淡水濕地不同圍墾土壤非耕季節(jié)呼吸速率差異

何小青， 許信旺,， 方宇媛， 毛 敏， 石小磊， 鄭聚鋒

(1．池州學(xué)院 資源環(huán)境與旅游系， 安徽 池州 247000； 2．安徽師范大學(xué) 國土資源與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖， 241000； 3．南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所， 江蘇 南京 210095)

濕地是介于陸地和水體間一種特殊的過渡生態(tài)類型，由于較低的有機質(zhì)分解速率和較高的生產(chǎn)力而成為重要的碳匯，濕地的固碳潛力高于其他類型的生態(tài)系統(tǒng)，因此，采取必要的措施，維持和發(fā)展?jié)竦氐墓烫紳摿?，對于增加陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫和緩解全球變暖具有深遠的意義[1]。中國已在東北平原[2-8]、青藏高原[9-11]、云貴高原[12-13]以及東部平原[14-18]等開展了濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳及CO2氣體排放方面的研究，而此方面的研究主要集中在三江平原。宋長春等[5]認為濕地土壤水分梯度變化及土壤新的碳輸入條件是溫度驅(qū)動下土壤呼吸變化的重要影響因素，濕地墾殖后土壤呼吸速率明顯增大。楊繼松等[6]認為，在生長季，濕地土壤呼吸具有明顯的時間變化特征，隨土壤溫度的上升呈指數(shù)形式增加，并受水熱條件的共同制約。黃靖宇等[7]通過研究發(fā)現(xiàn)，土地利用方式是影響土壤生物量碳及溶解有機碳變化的主要因素，天然沼澤濕地墾殖為農(nóng)田后，土壤微生物量碳及溶解有機碳顯著降低，棄耕還濕和人工造林后表層土壤微生物量碳及溶解有機碳呈顯著增加的趨勢。

由此可見，影響土壤固碳及呼吸的主要因素有水分、溫度及微生物活動等，選擇何種濕地利用方式，使得土壤固碳能力及CO2氣體排放受到的影響最小，是合理利用濕地、減少溫室氣體排放的關(guān)鍵所在。

截止到2008年，中國現(xiàn)有濕地(不包括水稻田)總面積為324 100 km2，其中天然濕地占88%，人工濕地占12%?！伴L江及其周圍湖群”是世界自然基金會(WWF)確定的具有全球意義的生態(tài)區(qū)域之一，也是中國濕地生物多樣性的關(guān)鍵地區(qū)之一，由于該區(qū)域為重要的農(nóng)業(yè)水產(chǎn)基地，隨著經(jīng)濟發(fā)展，當(dāng)?shù)氐臐竦孛媾R著巨大的壓力，面積不斷減少[19]。因此，加強對該區(qū)域濕地改造對環(huán)境影響的研究非常必要。

關(guān)于皖江濕地及不同圍墾利用方式下土壤碳呼吸的研究較少，已有的研究也主要集中在濕地土壤有機碳儲存、分布、空間差異及開墾后含量變化方面[14-16]。所以本文選擇皖江地區(qū)作為研究區(qū)域，在人為干擾較少的非耕季節(jié)開展土壤呼吸CO2排放通量野外觀測實驗，直觀評價濕地及不同圍墾利用方式下土壤呼吸CO2的貢獻效率，以期為溫室氣體減排提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 自然地理概況

皖江地區(qū)，即長江下游安徽段，屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年平均日照時數(shù)2 000～2 100 h，年平均氣溫15.7～16.6 ℃，年均相對濕度75%，無霜期230～250 d，年平均降水量1 050～1 400 mm，年均蒸發(fā)量1 500～1 800 mm，降水季節(jié)分配不均[20]。該區(qū)域有安慶沿江地區(qū)、升金湖、淡水豚保護區(qū)、揚子鱷保護區(qū)、龍感湖、十八索以及太平湖等一些有代表性的濕地。

皖江流域濕地一般在每年的11月至翌年的4月可以出露，生長著自然草甸植被，常見的是蘆葦和苔草，還生長有水蕨、眼子菜、黑藻和苦草等植物[16]。

1.2 試驗設(shè)計和研究方法

1.2.1 樣地選擇 選擇毗鄰平天湖的天然濕地(草甸土)、濕地圍墾形成的旱地(灰潮土)以及水稻田(潴育性水稻土)為研究對象，旱地和水稻田圍墾的年限為20 a。在3個樣地各選一個觀測點進行連續(xù)觀測，為保證數(shù)據(jù)的可比性，觀測點位置盡量接近，濕地測試點(30°39′N，117°34′E；海拔高度16 m；估計誤差11 m)、旱地測試點(30°39′N，117°34′E；海拔高度20 m；估計誤差6 m)、水稻田測試點(30°39′N，117°34′E；海拔高度17 m；估計誤差8 m)，水平距離小于20 m。

1.2.2 土壤CO2排放通量測定 采用密閉箱/便攜式紅外線氣體測定儀(MultiRAE Plus IR PGM-54)聯(lián)用技術(shù)對CO2濃度進行測定，密閉箱為高25 cm(有效高度20 cm+埋入地下5 cm)，底面直徑27 cm的圓柱塑料箱。箱上開有兩個孔(進氣孔、出氣孔)，內(nèi)裝微型電扇，測定時將便攜式紅外線氣體測定儀抽氣口和排氣口分別與密閉箱上的兩孔相連，形成一個閉合回路，將抽出的氣體還回到箱內(nèi)。

測定過程中，首先去除測定點地表生長植物，打開密閉箱內(nèi)風(fēng)扇，將密閉箱開口端埋入土壤5 cm深度，迅速打開儀器，讀取CO2濃度數(shù)據(jù)X0作為初始值，5 min之后讀取的數(shù)據(jù)Xt，作為即時值。按理想氣體方程，將測得的CO2排放通量按照式(1)轉(zhuǎn)化為標準狀態(tài)(0 ℃，101.325 kPa)進行比較：

式中：F——CO2排放通量〔mg/(m2·h)〕；Xt——CO2濃度即時值(ml/m3)；X0——CO2濃度初始值(ml/m3)；H——密閉箱的高度(m)； 273——標準狀態(tài)溫度(K)； 44——CO2的摩爾質(zhì)量(g/mol)；Pt——測試點空氣壓強(kPa)；T——采樣時密閉箱內(nèi)平均溫度(K)； 101.325——標準狀態(tài)大氣壓強(kPa)； 22.4——標準狀態(tài)氣體摩爾體積(L/mol)； Δt——集氣時間(h)。

研究樣地水稻田種植一季稻，旱地種植棉花，在該區(qū)域水稻生長季一般在5月上旬到10月上旬，棉花生長季在4月上旬到11月中下旬。根據(jù)本文研究目的，選擇在非耕季節(jié)不同月份開展相關(guān)試驗，為體現(xiàn)土壤CO2排放的季節(jié)性變化，試驗選擇在相同天氣情況下的2012年1月8，9日(冬季)以及3月10，12日(春季)的8:00—19:00對3種類型土壤CO2排放情況進行連續(xù)測定。在測定土壤CO2排放的同時，測得研究區(qū)域上部(0.50 m)空氣CO2濃度在1，3月份值分別為383.90和683.00 ml/m3。1月份，在溫度較高的11:00—15:00空氣中CO2濃度較低，最低峰值大概出現(xiàn)在13:00—14:00，低至342.00 ml/m3；3月份，8:00—11:00濃度維持在500～600 ml/m3波動，最高峰值出現(xiàn)在13:00—14:00，達到890 ml/m3。

1.2.3 空氣溫度與土壤溫度的測定 為了解3種不同類型土壤CO2排放與溫度因子之間關(guān)系，在測定CO2排放的同時，用埋入式溫度計測定表層土壤(10 cm)溫度以及測點地表空氣溫度，感溫5 min讀數(shù)。

1.2.4 土壤TOC含量的測定 在非耕季節(jié)，以荷蘭Eijkelkamp公司生產(chǎn)的不銹鋼土鉆采樣，每種樣地按0—5，5—10，10—20，20—30 cm垂直梯度采集土樣。采樣時按照S形布點，五點混合取土樣。樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，剔除草根等雜物，磨碎過100目篩，裝袋備用。

選用重鉻酸鉀容重法—外加熱法測定并計算土壤TOC含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 天然濕地、圍墾旱地及水稻田CO2排放總體特征

研究區(qū)天然濕地、旱地及水稻田CO2排放差異顯著，CO2排放通量水稻田>旱地>濕地。測試的4 d中，天然濕地、旱地及水稻田CO2通量的平均值分別為302.66,433.80,700.70 mg/(m2·h)，天然濕地CO2通量相當(dāng)于旱地70%左右，相當(dāng)于水稻田的43%左右(表1)。由此可知，濕地對大氣中CO2濃度貢獻最小。

2.2 天然濕地、圍墾旱地及水稻田CO2排放非耕季節(jié)變化特征

研究區(qū)天然濕地、圍墾旱地及水稻田CO2排放通量具有明顯的季節(jié)性變化特征。濕地、圍墾旱地及水稻田CO2排放通量在1和3月分別為：233.32和372.00 mg/(m2·h),275.52和592.08 mg/(m2·h),361.24和1 040.16 mg/(m2·h)(表1)，說明3種類型土壤在春季CO2排放通量較冬季有明顯的增長，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于冬季，植物根系呼吸作用減弱，同時由于春季溫度升高，土壤微生物活動加劇，植物根系呼吸作用增強，因此，形成了這種季節(jié)性變化特征。

表1 天然濕地、圍墾旱地及水稻田CO2排放通量 mg/(m2·h)

2.3 天然濕地、圍墾旱地及水稻田CO2排放通量增長率比較

在1月天然濕地、圍墾旱地及水稻田3種類型土壤CO2排放通量相差不大，三者之比為1∶1.18∶1.55，而在3月排放通量相差較大，三者之比為1∶1.59∶2.80。其中水稻田CO2排放通量增長幅度最大，增長率達到188%，濕地最小，增長率為59%。由此可知，季節(jié)變化對水稻田土壤CO2排放通量影響較大，而對濕地影響較小。

2.4 天然濕地、圍墾旱地及水稻田CO2排放通量與溫度相關(guān)性分析

對空氣溫度、土壤溫度分別與CO2排放通量進行相關(guān)性分析(圖1)，濕地、旱地、水稻田與空氣溫度相關(guān)系數(shù)分別為0.62,0.84,0.74，與表層土壤溫度相關(guān)系數(shù)分別為0.30,0.64,0.66。由此可知，3種土壤類型CO2排放與空氣溫度和土壤溫度均呈正相關(guān)，與大氣溫度相關(guān)性更為顯著，且通過對比發(fā)現(xiàn)，濕地表層土壤溫度與CO2排放通量相關(guān)系數(shù)僅為0.30，小于水稻田及旱地，原因有待進一步研究。

圖1 天然濕地、圍墾旱地及水稻田CO2排放通量與空氣溫度及表層土壤溫度的關(guān)系

2.5 土壤TOC含量比較

土壤TOC含量的多少可以較準確地反映土壤呼吸的強弱程度。從圖2可看出，在表層(0—5 cm深度)，圍墾旱地及水稻田土壤TOC含量明顯大于天然濕地，這可能與農(nóng)田長期施加有機肥料有關(guān)。水稻田TOC含量最大，達1.645%，旱地為1.640%，而天然濕地僅為0.978%。

圖2 天然濕地、圍墾旱地及水稻田不同深度土壤TOC含量

由此可見，表層土壤TOC含量的順序為：水稻田>旱地>天然濕地，這與測得土壤CO2排放通量規(guī)律一致。

在5—30 cm深度，天然濕地土壤TOC含量明顯高于圍墾旱地和水稻田，這說明天然濕地具有更強的固碳能力。

3 結(jié) 論

非耕季節(jié)，皖江地區(qū)天然濕地相對于圍墾旱地、水稻田CO2排放通量最小，濕地CO2排放通量相當(dāng)于圍墾旱地的70%左右，相當(dāng)于水稻田的43%左右，天然濕地土壤TOC含量明顯高于圍墾旱地及水稻田(0—30 cm深度土壤)，表明在非耕季節(jié)，天然濕地較圍墾旱地和水稻田對大氣中CO2濃度貢獻最小，能存儲更多的碳。3種土壤類型CO2排放3月相對于1月均有增加，表明不同土壤類型CO2排放具有相同的變化趨勢，但水稻田波動最大，濕地波動最小。通過與溫度相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，3種土壤類型CO2排放通量與大氣溫度和表層土壤溫度均呈正相關(guān)關(guān)系，與大氣溫度相關(guān)性更高。

[參考文獻]

[1]段曉男,王效科,逯非,等.中國濕地生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀和潛力[J].生態(tài)學(xué)報,2008,28(2):463-469.

[2]宋長春,閻百興,王躍思,等.三江平原沼澤濕地CO2和CH4通量及影響因子[J].科學(xué)通報,2003,48(23):2473-2477.

[3]劉子剛,張坤民.黑龍江省三江平原濕地土壤碳儲量變化[J].清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2005,45(6):788-791.

[4]楊鈣仁,張文菊,童成立,等.溫度對濕地沉積物有機碳礦化的影響[J].生態(tài)學(xué)報,2005,25(2):243-248.

[5]宋長春,王毅勇,王躍思,等.人類活動影響下淡水沼澤濕地溫室氣體排放變化[J].地理科學(xué),2006,26(1):82-86.

[6]楊繼松,劉景雙,孫麗娜.三江平原草甸濕地土壤呼吸和枯落物分解的CO2釋放[J]. 生態(tài)學(xué)報,2008,28(2):805-810.

[7]黃靖宇,宋長春,宋艷宇,等.濕地墾殖對土壤微生物量及土壤溶解有機碳、氮的影響[J]. 環(huán)境科學(xué),2008,29(5):1380-1387.

[8]王憲偉,李秀珍,呂久俊,等.凍融作用對大興安嶺濕地泥炭分解排放二氧化碳的影響[J].土壤通報,2010,41(4):970-975.

[9]田應(yīng)兵,熊明彪,熊曉山,等.若爾蓋高原濕地土壤—植物系統(tǒng)有機碳的分布與流動[J].植物生態(tài)學(xué)報,2003,27(4):490-495.

[10]王德宣.若爾蓋高原泥炭沼澤二氧化碳、甲烷和氧化亞氮排放通量研究[J].濕地科學(xué),2010,8(3):220-224.

[11]高俊琴,雷光春,李麗,等.若爾蓋高原三種濕地土壤有機碳分布特征[J].濕地科學(xué),2010,8(4):327-330.

[12]田昆,常鳳來,陸梅,等.人為活動對云南納帕海濕地土壤碳氮變化的影響[J].土壤學(xué)報,2004,41(5):681-686.

[13]吳玉源,陳槐,林芳淼,等.三峽水庫澎溪河新生濕地CO2排放研究[J]. 重慶師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2012,29(3):79-83.

[14]遲傳德,許信旺,吳新民,等.安徽省升金湖濕地土壤有機碳儲存及分布[J].地球與環(huán)境,2006,34(3):56-64.

[15]許信旺,潘根興,曹志紅,等.安徽省土壤有機碳空間差異及影響因素[J].地理研究,2007,26(6):1077-1086.

[16]林凡,李典友,潘根興,等.皖江自然濕地土壤碳密度及其開墾為農(nóng)田后的變化[J].濕地科學(xué),2008,6(2):192-197.

[17]汪青,劉敏,侯立軍,等.崇明東灘濕地CO2，CH4和N2O排放的時空差異[J].地理研究,2010,29(5):935-946.

[18]馬安娜,陸健健.長江口崇西濕地生態(tài)系統(tǒng)的二氧化碳交換及潮汐影響[J].環(huán)境科學(xué)研究,2011,24(7):716-721.

[19]朱振國,鄭姚閩.中國濕地調(diào)查[J].百科知識,2012(3):4-8.

[20]朱同林,張光生.安徽省沿江濕地資源現(xiàn)狀、問題和對策[J].資源開發(fā)與市場,2005,21(4):300-302.