CO2摩尔分数倍增对桐花树湿地碳、氮质量浓度影响的模拟

刘 珺,周培国

(1.江苏联合职业技术学院南京分院，江苏 南京 210037；2.南京林业大学 生物与环境学院，江苏 南京 210000)

红树林在净化海水、绿化环境以及维持大气碳氧平衡有着其他森林类型所不及的生态和经济效益[1-5]。目前，关于大气CO2摩尔分数升高对其湿地生态系统造成影响的研究，主要在物种演化、植物生理变化以及根系分泌物等方面[5-9]。现有研究表明，CO2摩尔分数提升能够对红树林生态系统造成显著影响，有助于其生物量的增加，不过持续高CO2摩尔分数也会导致植物功能和生理结构受到不良影响。此外，这种影响也造成土壤C(碳)、N(氮)循环的变化，不利于C的固定，从而会影响到整个生态系统[10-14]。研究红树林典型植物桐花树(Aegiceras corniculatum)湿地系统在CO2摩尔分数倍增状态下碳、氮质量浓度的变化，将为红树植株中碳和氮储量分析以及提升红树林湿地固碳功能提供重要的数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取一年生桐花树(Aegiceras corniculatum)为研究对象，从中选取株种较高的树种并控制各重量及基径大致相等，培养在试验培养池中10 d后取出待用。试验使用的底泥取海南东寨港桐花树的树种下约30 cm的底泥，10个采样点通过棋盘式法布点选取，取后均匀混合统一放入缓冲池里，滤水之后充分搅拌，尽量均匀混合营养盐，静置后备用。

1.2 试验设计

本试验采用开顶箱法[15]进行(图1)，采用控制变量法分别控制1号2号开顶箱中CO2摩尔分数为700和350 μmol·mol-1(以下分别用高、低摩尔分数CO2表示)。采用TES1370红外线CO2测定仪对CO2进行测定。1和4、2和3、5和8、6和7号水槽之间分别通过抽水泵连接，以此来进行潮汐的模拟(图2)。涨潮时间通过定时器控制，槽内人工海水的深度和盐度分别为0.42 m和10%。本试验模拟半日潮，循环水淹半日潮每两个小时循环1次，第1次水淹时间从10点到14点，第2次水淹时间从22点到次日两点，每天24 h内实现两次涨潮和退潮模拟。

图1 开顶箱装置图Fig.1 The OTC experiment installing

图2 试验组编号Fig.2 The test group numbers

1.3 样品采集与分析方法

TC(水+土壤)=C浓度×1 000+C分数×200，C浓度表示表示湿地水，C分数表示湿地土壤；TN(水+土壤)=N浓度×1 000+N分数×200，N浓度表示表示湿地水，N分数表示湿地土壤。以上等式是把该系统当做封闭的系统，V水=1 000 L，V泥=1 200 kg×1/6(只取地下5 cm)。

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

通过测定5号和6号培养箱内无植物对照池水里的TN和TC质量浓度，可以发现在120 d内，无论是高CO2摩尔分数还是低CO2摩尔分数培养，水里的TC和TN质量浓度都未出现明显变化(图3)。由此可见，CO2摩尔分数倍增很难通过物理溶解实现C、N质量浓度的增加，因此，在本研究中，主要分析系统中水和底泥C、N质量质量浓度的变化。

2.2 CO2摩尔分数升高对桐花树(Aegiceras corniculatum)湿地模拟系统内碳质量浓度的影响

在120 d内，随着CO2摩尔分数倍增，桐花树湿地系统里TC、TOC以及IC质量浓度出现了较为明显的变化(图4)，其水中TC质量浓度提升约6.6%，TOC质量浓度也提升了13.8%，桐花树湿地系统水中的IC质量浓度降低2.1%差异显著(表1)。由此可知，CO2摩尔分数倍增可以有效提升TOC在水里的溶解速度，IC质量浓度降低。不过，TOC在溶解于水中的C占比较大，所以桐花树湿地系统里的TC质量浓度仍有一定的提升。

图3 CO2摩尔分数倍增对空白对照培养池水中的TC和TN的影响Fig.3 The effect of doubled CO2 concentration on TC and TN in water of the control pool

表1 CO2摩尔分数升高对红树植物-桐花树湿地系统水中C的影响Tab.1 The effect of doubled CO2 concentration on carbon of Aegiceras corniculatum wetland system

图4 CO2摩尔分数倍增对桐花树湿地水中C质量浓度的影响Fig.4 The effect of doubled CO2 concentration on C in water of Aegiceras corniculatum wetland system

图5 CO2摩尔分数倍增对桐花树湿地土壤中C质量浓度的影响Fig.5 The effect of doubled CO2 concentration on C in soil of Aegiceras corniculatum wetland system

在120 d内，两种CO2摩尔分数处理下土壤里TC和TOC质量浓度都有一定的下降趋势(图5)。除了在45 d时，整个试验过程里高CO2摩尔分数处理下的TC质量浓度都比低CO2摩尔分数处理下要高约2.8%。此外，TOC质量浓度受影响情况与TC相似，高CO2摩尔分数处理下其质量分数比低CO2摩尔分数处理下高约3.9%，差异显著，这意味着土壤中TOC对高CO2摩尔分数有着更好的响应。而IC在两种CO2摩尔分数处理下均呈现为先降低后提升，桐花树湿地中土壤的IC质量浓度在高CO2摩尔分数处理下平均低1.24%，差异显著(表1)。100 d后，高CO2摩尔分数处理下IC质量浓度比低CO2摩尔分数处理下的高，这意味着土壤里IC质量浓度对CO2摩尔分数的响应较为迟缓。根据上述结果，可以发现桐花树湿地系统在CO2摩尔分数倍增的情况下，其土壤中TC与TOC质量浓度提升，而IC质量浓度的响应则相反。

2.3 CO2摩尔分数升高对桐花树湿地模拟系统内氮质量浓度的影响

表2 CO2摩尔分数升高对红树植物-桐花树湿地系统中N的影响Tab.2 The effect of doubled CO2 concentration on N of Aegiceras corniculatum wetland system

图6 CO2摩尔分数倍增对桐花树湿地水中和的影响Fig.6 The effect of doubled CO2 concentration on in water of Aegiceras corniculatum wetland system

随着CO2摩尔分数倍增，桐花树湿地系统中水的TN质量分数在高CO2摩尔分数处理下比低状态下高出约11.71%(表2)；在120 d内，该系统中水里的TN浓度都有较为明显的提升，在高CO2摩尔分数处理下，其浓度由最初的0.82 mg/L提高到了2.5 mg/L左右，而在低CO2摩尔分数处理下其浓度提高到了2.22 mg/L左右(图7)。

图7 CO2摩尔分数倍增对桐花树湿地模拟系统水中、土壤中TN的影响Fig.7 The effect of doubled CO2 concentration on TN in water and soil of Aegiceras corniculatum wetland system

2.4 CO2摩尔分数升高对桐花树湿地模拟系统碳、氮收支的影响

在120 d内，随着CO2摩尔分数倍增，桐花树的TC质量增加了2.9%，TN的质量下降了10.9%，差异显著(表3)。随着CO2摩尔分数倍增，桐花树模拟生态系统的TC质量有着较为明显的提升(图7)。本研究数据表明，随着CO2摩尔分数倍增，碳元素的及时补充也使湿地中的微生物活性进一步增强，植物中的生物量也随着CO2摩尔分数的提高而有所增加，这有助于增加桐花树湿地系统土壤中的TOC。因此，湿地微生物有分解有机氮的能力，使土壤中氮素矿化的速度进一步提升，在降低土壤TN含量的同时使大量的无机N释放于水中。提高水中TN浓度，TN质量总体呈下降趋势。

表3 CO2摩尔分数升高对红树植物-桐花树湿地系统中TC、TN质量的影响Tab.3 The effect of doubled CO2 concentration on TC and TN of Aegiceras corniculatum wetland system

3 结论

在短期试验中桐花树湿地系统中土壤及水体中C浓度受CO2摩尔分数倍增影响较小，但系统中TC质量浓度却随CO2摩尔分数倍增而明显上升，且土壤中C积累过程明显，整个系统由此而被作为C累积的“库”。可以得出，CO2摩尔分数倍增，该湿地系统中N质量浓度也随之提升，与此同时，系统中水体的硝化作用也有一定程度的增强；桐花树湿地系统里总氮质量分数逐渐下降，这意味着氮素难以在系统中累积，这便是氮素释放的“源”。

在本文的研究中，并没有特别清楚地将系统中碳、氮循环的组分转变展示出来，碳、氮组分转变规律及其代谢途径可以通过同位素示踪的方式进行研究。气候受碳氮耦合影响而产生的变化需要进一步的试验研究。