三江平原沼澤濕地植被群落生物量與溫室氣體排放

1溫室氣體釋放過程建模生態(tài)研究的重點之一是對生物地球化學過程中微生物作用的估計。為了預測溫室氣體在所有微生物作用下的影響，必須預測和預測溫室氣體在未來環(huán)境和經濟影響下的影響，并采取適當?shù)膶Σ摺，F(xiàn)在，我們主要使用生態(tài)系統(tǒng)類型與溫室氣體釋放量之間的經驗關系來計算溫室氣體的宏觀釋放量。根據(jù)“典型區(qū)域”中溫室氣體釋放量及其代表生態(tài)系統(tǒng)的體積積，計算溫室氣體釋放量。后者可分為經驗公式模型和釋放過程機模型。經驗公式模型是指根據(jù)各種陸地環(huán)境氣體釋放過程的監(jiān)測結果，為估算溫室氣體釋放量與控制因子之間的定量關系模型，計算客觀尺度中的釋放。釋放過程的機理模型是基于溫室氣體生成、消耗和傳輸過程中各控制因素之間的定量關系而建立的模擬模型。有研究者認為,植物生長與微生物過程有內在關系,植物生長動態(tài)、營養(yǎng)物質循環(huán)與微生物活動產生的溫室氣體排放密切相關,這個過程是通過影響枯落物中碳的化學性質而控制微生物對枯落物的分解來決定的.利用遙感技術能快速得到地上生物量,如果生物量與溫室氣體排放之間有很好的相關性,則能夠通過遙感技術獲取地上生物量而估算出區(qū)域的溫室氣體排放.因此,有必要研究植物生物量與溫室氣體排放之間的關系.而已有研究表明,氧化亞氮和甲烷的排放與地上生物量有關.本文根據(jù)2003年的觀測數(shù)據(jù),初步探討典型沼澤濕地地上生物量與CH4、N2O釋放量關系.2試驗材料和方法2.1實驗觀測和植物生物量現(xiàn)狀研究區(qū)選在三江平原有代表性的別拉洪河與濃江河河間地帶(133°31′E,47°35′N),區(qū)內分布有大面積的天然沼澤濕地.區(qū)內海拔高度55.4～57.9m,屬北溫帶濕潤大陸性季風氣候,1月平均氣溫-18～-21℃,7月平均氣溫21～22℃,年均溫1.6～1.9℃.冰凍期達5個月,最深凍深達1.9m.年降水量565～600mm,60%以上集中在6～8月,年蒸發(fā)量542.4～580mm.氣體觀測和植物生物量實驗布置在黑龍江省東北部的洪河農場三區(qū)試驗場,距離中國科學院三江平原沼澤濕地生態(tài)實驗站10.9km,面積20hm2.試驗場內的地貌類型為三江平原沼澤發(fā)育最為普遍的碟形洼地,主要優(yōu)勢植物群落圍繞洼地中心沿不同的水分梯度帶由中心到邊緣呈環(huán)帶狀分布.主要植被類型有小葉章(Deyeuxiaangustifolia)、毛果苔草(C.lasiocarpa)、漂筏苔草(C.pseudocuraica)等.土壤類型依次為泥炭沼澤土和草甸沼澤土.各群落帶0～25cm土壤理化性質如表1所示.在碟形沼澤洼地區(qū),依據(jù)地表淹水狀況依次選取3個觀測點,即處于洼地邊緣,季節(jié)性淹水的小葉章群落;靠近洼地中心,長期淹水的毛果苔草群落;位于洼地中心,長期淹水的漂筏苔草群落.2.2氣體采集和通量采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定CH4、N2O的氣體通量.氣體采集箱材質為不透明PVC板(厚度30mm),外刷白漆并罩兩層白布,內置攪氣小風扇和采氣三通閥.箱體底面積為50cm×50cm,高為50cm.為了防止采樣時箱內的氣體不外泄,采樣前一周,每種植被類型布置兩觀測點,在各觀測點埋入不銹鋼底座,采樣時將采樣箱扣在底座的水槽里并加水密封.采樣期為2003年6月1日至9月27日,每周觀測一次.樣品采集用100mL醫(yī)用玻璃注射器(注射嘴安裝有采氣三通閥),在30min時段內,每10min通過采樣箱上的采氣三通閥抽取箱內氣體100mL.采集的氣體通過采氣三通閥注入鋁塑復合氣袋(化工部大連光明化工研究所生產,1L),密封儲存.氣體采集后一周內在中國科學院三江平原濕地生態(tài)試驗站完成對樣品中CH4及N2O氣體質量分數(shù)的分析.在實驗室用HP4890氣相色譜儀同時測定CH4和N2O質量分數(shù).CH4采用單閥單柱進樣、CH4分離采用長度2m、內徑2mm的60～80目13XMS色譜柱,柱箱溫度55℃,離子火焰化檢測器(FID)檢測,工作溫度為200℃,載氣為高純氮氣,流量為30mL/min;N2O采用單閥單柱進樣,分離條用長度2m、內徑2mm的60～80目PorapakQ色譜柱,用電子捕獲檢測器(ECD)進行檢測,檢測器工作溫度330℃,載氣為高純氮氣,流量為30mL/min;氣體通量采用以下公式計算:J=dcdt?MV0?PP0?T0T?HJ=dcdt?ΜV0?ΡΡ0?Τ0Τ?Η式中,J為氣體通量(mg·m-2·h-1);dc/dt為采樣時氣體體積分數(shù)隨時間變化的直線斜率;M為被測氣體摩爾質量;P為采樣點氣壓;T為采樣時絕對溫度;V0、P0、T0分別為標準狀態(tài)下的氣體摩爾體積、空氣絕對溫度和氣壓;H為采樣箱高度.本研究以測定植物活體的干重來表示生物量.地上生物量采用收割法,即在樣地生物量測定區(qū)內按植物生長特點每15d左右采樣一次.采樣時,在每種植被類型樣地內隨機選取3～4個25cm×25cm的小樣方,用剪刀沿地面剪下植物的地上部分并將其帶回實驗室.105℃殺青30min,置于80℃烘干箱中烘干至恒重,稱量干重.運用Excel2003和SPSS11.5軟件包進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析.本文中除作特別說明,平均值都以算術平均值計算.3結果與討論3.1地上生物量的季節(jié)變化三江平原地處我國東北邊陲,氣候屬溫帶濕潤、半濕潤氣候.受氣溫、光照、土壤養(yǎng)分、水分狀況等因素影響,三江平原主要植被群落生物量呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化.從2003年生物量監(jiān)測結果來看:在植物生長期內,毛果苔草(MG)、漂筏苔草(PF)、小葉章濕草甸(XYZ)地上生物量變化呈現(xiàn)出單峰型特征(圖1),在8月中旬和9月初達到地上生物量最高值.不同植被類型中以小葉章濕草甸地上生物量最大,毛果苔草和漂筏苔草相對較小.最大峰值過后,隨著秋季的來臨,溫度的降低,植物光合能力減弱并漸趨衰老.在此過程中,營養(yǎng)物質不斷流失并開始向地下轉移,從而導致地上生物量的降低.至10月中旬左右,隨著氣溫的繼續(xù)降低,植物地上部分幾乎完全枯死并呈立枯狀或枯落物歸還地表,地上生物量降至最低.盡管地上生物量的變化趨勢基本一致,但其生物量的大小以及最大峰值出現(xiàn)的時間卻有很大差異.在整個生長季內,小葉章濕草甸的地上生物量不但顯著大于漂筏和毛果,而且其最大值出現(xiàn)的時間(8月末)也比毛果、漂筏(9月中旬)提前15d左右.造成這種差異的原因主要與植物體的生物生理特性及各自的生境有關.而這種單峰型的生長曲線又與近20年月平均降水量單峰型的趨勢線相吻合(圖2),反映出植被生長節(jié)律與該區(qū)溫帶季風氣候雨熱同季的特點相適應.數(shù)學模擬表明,沼澤濕地植物的地上生物量的季節(jié)變化呈單峰型,可用函數(shù)Y=b0+b1T+b2T2+b3T3表示,其中b0,b1,b2,b3為常數(shù),T為時間(d),Y為生物量(g·m-2),R2值在0.87以上,在0.05水平顯著(見表2).3.2生長季不同植物帶no的排放特征沼澤濕地不同植物帶在整個觀測期內CH4排放通量均具有明顯的季節(jié)變化(圖3).由于三種植物帶所處濕地水文條件的差異,CH4排放通量的特征各異.6月,小葉章、漂筏和毛果CH4排放都呈現(xiàn)增加趨勢.在7月初季節(jié)性積水的小葉章排放達到最大值,而長期積水的毛果和漂筏到7月中旬排放達到最大值.7、8月是長期淹水的漂筏和毛果CH4高排放的集中期,其通量分別達到最高值696.2mg·m-2·d-1和530.4mg·m-2·d-1;而9月,CH4的排放通量較低.季節(jié)性淹水的小葉章CH4排放通量7月初達最大排放值204.9mg·m-2·d-1,之后通量迅速降低,8月底降至最小1.3mg·m-2·d-1,之后的9月又出現(xiàn)一個較小的排放峰.總體看來,小葉章CH4的高排放期主要集中在6月底至7月初,較漂筏和毛果有所提前,而持續(xù)的時間明顯小于前兩者.而且群落類型不同,其排放強度也有很大的差異(P<0.01)(表3).生長季毛果和漂筏的平均排放通量分別為259.2mg·m-2·d-1和273.6mg·m-2·d-1,無明顯差別,而小葉章的平均排放通量為38.2mg·m-2·d-1,分別為毛果、漂筏的14.7%(P<0.01)和13.9%(P<0.01).由此看出,CH4排放強度在群落帶間差異明顯,且沿洼地中心到邊緣呈依次降低的趨勢(表3).圖4給出了沼澤濕地生長季不同植物帶N2O排放通量的季節(jié)變化特征.結果表明,除6月中旬和8月下旬小葉章與毛果、漂筏N2O排放通量差異較大外,生長季其余時間的變化均保持較好的同步性.6月是毛果和漂筏N2O排放通量逐漸增大的時期,于7月中下旬出現(xiàn)排放峰,最大排放通量1.57mg·m-2·d-1和1.80mg·m-2·d-1,之后通量開始下降,經過8月的相對排放低值期后,9月初N2O的排放又開始增加,并于9月中旬再次出現(xiàn)N2O的排放峰,最大排放通量1.78mg·m-2·d-1和1.62mg·m-2·d-1.小葉章N2O則在6月中旬出現(xiàn)一個持續(xù)兩周的脈沖排放,最大排放通量2.53mg·m-2·d-1,該時期總排放量占整個生長季的1/3.8月中下旬出現(xiàn)一個排放低谷,最低值0.116mg·m-2·d-1,其余時間小葉章點N2O排放通量變化特征與毛果、漂筏點幾乎同步.小葉章點N2O在6月中旬出現(xiàn)一個持續(xù)兩周的脈沖排放,最大排放值2.53mg·m-2·d-1,其總排放量占整個生長季的1/3.小葉章群落土壤在6月中旬出現(xiàn)排放高峰,這可能與此期間小葉章群落土壤凍層融通,從而導致土壤反硝化作用加強以及土壤中積累的N2O集中釋放有關.Bochove等發(fā)現(xiàn)冬季雪覆蓋下農田仍有N2O排放,占全年的25%,在春融期出現(xiàn)排放高峰,最大峰值達1.728mgN2O·m-2·d-1.王躍思等在內蒙古半干旱草原的研究發(fā)現(xiàn),由于春融引起的N2O爆發(fā)式排放有可能使其月平均通量值躍居至年排放最高值.Teepe等對森林N2O排放研究中,也觀測到在5月未融化期出現(xiàn)N2O排放高峰,峰值達1.34mgN2O·m-2·d-1.根據(jù)宋長春等的研究,三江平原沼澤濕地在7月初其凍土層全部融通,而季節(jié)性積水沼澤凍土層的融通時間還要提前,在融化期間N2O排放通量有一個明顯的排放過程.總的來看,三類群落帶N2O排放通量都表現(xiàn)出“升高—降低—升高”的變化趨勢,但小葉章出現(xiàn)第一個排放高值區(qū)的時間要明顯提前于毛果和漂筏.生長季小葉章、毛果、漂筏N2O的平均排放通量分別為:0.969mgN2O·m-2·d-1、0.932mgN2O·m-2·d-1和0.983mgN2O·m-2·d-1,群落帶間無明顯差異(P=0.967)(表3).3.3植物生物量與氣排放通量已有研究表明,濕地植物在甲烷排放過程中起著提供底物及傳輸甲烷和氧氣的作用.植物通過根系分泌物和脫落物為產甲烷菌提供底物,植物根的分泌物及呼吸作用產生的CO2是CH4產生的重要基質;較強的光合作用必然增大根系的分泌物的產生,從而影響CH4的產生與排放通量.當季植物提供的甲烷碳一般占生物量的3%～7%,濕地CH4排放通量與生態(tài)系統(tǒng)凈生產力(NEP)間存在密切的相關關系,生物量越高,甲烷排放就越多,有一定的線性關系.丁維新等研究表明,在同種植物生長的沼澤中,甲烷排放與植物地上部分生物量密切相關,植物生物量是導致同種植物生長的沼澤甲烷排放產生空間變異的關鍵因素之一.Seastedt認為,植物生物量與N的氣體排放通量密切相關,因為兩者都與水分和N素的可利用性密切相關.Groffman和Turner選取9種土地利用類型生物量與氮素氣體排放量證實含氮氣體與生物量呈現(xiàn)強的相關關系.本研究中,由于生物量的采集每月2次,而氣體的采集時間為每周采集即每月采集4次,所以將氣體通量每半月平均估算這段時間內總的排放量.則每半月氣體排放量計算數(shù)學表達式為:T=(X1+X2)2×15Τ=(X1+X2)2×15,式中X1、X2分別表示半月中的兩次通量值.通過對三江平原沼澤濕地生長季不同植被群落生物量與排放通量排放關系的研究,發(fā)現(xiàn)在各植被群落出現(xiàn)最大生物量之前,生物量與CH4、N2O氣體排放累積量呈現(xiàn)強的線性相關(如圖5).可用線性函數(shù)表示:Y=aX+b,其中a,b為常數(shù),X為生物量(g·m-2),Y為氣體排放累積量(mg·m-2),R2都在0.89以上,在0.05水平上差異顯著(見表4).這說明在沼澤濕地,CH4和N2O的排放量與地上生物量有密切關系.在研究過程中,我們不區(qū)分植被類型對生物量與CH4、N2O的排放量進行分析.結果發(fā)現(xiàn),雖然地上生物量與N2O排放量仍呈線性相關(P<0.05),但與CH4排放量關系不明顯(圖5).這表明,植物生物量并非導致甲烷在不同種植被類型間排放產生的明顯空間差異的關鍵因素,而是導致同種植物生長的沼澤甲烷排放產生空間變異的關鍵因素.這也說明在今后若以生物量來估算沼澤濕地溫室氣體排放,應區(qū)分不同的植被類型進行估算.4ch4群落排放特征(1)三江平原典型沼澤濕地植物的地上生物量呈現(xiàn)季節(jié)性變化,可用函數(shù)Y=b0+b1T+b2T2+b3T3表示,其中b0,b1,b2,b3為常數(shù),T為時間(d),Y為生物量(g·m-2),R2值在0.87以上,在0.05水平上顯著.(2)三江平原沼澤濕地CH4排放強度在群落帶間差異明顯,且沿洼地中心到邊緣呈依次降低的趨勢.根據(jù)排放變化特征,逐時段累加估算出6～9月小葉章、漂