艾比湖湿地典型植物群落土壤剖面CO2、CH4和N2O扩散通量研究

李艳红 ，陈图峥 ，李发东 ,

1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2.新疆维吾尔自治区重点实验室/新疆干旱区湖泊环境与资源实验室，新疆 乌鲁木齐 830054；3.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；4.中国科学院大学资源与环境学院，北京 100190

目前全球规模的气候变暖问题已引起了广泛关注（王德宣等，2002）。在气候变化过程中，湿地占有重要的地位（刘子刚，2004），它对CO2、CH4和N2O产生起着重要的作用。土壤作为一个巨大的碳库（Jenkison et al.，1991），是大气温室气体的重要的源或汇。研究土壤剖面温室气体分布有助于揭示土壤中产生、积累、运输以及向大气排放的生物和物理过程（刁一伟等，2004）。目前，关于土壤中温室气体的研究多集中于土壤表层排放通量的季节变化及其与生物、非生物因子等之间的关系，而对土壤垂直剖面方向上温室气体扩散通量变化研究集中在农田、菜地、南极苔原、草原季节性冻土区、喀斯特地区、湿地等等方面研究。姚鹏伟（2017）分析施氮和覆膜均能够显著增加10—50 cm各土层N2O浓度和表面净排放，种植玉米会显著增加10—50 cm各土层CO2浓度、扩散通量及表面净排放。马智勇等（2019）分析休耕裸地与轮作菜地 N2O浓度在土层中的分布从上到下先增加后减少，主要产生位点于30 cm土层并从该层向其上下层扩散输送。胡泓等（2014）分析崇明东滩芦苇湿地CH4和N2O全年表现为排放过程，CO2全年表现为吸收过程。李娜等（2017）分析小兴安岭7种天然沼泽湿地发现小兴安岭草丛沼泽为碳强汇、灌丛沼泽为碳强源、森林沼泽基本维持碳平衡，7种天然沼泽湿地CO2的排放均受气温和土层温度影响。吴靖霆（2016）分析城市次生湿地、天然湿地、稻田湿地的土壤剖面CO2浓度随着深度的增加而升高，稻田湿地土壤剖面 CH4浓度随着深度的增加而降低。综上，不同土地利用类型土壤剖面中温室气体的时空分布直接影响温室气体的地-气交换，明确土壤剖面中温室气体的时空变化规律，能够更好地了解土壤温室气体的源/汇作用及其产生机制。

关于艾比湖湿地土壤温室气体的研究，主要集中在湿地不同植物群落下土壤温室气体排放日变化和季节变化。研究表明不同植物群落下土壤温室气体排放均具有明显的日变化和季节变化特征，但不同植物群落下土壤温室气体排放均值有所差异（Li et al.，2018；杨建军等，2009；赵明亮等，2015）。湖泊排放通量空间异质性，表明艾比湖湿地土壤呼吸的空间变异性较强，且空间异质性是由结构因素引起的，土壤温度、空气温湿度和土壤有机质是重要影响因素（秦璐等，2014；王金龙，2018）。已有报道冻融过程对湿地土壤温室气体的影响（朱文煜等，2020），以及淡水湖博斯腾湖与咸水湖艾比湖湿地温室气体排放空间差异性研究（王顺科等，2020），但对其土壤剖面的温室气体扩散通量研究较少。本文以艾比湖湿地为研究区，选取典型植物群落芦苇、柽柳及对照组裸地为研究对象，分析不同典型植物群落下土壤 CO2、CH4、N2O 剖面扩散通量变化特征，旨在通过长期观测分析湖泊湿地土壤CO2、CH4、N2O扩散通量时空变化特征。另外，通过环境因子与土壤CO2、CH4、N2O扩散通量的统计分析，试图探讨湿地土壤CO2、CH4、N2O的产生传输机制。

1 研究区概况

研究区位于艾比湖湿地自然保护区（82°36′—82°50′E，44°30′—45°09′N），该地区年平均气温 6—8 ℃，极端最高气温44 ℃，极端最低气温−33 ℃，年平均降水量100 mm左右，年蒸发量1600 mm，气候极端干燥，降水稀少，属典型温带大陆性气候。1972—2011年期间，艾比湖的面积在不断缩小，共缩小115.03 km2（李磊等，2014）。实验点设在鸟岛管护站，位于艾比湖湿地西南部精河入湖口，该区域 2002年实施引水围堰和土壤改良工程，湖滨以芦苇湿地为主。根据实地植物样方调查，湖滨以芦苇（Phragmitescommunis）群落为主，覆盖度60%—70%，其次为柽柳（Tamarixchinensis）群落，盖度分40%—50%。鸟岛站周围土壤沙化、盐碱化严重，有裸地分布。根据盐分分级标准（新疆维吾尔自治区农业厅等，1996），芦苇表层0—5 cm盐分（17.81 g·kg−1）小于柽柳（18.92 g·kg−1），属重度盐渍化，土壤质地多为粉砂。

2 研究方法

2.1 气体采集与测定

土壤剖面试验在艾比湖湿地鸟岛站，按照距湖滨4 km范围设置纵向带，根据植被类型，设置裸地（0 km）、芦苇（1 km）、柽柳（4 km），裸地为对照组，分别各设1个10 m×10 m的样地，在各样地内随机选取1个点。试验开始前，将土壤剖面气体原位采集系统（图1）安装到每个样地温室气体排放通量采样基座相邻处。土壤剖面气体原位采集系统可以在同一地点同时采集土壤剖面不同土层的气体。该系统由4个长20 cm、直径20 mm的聚四氟乙烯集气管做成的基本采气单元上下连接而成。由直径1.6 mm、长70 cm不锈钢管一端与集气管相连接，另一端与连接注射器的三通组合露出于地表之上。该系统可采集4个土层（0—10、10—20、20—40、40—60 cm），每个深度的土壤层次实际涵盖上下10 cm范围的土壤剖面。其平时保持密闭状态，采气时用注射器直接采集所需容积的气体。采样均于当地时间09:00开始（万运帆等，2006）。采气时，用100 mL塑料注射器于0、10、20、30 min分别抽取30 mL气体，在整个试验周期内均进行原位动态监测，于2015年10月—2016年9月，春季（1—3月）、夏季（4—6月）、秋季（7—9月）、冬季（10—12月），每月采集 1次。采集的气样迅速寄往中国科学院禹城综合试验站，并使用气相色谱仪（GC 7890A）进行分析。

图1 土壤温室气体原位采集装置结构图Fig.1 Structure of soil greenhouse gases in situ acquisition device

2.2 温室气体的计算

土壤剖面中CO2、CH4和N2O扩散通量通过浓度梯度法计算，即 Fick第一定律原理(Fick first law)，计算方法如下：

式中，Q表示气体的扩散通量（mg·m−2·h−1）；Ds表示气体在土壤中的扩散常数（cm2·s−1）；C为气体的浓度（mg·cm−3）；Z为气体的扩散深度（本试验指 0、10、20、40、60 cm）；∆C/∆Z表示气体浓度梯度。

气体在土壤中的扩散常数等，通过如下公式求得：

式中，D0是指气体在自由空气中的扩散系数（cm2·s−1），根据试验长期观测情况以温度 20 ℃和压强101.325 kPa的标准下CO2、CH4和N2O的D0值分别为 0.150、0.156 和 0.212 cm2·s−1；Fa和F分别是土壤通气空隙（cm−3·cm−3）和土壤总孔隙度（cm−3·cm−3）；BD 是指土壤容重（g·cm−3）；WC 指的是土壤体积含水量（mL·cm−3）。采集气体同时采集不同典型植物群落下土壤剖面（0—10、10—20、20—40、40—60 cm）土壤，测定其土壤容重，并用烘干法测定其土壤含水量（中国科学院南京土壤研究所，1978）。

2.3 数据统计分析方法

本研究中的统计分析，包括方差分析及其多重比较等分析方法均采用SPSS 19.0完成，用三因子方差分析季节、样地及土层对典型植物群落下土壤剖面CO2、CH4和N2O扩散通量的影响，多重比较分析同一土壤剖面不同样地和同一样地不同土壤剖面之间的差异，采用SigmaPlot 10.0作图。

3 结果与分析

3.1 典型植物群落土壤剖面CO2、CH4、N2O扩散通量动态变化特征

如图2所示，在观测期内，典型植物群落芦苇、柽柳和裸地中0—10、10—20、20—40、40—60 cm土壤剖面CO2、CH4和N2O扩散通量呈现出波动性变化，总体上夏秋高于冬春，但各季节之间无显著差异（P＞0.05）。土壤剖面CO2、CH4和N2O扩散通量分别表现为芦苇 (8.38 mg·m−2·h−1)＞柽柳 (0.14 mg·m−2·h−1)＞裸地 (−0.25 mg·m−2·h−1)；裸地 (0.42 μg·m−2·h−1)＞柽柳 (−5.62 μg·m−2·h−1)＞芦苇 (−12.00 μg·m−2·h−1)；芦苇 (2.09 μg·m−2·h−1)＞裸地 (−0.03 μg·m−2·h−1)＞柽柳 (−0.20 μg·m−2·h−1)。芦苇、柽柳和裸地均表现出深层土壤CO2和N2O扩散通量高于浅层土壤的空间分布特征，20—40 cm土层显著高于其他土层。三因素方差分析可知（表1），土壤剖面CO2、N2O扩散通量在不同样地、不同土层之间存在显著的交互作用（P＜0.05），且不同样地之间芦苇土壤剖面CO2、N2O扩散通量显著高于柽柳和裸地。而土壤剖面CH4扩散通量在各样地、各土层之间均无明显差异。

图2 芦苇、柽柳和裸地土壤剖面CO2、CH4、N2O扩散通量动态变化Fig.2 Dynamic changes of CO2, CH4 and N2O diffusion fluxes in reed, tamarix and bare soil profiles

表1 不同样地、土层及季节对土壤剖面CO2、CH4、N2O扩散通量影响的三因素方差分析Table 1 Three-factor variance analysis of the effects of different soil layers and seasons on CO2, CH4 and N2O diffusion fluxes in soil profiles

3.2 典型植物群落土壤环境因子动态变化特征

由图3可知，典型植物群落芦苇、柽柳和裸地空气温湿度均呈现为单峰曲线的变化形式，其中，柽柳群落空气温湿度变幅最大；三者不同季节土壤温度、有机碳、铵态氮、硝态氮、盐分、全磷总体上表现为随土层深度的增加而减少，土壤含水量总体上表现为随土层深度的增加而增大。空气温度、土壤温度、有机碳、铵态氮、盐分、全磷的峰值出现在夏季，空气相对湿度、土壤含水量、硝态氮的峰值则出现在秋季。方差分析表明，裸地土壤盐分显著低于芦苇、柽柳群落（P＜0.05），柽柳群落土壤有机碳显著高于芦苇群落、裸地，芦苇群落土壤含水量显著高于柽柳群落、裸地，而三者之间的土壤温度、铵态氮、硝态氮、全磷、空气温湿度差异均不显著（P＞0.05）。

图3 芦苇、柽柳和裸地土壤理化性质动态变化特征Fig.3 Dynamic characteristics of physical and chemical properties of reed, tamarix and bare soil

3.3 典型植物群落土壤CO2、CH4、N2O扩散通量的影响因素

由表2可知，在整个观测期间，芦苇群落CO2扩散通量仅与空气相对湿度呈显著正相关（P＜0.05），CH4扩散通量与各环境因子的相关性不显著（P＞0.05），N2O扩散通量与土壤铵态氮、空气相对湿度呈显著或极显著正相关；柽柳群落CO2扩散通量与土壤温度、铵态氮呈显著或极显著相关关系，CH4扩散通量与土壤有机碳、全磷之间具有显著相关关系，N2O扩散通量与土壤温度呈显著正相关，与铵态氮呈极显著负相关（P＜0.01）；裸地CO2扩散通量与土壤温度呈显著正相关，CH4扩散通量与土壤盐分、全磷、气温之间呈显著或极显著负相关，与土壤铵态氮呈极显著正相关，N2O扩散通量与土壤含水量呈显著正相关，与气温之间呈显著负相关。

表2 土壤剖面CO2、CH4、N2O扩散通量与环境因子的相关关系Table 2 Correlation between CO2, CH4, N2O diffusion fluxes and environmental factors in soil profile

对典型植物群落芦苇、柽柳和裸地的9个环境因素进行主成分分析（表3），包括土壤温度、土壤含水量、空气温度、空气相对湿度、土壤铵态氮、土壤硝态氮、全磷、土壤盐分、土壤有机碳。根据特征值大于1这一判断标准，选取前3个主成分，其累积贡献率达到88.7%，基本上可以反映采样期间艾比湖湿地生态系统的环境特征。第一主成分与土壤有机碳、铵态氮、硝态氮的相关性较强，因此第一主成分可以看作是土壤化学性质；第二主成分与土壤温度、空气温度相关性较强，因此第二主成分可以看作是温度状况；第三主成分与土壤含水量、空气相对湿度的相关性较高，因此第三主成分可以看作是水分状况。

表3 主成分载荷矩阵Table 3 Principal component load matrix

选取对3个主成分贡献最大的因子进行多元回归分析，在每个主成分中选择相关系数绝对值最大者即土壤温度、土壤含水量、土壤有机碳为代表建立这3种环境因子指标与土壤剖面温室气体扩散通量的多元回归方程：

Y1= −0.131X1+0.311X2−0.284X3+3.551

Y2=0.114X1+0.314X2−0.362X3−5.402

Y3=0.056X1+0.001X2+0.12X3+0.845

其中，Y1、Y2、Y3分别代表土壤CO2扩散通量、CH4扩散通量和N2O扩散通量。X1为土壤温度，X2为土壤含水量，X3为土壤有机碳。

4 讨论

4.1 土壤剖面CO2、CH4和N2O扩散通量的时空特征

艾比湖湿地的芦苇、柽柳和裸地土壤CO2、CH4和 N2O扩散通量季节变化呈现夏秋高于冬春的特征，本研究中不同植物群落下的环境因子指标与土壤剖面温室气体扩散通量的关系存在差异，但土壤温度、土壤含水量和土壤有机碳三者最为重要，这与已有的报道相似，例如土壤CO2、CH4和N2O扩散通量与土壤温度有正相关关系（孙巧奇，2013；韩雪等，2020），土壤温度和土壤含水量均与土壤剖面CO2和CH4排放呈显著的正相关关系（吴靖霆，2016）。艾比湖湿地土壤温度和土壤有机碳的峰值出现在夏季，土壤含水量的峰值出现在秋季，夏季芦苇和柽柳植物的光合作用强烈，是土壤动物、微生物活动以及植物根系呼吸的强盛时期，能释放更多的温室气体，土壤扩散通量达到峰值；进入冬季，土壤微生物活性和根系活动基本停止，土壤扩散通量变低。艾比湖湿地的芦苇、柽柳和裸地均表现出深层土壤CO2和N2O扩散通量高于浅层土壤的空间分布特征，20—40 cm土层显著高于其他土层，但CH4扩散通量在各土层无显著差异。这与已有的土壤剖面温室气体排放的研究结果很相似，例如吴靖霆（2016）分析城市次生湿地、天然湿地、稻田湿地的土壤剖面CO2浓度随着深度的增加而升高，城市次生湿地和天然湿地土壤剖面 CH4浓度均随土层深度增加而降低；李晋波等（2018）分析内蒙古草原CO2和N2O的浓度随着深度的增加而升高，说明在不同土地类型之间，土壤CO2和N2O扩散通量呈现随着深度的增加而升高的趋势。李晋波等（2018）发现在不同放牧条件下，土壤CO2和N2O的峰值出现在不同土层，CO2的峰值一般出现在植物根系活跃区（20 cm），艾比湖湿地除土壤含水量随深度的增加而增加外，其他土壤温度和土壤有机碳等 6种土壤理化性质总体上随深度的增加而减少，说明艾比湖湿地土壤垂直剖面温室气体排放传输机制较为复杂。

4.2 不同区域湿地土壤CO2、CH4和N2O扩散通量

不同区域湿地CO2、CH4和N2O扩散通量存在差异，艾比湖湿地温室气体排放通量与其他区域湿地对比，艾比湖湿地的CO2和N2O扩散通量分别为 2.75 mg·m−2·h−1和 0.001 mg·m−2·h−1，明显低于国内东北、长江中下游、西南高原和青藏高原等区域的湿地；艾比湖湿地的 CH4扩散通量为−5.733 mg·m−2·h−1，稍高于国内东北、长江中下游和西南高原等区域的湿地。艾比湖湿地与其他区域湿地CO2、CH4和N2O扩散通量均具有季节性变化，艾比湖湿地与我国尕海高山湿地、小兴安岭沼泽湿地和潘阳湖湿地等的土壤 CO2和 CH4扩散通量在夏季出现峰值，但N2O扩散通量在不同湿地的高峰期差异较大。艾比湖湿地CO2和N2O的源，CH4的汇，我国湿地基本上是CO2的排放源，但不同区域湿地是N2O和CH4的源/汇存在较大差异（表4）。

表4 不同地区湿地湿地CO2、CH4和N2O扩散通量Table 4 Diffusion fluxes of CO2, CH4 and N2O in different wetlands

5 结论

（1）各样地土壤CO2、CH4和N2O扩散通量表现出夏秋高、冬春低的季节变化特征。土壤CO2和N2O扩散通量深层高于浅层土壤的空间分布特征，20—40 cm土层显著高于其他土层，而CH4扩散通量的空间分布不明显。总体而言，芦苇土壤CO2、N2O扩散通量显著高于柽柳和裸地。

（2）典型植物群落芦苇、柽柳和裸地空气温度、土壤温度、有机碳、铵态氮、盐分、全磷的峰值出现在夏季，空气相对湿度、土壤含水量、硝态氮的峰值则出现在秋季。三者不同季节土壤温度、有机碳、铵态氮、硝态氮、盐分、全磷总体上表现为随土层深度的增加而减少，土壤含水量总体上表现为随土层深度的增加而增大。

（3）对典型植物群落芦苇、柽柳和裸地的9个环境因素进行主成分分析，其累积贡献率达到88.7%，基本上可以反映采样期间艾比湖湿地生态系统的环境特征。相关分析、主成分分析及多元回归分析结果表明，土壤温度、土壤含水量、土壤有机碳对土壤CO2、CH4和N2O扩散通量影响最大，其次为空气温湿度、土壤铵态氮和土壤硝态氮，而土壤盐分和土壤全磷对土壤CO2、CH4和N2O扩散通量的影响则不明显。