城市湿地毛竹林土壤二氧化碳通量研究

蒋跃平，严洁如

(杭州西溪国家湿地公园生态研究中心，浙江 杭州 310030)

湿地聚集大量的有机碳，因此对气候变化表现出较高的敏感性和不确定性[1]。近期研究表明，由于植物生长、二氧化碳(CO2)施肥效应和氮沉降的综合作用，不少地区的陆地碳库有所增加，但这一现象并没有在全球尺度上得到证实[2]，这可能与湿地有关。近年来，由于湿地在温室气体减排中“汇”的作用巨大，对湿地温室气体排放的研究日益增多。长江三角洲是我国工业化和城镇化发展最快的地区之一，其密集的平原河网湖泊与传统的农耕文化形成了城市边缘湿地，基塘系统是主要类型之一[3]。20世纪90年代以来，随着长江三角洲城市化进程的加快以及随之而来的农业生产地位下降、环境污染等问题，城市湿地受到了诸多不利因素的影响，面积开始急剧萎缩，景观出现了破碎化、孤岛化等现象，严重干扰了基塘系统正常的水陆相互作用。上述变化对其农业生产功能和生态功能的发挥产生了显著的影响，使其对区域生态环境的调控能力大大降低[4]。为了更好地保护城市湿地，充分发挥其生态功能，通过保存和维护好基塘系统这一景观类型，就成为一个重要举措。同时，为提高区域生态安全水平，如何科学认识与评估城市湿地温室气体通量特征对科学利用与保护湿地，指导城市规划与建设显得尤为重要。因此，为了解城市湿地典型基塘系统的CO2通量特征，本文以杭州西溪国家湿地公园为主要研究对象，选择西溪湿地内最典型的竹基系统，主要包括早园竹(Phyllostachyspropinqua)和毛竹(Phyllostachysedulis)。本文主要分析毛竹林土壤的CO2通量，通过静态箱式法进行CO2的通量观测，解析其不同季节的排放特征；同时，分析其温室气体通量与土壤有机碳的关系，以期为城市湿地温室气体排放和管理提供基础资料。

1 样地自然概况

浙江省杭州西溪湿地是在古河滩遗存的基础上，经过千余年人类渔耕活动，逐渐形成的城市边缘次生湿地，以鱼塘为主，并由部分河港湖漾及狭窄的塘基和面积较大的河渚相间组成，具有典型的基塘系统特征。

西溪湿地属亚热带北缘季风气候，四季分明。杭州西湖区年平均温度16.4 ℃，无霜期约240 d，年降水量1 100～1 600 mm，10月至翌年2月相对干旱。西溪湿地土壤主要为水稻土，核心区域平均下挖60～100 cm可见泥炭层，水稻耕作层15～25 cm左右，有机质质量分数1.7%～2.1%。样地位于杭州西溪国家湿地公园(30°15′35.6220″N，120°03′34.7832″E)，土壤pH 6.4，样地面积约1 200 m2，其中毛竹林面积约700 m2，成林时间较长(50～70 a)，林下伴生种较少，偶见麦冬(Ophiopogonjaponicas)、碎米荠(Cardaminehirsuta)和井栏边草(Pterismultifida)等。样地边缘有伴生种海州常山(Broussonetiapapyrifera)、鸡屎藤(Paederiascandens)和美洲商陆(Phytolaccaamericana)的灌草群落。

2 研究方法

2.1 土壤温室气体排放通量测定

CO2通量的测定采用静态密闭箱-气相色谱法进行[5]。在毛竹林每隔5 m设置1个温室气体采集箱，共设置3个采集箱，采集箱由有机玻璃(0.4 cm厚)制作，体积均为50 cm×50 cm×50 cm，底座(50 cm×50 cm×10 cm)，底座的上平面设计成密闭水槽。箱内装有小风扇和温度传感器。第1次测量取样前30 d将底座底插入土中10 cm，并留置于样地中，以作长期采样观测。

于2014年5月-2015年6月进行CO2气体采样，采样频率为每隔25～40 d，采样时间为8:30～15:00。使用60 mL容量的一次性注射器，在40 min内10 min抽取1次静态箱内气体，如此每次在0、10、20、30和40 min取得5个样品；同时，原位同步测定10 cm处土壤层温度(TS10)。气体采集后立即注射到铝塑复合气袋中储存，5 d内使用气相色谱仪(Agilent 6820)分析CO2样品。

利用公式(1)计算温室气体速率[6]：

(1)

式(1)中，GS为温室气体通量(g·m-2·h-1)，M为温室气体摩尔质量(g·mol-1)；P0和T0为理想气体标准状态下的空气压力(1 013.25 hPa)和气温(273.15 K)；V0为CO2在标准状态下的摩尔体积；H为箱室高度；P和T为测定时箱内的实际气压和气温；dc/dt为箱内温室气体浓度随时间变化的斜率。

2.2 土壤含水量和土壤有机碳的测量

测量CO2通量的同时，在毛竹林距离CO2静态箱周围1 m左右采集土样，用土钻采集3个0～20 cm土层的混合样品。将混合土壤样品带回实验室测定土壤含水量，另一部分混合土壤样经自然风干后，过2 mm筛，土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定。

3 结果与分析

3.1 毛竹林土壤CO2通量的季节动态

根据气候观测数据(图1)，西溪湿地在3-5月日均温、日均湿度和降水量开始上升，6-9月日均温、日均湿度和降水量达到最高，10月开始降温和降水量减少，同时大气湿度下降，在12月至翌年2月出现全年低温和偏干旱的气候环境。

图1 观测点日均温、日均湿度和降水量的气象数据Fig.1 The daily average temperature, daily average humidity, and precipitation of Xixi Wetland

湿地土壤CO2通量具有极其强烈的时间变异性。全年测得的CO2均为正值(图2)，故西溪湿地毛竹林土壤是CO2的排放源，为单峰型，春夏季和秋冬季的季节转变期间不稳定，表现为波动上升或下降，CO2通量最小值出现在冬季1月，为127.41±24.06 mg·m-2·h-1；然后在春季4月份时，其CO2排放速率有大幅度的上升，为275.96±50.53 mg·m-2·h-1，几乎提升了1倍；最大值出现在夏季的9月，CO2达到排放高峰，为537.21±41.12 mg·m-2·h-1，是1月份最小通量的4倍多；然后急剧下降，其动态具有明显的季节性差异，这与华东地区多数湿地土壤CO2通量年动态相仿，全年毛竹林土壤CO2的累积排放量为3 366.29 g·m-2·a-1。

图2 毛竹林土壤CO2通量季节动态Fig.2 The seasonal variation of soil CO2 flux in moso bamboo forest

3.2 毛竹林土壤CO2通量与土壤温度、土壤含水量的关系

西溪湿地毛竹林的土壤温度和土壤含水量动态见图3。土壤温度、土壤含水量主要由大气温度、大气湿度、降水量主导，西溪湿地毛竹林的土壤温度、土壤含水量与日均温、降水量有类似的趋势，但也有植被群落和微环境形成的自身特点。西溪湿地毛竹林地势较高，在最高水位时，离水面的距离都有50 cm以上，因此其土壤含水量受湿地水位的影响相对较小。西溪湿地毛竹林面积相对较大，林内郁闭度高，林内地表蒸发量小，这是其林内土壤含水量较高的主要原因。毛竹林10 cm土壤层的温度动态与土壤CO2通量季节动态基本吻合，两者呈极显著的线性关系，可以用线性方程y=13.58x+63.53(R2=0.734 3；n=15；P<0.01)表示。毛竹林0～20 cm土壤含水量测得的数据变化较大，基本规律是6-8月较高，但9月则突然下降，这与测量取样时持续天晴的时间相关，10月再次上升，随后开始下降，进入相对干旱的季节，毛竹林土壤CO2通量与0～20 cm土壤含水量呈显著相关，两者关系可以线性方程y=52.064x-1 253.8(R2=0.322 5；n=15；P<0.05)表示。

图3 土壤温度和土壤含水量动态Fig.3 The seasonal variation of soil temperature and soil water content in moso bamboo forest

3.3 毛竹林土壤CO2通量与土壤有机碳质量分数的关系

毛竹林土壤有机碳质量分数呈现出冬季高夏季低的趋势，最高值出现在12月，为22.95±3.08 g·kg-1，最低值为13.55±1.43 g·kg-1，出现在8月份，最高均值是最低均值的1.69倍，差异显著(P<0.01)。毛竹林土壤有机碳质量分数与10 cm土壤层温度呈显著负相关的关系，可以用线性方程y=-0.315 5x+23.923(R2=0.793 2；n=15；P<0.01)表示。土壤有机碳质量分数与0～20 cm土壤含水量相关性不显著(P>0.05)。毛竹林土壤CO2通量与土壤有机碳质量分数的关系呈负相关，可以用线性方程y=-28.269x+823.3(R2=0.399 3；n=15；P<0.05)。

图4 土壤有机碳动态Fig.4 The seasonal variation of soil organic C content in moso bamboo forest

4 讨论

在人类活动和全球气候变化的双重压力下，湿地生态系统的碳源/汇功能变化显著[7]。本研究发现，西溪湿地毛竹林土壤CO2年累积排放量较大(33.66 t·hm-1·a-1)，大于西溪湿地平均的土壤CO2排放量(12.83 t·hm-1·a-1)[8]，小于浙江省临安市三口镇葱坑村毛竹林年土壤CO2总排放量(37.25 t·hm-1·a-1)[9]。因此，西溪湿地毛竹林土壤CO2排放的特征更类似于亚热带丘陵地带的毛竹林土壤呼吸。与城市园林绿地中竹林的年土壤CO2排放量(10.03 t·hm-1·a-1)相比[10]，西溪湿地毛竹林的年土壤CO2排放量要高得多。在整个生长季节(4-10月)，西溪湿地毛竹林平均土壤CO2通量(0.41 g·m-2·h-1)，低于浙江省一般的集约经营毛竹林和粗犷经营毛竹林(1.01和0.79 g·m-2·h-1)[11]，这主要是因为集约经营措施促进了毛竹林土壤有机质的矿化，加剧了土壤呼吸[12]。

Wagai等[13]认为，湿地生态系统的土壤呼吸作用具有强烈的时空变异性，其重要影响因子是温度、水文条件和植物群落。本试验发现，西溪湿地毛竹林(土壤含水率27.74%～32.63%)的土壤CO2通量与土壤含水率呈显著相关，这与唐晓鹿[14]的研究相似，其研究表明：土壤呼吸与土壤湿度呈极显著的线性关系。而李雅红[15]的研究显示：土壤体积含水量与土壤呼吸不存在显著关系。这也说明毛竹林土壤CO2通量与土壤含水量存在较为复杂的关系。

初小静等[16]的研究表明：土壤CO2通量变化受温度与水分共同调控，CO2季节动态与气候相关。而土壤有机碳作为土壤微生物的主要食源，主要来源于动植物和微生物残体以及植物根系的分泌物，而且其处于不断分解与形成的动态过程中，植被群落所处的发育阶段直接影响该群落的地上和地下生物量的积累，也影响到土壤有机碳的输入输出[12]。西溪湿地毛竹林冬季与夏季的土壤CO2通量有明显差异，生长季高于非生长季，其变化受到环境因子和非环境因子的共同作用。西溪湿地毛竹林形成的时间较长(30-50 a)，林相较为固定，西溪国家湿地公园建立前有原住民粗犷经营，林地通透性好，春季温度回升，进入生长季后植被开始萌发，特别是根系呼吸增强，土壤微生物和土壤酶的活性增强，土壤CO2通量缓慢上升，夏季是植物生长旺盛和水热条件达到最佳的时候，夏季土壤有机物质分解快，同时土壤微生物增多，土壤微生物的活性增强[17]，土壤呼吸也达到了最大值[18]，致使土壤有机碳质量分数降低。随后，随着水热条件的降低，土壤呼吸也随之降低。进入非生长季节，水热条件最低时，土壤呼吸保持了较低的速率并出现最低值。