河口感潮沼泽湿地CO2、CH4排放通量对氮沉降的短期响应

李冬冬，　仝　川,b，　黄佳芳,b

(福建师范大学 a． 地理科学学院； b． 湿润亚热带生态-地理过程教育部重点实验室， 福州 350007)

0　引　言

大气中位于第一位的温室气体是CO2，其为全球变暖作出的贡献约为63%，虽然大气中的第二大温室气体是CH4，但其增温潜势却是CO2的15～30倍[1]。已有研究表明，大气中的CH4主要来源于湿地，而且湿地会对CO2产生潜在影响[2]。因此，十分有必要对湿地温室气体排放特征开展研究。氮沉降是指大气中的含氮化合物通过干、湿沉降的形式重回生态系统的过程，近年来，大量燃烧化石燃料、无限制施用氮肥、随意改变土地利用方式等，使大气氮沉降量迅速增长[3]。在亚洲, 由于工农业的快速发展, 活性氮的使用和释放，已经从1961年的14 Tg/a增加到2000年的68Tg/a, 预计到2050年将达到270 Tg/a[4]。中国已位列全球第三大氮沉降区，并且日益严重。

河口感潮沼泽湿地位于海洋和大陆的过渡区域，是大气CH4源和CO2碳，对生态系统具有重要的服务功能[5]。湿地生态系统的氮在大气和河流的共同作用下，必定改变原有的生物地球化学循环过程，从而影响CO2、CH4排放通量的排放特征。 关于氮沉降对CO2、CH4排放通量影响的研究多见于森林、草地、水稻田及内陆一些天然沼泽湿地[6-7]；关于氮沉降对河口感潮沼泽湿地CO2、CH4排放通量的影响还鲜见报道。

作为我国东南沿海重要的河口湿地之一，闽江河口感潮沼泽湿地承接着从上游和潮汐携带而来的大量含氮物质。目前，关于氮沉降对我国亚热带河口感潮沼泽湿地CO2、CH4排放通量影响的研究还鲜见报道。本研究以闽江河口道庆洲短叶茳芏(Cyperusmalaccensis)感潮沼泽湿地为研究对象，探讨氮沉降对河口感潮沼泽湿地CO2、CH4排放通量的影响。本研究对于认识氮沉降对河口感潮沼泽湿地碳循环过程的影响具有现实意义。

1　研究区与研究方法

1.1　研究区概况

研究样地位于福建闽江河口自然保护区内鳝鱼滩湿地(26°00′36″～26°03′42″N，119°34′12″～119°40′40″E)，是闽江河水从上游携带大量泥沙在河口淤积而成。区内是典型的亚热带季风气候，年均温19.13 ℃，降雨量1 346 mm左右，属正规半日潮。本研究在鳝鱼滩湿地东部堤坝附近的高潮滩内进行，选择一个短叶茳芏群落广泛分布的典型样区进行实验布设，样地土壤理化性质见表1。

表1　鳝鱼滩感潮沼泽湿地土壤基本理化性质

注：表中数值为均值±标准差，n=4

1.2　实验设计

在选定短叶茳芏湿地范围内布设1条20 m×1 m与岸平行的实验样带，将其等距离平分为3个重复样区，样区之间间距2 m。在每个处理样区内等间距设置4个1 m×1 m 的处理小区。根据中国市域氮沉降量的一般区间以及相关研究[8]，设置对照CK(0 g NH4NO3m-2·a-1)及3个梯度的氮沉降处理：N24(24 g NH4NO3m-2·a-1)、N48(48 g NH4NO3m-2·a-1)、N96(96 g NH4NO3m-2·a-1)。将3个氮沉降处理需要施入的NH4NO3量平均分配到12个月中，从2016年10～12月，将每月分配的NH4NO3加蒸馏水配置成NH4NO3溶液。每月选择1个小潮日样地出露地表时，使用喷壶向氮沉降处理静态箱底座内土壤表面喷洒NH4NO3溶液，对照底座内则施加相同量的蒸馏水。

1.3　气体采集与测定

使用静态暗箱法采集气样，静态箱由不透明PVC板制成，分为底座和顶箱，底座顶端有环形水槽，底座尺寸：35 cm×35 cm×40cm，顶箱尺寸：35 cm×35 cm×120 cm。顶箱内部顶端装有小风扇，侧面装有温度计和丁基胶塞采气孔。底座长期固定在样地土壤中，没入地下35 cm，出露地表5 cm。仅在每月施加溶液的第2 d采集一次气样，10～12月每月采集一次，共采集3次。采样时，将顶箱罩在底座上，底座水槽加水密封，从盖上顶箱开始每隔15 min用50 mL 带三通阀的注射器抽取40 mL气体注入气袋，共抽取4次。将所采样品运回实验室，用气相色谱仪(Shimadzu GC-2010，Japan)测定气样中CO2、CH4浓度。根据以下公式计算排放到大气环境中的CO2、CH4通量：

式中：F为温室气体通量(mg·m-2·h-1)；M为CO2、CH4的摩尔质量(g/mol)；V为标准状态下的气体摩尔体积；dc/dt为CO2、CH4的浓度变化率；T为采样箱内温度( ℃)；H为采样箱的箱高(m)。只有浓度数据的线性回归系数R2>0.9，才计算温室气体通量。

1.4　环境因子测定

气体采集同时测定底座内土壤深度为10 cm的温度、pH值、电导率以及顶箱内的温度等因子。土壤pH值采用IQ150便携式pH计(IQ Scientific Instruments，USA)测定，土壤温度与电导率采用2265FS 便携式温度/电导计(Spectrum Technologies Inc，USA)测定，用顶箱侧部安装的温度计测定箱内温度，用烘干法测定含水率，容重用环刀法测定。

1.5　数据处理与分析

运用Microsoft Excel 2003和SPSS 19.0 统计分析软件对测定数据进行计算和分析，采用Origin 8.0 软件进行作图。其中，用Microsoft Excel 2003 软件对原始数据的平均值及标准差进行计算。不同处理CO2、CH4排放通量的差异性用SPSS 19.0 统计分析软件中单因素方差分析(ANOVA)进行检验，CO2、CH4排放通量与环境因子相关性用SPSS 19.0 统计分析软件中的Pearson 相关分析进行分析。

2　结果与分析

2.1　CO2排放通量对氮沉降的响应

鳝鱼滩感潮沼泽湿地CO2排放通量在不同氮沉降处理下均呈现出随温度降低而减少的趋势(见图1)。CK、N24、N48和N96处理的CO2平均排放通量分别为：(1 474.59±381.21)、(1 212.77±217.46)、(1 253.83±252.88)和(1 165.75±217.58)mg·m-2·h-1。与对照相比，N24处理CO2平均排放通量减少17.76%，N48处理CO2平均排放通量减少14.97%，N96处理CO2平均排放通量减少20.94%，CK、N24、N48和N96的CO2排放通量的变异系数分别为：77.56%、53.79%、60.51%和55.99%。虽然氮沉降对鳝鱼滩感潮沼泽湿地CO2排放通量具有抑制作用，但方差分析显示，各处理间CO2排放通量的差异性不显著(P>0.05)，氮沉降对鳝鱼滩感潮沼泽湿地CO2排放特征未产生显著影响。

图1CO2排放通量对氮沉降的响应

注：不同大写字母代表同处理不同月份在P<0.05 水平上差异显著；不同小写字母代表同月份不同处理在P<0.05 水平上差异显著(下同)

2.2　CH4排放通量对氮沉降的响应

鳝鱼滩感潮沼泽湿地CH4排放通量在不同氮沉降处理下也表现出随温度降低而下降的趋势(见图2)。CK、N24、N48和N96处理的CH4平均排放通量分别为：(6.73±2.55)、(5.96±2.10)、(4.94±2.47)和(5.59±1.84)mg·m-2·h-1。与对照相比，N24处理CH4平均排放通量下降11.52%，N48处理CH4平均排放通量下降26.63%，N96处理CH4平均排放通量下降16.94%。与对照相比，不同氮沉降处理抑制了CH4排放通量，但方差分析显示，不同处理CH4排放通量差异性也未达到显著水平(P>0.05)。

图2　CH4排放通量对氮沉降的响应

2.3　环境因子变化特征及其与气体通量的关系

(a)

(b)

(c)

图3环境因子变化特征

观测期内，鳝鱼滩感潮沼泽湿地土壤温度总体表现出随时间下降趋势(见图3(a))。方差分析显示，各处理间土壤温度差异性不显著(P>0.05)。而土壤EC的变化规律则呈现出随时间上升趋势(见图3(b))。各处理土壤EC的变化范围为1.05～3.88(见图3(c))，具体表现为CK>N96>N24>N48，土壤EC在各处理间差异性不显著(P>0.05)。而土壤pH则表现出波动变化的特征，CK、N24、N48和N96的土壤pH平均值分别为：(6.50±0.10)、(6.54±0.09)、(6.71±0.06)和(6.37±0.06)，不同处理间土壤pH差异性也不显著(P>0.05)。相关分析显示，鳝鱼滩感潮沼泽湿地CO2、CH4排放通量与土壤温度具有极显著(P<0.01)的正线性相关关系(见表2)。CO2、CH4排放通量与土壤EC和土壤pH除了个别处理之间存在显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)相关外(见表2)，其他的相关性均不显著(P>0.05)。

表2　环境因子与CO2、CH4排放通量的相关关系

注：*和**分别表示在P<0.05 和P<0.01 水平上显著相关

3　讨　论

3.1　氮沉降对CO2排放通量的影响

3.2　氮沉降对CH4排放通量的影响

氮沉降会对CH4产生、氧化和传输过程产生影响，进而对CH4排放通量发生作用[12]。本研究中，鳝鱼滩感潮沼泽湿地CH4排放通量受到了氮沉降的抑制作用，曾从盛等也发现CH4的产生会受到硝酸盐的抑制，且输入浓度和产生潜力之间具有负相关关系[13]。原因可能为：① 氮沉降使天然湿地土壤氮含量增加，增强了湿地土壤的氧化还原潜力，抑制CH4排放；② 氮沉降对CH4排放的影响主要是通过植被实现的，氮的施入提高了湿地生物量，减少了植被的根茎比，从而减少了CH4的排放[14]；③ 硝酸盐能够减少CH4的产生，因为一些微生物在氧化有机质时会将这些负离子作为电子受体，但是在厌氧条件下会从产甲烷菌中离开，从而降低产甲烷菌活性，使CH4排放通量减少。

3.3　环境因子对CO2、CH4排放通量的影响

本研究中，鳝鱼滩感潮沼泽湿地CO2、CH4排放通量主要受到土壤温度的影响，它们之间具有极显著的正线性相关关系。植物根系呼吸和微生物活性会受控于土壤温度，进而对CO2排放产生影响。一般来说，土壤温度升高会增强土壤CO2向大气的传输速率, 使土壤向大气释放的CO2增多。同时，土壤温度升高会增加植株密度、加强根系呼吸、加快微生物分解速率，机碳源供应量增多，进而使更多的CO2得到释放[15]。而且，土壤温度升高还会提高微生物活性，增加耗氧量，促进产甲烷菌生长，阻碍甲烷氧化菌作用，从而抑制甲烷氧化，提高甲烷产生速率，最终使CH4排放通量增加。同时，土壤温度升高，土壤微生物活性增强，植物生长旺盛，根系有机物释放量增加，使土壤有机碳积累量减少，进而促进CH4排放[16]。本研究中，土壤EC、pH与CO2、CH4排放通量之间大多不相关，这主要与研究时间较短，各处理间的土壤性质差异性不显著有关。实际上，除了上述的环境因子外，微生物活性、生物量、植被差异、土壤粒径、含水率、容重等生物和非生物因素也会对温室气体的排放产生一定影响。因此，探究多因子耦合作用下长时间的温室气体排放特征将是我们今后研究的方向。

4　结　语

(1) 氮沉降对鳝鱼滩感潮沼泽湿地CO2、CH4排放通量具有一定的抑制作用，但各处理间的差异性不显著。

(2) 氮沉降没有改变鳝鱼滩感潮沼泽湿地CO2、CH4排放通量的时间变化规律，CO2、CH4排放通量均表现出随温度降低而减少的趋势。

(3) 鳝鱼滩感潮沼泽湿地CO2、CH4排放通量和土壤温度具有极显著的正线性相关关系，与土壤EC、土壤pH之间的相关性不显著。

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