石蘭英 牟長城

摘要：利用靜態(tài)箱-氣相色譜法連續(xù)兩個生長季（2007—2008年）對小興安嶺典型修氏苔草（Carex schmidtii）沼澤和油樺（Betula ovalifolia）-修氏苔草灌木沼澤CO2、CH4和N2O的排放通量進行野外原位觀測。結(jié)果表明，除2008年灌木沼澤為N2O的弱匯外，其他均為溫室氣體的排放源。除苔草沼澤生長季初期，CH4與N2O具顯著負相關(guān)外，CO2與CH4、CO2與N2O及CH4與N2O均呈正相關(guān)，但顯著性水平視不同濕地類型以及不同季節(jié)而定。

關(guān)鍵詞：CO2排放通量;CH4排放通量;N2O排放通量;修氏苔草（Carex schmidtii）沼澤;油樺（Betula ovalifolia）-修氏苔草灌木沼澤;小興安嶺

中圖分類號：X173;X171.1;X831 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）24-0080-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.22.019 ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務(wù)）標識碼（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

溫室氣體排放導致全球變暖問題是全球關(guān)注的熱點。主要溫室氣體（CO2、CH4和N2O）的研究大多關(guān)注一種或含碳氣體的排放和源匯，3種溫室氣體綜合效應(yīng)研究鮮有報道[1-3]。農(nóng)田、森林、草原和濕地生態(tài)系統(tǒng)及地區(qū)大氣CO2、CH4和N2O之間相互關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，3種氣體中某2種氣體相互間存在一定的相關(guān)關(guān)系[1-11]。

濕地是多種溫室氣體的源和匯，在全球氣候變化中占有重要地位。自然濕地3種氣體的相互關(guān)系報道較少[1，4，11]，因此，本研究根據(jù)野外實地觀測結(jié)果，分析了小興安嶺林區(qū)典型修氏苔草（Carex schmidtii）沼澤和油樺（Betula ovalifolia）-修氏苔草灌木沼澤3種主要溫室氣體排放的相互關(guān)系，揭示林區(qū)典型苔草和灌木沼澤溫室氣體排放的規(guī)律，以便為客觀評價中國天然濕地溫室氣體排放總量、控制溫室氣體排放及濕地保護與合理利用提供科學依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?研究區(qū)域概況

研究地點位于小興安嶺中段，黑龍江省東北部伊春市友好林業(yè)局永青林場（128°30′36″E—128°45′00″E、48°03′53″N—48°17′11″N），平均海拔260～500 m，屬溫帶大陸濕潤季風氣候。年均溫0.4 ℃，年積溫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%。地帶性土壤是暗棕壤，占71%[12，13]。

參照郎惠卿[14]的標準，以優(yōu)勢植被進行分類，分為修氏苔草沼澤和油樺-修氏苔草灌木沼澤。泥炭層厚度為50～100 cm，兩塊樣地相互鄰近，空氣溫度無顯著差異。

1.2 ?氣體采集與分析

氣體的采集與分析采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法[12，13]。取樣時間為2007年6—10月，2008年5—10月9：00—11：00[15，16]，取樣頻率為每月3次，約10 d取1次。日變化觀測在生長季初期（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開始每間隔3 h取樣1次，共取樣8次，取樣同時原位測定空氣溫度、箱內(nèi)溫度、0～40 cm土壤溫度及水位。

1.3 ?數(shù)據(jù)處理

采用軟件SPSS 11.0完成Pearson相關(guān)和偏相關(guān)分析排放通量間的關(guān)系，Excel 2003作圖。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?CO2、CH4和N2O日變化通量間關(guān)系

苔草和灌木沼澤3種溫室氣體的日變化研究表明，除生長季初期為N2O的吸收匯，其他均為3種溫室氣體的排放源。初期偏相關(guān)分析結(jié)果顯示，CO2與CH4日排放通量間顯著正相關(guān)（r=0.84，P<0.05）（圖1A）;而CH4與N2O通量間顯著負相關(guān)（r=-0.78，P<0.05）（圖1B）;苔草沼澤生長季后期，生態(tài)系統(tǒng)呼吸日排放CO2通量與CH4日排放通量間極顯著正相關(guān)（r=0.85，P<0.01）（圖1C）。

灌木沼澤生長季后期，對3種氣體的偏相關(guān)進行分析可知，CO2與CH4和N2O日排放通量間均顯著正相關(guān)（r=0.76，P<0.05）、（r=0.78，P<0.05）（圖1D、圖1E）;CH4與N2O日排放通量間顯著正相關(guān)（r=0.75，P<0.05）（圖1F）。表明苔草沼澤和灌木沼澤CO2、CH4和N2O日排放通量之間存在著顯著的耦合作用。

2.2 ?CO2、CH4和N2O季節(jié)變化通量間關(guān)系

在生長季節(jié)，除灌木沼澤2008年為N2O的吸收匯外，其他均為3種溫室氣體的排放源。分別對苔草和灌木沼澤2007年和2008年CO2、CH4和N2O季節(jié)排放通量間的Pearson相關(guān)性進行分析得知，苔草沼澤2008年生長季CO2與CH4排放通量間極顯著正相關(guān)（r=0.63，P<0.01）（圖2）。

3 ?討論

有研究認為CH4產(chǎn)生可能與生態(tài)系統(tǒng)呼吸產(chǎn)生CO2能力正相關(guān)[3]。主要由于植物光合作用對產(chǎn)甲烷菌的基質(zhì)供給及植物對CH4輸送的效應(yīng)超過了抑制和氧化的作用，促進了CH4排放[17]。生態(tài)系統(tǒng)呼吸為CH4產(chǎn)生提供了重要基質(zhì)，包括植物根系呼吸產(chǎn)生的CO2及分泌物[18]和土壤微生物呼吸過程消耗大量土壤有機質(zhì)，從而為CH4產(chǎn)生提供了大量易礦化碳[19];同時，濕地植物具有發(fā)達通氣組織，可能在CH4傳輸上起重要的通道作用。因此，CO2和CH4排放通量間呈正相關(guān)關(guān)系。

N2O的產(chǎn)生主要來自硝化和反硝化的微生物過程[20]，土壤微生物需要從有機物分解中獲得能量和基質(zhì)，因此，土壤中N2O產(chǎn)生與有機碳分解過程緊密相連;同時土壤呼吸的加強造成土壤O2含量降低，為反硝化作用創(chuàng)造有利的低氧環(huán)境，從而促進N2O的產(chǎn)生[11];除此之外，植物具有發(fā)達通氣組織，為N2O的傳輸提供了通道[20];且植物的根系分泌物提高了反硝化細菌活性，也促進N2O產(chǎn)生[21]。無論是土壤中有機碳的分解還是植物的影響，均是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)總呼吸速率的重要成分，故N2O與生態(tài)系統(tǒng)總呼吸排放CO2通量間呈顯著正相關(guān)。

本研究中灌木沼澤生長季末期，CH4與N2O為正相關(guān)關(guān)系，與郝慶菊[11]和盧妍等[1]研究結(jié)論一致。這主要是由于植物及低水位對CH4及N2O的產(chǎn)生和排放起促進作用。灌木沼澤水位較低（-23.8 cm），有利于土壤有機質(zhì)分解，同時根系分泌有機質(zhì)活性高，這不僅提高了反硝化細菌的活性，還為甲烷菌以及反硝化細菌提供了重要的基質(zhì)來源[11]，因而促進了CH4及N2O的產(chǎn)生。苔草沼澤生長季初期，CH4與N2O為負相關(guān)關(guān)系，這與已成定論的水稻生長季內(nèi)CH4與N2O通量之間呈互為消長的負相關(guān)關(guān)系結(jié)論一致[1，7，22]。此種關(guān)系主要是由于水分因素的作用，苔草沼澤生長季初期水位較高，為6.4 cm，高水位抑制了N2O的排放，而此種厭氧環(huán)境更有利于CH4的產(chǎn)生。

參考文獻：

[1] 盧 ?妍，徐洪文，宋長春.沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)CO2、CH4和N2O排放通量的相互關(guān)系研究[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2011，32（5）：637-640.

[2] HARGREAVES K J，F(xiàn)OWLER D，PITCARN C E R，et al. Annual methane emission from Finnish mires estimated from eddy covariance campaign measurements[J].Theoretical and applied climatology，2001，70（1）：203-213.

[3] POL-VAN D，VAN D，BEUSICHEM M L，et al. Determinants of spatial variability of methane emissions from wet grasslands on peat soil[J].Biogeochemistry，1999，44：221-237.

[4] 宋長春，楊文燕，徐小鋒，等.沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2和CH4排放動態(tài)及影響因素[J].環(huán)境科學，2004，25（4）：1-6.

[5] 董云社，章 ?申，齊玉春，等.內(nèi)蒙古典型草地CO2、N2O、CH4通量的同時觀測及其日變化[J].科學通報，2000，45（3）：318-322.

[6] 王躍思，紀寶明，黃 ?耀，等.農(nóng)墾與放牧對內(nèi)蒙古草原N2O、CO2排放和CH4吸收的影響[J].環(huán)境科學，2001，22（6）：7-13.

[7] 鄒建文，黃 ?耀，宗良綱，等.稻田CO2、CH4和N2O排放及其影響因素[J].環(huán)境科學學報，2003，23（6）：758-764.

[8] 蔡祖聰，MOSIER A R.土壤水分狀況對CH4氧化，N2O和CO2排放的影響[J].土壤，1999（6）：289-294，298.

[9] 秦小光，蔡炳貴，吳金水，等.土壤溫室氣體晝夜變化及其環(huán)境影響因素研究[J].第四紀研究，2005，25（3）：376-388.

[10] 李 ?晶，王躍思，劉 ?強，等.北京市兩種主要溫室氣體濃度的日變化[J].氣候與環(huán)境研究，2006，11（1）：49-56.

[11] 郝慶菊.三江平原沼澤土地利用變化對溫室氣體排放影響的研究[D].北京：中國科學院研究生院（大氣物理研究所），2005. 95-98.

[12] 牟長城，石蘭英，孫曉新.小興安嶺典型草叢沼澤濕地CO2、CH4和N2O的排放動態(tài)及其影響因素[J].植物生態(tài)學報，2009，33（3）：617-623.

[13] 石蘭英，牟長城，田新民.小興安嶺典型沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)呼吸及其影響因子[J].生態(tài)學雜志，2009，28（12）：2477-2482.

[14] 郎惠卿.中國濕地植被[M].北京：科學出版社，1999.

[15] 杜 ?睿，王庚辰，呂達仁，等.靜態(tài)箱法原位觀測草原CO2通量的探討[J].生態(tài)學報，2002，25（1）：2167-2174.

[16] 王俊峰，王根緒，王一博，等.青藏高原沼澤與高寒草甸草地退化對生長期CO2排放的影響[J].科學通報，2007，52（13）：1554-1560.

[17] THOMAS K L，BENSTEAD J，DAVIES K L，et al. Role of wetland plants in the diurnal control of CH4 and CO2 fluxes in peat[J].Soil Biol Biochem，1996，28（1）：17-23.

[18] CHANTON J P，WHITING G J. Trace gas exchange in freshwater and coastal marine environments：Ebullition and transport by plants[A].MATSON P A，HARRISS R C. Methods in ecology. Biogenic trace gases：Measuring emissions from soil and water[C].Blackwell，Oxford，1995.98-125.

[19] 孫向陽.北京西山地區(qū)森林土壤中CO2，N2O和CH4氣體的排放通量及動態(tài)研究[D]. 北京：北京林業(yè)大學，1999.

[20] MALJANEN M， MARTIKAINEN P J，AALTONEN H，et al. Short-term variation in fluxes of carbon dioxide， nitrous oxide and methane in cultivated and forested organic boreal soils[J].Soil biology and biochemistry，2002，34（5）：577-584.

[21] KOOPS J G，OENEMA O，VAN BEUSICHEM M L. Denitrification in the top and sub soil of grassland on peat soils[J]. Plant and soil，1996，184（1）：1-10.

[22] 鄭循華，王明星，王躍思，等.華東稻田CH4和N2O排放[J].大氣科學，1997，21（2）：231-237.