臺(tái)風(fēng)對(duì)閩江河口濕地土壤甲烷產(chǎn)生潛力的影響研究

王維奇, 王 純

(1. 福建師范大學(xué) 地理研究所, 福建 福州 350007; 2. 福州市金橋高級(jí)中學(xué), 福建 福州 350004)

臺(tái)風(fēng)對(duì)閩江河口濕地土壤甲烷產(chǎn)生潛力的影響研究

王維奇1, 王 純2

(1. 福建師范大學(xué) 地理研究所, 福建 福州 350007; 2. 福州市金橋高級(jí)中學(xué), 福建 福州 350004)

揭示臺(tái)風(fēng)對(duì)濕地土壤甲烷產(chǎn)生的影響對(duì)全球氣候變化研究具有重要意義。采用厭氧培養(yǎng)法對(duì)閩江河口蘆葦濕地土壤受臺(tái)風(fēng)影響下的甲烷產(chǎn)生潛力(J)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明： 受臺(tái)風(fēng)的影響,甲烷產(chǎn)生潛力經(jīng)歷了升高—下降—穩(wěn)定—下降 4個(gè)階段; 花枯落物輸入與根、莖、葉枯落物輸入后蘆葦濕地土壤甲烷產(chǎn)生潛力差異極顯著(P＜0.01); 臺(tái)風(fēng)影響下不同土層甲烷產(chǎn)生潛力大小順序?yàn)镴5～10＞J0～5＞J10～15＞J15～20＞J20～25＞J25～30; 臺(tái)風(fēng)對(duì)甲烷產(chǎn)生潛力具有明顯的促進(jìn)作用。

蘆葦濕地; 甲烷產(chǎn)生潛力; 臺(tái)風(fēng); 閩江河口

天然濕地甲烷排放占全球甲烷排放總量的 21%以上[1]。以往國際上關(guān)于全球甲烷排放的研究多聚焦在面積較大的泥炭濕地, 對(duì)于眾多面積小、分散分布的潮汐濕地沒有給予更多的關(guān)注, 特別是缺乏中國潮汐濕地甲烷方面的數(shù)據(jù)[2]。濕地土壤甲烷產(chǎn)生是甲烷排放的先決條件。溫度、底物、氧化還原電位、土壤含水量、電子受體等均影響甲烷產(chǎn)生過程[3-6],其中底物是甲烷產(chǎn)生過程發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ), 水分狀況是土壤厭氧條件形成的前提。

臺(tái)風(fēng)是閩江河口濕地常見的天氣現(xiàn)象, 主要集中在 6～10月, 一方面可帶來連續(xù)的降水, 增強(qiáng)濕地土壤的厭氧條件, 降低氧化還原電位, 提高甲烷產(chǎn)生菌活性; 另一方面, 使得植物大量地?cái)嘀? 枯落物在地表覆蓋厚厚的一層, 提供了大量的底物來源,為甲烷產(chǎn)生提供充足的物質(zhì)和能量, 與此同時(shí), 可緩解甲烷產(chǎn)生菌與電子受體還原菌之間的底物競爭壓力, 促進(jìn)甲烷產(chǎn)生。因此, 這種大劑量的水分和底物輸入將有利于土壤甲烷的產(chǎn)生, 但受臺(tái)風(fēng)的影響,濕地植物不同構(gòu)件枯落物輸入對(duì)土壤甲烷產(chǎn)生的影響是否存在明顯的差異, 不同土層對(duì)臺(tái)風(fēng)造成的水分和枯落物輸入的響應(yīng)規(guī)律又如何？尚不清楚。作為我國東南沿海地區(qū)重要的河口濕地之一, 閩江河口濕地具有較大的代表性, 蘆葦(Phragmites australis)是該區(qū)主要的優(yōu)勢(shì)植物之一, 初級(jí)生產(chǎn)力和枯落物的產(chǎn)生量均較高。

基于此, 本研究為了闡明濕地土壤甲烷產(chǎn)生過程對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng), 開展了臺(tái)風(fēng)對(duì)甲烷產(chǎn)生潛力影響的持續(xù)效應(yīng)、臺(tái)風(fēng)影響下不同構(gòu)件枯落物對(duì)甲烷產(chǎn)生潛力的影響、不同土壤層次對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)特征、臺(tái)風(fēng)影響下甲烷產(chǎn)生潛力的調(diào)節(jié)因子研究, 為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)臺(tái)風(fēng)對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)甲烷代謝的影響提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為閩江河口區(qū)面積最大的鱔魚灘濕地。氣候暖熱濕潤, 年平均氣溫 19.3℃, 年平均降水量約 1 346 mm[7]。濕地水源包括天然降水、閩江河水、潮水[8]。臺(tái)風(fēng)是閩江河口區(qū)主要的天氣現(xiàn)象, 多集中在6～10月。蘆葦是該區(qū)域主要的優(yōu)勢(shì)大型挺水植物之一, 其生長旺盛季節(jié)株高1.5～2 m, 密度約200 株/m2,蘆葦濕地地上和地下生物量之和達(dá) 2 266～4 602 g/m2[9], 受到臺(tái)風(fēng)影響后蘆葦枯落物會(huì)在地表覆蓋厚厚一層。本研究土壤采樣地點(diǎn)位于鱔魚灘濕地中部的蘆葦濕地(119°37′31″E, 26°01′46″N), 蘆葦濕地土壤和枯落物理化特征見表1, 2。

1.2 樣品采集與實(shí)驗(yàn)分析

2007年 1月, 在鱔魚灘中部蘆葦濕地采樣點(diǎn)用100 cm長, 5 cm內(nèi)徑的不銹鋼土壤采樣器采集土壤樣品, 每個(gè)土層3個(gè)重復(fù)(5 cm間隔), 將同一土層土壤樣放入自封袋中, 密封送回實(shí)驗(yàn)室。蘆葦枯落物采于2006年12月, 地上部分采用收獲法, 按照莖、葉、花分開采集, 地下部分采用挖掘法, 并將根分為表層(0～15 cm)和相對(duì)深層(15～30 cm)。采回的鮮土風(fēng)干并研磨(挑除大的根物質(zhì)與雜質(zhì)), 過100目篩; 枯落物樣品用粉碎機(jī)粉碎成粉末。土壤和植物碳質(zhì)量比與氮質(zhì)量比的測(cè)定采用碳、氮元素分析儀(Elementar Vario ELⅢ), 磷質(zhì)量比采用鉬銻抗比色法(UV-2450)測(cè)定, 電導(dǎo)率和pH值測(cè)定分別采用2265FS便攜式電導(dǎo)率/溫度計(jì), IQ150便攜式pH/氧化還原電位計(jì)。

表1 蘆葦濕地土壤理化性質(zhì)Tab. 1 Soil properties of P. australis wetland

表2 蘆葦濕地枯落物理化性質(zhì)Tab. 2 Litter properties of P. australis wetland

土壤甲烷產(chǎn)生潛力(J)對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)采用厭氧培養(yǎng)法[10]。采用大劑量的底物和水分輸入, 將3 g研磨后的土樣放入18 mL培養(yǎng)瓶, 同時(shí)加入土樣質(zhì)量3%的枯落物(分別加入植物花、葉、莖、0～15和15～30 cm根枯落物), 并加入約覆蓋培養(yǎng)樣品 2 cm的蒸餾水, 設(shè)置對(duì)照, 共5種處理實(shí)驗(yàn), 每一個(gè)處理3個(gè)重復(fù), 將樣品在近似原位溫度的 30℃下培養(yǎng)(采樣點(diǎn)6～10月白天平均氣溫30.4℃)。實(shí)驗(yàn)周期為110 d, 第一次測(cè)定是在培養(yǎng)后的第 5天, 之后每隔 7 d測(cè)定 1次培養(yǎng)土樣的甲烷產(chǎn)生潛力, 氣樣采用島津GC-2010氣相色譜儀分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

甲烷產(chǎn)生潛力的計(jì)算采用甲烷濃度隨著時(shí)間的變化率求得[10]。臺(tái)風(fēng)對(duì)甲烷產(chǎn)生潛力的影響差異性檢驗(yàn)采用SPSS13.0-One-Way ANONY 分析, 環(huán)境因子與甲烷產(chǎn)生潛力的相關(guān)性分析采用 SPSS13.0-Pearson相關(guān)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 臺(tái)風(fēng)對(duì)甲烷產(chǎn)生潛力影響的持續(xù)效應(yīng)

臺(tái)風(fēng)對(duì)土壤甲烷產(chǎn)生潛力具有明顯的促進(jìn)作用(圖 1), 其影響效應(yīng)隨著時(shí)間的延長而發(fā)生變化。在培養(yǎng)的前5 d, 土壤甲烷產(chǎn)生潛力對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)不顯著, 可能是因?yàn)榕_(tái)風(fēng)導(dǎo)致的枯落物輸入, 需要一定的時(shí)間才能分解為甲烷產(chǎn)生前體, 在培養(yǎng)第12天、第19天或第 26天甲烷產(chǎn)生潛力分別出現(xiàn)了峰值。臺(tái)風(fēng)影響下的土壤甲烷產(chǎn)生潛力經(jīng)歷了升高-下降-穩(wěn)定-再下降 4個(gè)階段。甲烷產(chǎn)生潛力的升高, 主要是枯落物輸入后, 隨著其分解過程的發(fā)生, 易降解的碳迅速分解, 為甲烷的產(chǎn)生提供了必要而充足的底物來源, 此外, 作為生產(chǎn)者的甲烷產(chǎn)生菌的數(shù)量和活性也得到了有效的激發(fā), 而后隨著易降解碳濃度的降低, 甲烷產(chǎn)生潛力也逐漸下降, 隨著時(shí)間的進(jìn)一步推移, 相對(duì)難分解的碳組分也開始不斷地分解, 使得甲烷產(chǎn)生潛力所需底物濃度維持在了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平, 甲烷產(chǎn)生潛力進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài), 這個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)大約維持50 d左右, 而后甲烷產(chǎn)生潛力不斷降低, 主要是底物供應(yīng)量受到了限制。臺(tái)風(fēng)對(duì)甲烷產(chǎn)生潛力影響的持續(xù)效應(yīng)可維持近90 d。

2.2 臺(tái)風(fēng)影響下蘆葦不同構(gòu)件枯落物輸入對(duì)甲烷產(chǎn)生潛力的影響

臺(tái)風(fēng)造成的蘆葦不同構(gòu)件枯落物輸入后甲烷產(chǎn)生潛力出現(xiàn)峰值所需要的時(shí)間及大小均有所不同(圖1)。莖枯落物輸入后甲烷產(chǎn)生潛力峰值出現(xiàn)的時(shí)間對(duì)于多數(shù)土層為培養(yǎng)后的第19天, 只是在10～15 cm土層出現(xiàn)在第26 天(27.86 μg/(g·d))。葉和花枯落物輸入后甲烷產(chǎn)生潛力峰值出現(xiàn)的時(shí)間對(duì)于多數(shù)土層同樣均為培養(yǎng)后的第 19天, 對(duì)于葉枯落物, 在 5～10 cm土層, 峰值是出現(xiàn)在第 12 天(58.77 μg/(g·d)); 對(duì)于花枯落物, 在 25～30 cm 土層, 峰值是出現(xiàn)在第 26 天(78.8669 μg/(g·d))。根枯落物的輸入使得甲烷產(chǎn)生潛力出現(xiàn)峰值的時(shí)間, 大多數(shù)土層為培養(yǎng)后的第12天,對(duì)于 0～15 cm 根枯落物輸入后的甲烷產(chǎn)生潛力, 僅在 10～15 cm 土層是出現(xiàn)在第 19天(62.11 μg/(g·d)),對(duì)于15～30 cm根枯落物輸入后的甲烷產(chǎn)生潛力, 在20～25 cm和25～30 cm土層是出現(xiàn)在第19天(76.38和69.86 μg/(g·d))。不同構(gòu)件枯落物碳含量及分解速率存在的差異, 可能是導(dǎo)致不同構(gòu)件枯落物輸入后甲烷產(chǎn)生潛力峰值出現(xiàn)時(shí)間不盡相同的原因。

圖1 臺(tái)風(fēng)對(duì)不同層次土壤甲烷產(chǎn)生潛力的影響Fig. 1 Effects of typhoon on methane production potentials at different soil layers

綜合考慮 0～30 cm土層輸入不同構(gòu)件后, 平均甲烷產(chǎn)生潛力從大到小的順序?yàn)檩斎牖萋湮铮据斎肴~枯落物＞輸入 0～15 cm 土層根＞輸入莖枯落物＞輸入15～30 cm土層根, 其甲烷產(chǎn)生潛力分別為20.96,17.21, 14.44, 14.32 和 14.31 μg/(g·d), 均明顯高于對(duì)照土壤的甲烷產(chǎn)生潛力(0.0561 μg/(g·d))。其對(duì)土壤甲烷產(chǎn)生潛力的促進(jìn)主要有以下3點(diǎn)原因： 第一, 為甲烷產(chǎn)生提供底物來源和良好的厭氧環(huán)境, 提高了產(chǎn)甲烷微生物的活性和數(shù)量, 進(jìn)而提高甲烷產(chǎn)生量;第二, 加速電子受體的還原過程, 減少了甲烷產(chǎn)生過程中的競爭機(jī)制, 與此同時(shí)也使得環(huán)境中的氧化還原電位得以降低, 促進(jìn)甲烷產(chǎn)生; 第三, 刺激有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化[11]。

對(duì)整個(gè)觀測(cè)期枯落物輸入對(duì)甲烷產(chǎn)生潛力的促進(jìn)作用作統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn), 枯落物輸入后土壤甲烷產(chǎn)生潛力與對(duì)照土壤間差異極顯著(P＜0.01); 花枯落物輸入后土壤的甲烷產(chǎn)生潛力與根、莖和葉枯落物輸入后的土壤甲烷產(chǎn)生潛力間差異極顯著(P＜0.01)。

2.3 不同層次土壤甲烷產(chǎn)生潛力對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)

臺(tái)風(fēng)的影響不僅使得土壤的甲烷產(chǎn)生潛力發(fā)生改變, 同時(shí)也會(huì)對(duì)原有不同層次土壤的甲烷產(chǎn)生潛力垂直變化模式造成影響, 在未受到臺(tái)風(fēng)影響的條件下, 濕地土壤甲烷產(chǎn)生潛力的大小為：J0～5＞J10～15＞J5～10＞J20～25＞J15～20＞J25～30, 而受到臺(tái)風(fēng)的影響后, 甲烷產(chǎn)生潛力的垂直變化規(guī)律為：J5～10＞J0～5＞J10～15＞J15～20＞J20～25＞J25～30, 造成這種變化的原因可能是底物和水分對(duì)甲烷產(chǎn)生潛力的協(xié)同影響。

2.4 臺(tái)風(fēng)影響下土壤甲烷產(chǎn)生潛力的影響因子分析

對(duì)培養(yǎng)期不同土層的平均甲烷產(chǎn)生潛力與相應(yīng)土層的理化特征和相應(yīng)的枯落物元素含量做相關(guān)分析。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明, 土壤氮質(zhì)量比、碳氮比和電導(dǎo)率對(duì)整個(gè)培養(yǎng)期平均甲烷產(chǎn)生潛力的影響極為顯著(r= 0.711,P＜0.01;r=－0.821,P＜0.01;r=－0.591,P＜0.01), 此外, pH值也對(duì)甲烷產(chǎn)生潛力具有顯著影響(r= 0.513,P＜0.05)。甲烷產(chǎn)生潛力與枯落物碳質(zhì)量比、氮質(zhì)量比、氮磷比之間具有極顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.784,P＜0.01;r= 0.702,P＜0.01;r= 0.603,P＜0.01),碳氮比與甲烷產(chǎn)生潛力呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=－0.533,P＜0.05)。

綜上所述, 甲烷產(chǎn)生潛力與土壤和枯落物氮質(zhì)量比均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān), 與碳氮比呈負(fù)相關(guān), 可見氮質(zhì)量比和碳氮比對(duì)臺(tái)風(fēng)影響下的甲烷產(chǎn)生潛力具有良好的指示作用。

3 結(jié)論

臺(tái)風(fēng)的發(fā)生提高了蘆葦濕地土壤甲烷產(chǎn)生潛力,其影響具有一定的持續(xù)性; 花枯落物輸入與根、莖、葉枯落物輸入后蘆葦濕地土壤甲烷產(chǎn)生潛力差異極顯著(P＜0.01); 臺(tái)風(fēng)造成的水分和底物的輸入改變了蘆葦濕地土壤甲烷產(chǎn)生潛力原有的垂直變化模式。

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Effects of typhoon on methane production potential from the Minjiang River Estuaty wetland soil

WANG Wei-qi1, WANG Chun2
(1. Institute of Geography, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China; 2. Fuzhou Jinqiao Senior Middle School, Fuzhou 350004, China)

Mar., 25, 2010

Phragmites australiswetland; methane production potential; typhoon; the Minjiang River Estuary

It is very important to clarify the effect of typhoon on wetland soil methane production in the research of global climate change. Methane production potential (J) fromPhragmites australiswetland soil was measured under the effect of typhoon in the Minjiang River Estuary using the anaerobic incubation measurement method. The whole course of methane production potential variation was consisted of increment, decline,stabilization, and decline. There was significant difference of methane production potential between flower adding and the adding of root, stem, or leaf litters(P＜0.01). The order of methane production potential at various soil layers after typhoon wereJ5～10＞J0～5＞J10～15＞J15～20＞J20～25＞J25～30. Typhoon significantly enhanced the methane production potential.

X144

A

1000-3096(2011)09-0091-05

2010-03-25;

2011-07-09

國家自然科學(xué)基金(31000209); 福建省自然科學(xué)基金(2010J01139); 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院旗山學(xué)者資助項(xiàng)目

王維奇(1982-), 男, 遼寧沈陽人, 助理研究員, 博士研究生,從事濕地生物地球化學(xué)循環(huán)研究, 電話： 13459193831, E-mail： wangweiqi15@163.com

劉珊珊)