滇西北高原纳帕海湿地N2O排放特征

解成杰　余磊朝　王山峰　郭雪莲

摘要：选取纳帕海湿地典型沼泽、沼泽化草甸和草甸为研究对象，研究纳帕海湿地N2O的排放特征及其影响因素，阐明湿地生态演替对N2O排放的影响机制。结果表明，草甸N2O的排放最多，沼泽的排放量最少。3种类型湿地N2O的排放特性明显不同，草甸中N2O的排放趋势为5、7、9月不断下降，到11月后略微上升。沼泽化草甸中N2O的排放量随月份持续下降。沼泽中N2O的排放在5月和9月各有一次排放高峰。环境因子对3种湿地类型N2O的排放影响复杂。沼泽N2O排放与土壤全氮含量呈显著负相关（P<0.05），与土壤有机质、有机碳含量呈负相关但未达到显著水平，与土壤温度、含水率、C/N比、铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）、土壤容重相关性均不显著。沼泽化草甸N2O排放与土壤20～30 cm含水率，土壤全氮、NO3--N呈正相关但未达到显著水平。草甸N2O排放与所有环境因子相关性均不显著。研究时段内总的N2O排放浓度为草甸>沼泽化草甸>沼泽。

关键词：高原湿地；纳帕海；N2O排放；生态演替

中图分类号：Q948 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）06-1410-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.06.013

N2O作为一种重要的温室气体，引起的全球潜在增温比二氧化碳高出298倍[1]。N2O能在大气中存留大约114年[2]，造成平流层中臭氧的大量损耗[3]。因此，N2O对大气环境造成的影响是长期和潜在的。自工业革命以来，大气中N2O浓度以每年0.2%～0.3%的速率增长[4]。陆地生态系统排放的N2O大约占大气中N2O的65%[5]。湿地中N2O排放的增加已成为全球N2O通量的一个重要部分[6]。国外对湿地生态系统N2O的排放特征、生成机制及影响因素等进行了广泛研究。Tja？觢a等[7]研究欧洲南部（卢布尔雅那沼泽）泥炭地N2O排放认为在夏季和早春期间N2O通量排放最高，而且N2O通量的变化与水位和土壤碳含量有关。Jennifer等[8]应用15N示踪对美国沿海平原湿地N2O的排放进行了评估，表明高湿度和高有机质含量的土壤能产生相对较高的N2O。而Mitsuru等[9]研究认为盐沼中温室气体的时空差异与地上生物量有关，且N2O通量日变化与任何环境因子无显著的相关关系。Zhu等[10]研究表明南极洲东部苔原沼泽N2O的排放在一天中不同时间里有很大的不同，排放峰与地面最高温度同时发生。此外研究对象还涉及海湾潮滩湿地[11]、河口海岸湿地[12]、湖岸湿地[13]和人工湿地[14]。国内相关研究主要集中在三江平原沼澤湿地、东部滨海湿地和平原湖泊湿地。卢妍等[15]研究三江平原小叶章草甸N2O通量日变化特征后认为小叶章草甸土壤-植物系统和土壤的N2O通量的变化趋势与气温、地表温度、5 cm、10 cm、15 cm和20 cm地温均呈正相关关系。而宋长春等[16]研究淡水沼泽湿地N2O排放通量年际变化时认为，N2O排放通量与土壤温度和水深相关性不显著。Sun等[17]研究黄河河口碱蓬属沼泽时认为，一天中N2O的日排放与任何环境因子相关性不大。万晓红等[18]研究表明，白洋淀湖泊湿地N2O的排放呈现明显的时空变化特性，夏季N2O的排放量最大，且湖滨带是其排放的活跃区；白洋淀湖泊湿地优势植物芦苇的生长状况影响N2O的产生与排放，其鲜质量增加量与N2O的排放通量呈负相关性；土壤含水率的变化与N2O的排放通量有着较好的相关性，土壤含水率升高，N2O的排放通量增加；白洋淀湖泊湿地水中亚硝态氮质量浓度与N2O的产生和排放关系密切，随着亚硝态氮质量浓度的增加，N2O的排放通量呈对数增长。这些有关湿地N2O排放的研究都集中在中国东部地区，且研究结果差异较大。对位于重要江河源头的若尔盖高原湿地也有所研究[19]，但对滇西北高原湿地有关N2O排放特征尚未开展相关研究。

位于滇西北金沙江流域的纳帕海湿地，是中国低纬度高海拔的典型季节性高原湖泊湿地，是云南高原四大国际重要湿地之一。由于地处长江上游，调节着冰雪融水、地表径流和河流水量，对长江下游水位和水量均衡有着重要作用，孕育了丰富的生物多样性，是全球生物多样性保护的热点地区之一[20]。由于地处农牧交错区和旅游热点地带，成为滇西北高原受人为干扰较为突出的代表性湿地。近年来，在气候变化和人类活动影响下，纳帕海湿地干旱化程度加剧，湿地空间上从湖心向湖岸呈现出由沼泽向沼泽化草甸、草甸的演替格局[21，22]。这种演替对纳帕海湿地N2O排放有什么影响，目前国内尚未研究。本研究以滇西北高原纳帕海湿地为研究区，按照水分梯度，选取沼泽、沼泽化草甸和草甸为研究对象，研究纳帕海湿地不同演替阶段湿地N2O的排放特征，阐明湿地生态演替对N2O排放的影响，为滇西北高原湿地保护与全球气候变化研究提供基础资料。

1 研究区概况

纳帕海湿地位于滇西北横断山脉中段香格里拉县境内（27°49′-27°55′N，99°37′-99°41′E），海拔3 260 m，面积3 100 hm2，为低纬度高海拔的季节性内陆高原湖泊湿地。本区保留的第三纪末期形成的古夷平面错落分布在不同高度，纳帕海即发育在石灰岩母质的中甸高原上。受喀斯特作用的强烈影响，湖盆底部被蚀穿而形成落水洞，湖水在地下汇集后从北部穿过小背斜出露形成支流汇入金沙江。湖盆四周山岭环绕，从湖盆中心至湖岸生长着大量的水生和陆生植被，湖滨有较大面积的沼泽草甸，周围山上生长着硬叶常绿阔叶林和云杉冷杉针叶林以及灌丛。水量补给主要依靠降雨、冰雪融水和湖东南侧几条短小河流，以及湖两侧沿金沙江一中甸断裂带上涌的泉水[23]。纳帕海湿地地处青藏高原与亚热带季风气候区和中南半岛热带季风区的结合部，具有高寒、年均温低、霜期长、气温年较差和日较差大、干湿季节分明等特点。年均温为5.4 ℃，年降水量为619.9 mm，主要集中在6～8月[23]。

2 研究方法

2.1 样点分布

依据典型性和代表性原则，选择一条典型的研究样带，样带大小为10 m×30 m，样带上选择典型的沼泽、沼泽化草甸、草甸样地，每块样地内分别设置三个采样点，共9个采样点。样地的水文、植被、土壤等状况见表1。

2.2 N2O气体采集装置及采集方法

本研究采用静态暗箱法采集气体。采样箱由底座、顶箱和延长箱组成，3种箱体均由不锈钢制成，外覆绝热材料。底座的几何尺寸为50 cm×50 cm×20 cm，整个观测期间都固定在采样点上，延长箱和顶箱容积相同，长、宽、高均为50 cm，根据作物的生长需要可适时安装延长箱。底座和延长箱的上端均有深3 cm、宽2 cm的密封水槽，试验时往槽里加水以防止箱子和底座的接触处漏气，在冬季则用密封条密封防止漏气。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采集口。2011年5、7、9、11月（分别代表春夏秋冬四季）分别进行N2O气体采集。每月连续采集7 d（特殊天气除外），取样时间9：00～11：00，以此代表日平均通量值[10]。采样开始时开启轴流扇5 min，使箱内气体混合均匀，立即用100 mL注射器采集第一次样品，之后每间隔10 min采样一次，共采集4次，完成一个样点气体的采集。在采样同时记下箱内温度和气压。样品采集后迅速带回实验室。气体样品中N2O气体的浓度使用气相色谱仪GC7900分析，N2O检测器ECD，检测温度为330 ℃，载气为高纯度氮气。

气体采集同时原位同步测定气温、箱内温度和5 cm、10 cm、15 cm地温，并测定0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm土壤的水分含量，采集样点土壤冷藏后带回实验室测定其有机质等土壤理化性质。

数据统计分析软件和作图工具分别采用Microsoft Office Excel 2010和SPSS 17.0。

3 结果与分析

3.1 纳帕海湿地N2O排放浓度变化特征

纳帕海湿地N2O排放浓度随时间变化特征如图1所示。5月，沼泽化草甸N2O浓度随时间变化波动较小，而沼泽和草甸N2O浓度随时间变化波动较大。7月，沼泽化草甸、沼泽和草甸N2O浓度随时间变化波动较小。9月，草甸N2O浓度随时间变化波动较小，而沼泽和沼泽化草甸N2O浓度随时间变化二者变化趋势一致。11月，沼泽化草甸和草甸N2O浓度随时间变化波动较大，沼泽N2O浓度随时间变化波动较小。可见，不同类型湿地N2O排放浓度随时间变化特征不同，同一湿地类型不同季节N2O浓度随时间变化特征也不同。

纳帕海湿地N2O排放浓度具有明显的季节变化特征（图2）。沼泽N2O浓度季节波动明显，表现为减小-增大-减小的趋势，秋季浓度最大，冬季浓度最小。沼泽化草甸N2O排放浓度随季节变化呈现逐渐减小的趋势，春季浓度最大，冬季浓度最小。草甸N2O排放浓度随季节变化呈现先减小后增大的趋势，春季浓度最大，秋季浓度最小。由此可知，同一湿地类型N2O排放浓度随季节变化特征不同，不同湿地类型N2O排放浓度随季节变化特征也不同。研究时段内纳帕海湿地N2O排放浓度表现为草甸>沼泽化草甸>沼泽。所以当纳帕海湿地遭到破坏，由沼泽退化为沼泽化草甸和草甸，会排放更多的N2O气体，局部地区气温的升高将会更加明显。

3.2 环境因子对湿地N2O排放的影响

沼泽N2O排放浓度与5、10、15 cm深处的地温呈正相关关系，而沼泽化草甸、草甸N2O排放浓度与5、10、15 cm深处的地温均呈负相关关系。沼泽N2O排放浓度与土壤含水率呈正相关关系，沼泽化草甸、草甸N2O排放浓度与不同深度土壤含水率相关性存在差异。沼泽N2O排放浓度与土壤有机质、有机碳呈显著负相关关系，而沼泽化草甸、草甸N2O排放浓度与土壤有机质、有机碳含量呈正相关关系。沼澤N2O排放浓度与土壤全氮含量呈显著负相关（P <0.05），沼泽化草甸N2O排放浓度与全氮含量呈正相关关系，草甸N2O排放浓度与全氮含量相关性不显著。3种类型的湿地N2O排放浓度与土壤C/N比呈负相关关系，而与NH4+-N呈正相关关系。沼泽化草甸、草甸N2O排放浓度与NO3--N呈正相关关系，沼泽与NO3--N呈微弱的负相关关系。土壤容重对沼泽N2O排放浓度影响比较明显，对沼泽化草甸、草甸影响相对较弱（表2）。由此可见，不同类型湿地中，各环境因子对N2O排放影响的程度不同。沼泽演替为沼泽化草甸或草甸后，环境条件发生改变，环境因子间的相互作用也发生改变，导致N2O排放浓度与环境因子间的关系发生相应改变。

4 讨论

4.1 帕纳海湿地N2O排放浓度的时空差异

纳帕海3种湿地类型N2O排放浓度随季节变化不同。5月，3种湿地类型N2O排放浓度都比较大，可能是由于随着温度的升高，纳帕海湿地植物的根开始复苏，植物根系的生长及其分泌物提高了土壤中的微生物代谢活动性，促进了N2O的排放，且纳帕海湿地N2O排放浓度表现为草甸>沼泽化草甸>沼泽，说明沼泽的高水位可能抑制了其N2O的排放。另外，3种类型湿地生长的植物群落及生物量差异也可能是其原因之一。Peter等[24]的研究证实含氮气体与生物量呈现强相关关系。Seastedt等[25]也证实植物生物量与N的气体排放通量密切相关。植物对生态系统N2O排放的贡献不容忽视[26]。7月，沼泽化草甸和草甸N2O排放浓度下降幅度较大，与沼泽N2O的排放浓度相差不大，这可能与纳帕海湿地显著季节性的水文生态环境有关。受流域高原季风气候的影响，纳帕海通常在2～5月达到年内最低水位，低水位导致草甸和沼泽化草甸N2O的排放浓度比沼泽高；6月水位开始抬升，各植物都开始萌发生长；7～10月上旬，明水水面能达到2 000 hm2以上，这时沼泽化草甸、草甸均被水淹没，期间生长的植物以及微生物所处环境均与沼泽类似，故7、9月，三者的N2O排放浓度相差不大，且三者的N2O排放浓度也比较低。11月，纳帕海地区温度很低，制约了微生物的硝化反硝化作用，所以3种湿地类型N2O的排放浓度都很低。但草甸N2O排放浓度有所回升，沼泽化草甸和沼泽N2O排放浓度则继续下降，这可能是由于沼泽化草甸和沼泽的冰冻层阻碍了N2O的排放。所以，水位是影响纳帕海湿地N2O排放季节性变化的主要因素。一些学者也认为在特定的情况下，水位是影响N2O排放的主要因素[27]。

近年来，在气候变化和人类活动影响下，纳帕海湿地干旱化程度加剧，湿地空间上从湖心向湖岸呈现出由沼泽向沼泽化草甸、草甸的演替格局[21，22]。湿地的生态演替伴随着湿地生态环境的改变，进而对湿地温室气体N2O排放产生重要影响。本研究得出，纳帕海3种湿地类型N2O的排放浓度排序为草甸>沼泽化草甸>沼泽。由此可知，随着这种演替格局的进行，纳帕海湿地会排放更多的N2O气体，局部地区气温的升高更加明显。

4.2 环境因子对纳帕海湿地N2O排放浓度影响分析

在影响N2O产生与排放的诸多环境因素中，温度和水分是自然条件下影响N2O通量最主要的两个因素，它们主要通过影响微生物的活性、O2以及反应底物的有效性来影响N2O气体的排放通量[28]。Du等[29]研究海北高寒草甸时观测发现N2O通量与土壤温度呈指数关系。N2O的排放与箱内温度具有弱相关性[30]。而卢妍等[15]研究发现三江平原小叶章草甸土壤-植物系统和土壤的N2O通量的变化趋势与气温、地表温度、5、10、15和20 cm地温均呈正相关关系。本研究结果表明，沼泽N2O排放浓度与5、10和15 cm深处的地温及土壤含水率呈正相关关系，而沼泽化草甸、草甸N2O排放浓度与5、10和15 cm深处的地温均呈负相关关系，与土壤含水率相关性不明显。董云社等[31]认为土壤N2O通量与气温、5和10 cm地温表现出一定程度的负相关，原因可能与土壤水分状况的变化密切相关。土壤有机质，有机碳及全氮含量也会对其N2O排放造成影響。郝庆菊等[32]研究表明土壤N2O排放量与C/N比呈显著负相关，并且与DOC（可溶性有机碳）和C含量均呈负相关，沼泽N2O排放浓度与土壤有机质、有机碳及全氮含量呈显著负相关关系。Teepe等[33]通过野外观测试验均表明土壤N2O排放与SOC（土壤有机碳）含量呈负相关，而且Huang等[34]的研究还表明土壤N2O排放与土壤TN（全氮）以及C/N均呈负相关。本研究得出，沼泽N2O排放浓度与土壤有机质、有机碳及土壤全氮含量呈显著负相关关系（P<0.05）。沼泽化草甸N2O排放浓度与全氮、土壤有机质、有机碳含量相关性不显著。草甸N2O排放浓度与土壤有机质、有机碳、全氮含量相关性均不显著，可能原因为沼泽常年积水，有机质的积累大于其分解速度，高的有机质含量抑制了其N2O的排放。而沼泽化草甸、草甸N2O的排放浓度其影响因素更为复杂。NH4+和NO3-作为N2O产生的前体物质，由于微生物的吸收必然会导致N2O的产生与排放减少，在土壤C/N<20的情况下，C/N越低，N2O的排放越高；C/N越接近20，N2O的排放越低[32]。本研究得出纳帕海3种类型的湿地土壤C/N均在1～2之间波动，其N2O排放浓度与土壤C/N比呈负相关关系，印证了上述结论。此外本研究还得出，纳帕海3种类型的湿地N2O排放浓度与NH4+-N均呈正相关关系，沼泽与NO3--N呈微弱的负相关关系，沼泽化草甸、草甸N2O排放浓度与NO3--N呈显著的正相关关系。土壤容重对沼泽N2O排放浓度影响比较显著，对沼泽化草甸、草甸影响不显著（表2）。可见，不同类型湿地中，各环境因子对N2O排放影响的程度不同。沼泽演替为沼泽化草甸或草甸后，环境条件发生改变，环境因子间的相互作用也发生改变，导致N2O排放浓度与环境因子间的关系发生相应改变。

5 小结

纳帕海不同湿地类型随时间变化其N2O排放浓度的特征不同，同一湿地类型不同季节N2O排放浓度变化特征也不同。5月，沼泽N2O浓度随时间变化波动较大，7、9、11月其N2O排放浓度随时间变化波动较小。沼泽化草甸5和7月N2O排放浓度随时间变化平稳，9和11月其波动较大。草甸5月份N2O排放浓度随时间变化波动明显，其余月份波动较小。全年中草甸N2O的排放最多，沼泽的排放量最少。可见，如果湿地受到破坏，退化为草甸，N2O的排放量将较原来有所增加，湿地逆向演替将加速全球气候变暖。

沼泽N2O排放与土壤全氮含量呈显著负相关关系，与土壤有机质、有机碳含量呈负相关，与土壤温度、含水率、C/N比、NH4+-N、NO3--N、土壤容重相关性均不显著。沼泽化草甸N2O排放与土壤20～30 cm含水率，土壤全氮、NO3--N含量呈正相关。草甸N2O排放与所有环境因子相关性均不显著。可见，沼泽演替为沼泽化草甸或草甸后，N2O排放浓度与环境因子间的关系将发生改变。

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