔大,甚至连通,便于气体交换和通气的需要。因此这种植物的存在提高了净CH4排放速率,CH4排放到大气主要是通过植物的传输,其次才是气体扩散和气泡输送。目前已有大量研究证明植物在CH4传输中的主导作用,在水