小興安嶺不同沼澤ＣＯ２、ＣＨ４和Ｎ２Ｏ排放通量的相互關(guān)系研究

石蘭英 牟長城

摘要：利用靜態(tài)箱-氣相色譜法連續(xù)兩個生長季（2007—2008年）對小興安嶺典型修氏苔草（Carex schmidtii）沼澤和油樺（Betula ovalifolia）-修氏苔草灌木沼澤CO2、CH4和N2O的排放通量進(jìn)行野外原位觀測。結(jié)果表明，除2008年灌木沼澤為N2O的弱匯外，其他均為溫室氣體的排放源。除苔草沼澤生長季初期，CH4與N2O具顯著負(fù)相關(guān)外，CO2與CH4、CO2與N2O及CH4與N2O均呈正相關(guān)，但顯著性水平視不同濕地類型以及不同季節(jié)而定。

關(guān)鍵詞：CO2排放通量;CH4排放通量;N2O排放通量;修氏苔草（Carex schmidtii）沼澤;油樺（Betula ovalifolia）-修氏苔草灌木沼澤;小興安嶺

中圖分類號：X173;X171.1;X831 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）24-0080-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.22.019 ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Research on relationship among CO2，CH4 and N2O emission fluxes from different marshs in Xiaoxingan Mountains

SHI Lan-ying1，MOU Chang-cheng2

（1.College of History and Culture，Mudanjiang TeachersCollege，Mudanjiang 157011，Heilongjiang，China;

2.College of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040， China）

Abstract： CO2，CH4 and N2O fluxes were measured using the technique of closed opaque chamber and gas chromatography system. The experiment was carried out during 2007—2008 growing seasons in field of Carex schmidtii marsh and Betulaovalifolia-Carex schmidtii shrub swamp ecosystems in Xiaoxingan Mountains. The results showed that the two wetlands both were emission sources of greenhouse gases during growing seasons， except for the weak sink of N2O in shrub swamps in 2008. Excepted for CH4 and N2O were negatively correlated in the early growing season of Carex schmidtii marsh， there was a positively correlation between CO2 and CH4 emission fluxes， CO2 and N2O emission fluxes， and CH4 and N2O emission fluxes. But the level was different in various wetlands or seasons.

Key words： CO2 fluxes; CH4 fluxes; N2O fluxes; Carex schmidtii marshes; Betula ovalifolia-Carex schmidtii shrub swamp; Xiaoxingan Mountains

溫室氣體排放導(dǎo)致全球變暖問題是全球關(guān)注的熱點(diǎn)。主要溫室氣體（CO2、CH4和N2O）的研究大多關(guān)注一種或含碳?xì)怏w的排放和源匯，3種溫室氣體綜合效應(yīng)研究鮮有報道[1-3]。農(nóng)田、森林、草原和濕地生態(tài)系統(tǒng)及地區(qū)大氣CO2、CH4和N2O之間相互關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，3種氣體中某2種氣體相互間存在一定的相關(guān)關(guān)系[1-11]。

濕地是多種溫室氣體的源和匯，在全球氣候變化中占有重要地位。自然濕地3種氣體的相互關(guān)系報道較少[1，4，11]，因此，本研究根據(jù)野外實(shí)地觀測結(jié)果，分析了小興安嶺林區(qū)典型修氏苔草（Carex schmidtii）沼澤和油樺（Betula ovalifolia）-修氏苔草灌木沼澤3種主要溫室氣體排放的相互關(guān)系，揭示林區(qū)典型苔草和灌木沼澤溫室氣體排放的規(guī)律，以便為客觀評價中國天然濕地溫室氣體排放總量、控制溫室氣體排放及濕地保護(hù)與合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?研究區(qū)域概況

研究地點(diǎn)位于小興安嶺中段，黑龍江省東北部伊春市友好林業(yè)局永青林場（128°30′36″E—128°45′00″E、48°03′53″N—48°17′11″N），平均海拔260～500 m，屬溫帶大陸濕潤季風(fēng)氣候。年均溫0.4 ℃，年積溫2 000～2 500 ℃。年均降雨量630 mm，集中在冬季降雪和7—8月降雨，占全年降雨量70%。地帶性土壤是暗棕壤，占71%[12，13]。

參照郎惠卿[14]的標(biāo)準(zhǔn)，以優(yōu)勢植被進(jìn)行分類，分為修氏苔草沼澤和油樺-修氏苔草灌木沼澤。泥炭層厚度為50～100 cm，兩塊樣地相互鄰近，空氣溫度無顯著差異。

1.2 ?氣體采集與分析

氣體的采集與分析采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法[12，13]。取樣時間為2007年6—10月，2008年5—10月9：00—11：00[15，16]，取樣頻率為每月3次，約10 d取1次。日變化觀測在生長季初期（2008年6月4—5日）、中期（2007年8月4—5日）和末期（2007年9月24—25日）。9：00開始每間隔3 h取樣1次，共取樣8次，取樣同時原位測定空氣溫度、箱內(nèi)溫度、0～40 cm土壤溫度及水位。

1.3 ?數(shù)據(jù)處理

采用軟件SPSS 11.0完成Pearson相關(guān)和偏相關(guān)分析排放通量間的關(guān)系，Excel 2003作圖。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?CO2、CH4和N2O日變化通量間關(guān)系

苔草和灌木沼澤3種溫室氣體的日變化研究表明，除生長季初期為N2O的吸收匯，其他均為3種溫室氣體的排放源。初期偏相關(guān)分析結(jié)果顯示，CO2與CH4日排放通量間顯著正相關(guān)（r=0.84，P<0.05）（圖1A）;而CH4與N2O通量間顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.78，P<0.05）（圖1B）;苔草沼澤生長季后期，生態(tài)系統(tǒng)呼吸日排放CO2通量與CH4日排放通量間極顯著正相關(guān)（r=0.85，P<0.01）（圖1C）。

灌木沼澤生長季后期，對3種氣體的偏相關(guān)進(jìn)行分析可知，CO2與CH4和N2O日排放通量間均顯著正相關(guān)（r=0.76，P<0.05）、（r=0.78，P<0.05）（圖1D、圖1E）;CH4與N2O日排放通量間顯著正相關(guān)（r=0.75，P<0.05）（圖1F）。表明苔草沼澤和灌木沼澤CO2、CH4和N2O日排放通量之間存在著顯著的耦合作用。

2.2 ?CO2、CH4和N2O季節(jié)變化通量間關(guān)系

在生長季節(jié)，除灌木沼澤2008年為N2O的吸收匯外，其他均為3種溫室氣體的排放源。分別對苔草和灌木沼澤2007年和2008年CO2、CH4和N2O季節(jié)排放通量間的Pearson相關(guān)性進(jìn)行分析得知，苔草沼澤2008年生長季CO2與CH4排放通量間極顯著正相關(guān)（r=0.63，P<0.01）（圖2）。

3 ?討論

有研究認(rèn)為CH4產(chǎn)生可能與生態(tài)系統(tǒng)呼吸產(chǎn)生CO2能力正相關(guān)[3]。主要由于植物光合作用對產(chǎn)甲烷菌的基質(zhì)供給及植物對CH4輸送的效應(yīng)超過了抑制和氧化的作用，促進(jìn)了CH4排放[17]。生態(tài)系統(tǒng)呼吸為CH4產(chǎn)生提供了重要基質(zhì)，包括植物根系呼吸產(chǎn)生的CO2及分泌物[18]和土壤微生物呼吸過程消耗大量土壤有機(jī)質(zhì)，從而為CH4產(chǎn)生提供了大量易礦化碳[19];同時，濕地植物具有發(fā)達(dá)通氣組織，可能在CH4傳輸上起重要的通道作用。因此，CO2和CH4排放通量間呈正相關(guān)關(guān)系。

N2O的產(chǎn)生主要來自硝化和反硝化的微生物過程[20]，土壤微生物需要從有機(jī)物分解中獲得能量和基質(zhì)，因此，土壤中N2O產(chǎn)生與有機(jī)碳分解過程緊密相連;同時土壤呼吸的加強(qiáng)造成土壤O2含量降低，為反硝化作用創(chuàng)造有利的低氧環(huán)境，從而促進(jìn)N2O的產(chǎn)生[11];除此之外，植物具有發(fā)達(dá)通氣組織，為N2O的傳輸提供了通道[20];且植物的根系分泌物提高了反硝化細(xì)菌活性，也促進(jìn)N2O產(chǎn)生[21]。無論是土壤中有機(jī)碳的分解還是植物的影響，均是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)總呼吸速率的重要成分，故N2O與生態(tài)系統(tǒng)總呼吸排放CO2通量間呈顯著正相關(guān)。

本研究中灌木沼澤生長季末期，CH4與N2O為正相關(guān)關(guān)系，與郝慶菊[11]和盧妍等[1]研究結(jié)論一致。這主要是由于植物及低水位對CH4及N2O的產(chǎn)生和排放起促進(jìn)作用。灌木沼澤水位較低（-23.8 cm），有利于土壤有機(jī)質(zhì)分解，同時根系分泌有機(jī)質(zhì)活性高，這不僅提高了反硝化細(xì)菌的活性，還為甲烷菌以及反硝化細(xì)菌提供了重要的基質(zhì)來源[11]，因而促進(jìn)了CH4及N2O的產(chǎn)生。苔草沼澤生長季初期，CH4與N2O為負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與已成定論的水稻生長季內(nèi)CH4與N2O通量之間呈互為消長的負(fù)相關(guān)關(guān)系結(jié)論一致[1，7，22]。此種關(guān)系主要是由于水分因素的作用，苔草沼澤生長季初期水位較高，為6.4 cm，高水位抑制了N2O的排放，而此種厭氧環(huán)境更有利于CH4的產(chǎn)生。

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