王培 葉文娟 朱仁斌 徐華

研究論文

南極苔原沼澤溫室氣體通量變化特征及其對氣候變化的響應(yīng)

王培1葉文娟1朱仁斌1徐華2

(1中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院極地環(huán)境與全球變化安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 合肥 230026;2中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210091)

以南極阿德雷島苔原沼澤為研究區(qū)域, 2016年12月至2017年1月南極夏季期間觀測研究了溫室氣體CH4、CO2和N2O通量的變化規(guī)律及其對環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明: 光照條件下干旱苔原沼澤表現(xiàn)為CH4吸收, 通量為(–5.4±4.3) μg CH4·m–2·h–1, 半干旱苔原與淹水苔原沼澤表現(xiàn)為凈排放; 三個類型苔原沼澤觀測點(diǎn)均表現(xiàn)為N2O凈吸收, 最高吸收通量出現(xiàn)在淹水苔原, 為(–2.6±2.4) μg N2O·m–2·h–1; 黑暗條件下苔原沼澤一致表現(xiàn)為CH4和N2O凈排放。光照與土壤水分減少增加了苔原CH4有氧氧化吸收, 同時促進(jìn)了反硝化作用對N2O的還原轉(zhuǎn)化。觀測期間所有觀測點(diǎn)均表現(xiàn)為CO2的匯, 最高CO2凈交換量與光合作用強(qiáng)度都出現(xiàn)在淹水苔原區(qū), 分別為(–40.1±17.6) μg CO2·m–2·h–1和(91.2±26.5) mg CO2·m–2·h–1; 而最高苔原沼澤呼吸速率出現(xiàn)在干旱苔原觀測點(diǎn), 為(73.1±17.6) μg CO2·m–2·h–1。夏季適宜的溫度、降水條件促進(jìn)了苔原植被的光合作用, 增加了苔原沼澤CO2吸收量。CO2、N2O、CH4通量隨時間變化的相互關(guān)系規(guī)律不顯著(>0.05), 但在降水與溫度波動下, N2O與CH4通量都隨CO2通量呈現(xiàn)相似的波動。三種溫室氣體與各種環(huán)境因子之間的響應(yīng)關(guān)系值得進(jìn)一步研究; 不同光照條件對CH4、N2O排放量的估算有重要影響。

南極 苔原沼澤 CO2通量 N2O通量 CH4通量

0 引言

溫室氣體排放是導(dǎo)致全球氣候變化的重要原因, 甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)和氧化亞氮(N2O)源匯過程及地域排放特征是全球變化研究的重點(diǎn)內(nèi)容[1]。極區(qū)有著范圍廣闊的季節(jié)性苔原凍土, 凍土在能量交換、濕度通量、碳氮循環(huán)和氣候變化中發(fā)揮著重要作用, 對全球氣候變化的響應(yīng)和反饋較為敏感[2-4]。全球變暖對極區(qū)凍土環(huán)境產(chǎn)生了重要影響: 凍土消融改變了極區(qū)植被、水文狀況和土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性, 導(dǎo)致土壤微生物數(shù)量、活性和活動層厚度發(fā)生顯著變化; 凍土中所束縛的大量有機(jī)質(zhì)釋放, 使得土壤呼吸速率和甲烷、氧化亞氮等溫室氣體排放量增加, 溫室效應(yīng)增強(qiáng)[5-6]。因此, 開展極地苔原溫室氣體源匯過程及其對全球變化的響應(yīng)研究成為環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)。

近年來, 圍繞北極苔原凍土碳氮循環(huán)中溫室氣體通量的交換過程及其影響因素, 已開展了大量的現(xiàn)場觀測與模式研究, 闡明了氣候、植被和土壤凍融過程等對溫室氣體通量的影響[7-11]。研究結(jié)果表明: 北極苔原是CH4的一個重要排放源[12]; 氣溫的升高導(dǎo)致凍土融化, 觀測到較高的苔原N2O和CO2排放量[7,13]。我國學(xué)者率先開展了南極苔原土壤CH4和N2O通量的觀測研究, 研究了氣候因子、土壤因子與動物活動等對苔原溫室氣體通量的影響[14-18], 研究結(jié)果表明: 南極地區(qū)海洋動物的活動明顯增強(qiáng)了N2O與CH4的排放[15,19-20], 溫度升高、降水增加促進(jìn)了苔原植被生長, 也增強(qiáng)了CO2的吸收[21-22]; 氣溫上升加速南極土壤中有機(jī)質(zhì)分解, CO2排放量升高[21]; 喬治王島冰蓋消融期土壤有機(jī)質(zhì)增加, 溫室氣體排放量增加[23]; 瑪格麗特灣CO2通量空間變化與不同的植被類型相關(guān)[24]; 默多克谷中非生物過程被認(rèn)為主導(dǎo)CO2通量變化[25], 直接影響CO2凈交換, 且土壤水分變化是影響苔原CH4通量季節(jié)變化的重要因素[26]。這些因素同時通過土壤-大氣界面交換、有氧-厭氧等條件的調(diào)控對溫室氣體通量產(chǎn)生綜合影響。

但是, 極地苔原溫室氣體源匯過程及其影響因素仍需進(jìn)一步深入研究[17,27], 尤其是在南極高緯度沿海苔原地區(qū)。這對于豐富地域溫室氣體通量特征數(shù)據(jù)、分析全球氣候變化下的響應(yīng)與反饋具有重要意義。另外, 光照對溫室氣體通量的影響在森林、草地等生態(tài)系統(tǒng)的影響研究較多[28-29], 而在極地沿海苔原地區(qū), 溫室氣體通量估算的影響研究尚不充分[30-31]。研究結(jié)果表明, 北極苔原忽視光照將高估CH4通量, 而低估N2O排放[32], 光照下紫外輻射強(qiáng)度的改變也對苔原CH4和N2O通量產(chǎn)生重要影響[17], 而在南極還未見有光照對南極苔原溫室氣體通量影響的研究報(bào)道。有鑒于此, 在2016—2017年中國南極第33次科學(xué)考察期間, 本課題組在南極長城站附近的阿德雷島苔原區(qū)設(shè)置觀測點(diǎn), 分別在光照和黑暗條件下開展了不同類型苔原沼澤溫室氣體通量的觀測, 以探討南極不同類型苔原沼澤CH4、CO2、N2O通量的夏季變化規(guī)律, 及其對光照、溫度和降水等氣候因子的響應(yīng)關(guān)系。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域位于長城站所在法爾茲半島附近的阿德雷島(Ardley Island)(62°13′S, 58°56′W; 長2.0 km、寬1.5 km)。該島位于亞南極的喬治王島(King George Island)西南端, 靠近南極半島北部。根據(jù)長城站氣象觀測記錄資料, 站區(qū)年平均氣溫約–2.5°C, 每年風(fēng)速超過17 m·s–1的天數(shù)為133 d, 平均氣壓為9.893×104Pa, 平均濕度在89%以上, 年降水量約630 mm, 季節(jié)分配均勻, 以降雪為主。12月中旬地表積雪開始融化, 土壤亦隨之解凍, 3月下旬多數(shù)土壤融化深度達(dá)到40—70 cm。阿德雷島是國際南極科學(xué)研究委員會(SCAR)確定的特別保護(hù)區(qū), 主要為低地苔原, 地勢平坦, 苔蘚、地衣和藻類是主要的植被類型[33]。該島東部為企鵝聚集區(qū), 中部為相對干燥且地形起伏的高地苔原區(qū), 西部為全新世晚期形成的海岸階地沼澤區(qū)域, 平均海拔10—14 m, 面積約0.25 km2, 有機(jī)粘土層約15—20 cm, 苔原沼澤由邊緣相對干旱的地衣植被區(qū)逐步過渡到淹水的苔蘚、藻類植被區(qū)[31,34]。

在阿德雷島西部的苔原沼澤區(qū)域(62°12′39′′S, 58°56′51′′W), 選擇干旱苔原(D)、半干旱苔原(M)、淹水苔原(W)三個典型區(qū)域設(shè)置溫室氣體通量觀測點(diǎn), 每個觀測點(diǎn)均設(shè)置光照和黑暗條件(L/B)加以對比觀測。

1.2 氣體樣品采集

在2016年12月至2017年1月期間, 采用靜態(tài)箱式法觀測溫室氣體通量[14-15]。在選取的觀測點(diǎn)將底座插入土壤或沉積物表面下5 cm, 將有機(jī)玻璃箱(50 cm×50 cm×25 cm)放置于底座上, 底座與箱體連接槽處用水密封。使用透明箱觀測光照條件下溫室氣體通量, 使用厚遮光布覆蓋箱體來觀測黑暗條件下溫室氣體通量。在密封后的30 min內(nèi), 在第0、15和30 min, 分別用兩通針從采樣箱內(nèi)抽取箱內(nèi)頂層空氣體樣品(同時間點(diǎn)抽取兩次, 作為平行樣), 儲存到準(zhǔn)備好的真空瓶(17.5 mL)內(nèi), 同時測量并記錄箱內(nèi)氣溫、觀測點(diǎn)周邊不同深度的土壤溫度及天氣狀況。觀測頻率視天氣條件每周1—2次, 觀測時間為上午當(dāng)?shù)貢r間9:00—11:00, 這段時間土壤溫度接近于日平均值。觀測期間降水、氣溫、日輻射強(qiáng)度等氣象數(shù)據(jù)來自中國南極長城站氣象觀測站。

1.3 溫室氣體測定與通量計(jì)算

CH4、CO2和N2O濃度在中國科學(xué)院南京土壤所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測定。CH4濃度用裝有氫火焰離子檢測器(FID)的氣相色譜(Shimadzu GC-12A, Kyoto, Japan)測定, 色譜柱長2 m, 為80/100 目Porapak Q 填充柱。柱溫為80°C, 注射器、檢測器溫度均為200°C。載氣為N2(40 mL·min–1), 燃?xì)鉃闅錃?35 mL·min–1), 助燃?xì)怏w為空氣(350 mL·min–1)[35]。CO2濃度使用帶有熱導(dǎo)檢測器(TCD)的氣體色譜檢測, 活性炭色譜柱柱溫為130°C, 檢測器溫度150°C, 爐溫380°C, 進(jìn)樣量0.5 mL。N2O使用配備電子俘獲檢測器(ECD)的色譜(HP5890GC2ECD)檢測, 采用Ar-CH4(95∶5) 氣作載氣, 流速30 mL·min–1, 柱溫85°C, 檢測器溫度330°C,反吹時間2.8 min. 進(jìn)樣管體積1.17 mL, 標(biāo)準(zhǔn)氣體測定相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)小于1%[20]。溫室氣體通量在平均箱室溫度下, 通過溫室氣體濃度隨時間變化率來進(jìn)行計(jì)算。凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換(NEE)通過在光照下測量CO2濃度變化率計(jì)算, 同時生態(tài)系統(tǒng)呼吸(ER)在黑暗下測定。在本研究中, 苔原呼吸速率同時包括土壤呼吸和植被呼吸, 類似于牧場或草地?？偵鷳B(tài)系統(tǒng)光合作用(GEP)由NEE與ER的差值計(jì)算[36]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

觀測數(shù)據(jù)在Windows 10系統(tǒng)下利用Microsoft Excel 2016、SPSS 20.0和OriginPro 2018軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。用標(biāo)準(zhǔn)誤差(SE)來評估單個通量的不確定性, 對同一區(qū)域的氣體通量取平均值, 所有溫室氣體通量的數(shù)據(jù)均表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。利用多元回歸分析氣象因子與通量之間的相關(guān)性(MRA), 采用Pearson相關(guān)分析分別測試CO2凈交換與呼吸和光合作用的相關(guān)性。

2 結(jié)果與討論

2.1 通量觀測期氣候條件

2016—2017年夏季阿雷島平均氣溫為(1.9±0.2)°C, 整個觀測期平均氣溫呈上升的趨勢, 1月中旬到2月上旬達(dá)最高, 隨后開始下降。2個月份除個別天數(shù)外大多是在0°C以上(圖1a)。觀測期間降水量與大氣相對濕度變化趨勢較一致(圖1b), 降水較多的時段集中在1月上中旬與2月上旬, 其他時段天氣較好, 光照加強(qiáng), 相對濕度下降。與2013—2014年、2014—2015年夏季氣候條件相比, 平均氣溫增加且波動幅度減小, 日照強(qiáng)度與降水量同比也有所增加, 表明與往年相比, 2016—2017年夏季土壤凍融頻率降低, 氣候較溫暖濕潤(表1)。

圖1 研究區(qū)域2016—2017年夏季氣候特征. a)日照強(qiáng)度與平均氣溫; b)降水量與濕度

Fig.1. Meteorological characteristics during the 2016—2017 summertime in the study area. a) daily mean air temperature and sunlight time; b) precipitation and atmospheric moisture

表1 近年來調(diào)查區(qū)域溫室氣體觀測期的氣候條件

2.2 苔原沼澤CH4通量

光照條件下, 干旱苔原觀測點(diǎn)(DL)表現(xiàn)為CH4弱吸收, 平均吸收速率為(–5.4±4.3) μg CH4·m–2·h–1, 其他觀測點(diǎn)均表現(xiàn)為CH4凈排放, 其中最高平均排放速率為半干旱觀測點(diǎn)(ML)的(16.8±9.5) μg CH4·m–2·h–1, 最高排放速率為67.3 μg CH4·m–2·h–1, 出現(xiàn)在淹水苔原觀測點(diǎn)(WL)(表2)。半干旱苔原與淹水苔原的CH4平均通量較為接近, 且都高于干旱苔原觀測點(diǎn), 即它們的CH4排放通量高于干旱苔原, 這與之前的觀測結(jié)果一致[34]。苔原土壤-大氣CH4凈交換通量由土壤中CH4的產(chǎn)生、傳輸和氧化過程所決定, 較高的土壤水分含量造成的厭氧條件, 有利于CH4產(chǎn)生, 同時抑制CH4氧化, 故苔原土壤水分狀況是影響CH4通量變化的主導(dǎo)因素[31]。近年來, 厭氧CH4氧化過程研究表明濕地是不容忽視的CH4匯[37-39], 主要與硫酸鹽還原與反硝化過程有關(guān), 且一般速率較低[40-41]。因此, CH4氧化仍以有氧氧化為主。苔原濕地水位變化決定水氣交換界面的位置, 形成不同的土壤含水量、含氧量與氣體傳輸條件, 從而影響CH4產(chǎn)生及與CH4氧化相關(guān)的微生物活動[42-43]。

表2 在2016—2017夏季各苔原觀測點(diǎn)光照與黑暗下溫室氣體通量比較

觀測期間CH4平均通量表明, 光照增加了半干旱與淹水苔原的CH4排放, 但在干旱苔原反而轉(zhuǎn)換為CH4吸收。半干旱與淹水苔原在光照條件下的CH4平均排放通量高于黑暗條件下, 可能的原因是苔蘚在有氧條件下可以利用H2為電子載體還原CO2生成CH4[44], 光合作用增加了CO2利用速率, 植物根系分泌物為產(chǎn)CH4菌提供更多能量與營養(yǎng)物質(zhì)[45], 從而促進(jìn)苔原土壤CH4產(chǎn)生。另外光合作用與溫度的改變引起苔蘚植物氣孔導(dǎo)度的變化, 從而影響CH4的傳輸而產(chǎn)生更多的CH4釋放[46]。但與此相反, 干旱苔原光照下CH4平均通量(DL)相比較黑暗條件下(DB)表現(xiàn)為吸收, 光照下苔原植被光合作用增加土壤微環(huán)境的含氧量, 增強(qiáng)苔原土壤CH4有氧氧化。光照在干旱、半干旱和淹水苔原對CH4產(chǎn)生和氧化能力有著不同的影響, 從而導(dǎo)致排放與吸收通量變化的差異。

苔原夏季開始降水增多, 氣溫逐漸升高, 適合苔蘚植物生長, 各觀測點(diǎn)CH4排放通量逐漸上升, 到1月上旬時CH4排放通量達(dá)到峰值。隨后一段時間內(nèi)溫度下降, 降水量減少, 苔蘚生長受影響, 土壤間物質(zhì)交換減弱, 有機(jī)質(zhì)供給減少, 土壤含水量降低, 不利于厭氧條件形成, 從而促進(jìn)土壤CH4氧化, 故CH4排放通量開始降低, 并出現(xiàn)CH4吸收。隨后天氣條件多變, CH4通量也存在較大的變化。通過對觀測期氣象因子與CH4通量多元回歸分析, 干旱苔原CH4通量與氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)(回歸系數(shù)=–0.78,<0.05), 與濕度顯著正相關(guān)(=0.37,<0.05), ), 即氣溫上升與濕度較低時, CH4氧化作用增強(qiáng), CH4吸收增多。淹水苔原CH4通量與降水量呈顯著正相關(guān)(=0.94,<0.05), 降水量增加, 土壤中形成更多的厭氧區(qū)域, 增強(qiáng)了CH4產(chǎn)生。干旱、半干旱、淹水苔原三處觀測點(diǎn)在光照與黑暗下的CH4通量變化波動都較大, 有時甚至變化趨勢相反(圖2)。大氣與土壤間CH4交換受產(chǎn)生和氧化兩個過程影響, 土壤中不同深度好氧與厭氧區(qū)域的變化較為復(fù)雜[47], 且苔蘚植物生理活動易受天氣條件影響, 影響CH4的傳輸釋放。

圖2 在2016—2017年夏季觀測期, 光照(L)和黑暗(B)條件下苔原沼澤CH4通量變化. a)干旱苔原區(qū); b)半干旱苔原區(qū); c)淹水苔原區(qū)

Fig.2. The CH4flux in the presence and total absence of sunlight during the summer of 2016—2017. a)dry site; b) mesic site; c) waterlogged site

2.3 苔原沼澤CO2通量

光照與黑暗條件下的CO2的通量變化如圖3所示, 光照條件下NEE均值為負(fù)值(表2), 表現(xiàn)為CO2凈吸收, 表明夏季生長期該區(qū)域苔原表現(xiàn)為大氣CO2匯, 黑暗條件下無光合作用時的CO2通量即ER為正值, 表現(xiàn)為排放CO2。淹水苔原(WL)NEE平均速率為(–40.1±17.6) mg CO2·m–2·h–1, 明顯高于干旱與半干旱苔原, GEP為 (–91.2± 26.5) mg CO2·m–2·h–1顯示更強(qiáng)的CO2吸收能力。黑暗條件下測得的最大ER出現(xiàn)在干旱苔原(DB), 平均速率為(73.1± 17.6) mg CO2·m–2·h–1, 干旱苔原ER平均速率比其他觀測點(diǎn)高(表2)。水分是苔蘚植物生長的限制因子, 在光照下水分充足時, 植被光合作用加強(qiáng)[48-49], NEE最大。

NEE、GEP與ER都有相似的變化趨勢(圖4), ER增強(qiáng)時, NEE與GEP也相應(yīng)增加, 到1月上旬達(dá)到峰值。NEE最高速率為–123.1 mg CO2·m–2·h–1(WL), ER最高速率為157.1 mg CO2·m–2·h–1(DB), 兩者對氣候條件有一致的響應(yīng)關(guān)系。1月上旬降水較多, 土壤水分較充足, 氣溫適宜, 光照雖較少, 但苔蘚植物的光合作用及其他代謝活動在弱光或中等光照強(qiáng)度下順利進(jìn)行[50], 而強(qiáng)烈的光照伴隨著高溫的綜合作用, 會使苔原植被快速失水而變干燥, 反而降低了其活性[16,51], 這也是對極地環(huán)境長期適應(yīng)和演化的結(jié)果。淹水苔原區(qū)在生長旺盛期的NEE與ER變化較小(圖4c), 這可能由于過多土壤水分影響了底物與氧氣的擴(kuò)散, 從而使土壤呼吸速率急劇下降, 影響了CO2的交換[52-53]。所有觀測點(diǎn)的ER與NEE均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)。NEE與ER的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為: 干旱苔原=–0.89(=0.01); 半干旱苔原=–0.95(=0.01); 淹水苔原=–0.79(=0.05)。GEP與NEE的相關(guān)性為: 干旱苔原=0.61(=0.1); 半干旱苔原=0.69(= 0.05); 淹水苔原=0.87(=0.01)。淹水苔原的GEP與NEE相關(guān)性顯著, 而在干旱苔原與半干旱苔原則相關(guān)性不顯著。結(jié)果表明, 總體上觀測期間該苔原沼澤區(qū)域ER對NEE的影響較大, 這與北極苔原[54-55]、林地[56]等其他生態(tài)區(qū)研究結(jié)果相似。

圖3 在2016—2017年夏季觀測期苔原沼澤CO2通量變化. a)光照條件下; b)黑暗條件下

Fig. 3. The mean CO2fluxes in the presence and total absence of sunlight during the summer of 2016—2017. a) the presence of sunlight; b) total absence of sunlight

圖4 在2016—2017年夏季觀測期苔原沼澤CO2凈交換量、生態(tài)系統(tǒng)呼吸與初級生產(chǎn)力變化趨勢. a)干旱苔原區(qū); b)半干旱苔原區(qū); c)淹水苔原區(qū)

Fig.4. The variations of CO2net flux, ecosystem respiration and gross photosynthesis in 2016—2017 summer. a)dry site; b) mesic site; c) waterlogged site

2.4 苔原沼澤N2O通量

光照下干旱苔原、半干旱苔原和淹水苔原觀測點(diǎn)N2O平均通量為負(fù)值(表2), 呈現(xiàn)出弱吸收, 在淹水苔原(WL)測得最高平均吸收通量(–2.6± 2.4) μg N2O·m–2·h–1。黑暗條件下所有觀測區(qū)則呈現(xiàn)出N2O弱排放, 在干旱苔原(DB)測得最高平均排放通量(3.9±1.7) μg N2O·m–2·h–1。雖然觀測期間黑暗下N2O平均通量表現(xiàn)為排放, 光照下表現(xiàn)為吸收, 但N2O通量整體上呈現(xiàn)出吸收與排放的快速轉(zhuǎn)換(圖5)。

土壤硝化、反硝化、硝態(tài)氮異化還原成銨作用(DNRA)以及化學(xué)反硝化等作用都能產(chǎn)生N2O。通常情況下, 土壤中N2O絕大多數(shù)來源于生物途徑, 在好氧或半好氧條件下由硝化微生物作用產(chǎn)生, 在厭氧條件下則由反硝化細(xì)菌主導(dǎo), 相對貢獻(xiàn)取決于環(huán)境條件[57-58]。N2O是反硝化作用的中間產(chǎn)物, 反硝化細(xì)菌大多也具備將N2O還原為N2的能力, 是N2O轉(zhuǎn)化吸收的主要過程[59-60]。光照直接影響苔蘚植物生長和生理代謝, 增強(qiáng)植物根際物分泌作用, 間接改變土壤中反硝化細(xì)菌的豐度與活性, 增加N2O的吸收[61]。另外植物自身也可以產(chǎn)生釋放N2O[62], 強(qiáng)烈的光照可以導(dǎo)致苔蘚植物生長速度與相關(guān)硝酸還原酶的活性降低, 減弱N2O產(chǎn)生作用[63]。根據(jù)之前的研究, 極地苔原紫外輻射減少而N2O排放增強(qiáng)[17], 稻田生長季特別是持續(xù)淹水期, N2O還原轉(zhuǎn)化加快, 由大氣進(jìn)入土壤的N2O也能被還原[59]?？傮w上觀測區(qū)苔原生長期表現(xiàn)為大氣N2O匯, 但吸收速率較低, 波動較大。

圖5 在2016—2017年夏季觀測期苔原沼澤N2O通量變化. a)光照條件下; b)黑暗條件下

Fig.5. The 2016—2017 summer mean fluxes of N2O in the presence or total absence of sunlight. a) the presence of sunlight; b) total absence of sunlight

2.5 苔原沼澤各種溫室氣體通量之間的關(guān)系

在干旱苔原, CH4、CO2和N2O三者的通量變化趨勢差異較大, 不同觀測時間點(diǎn)吸收或排放波動差異較大(圖6a)。半干旱苔原區(qū)與淹水苔原1月上旬前吸收與排放變化趨勢相似, 同一時間點(diǎn)都表現(xiàn)為吸收與排放。但1月上旬后表現(xiàn)為排放的相反規(guī)律(圖6b, 6c)。三者之間的關(guān)系較復(fù)雜。之前的研究認(rèn)為 CO2濃度升高會適當(dāng)減緩CH4匯的作用, 甚至使苔原土壤由CH4匯變?yōu)樵碵48,64]。N素水平的變化會抑制土壤CH4氧化, 降低CH4吸收并增加N2O產(chǎn)生[15,31]。觀測區(qū)域三種溫室氣體變化趨勢差異較大, 在1月上旬CO2凈交換量較高時, CH4與N2O通量波動較大。

3 結(jié)論

(1)總體上該區(qū)域內(nèi)干旱苔原夏季表現(xiàn)為CH4匯, 半干旱和淹水苔原表現(xiàn)為CH4源。光照增強(qiáng)了半干旱和淹水苔原CH4的產(chǎn)生, 但在干旱苔原反而增加了吸收。

圖6 在2016—2017年夏季觀測期苔原沼澤CH4、CO2和N2O通量變化趨勢. a)干旱苔原區(qū); b)半干旱苔原區(qū); c)淹水苔原區(qū)

Fig.6. The variations of CH4、CO2and N2O flux in 2016—2017 summer. a)dry site; b) mesic site; c) waterlogged site

(2)該區(qū)域夏季表現(xiàn)為CO2的匯, 最高ER和NEE分別出現(xiàn)在干旱和淹水苔原, ER對NEE的影響較大。

(3)夏季N2O通量呈現(xiàn)源匯的快速轉(zhuǎn)換, 波動較大, 總體上光照條件下表現(xiàn)為N2O吸收, 在黑暗下表現(xiàn)為排放。

(4)該區(qū)域CO2、N2O和CH4通量隨時間變化趨勢差異較大, 與三種溫室氣體受不同的生物化學(xué)過程主導(dǎo)以及與各種環(huán)境因子之間的相互響應(yīng)關(guān)系復(fù)雜有關(guān)。

致謝 感謝國家海洋局極地考察辦公室和中國極地研究中心對該項(xiàng)研究野外科考工作的大力支持和幫助。

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VARIATION OF SUMMERTIME GREENHOUSE GAS FLUXES FROM TUNDRA MARSHES AND THEIR RESPONSE TO CLIMATE CHANGE IN MARITIME ANTARCTICA

Wang Pei1, Ye Wenjuan1, Zhu Renbin1, Xu Hua2

(1Polar Institute of Polar Environment, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China;2State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Science, Nanjing 210091, China)

During the austral summer of 2016—2017, CH4, CO2, and N2O fluxes and selected environmental variables were measured over tundra marshes on Ardley Island in maritime Antarctica. In the presence of sunlight, a net CH4flux of?5.4±4.3 μg·m?2·h?1was measured at the dry tundra site, while net CH4emissions were detected at the mesic and waterlogged sites. Under sunlight conditions, maximum N2O flux was ?2.6±2.4 μg·m?2·h?1, and was measured at the waterlogged site; all sites showed net N2O consumption. In the total absence of sunlight, all sites showed net CH4and N2O emissions. Light and water enhance CH4consumption via aerobic oxidation and promote denitrification and the subsequent formation of N2O. Under sunlight conditions, all three sites acted as CO2sinks. The highest net CO2flux and photosynthetic flux occurred at the waterlogged site (?40.1±17.6 mg·m?2·h?1and ?91.2±26.5 mg·m?2·h?1), while the highest ecosystem respiration rate occurred at the dry tundra site (73.1±17.6 μg·m?2·h?1). Favorable temperature and precipitation conditions during the Antarctic summer promote photosynthesis in tundra vegetation, resulting in increased CO2uptake by marshes. Relationship between time and fluxes of the three greenhouse gases is not statistically significant (>0.05). However, under the conditions of variable precipitation and temperature, fluctuations in N2O and CH4fluxes are similar to those in CO2. Results indicate that different light conditions, even those under the same sunlight intensity, have considerable influence on estimates of CH4and N2O fluxes. Relationships between the three greenhouse gases and between the gases and various environmental factors deserve further study.

Antarctic, tundra marsh, CO2fluxes, CH4fluxes, N2O fluxes

2019年4月收到來稿, 2019年6月收到修改稿

國家自然科學(xué)基金(41576181, 41776190)和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDB40000000)資助

王培, 男, 1982年生。博士研究生, 主要從事環(huán)境地球化學(xué)方面研究。E-mail:wpei@mail.ustc.edu.cn

朱仁斌, E-mail: zhurb@ustc.edu.cn

10. 13679/j.jdyj.20190019