CO2摩尔分数倍增对秋茄湿地碳、氮循环影响的模拟

2017-06-05刘珺张齐生周培国黄靖宇

东北林业大学学报 2017年5期

关键词：秋茄模拟系统红树林

刘珺张齐生周培国黄靖宇

(南京林业大学，南京，210000) (河海大学)

CO2摩尔分数倍增对秋茄湿地碳、氮循环影响的模拟

刘珺张齐生周培国黄靖宇

(南京林业大学，南京，210000) (河海大学)

二氧化碳；红树林；湿地碳；湿地氮；秋茄

红树林是陆地过渡到海洋的特殊森林类型，素有“海岸卫士”之称，在维持大气碳氧平衡、净化海水、绿化、美化滨海环境，以及生态旅游等方面具有独特的生态、社会和经济效益[1-2]。在生态系统碳循环成为全球变化研究热点的背景下，红树林以其碳循环周期短和初级生产力极高等特点，受到国内外学者的广泛关注[3-5]。目前，有关大气CO2摩尔分数升高对红树林湿地生态系统影响的研究多数集中在植物生理变化、物种演替、地下根系、根系分泌物、土壤微生物等对CO2摩尔分数升高响应的模拟研究[6-9]方面，研究结果表明：CO2摩尔分数升高能够显著带来红树林生态系统的生物量以及生产力的增加，但是长期处于高CO2摩尔分数下会对植物的生理结构以及功能都造成破坏，与此同时，植物对高摩尔分数CO2的生理生态响应也引起了土壤碳、氮循环变化[10-11]，影响碳的沉淀与固定，对整个生态系统的结构和功能具有广泛的影响[12-13]。因此，研究CO2摩尔分数升高环境下红树植物—秋茄湿地系统中碳、氮的变化对研究红树林湿地在温室气体的有效控制及整个湿地生态系统的良性物质循环方面有着重要的意义。文中通过模拟CO2摩尔分数倍增对红树植物—秋茄湿地生态系统碳、氮质量的影响，探讨其转化过程及机理，以期为研究未来气候变化条件下湿地生态系统碳、氮物质循环及对温室气体的控制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2015年4月中旬购买1年生秋茄，修剪后选取其中株高、基径和质量相近的植株，在培养池中培养10 d后，备用。培养基质于2月底取自海南东寨港，0～30 cm底泥滤水并与营养盐充分搅拌混合，静置培养而得，并于3月28日在OTC开顶箱的1、2、5、6号水槽中均匀铺上一层底泥，高度为30 cm(干质量约1 200 kg)。

1.2 试验设计

试验采用开顶箱法[15](图1、图2)控制CO2摩尔分数，1号开顶箱CO2摩尔分数为700 μmol·mol-1，2号开顶箱保持当前大气CO2摩尔分数为350 μmol·mol-1，作为对照(以下文中分别以高摩尔分数CO2、低摩尔分数CO2表示)；利用TES 1370红外线CO2测定仪实时监测OTC内CO2摩尔分数。将1号开顶箱中，1号与4号、2号与3号水槽间用抽水泵连接；2号开顶箱中，5号与8号、6号与7号水槽间用抽水泵连接(图3)来模拟潮汐，用定时器控制涨潮时间，保持槽内人工海水深度为0.42 m，盐度为10‰；每个半日潮苗木完全被淹没的时间为4 h(即模拟半日潮)，每12 h循环水淹1个半日潮(第一次水淹时间从10:00—14:00，第二次水淹时间从22:00—次日02:00)，各处理每天淹浸2个半日潮；即每日24 h内模拟潮汐两涨两退潮(每日浸水时间为8 h)。

图1 开顶箱装置图

a.开顶箱外观 b.开顶箱内部结构

图3 试验组编号

1.3 样品采集与分析方法

文中数据利用Origin7.5进行处理，并用SPSS19.0对350、700 μmol·mol-1CO2下秋茄湿地模拟系统中C、N质量浓度(或质量分数)的变化进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 CO2摩尔分数升高对无植物对照培养池水中TC、TN质量浓度的影响

对两种摩尔分数下3号、4号、7号、8号池水中的TC、TN质量浓度进行测定，由图4可知，从1～120 d，经高摩尔分数CO2和低摩尔分数CO2处理的水中的TC、TN质量浓度没有显著差异，水中的TC、TN质量浓度也没有显著增加或减少。与低摩尔分数CO2处理比较，高摩尔分数CO2对碳在水中的溶解没有显著影响，两者差异不显著。可见，即使CO2摩尔分数倍增，其在水中的TC溶解能力也没有显著增加；同时，水中TN质量浓度没有显著变化，说明系统无明显的外源氮输入，就单独空白对照的自来水而言，CO2摩尔分数倍增对TN质量浓度无影响。

a.TC b.TN

2.2 CO2摩尔分数升高对秋茄湿地模拟系统内碳的影响

对两种摩尔分数下1号、2号、5号、6号池水及土壤中的碳组分进行测定。在120 d的培养期内，高摩尔分数与低摩尔分数CO2作用下的湿地水中TC、TOC的质量浓度都呈上升趋势(图5)，而土壤中TC、TOC的质量分数都呈下降趋势(图6)。从表1可以看出，在高摩尔分数CO2作用下，系统水中TC、TOC的平均质量浓度比低摩尔分数CO2作用下的分别高出5.5%、11%，IC降低了7.1%，差异均不显著。土壤中TC、TOC的平均质量分数分别比低质量分数CO2作用下的高出2.8%、5.4%，差异不显著，IC平均质量分数降低了6.7%，差异显著。可见，在秋茄湿地模拟系统中CO2摩尔分数倍增并未引起水体中的碳的显著变化，由于水中溶解有机碳质量浓度增高，同时也加速利用了水体中的无机碳IC，使IC质量浓度减低。但是，由于溶解有机碳在水中碳组分中所占的比例较大，所以水中的TC表现为增加的趋势。而在系统的土壤中，从培养45 d开始，经高摩尔分数CO2处理的土壤中TOC的质量分数显著高于经低摩尔分数处理的，说明土壤中TOC对高摩尔分数CO2的响应比较滞后，土壤中的TC平均质量分数同样表现为增加的趋势。

a.TC b.TOC c.IC

2.3 CO2摩尔分数升高对秋茄湿地模拟系统内氮的影响

表1 CO2摩尔分数升高对秋茄湿地系统中碳的影响

注：表中数据为平均值±标准差；同列不同小写字母表示不同处理在0.05水平上差异显著，不同大写字母表示不同处理在0.01水平上差异显著。

a. b. c.TN

2.4 CO2摩尔分数升高对秋茄湿地模拟系统碳、氮收支的影响

CO2摩尔分数升高对红树林湿地系统内的水生植物产生了非自然的干扰，改变了系统原有的生长规律，改变了碳、氮等养分的物质循环过程。CO2摩尔分数升高，一方面增加了植物根部碳的储存，使这些植物根系在死亡之后，能够在厌氧条件的湿地系统内部有效地积累；另一方面，促进其水中或水面部分加速生长，使其能够较多的分泌活性碳、氮组分，被微生物快速的利用。因此，只有了解系统内部碳(TC(水+土壤))、氮(TN(水+土壤))总量的变化，才能知晓CO2摩尔分数升高是否对碳、氮的累积过程产生影响。

图8 CO2摩尔分数升高对秋茄湿地土壤中TN质量分数的影响

表2 CO2摩尔分数升高对秋茄湿地系统中氮的影响

注：表中数据为平均值±标准差；同列不同小写字母表示不同处理在0.05水平上差异显著，不同大写字母表示不同处理在0.01水平上差异显著。

由表3可知，从1～120 d CO2摩尔分数倍增环境下，秋茄湿地模拟系统中的TC(水+土壤)增加了2.8%。碳在系统中的积累主要体现在湿地土壤有机碳的增加量中，尽管湿地水体中有机碳增加较大，但有机碳在湿地土壤中增加的比例起到显著作用。可见，由于CO2摩尔分数倍增，促进了植物生物量的显著增加，从而使得系统水体及土壤中TC(水+土壤)得到了提升，积累了有机碳。与有机碳的积累不同，系统中TN(水+土壤)的转化速率明显增加，经高摩尔分数CO2处理的秋茄湿地模拟系统中TN(水+土壤)显著降低了8.7%。氮素在系统中的矿化速率明显加快，培养期内，土壤氮素明显降低，底泥中的氮大量循环入水体中，使水中TN显著增加，氮在系统中的代谢和周转加快。可见，CO2摩尔分数倍增，是系统内氮转化速率提升的主要驱动力。

表3 CO2摩尔分数升高对秋茄湿地系统中总碳、总氮质量的影响

注：表中数据为平均值±标准差；同列不同小写字母表示不同处理在0.05水平上差异显著。

3 结束语

CO2摩尔分数倍增，并未引起秋茄湿地系统水体中碳质量浓度、土壤中的碳质量分数的显著变化，系统中的总碳质量表现为增加的趋势，秋茄模拟系统湿地土壤表现为明显碳累积过程，系统表现为显著的碳累积的趋势，为碳累积的“库”。

在本研究中，碳、氮循环的主要过程和组分转变过程还不是十分明确，可以考虑利用同位素示踪的方法研究碳、氮的分配规律和代谢途径。通过短期的培养试验研究了CO2摩尔分数升高对红树林湿地碳、氮的影响。碳氮耦合对气候变化的长期的影响还需要进一步研究。

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Liu Jun, Zhang Qisheng, Zhou Peiguo(Nanjing Forestry University, Nanjing 210000, P. R. China); Huang Jinyu(Hohai University)//

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