小兴安岭不同沼泽ＣＯ２、ＣＨ４和Ｎ２Ｏ排放通量的相互关系研究
2019-02-06石兰英牟长城
石兰英 牟长城
摘要：利用静态箱-气相色谱法连续两个生长季（2007—2008年）对小兴安岭典型修氏苔草（Carex schmidtii）沼泽和油桦（Betula ovalifolia）-修氏苔草灌木沼泽CO2、CH4和N2O的排放通量进行野外原位观测。结果表明，除2008年灌木沼泽为N2O的弱汇外，其他均为温室气体的排放源。除苔草沼泽生长季初期，CH4与N2O具显著负相关外，CO2与CH4、CO2与N2O及CH4与N2O均呈正相关，但显著性水平视不同湿地类型以及不同季节而定。
关键词：CO2排放通量;CH4排放通量;N2O排放通量;修氏苔草（Carex schmidtii）沼泽;油桦（Betula ovalifolia）-修氏苔草灌木沼泽;小兴安岭
中图分类号：X173;X171.1;X831 文献标识码：A
文章编号：0439-8114（2019）24-0080-04
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.22.019 开放科学（资源服务）标识码（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
温室气体排放导致全球变暖问题是全球关注的热点。主要温室气体（CO2、CH4和N2O）的研究大多关注一种或含碳气体的排放和源汇，3种温室气体综合效应研究鲜有报道[1-3]。农田、森林、草原和湿地生态系统及地区大气CO2、CH4和N2O之间相互关系研究发现，3种气体中某2种气体相互间存在一定的相关关系[1-11]。
湿地是多种温室气体的源和汇，在全球气候变化中占有重要地位。自然湿地3种气体的相互关系报道较少[1，4，11]，因此，本研究根据野外实地观测结果，分析了小兴安岭林区典型修氏苔草（Carex schmidtii）沼泽和油桦（Betula ovalifolia）-修氏苔草灌木沼泽3种主要温室气体排放的相互关系，揭示林区典型苔草和灌木沼泽温室气体排放的规律，以便为客观评价中国天然湿地温室气体排放总量、控制温室气体排放及湿地保护与合理利用提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
研究地点位于小兴安岭中段，黑龙江省东北部伊春市友好林业局永青林场（128°30′36″E—128°45′00″E、48°03′53″N—48°17′11″N），平均海拔260～500 m，属温带大陆湿润季风气候。年均温0.4 ℃，年积温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%。地带性土壤是暗棕壤，占71%[12，13]。
参照郎惠卿[14]的标准，以优势植被进行分类，分为修氏苔草沼泽和油桦-修氏苔草灌木沼泽。泥炭层厚度为50～100 cm，兩块样地相互邻近，空气温度无显著差异。
1.2 气体采集与分析
气体的采集与分析采用静态暗箱-气相色谱法[12，13]。取样时间为2007年6—10月，2008年5—10月9：00—11：00[15，16]，取样频率为每月3次，约10 d取1次。日变化观测在生长季初期（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开始每间隔3 h取样1次，共取样8次，取样同时原位测定空气温度、箱内温度、0～40 cm土壤温度及水位。
1.3 数据处理
采用软件SPSS 11.0完成Pearson相关和偏相关分析排放通量间的关系，Excel 2003作图。
2 结果与分析
2.1 CO2、CH4和N2O日变化通量间关系
苔草和灌木沼泽3种温室气体的日变化研究表明，除生长季初期为N2O的吸收汇，其他均为3种温室气体的排放源。初期偏相关分析结果显示，CO2与CH4日排放通量间显著正相关（r=0.84，P<0.05）（图1A）;而CH4与N2O通量间显著负相关（r=-0.78，P<0.05）（图1B）;苔草沼泽生长季后期，生态系统呼吸日排放CO2通量与CH4日排放通量间极显著正相关（r=0.85，P<0.01）（图1C）。
灌木沼泽生长季后期，对3种气体的偏相关进行分析可知，CO2与CH4和N2O日排放通量间均显著正相关（r=0.76，P<0.05）、（r=0.78，P<0.05）（图1D、图1E）;CH4与N2O日排放通量间显著正相关（r=0.75，P<0.05）（图1F）。表明苔草沼泽和灌木沼泽CO2、CH4和N2O日排放通量之间存在着显著的耦合作用。
2.2 CO2、CH4和N2O季节变化通量间关系
在生长季节，除灌木沼泽2008年为N2O的吸收汇外，其他均为3种温室气体的排放源。分别对苔草和灌木沼泽2007年和2008年CO2、CH4和N2O季节排放通量间的Pearson相关性进行分析得知，苔草沼泽2008年生长季CO2与CH4排放通量间极显著正相关（r=0.63，P<0.01）（图2）。
3 讨论
有研究认为CH4产生可能与生态系统呼吸产生CO2能力正相关[3]。主要由于植物光合作用对产甲烷菌的基质供给及植物对CH4输送的效应超过了抑制和氧化的作用，促进了CH4排放[17]。生态系统呼吸为CH4产生提供了重要基质，包括植物根系呼吸产生的CO2及分泌物[18]和土壤微生物呼吸过程消耗大量土壤有机质，从而为CH4产生提供了大量易矿化碳[19];同时，湿地植物具有发达通气组织，可能在CH4传输上起重要的通道作用。因此，CO2和CH4排放通量间呈正相关关系。
N2O的产生主要来自硝化和反硝化的微生物过程[20]，土壤微生物需要从有机物分解中获得能量和基质，因此，土壤中N2O产生与有机碳分解过程紧密相连;同时土壤呼吸的加强造成土壤O2含量降低，为反硝化作用创造有利的低氧环境，从而促进N2O的产生[11];除此之外，植物具有发达通气组织，为N2O的传输提供了通道[20];且植物的根系分泌物提高了反硝化细菌活性，也促进N2O产生[21]。无论是土壤中有机碳的分解还是植物的影响，均是构成生态系统总呼吸速率的重要成分，故N2O与生态系统总呼吸排放CO2通量间呈显著正相关。
本研究中灌木沼泽生长季末期，CH4与N2O为正相关关系，与郝庆菊[11]和卢妍等[1]研究结论一致。这主要是由于植物及低水位对CH4及N2O的产生和排放起促进作用。灌木沼泽水位较低（-23.8 cm），有利于土壤有机质分解，同时根系分泌有机质活性高，这不僅提高了反硝化细菌的活性，还为甲烷菌以及反硝化细菌提供了重要的基质来源[11]，因而促进了CH4及N2O的产生。苔草沼泽生长季初期，CH4与N2O为负相关关系，这与已成定论的水稻生长季内CH4与N2O通量之间呈互为消长的负相关关系结论一致[1，7，22]。此种关系主要是由于水分因素的作用，苔草沼泽生长季初期水位较高，为6.4 cm，高水位抑制了N2O的排放，而此种厌氧环境更有利于CH4的产生。
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