水位變化對(duì)黃河中游蒲草濕地CO2排放速率的影響

呂海波，張虹

渭南師范學(xué)院/陜西省河流濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 渭南 714000

濕地是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成，因其具有調(diào)節(jié)氣候等功能而倍受關(guān)注。全球濕地面積僅占陸地面積的4%～6%（Matthews et al.，1987），碳儲(chǔ)量卻可達(dá)300～600 Gt（IPCC，2001），故其在以CO2為代表的溫室氣體控制方面具有重要意義。全球氣候的影響具有地域差異，不同地區(qū)大氣成分、濕地環(huán)境的變化對(duì)濕地控碳功能產(chǎn)生了直接和間接的影響（Holmes et al.，2015；Oikawa et al.，2017），其中，濕地水位狀況往往對(duì)土壤需氧層/厭氧層界面和土壤氧化還原水平起決定性作用（Dinsmore et al.，2009），從而在很大程度上對(duì)土壤呼吸產(chǎn)生顯著影響，因而成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

一般認(rèn)為，隨水位升高，土壤逐漸轉(zhuǎn)為厭氧環(huán)境，CO2排放量逐漸減少，低水位則會(huì)造成CO2排放增加（Mitsch et al.，2013）。然而，由于水位不僅影響土壤環(huán)境，對(duì)植物生長(zhǎng)狀態(tài)、微生物種類及活性也有明顯影響，使得水位對(duì)土壤排碳的影響復(fù)雜化。目前，有關(guān)水位對(duì)CO2排放的規(guī)律研究并未有一致結(jié)論。盛宣才等（2016）對(duì)中國(guó)杭州濕地的研究發(fā)現(xiàn)，隨水位上升，CO2通量增加，但在10 cm以上，則會(huì)隨水位上升而下降；Burkett et al.（2000）發(fā)現(xiàn)，濕地在排干或半排干的條件下，水位降低時(shí)CO2排放速率增加，而在淹水條件下，這一特征并不明顯。水位變化對(duì)CO2的影響研究始終未達(dá)成一致結(jié)論，很大一部分原因是影響因素過多且難以控制。水分條件對(duì)于水位變化頻繁的河流濕地CO2排放影響較為重要，中國(guó)西北半干旱地區(qū)近 50年降水量減少，變率增大，已有河流水位變化頻繁的證據(jù)（陳冬冬等，2009；張文等，2007）。對(duì)于中國(guó)西部地區(qū)降水補(bǔ)給型河流來說，降水造成了水位頻繁變化，對(duì)其對(duì)河流兩岸濕地固碳功能的影響進(jìn)行研究十分必要。本研究在具有西北地區(qū)最大流域面積的黃河中游選擇代表性蒲草濕地，通過人工控制試驗(yàn)研究各種水位變化對(duì)濕地 CO2排放速率的影響，旨在探明在“氣候變化-降水變化-水位變化-濕地排碳變化-氣候變化”關(guān)系鏈中，濕地排碳對(duì)氣候變化的反饋機(jī)制。

1 研究地概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

龍門—潼關(guān)段是黃河中游水情較為特殊的一段，陜西龍門站附近的禹門口是晉陜峽谷的南口，水量承接中國(guó)西北地區(qū)流域的降水補(bǔ)給，以下展寬為4～10 km的河谷漫灘，流經(jīng)汾渭階地平原河段，兩岸灘地較多，發(fā)育有濱河濕地（圖1）。

1.2 人工試驗(yàn)設(shè)置

2017年 7月 16日，選擇韓城市黃河河灘（35°25.082'N，110°28.03'E）典型蒲草濕地進(jìn)行人工水位控制試驗(yàn)設(shè)置，樣地距離黃河河邊約10 m，距水面高差50～60 cm，試驗(yàn)過程中河面水位相對(duì)穩(wěn)定。蒲草濕地外貌整齊，地面平整，平均株高約120 cm，葉寬 4 mm，密度 1100 plant·m-2。

在 80 cm×80 cm蒲草濕地的外圍挖掘 50 cm寬、60 cm深的水槽，槽內(nèi)鋪設(shè)塑料阻滲膜，內(nèi)壁開孔以供水滲透（圖2），共設(shè)置9個(gè)培養(yǎng)坑：選擇外貌一致的蒲草群落，平行于河岸一字排開，間距大于6 m。分別設(shè)置To、T、Tf、Th 3個(gè)處理，每處理重復(fù)3次，各樣地之間間隔6 m以上。其中，To處理為不注水對(duì)照處理；T處理為采樣前3 h注水至地表，任其自由滲透，后期不進(jìn)行補(bǔ)水；Tf為每次分析完后注水至地表以維持土壤持續(xù)飽水狀態(tài)；Th為每次分析后注水至水位-30 cm，使土壤水位保持中等水平。各處理設(shè)置完成后開始監(jiān)測(cè)分析，監(jiān)測(cè)時(shí)段為2017年7月16日13:03—2017年7月23日5:54，采集中心樣方數(shù)據(jù)，初期每隔3～4 h采集1次數(shù)據(jù)，后期時(shí)間間隔適當(dāng)加長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)持續(xù)160.85 h，共獲得19組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)3個(gè)重復(fù)。根據(jù)當(dāng)?shù)厝粘鋈章鋾r(shí)間（5:46和 19:54）分析 CO2晝夜排放變化。

圖 2 注水試驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure Chart of artificial settings

圖1 研究區(qū)位置Fig. 1 Location of study area

1.3 CO2瞬時(shí)排放速率的采集

CO2排放速率采用WEST Systems便攜式土壤CO2/H2O 通量系統(tǒng) WS-LI840（west systems portable flux meter WS-LI840），葉室直徑200 mm，高200 mm。采樣前預(yù)熱30 min以上，每個(gè)樣品平均耗時(shí)5 min，利用系統(tǒng)自帶軟件進(jìn)行蒲草濕地土壤CO2排放速率的監(jiān)測(cè)；同時(shí)用玻璃溫度計(jì)測(cè)量5 cm深度土溫，溫度計(jì)長(zhǎng)期定點(diǎn)讀數(shù)，期間溫度計(jì)不拆除。盡量保持蒲草群落原貌，葉室盡量扣在土表以測(cè)量土壤 CO2排放速率，選擇蒲草叢間空地進(jìn)行采樣，干旱樣地采樣時(shí)應(yīng)壓實(shí)以保證邊緣與地面緊密接觸，必要時(shí)割除局部低矮雜草。每個(gè)樣地重復(fù)3次測(cè)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

運(yùn)用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)初期處理和作圖。運(yùn)用SPSS 19.0對(duì)監(jiān)測(cè)過程中土溫和CO2排放速率進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，采用最小顯著差異法（LSD）對(duì)各處理CO2排放速率進(jìn)行多重比較，顯著水平為P＜0.05。

利用瞬時(shí)排放速率對(duì)監(jiān)測(cè)期間各類樣地CO2排放總量ET進(jìn)行計(jì)算（線性內(nèi)插法）：

式中，n為采樣次數(shù)；v為瞬時(shí)排放速率；t為采樣時(shí)間。

2 結(jié)果與分析

2.1 自然樣地CO2瞬時(shí)排放晝夜變化規(guī)律

19次監(jiān)測(cè)中，To平均CO2排放速率最高，總體表現(xiàn)為 To＞Th＞Tf＞T，To與各處理類型差異顯著，但各注水處理之間未表現(xiàn)出顯著差異（表1）。監(jiān)測(cè)過程中，自然樣地 CO2排放速率變化于3.99～15.23 μmol·m2·s-1之間（圖 3），在 7 個(gè)自然日的監(jiān)測(cè)過程中，CO2排放有一定的晝夜變化規(guī)律，排放速率在第 1、3、4、5、7日的白天出現(xiàn)高值，而夜晚沒有發(fā)現(xiàn)明顯高值。相關(guān)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土溫變化與 CO2排放速率沒有表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性（未顯示結(jié)果），但在第3～5天（約24～100 h），CO2排放速率和土溫波動(dòng)頻繁，顯示氣溫變化對(duì)其影響較大。

表1 各處理CO2排放速率均值Table 1 Average CO2 emission rates of four types

2.2 水位變化對(duì)CO2排放速率的影響

如圖3所示，人工控制水位后后，T處理水位逐漸下降，約24 h恢復(fù)至原有水平。監(jiān)測(cè)前24 h內(nèi)To和T變化趨勢(shì)一致，都表現(xiàn)為先升后降，但To變化幅度和變化值明顯高于T，24 h后T迅速上升，持續(xù)大約12 h，37.69 h后達(dá)到最高值。監(jiān)測(cè)37.69～100 h，To和T波動(dòng)基本以1 d為周期，除87.97 h處之外，To波動(dòng)略滯后于T，期間19個(gè)CO2排放速率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平均值為 8.38 μmol·m2·s-1（To）和 5.93 μmol·m2·s-1（T），T 仍低于 To。監(jiān)測(cè)100～160.86 h，兩者基本變化趨勢(shì)一致，最高值都出現(xiàn)在144 h處（下午13:30），但T的CO2排放速率仍然明顯低于To。

圖3 各類型樣地CO2瞬時(shí)排放速率對(duì)比Fig. 3 Comparison of CO2 instantaneous emission rates of various types of sample plots.

監(jiān)測(cè)期間，持續(xù)注水處理（Th和Tf）CO2排放速率變化特征基本一致，但總體上 Tf略低于Th。監(jiān)測(cè)24 h內(nèi)，Th和Tf處理CO2排放速率瞬時(shí)速率逐漸增加，在第 2天（9:45）達(dá)到最大；24～100 h內(nèi)，二者同步波動(dòng)，變化頻繁，但波動(dòng)幅度小于To和T；100～160.86 h內(nèi)，Th和Tf處理排放速率晝夜變化波動(dòng)平緩。除了最初24 h，監(jiān)測(cè)24～160.86 h內(nèi)，Tf和Th波動(dòng)明顯比T和To和緩，波幅分別為 4.53 μmol·m2·s-1和 5.20 μmol·m2·s-1。

2.3 水位變化造成CO2排放總量的差異

監(jiān)測(cè)期間，CO2總排放量表現(xiàn)為 To＞Th＞Tf＞T（5.19、4.19、3.62、3.39 mol·m-2），注水后各處理都表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，總排放量差值在 1.00～1.80 mol·m-2之間（圖4）。T、Tf和Th處理CO2總排放量分別下降34.6%、30.2%、19.3%。

圖4 監(jiān)測(cè)期間CO2總排放量對(duì)比Fig. 4 Comparison of total amount of CO2 emission during monitoring

3 討論

3.1 CO2排放晝夜變化規(guī)律

濕地土壤 CO2排放受土溫和水分兩個(gè)直接因素，以及土壤微生物、生物生長(zhǎng)狀態(tài)、土壤氧化還原條件等間接因素的影響，這些因素是造成晝夜差異的原因。由于晝夜各因素變化情況復(fù)雜，目前有關(guān)CO2排放的晝夜變化研究得出的結(jié)論并不相同：歐強(qiáng)等（2014）對(duì)崇明東灘濱河濕地的研究發(fā)現(xiàn)，中低水位CO2通量最高值出現(xiàn)在12:00左右，最低值出現(xiàn)在凌晨4:00；黃文敏等（2013）對(duì)香溪河秋季濕地CO2排放的研究也發(fā)現(xiàn)晝高夜低的規(guī)律。然而，盛宣才等（2016）發(fā)現(xiàn)杭州灣CO2通量表現(xiàn)為晝低夜高，白天為匯，夜間為源；張發(fā)兵等（2004）發(fā)現(xiàn)太湖春季碳通量也表現(xiàn)為晝低夜高的規(guī)律。氣溫和水分兩因素中，氣溫與CO2排放呈正相關(guān)已有足夠的證據(jù)證明（王洋等，2010；汪青等，2010），白天氣溫升高造成有機(jī)質(zhì)腐解速度增加，同時(shí)白天生物活動(dòng)活躍，植物根系呼吸及微生物腐解活動(dòng)加強(qiáng)，是CO2排放量增加的原因。另一方面，白天濕地水體隨著溫度升高，CO2溶水量增加，對(duì)來自土壤的CO2都有一定的吸收作用，從而造成CO2排放量的減小。晝夜變化特征受以上兩方面因素影響，在不同季節(jié)、不同植被類型中可能得出不同的結(jié)論。受其他因素影響，本研究中，氣溫變化與CO2排放沒有直接的相關(guān)性，夏季蒲草濕地CO2排放有晝高夜低的趨勢(shì)，與上述研究結(jié)果（歐強(qiáng)等，2014；黃文敏等，2013）一致。

3.2 靜態(tài)、動(dòng)態(tài)水位對(duì)CO2排放的影響

正常氣溫條件下，穩(wěn)態(tài)水分變化與 CO2排放呈負(fù)相關(guān)，但在動(dòng)態(tài)水分條件下 CO2排放的變化研究目前鮮有報(bào)道。注水后T處理在24 h內(nèi)水位逐漸下降，其CO2排放速率下降速度快于To，變化趨勢(shì)兩者保持一致。這一階段 T處理土壤由好氧狀態(tài)變?yōu)閰捬鯛顟B(tài)，含碳?xì)怏w的產(chǎn)生機(jī)制發(fā)生了變化。注水初期淹水抑制了排碳機(jī)制，如物理聚合被破壞（Inglima et al.，2009）、氧化還原電位降低（Seybold et al.，2002）、微生物活性降低且群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（Fierer et al.，2002）、有機(jī)質(zhì)腐解降低及蒲草生理響應(yīng)等，CO2排碳量降低。在淹水后24 h，水位下降到初始水平，土壤水含量下降，氧氣含量上升，CO2排放速率出現(xiàn)反彈，出現(xiàn)類似于“Birch效應(yīng)”的現(xiàn)象（Birch，1958），故其排碳速度高于To。37.69 h后T處理呈1 d周期性波動(dòng)，說明其 CO2排放規(guī)律正在擺脫初期淹水的影響，與To趨于一致。Moffett et al.（2010）發(fā)現(xiàn)潮間帶濕地淹水程度伴隨潮汐而變化，使?jié)竦?CO2交換產(chǎn)生與潮汐運(yùn)動(dòng)協(xié)同或略滯后的周期性，持續(xù)短暫作用卻強(qiáng)烈。與本研究結(jié)果類似，短期淹水時(shí)，蒲草濕地 CO2排放速率出現(xiàn)同步、滯后、同步的過程，在監(jiān)測(cè)期間，短期淹水造成了 CO2排放總量的減小。

與To相比，Tf和Th處理CO2排放速率在監(jiān)測(cè)過程中表現(xiàn)出初期差異大，后期小差異但大趨勢(shì)保持一致的特征。顯然，持續(xù)淹水也改變了濕地排碳過程，造成與To的顯著差異。雖然Th和Tf處理 CO2排放速率差異不顯著，保持了同一變化趨勢(shì)，但大部分時(shí)間Th都高于Tf。

監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，各處理 CO2排放總量表現(xiàn)為To＞Th＞Tf＞T，研究表明，盡管各注水處理都能造成CO2排放量下降，但持續(xù)注水后造成的影響明顯不如瞬時(shí)注水。有研究發(fā)現(xiàn)（呂海波等，2012），土壤有機(jī)質(zhì)可溶型成分屬于活性、能夠被根系和微生物分解的一類物質(zhì)。注水后土壤有機(jī)質(zhì)中可溶性成分增加，厭氧型微生物逐漸繁殖生長(zhǎng)，持續(xù)飽水狀態(tài)前提下，有機(jī)質(zhì)逐漸被厭氧分解，釋放出CH4，根系由于土壤 O2含量減少，呼吸作用降低，釋放出的 CO2量多由 CH4氧化而成（Nielsen et al.，2017）；短暫注水時(shí)，可溶性有機(jī)質(zhì)含量增加，水位下降后土壤很快恢復(fù)好氧環(huán)境，好氧型微生物群落發(fā)育，有機(jī)質(zhì)好氧分解加速，CO2排放量增加。Olsson et al.（2015）對(duì)遼河入海口蘆葦濕地土壤在水位波動(dòng)頻繁時(shí)大部分最終轉(zhuǎn)化為 CO2的 CH4增加，與本研究成果一致。

近年來黃河濱河濕地水位頻繁升降顯然造成了濕地碳排放的波動(dòng)，本研究結(jié)果證明，在-60 cm水位背景下，河流水位上升能夠造成CO2排放速率下降，水位短期上升影響最大，持續(xù)淹水情況下的影響較半掩水顯著。水位瞬時(shí)上升、7日持續(xù)大幅度上升和7日持續(xù)小幅度上升后可造成CO2總排放分別下降34.6%、30.2%、19.3%，水位上升無(wú)疑會(huì)顯著抑制CO2的排放，這對(duì)于濕地排碳研究具有重大意義。雖然監(jiān)測(cè)過程中淹水造成的影響逐漸減弱，但要確定其恢復(fù)和補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間，尚需更長(zhǎng)時(shí)段的監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)過程中，蒲草濕地距河面垂直距離大約60 cm，根據(jù)2003年與2011年水位變化數(shù)據(jù)，研究區(qū)7—9月水位平均變化幅度為1.11 m（呂海波，2017），自然水位的變化能夠造成黃河邊灘濕地交替出現(xiàn)半淹水、全淹水狀態(tài)，對(duì)本研究區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步研究將有十分重要的意義。

4 結(jié)論

研究證明，水位變化對(duì)蒲草濕地CO2排放的影響顯著而復(fù)雜。自然樣地CO2排放速率表現(xiàn)出晝高夜低的趨勢(shì)。一次注水處理后CO2排放速率在初期急劇下降，24 h后快速上升，37.69 h達(dá)到最高值，后期普遍降低，7日內(nèi)有同步、滯后、同步的波動(dòng)過程。持續(xù)注水至地表（Th）與持續(xù)注水至-30 cm水位（Tf）處理CO2排放速率變化特征基本一致，總體上Tf略低于Th，二者后期波動(dòng)和緩。各處理CO2排放總量表現(xiàn)為 To＞Th＞Tf＞T，盡管各處理都能造成CO2排放減少，但持續(xù)注水后造成的影響明顯不如瞬時(shí)注水。研究表明，黃河中游頻繁的水位波動(dòng)明顯減弱了蒲草濕地CO2排放，對(duì)濕地碳庫(kù)功能具有顯著影響。