常怡慧,牟長(zhǎng)城,彭文宏,郝 利,韓麗冬

1 東北林業(yè)大學(xué)生態(tài)研究中心,哈爾濱 150040 2 烏海職業(yè)技術(shù)學(xué)院,烏海 010070

永久凍土區(qū)占地球陸地面積的20%以上,主要分布于高緯度和高海拔區(qū)域,對(duì)氣候變化極為敏感。永久凍土儲(chǔ)存著1400—1800 Pg碳,占全球土壤有機(jī)碳50%以上且相當(dāng)于大氣碳庫(kù)的2倍[1- 3],并儲(chǔ)有40—60 Pg氮[4- 6],這使得凍土區(qū)在全球碳氮循環(huán)及氣候變化中占有重要地位[7- 8]。但由于過(guò)去30年間,高緯度地區(qū)升溫較快,是全球平均增幅的2倍[9]。已引起凍土退化和活動(dòng)層加深,有機(jī)質(zhì)的微生物分解過(guò)程加速,促進(jìn)了溫室氣體釋放[1,10]。預(yù)計(jì)下個(gè)世紀(jì)的平均溫度會(huì)增加4—8℃[11],溫室氣體排放量甚至可能會(huì)較預(yù)期更高[12- 13],故永久凍土融化對(duì)氣候變暖可能會(huì)起到正反饋?zhàn)饔肹14- 16]。同時(shí),全球變暖將會(huì)改變凍土區(qū)環(huán)境條件,改變植被物種組成和生產(chǎn)力[17- 18],加之大氣CO2濃度升高的施肥作用,進(jìn)而促進(jìn)植物的生產(chǎn),故永久凍土融化對(duì)氣候變暖也可能起著負(fù)反饋?zhàn)饔肹19- 20]。因此,永久凍土區(qū)濕地溫室氣體排放對(duì)預(yù)測(cè)全球氣候變化趨勢(shì)具有重要作用[21],凍土退化將會(huì)如何影響溫室氣體排放是亟待解決的科學(xué)問(wèn)題之一。

現(xiàn)有研究結(jié)果表明:氣候變暖導(dǎo)致凍土消融可能會(huì)促進(jìn)凍土區(qū)濕地的溫室氣體排放,加拿大西部泥炭地凍土融化區(qū)域的CO2排放量較凍土區(qū)增加1.6倍,CH4排放量增加30倍[22]；西伯利亞?wèn)|北部?jī)鐾羺^(qū)夏季水淹沼澤在低緯度區(qū)CH4排放量較高緯度增高5.1倍[23]；亞北極苔原和永久凍土區(qū)的高山草甸氣候變暖能夠促進(jìn)N2O排放[24- 25],泥炭地生長(zhǎng)季N2O通量(31—31.4 mg m-2d-1)與熱帶雨林相近[26- 27],且凍土融化區(qū)具有更大的N2O排放潛力[7,28]。室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)也證明：取自北美阿拉斯加和歐洲西伯利亞土樣在控溫15℃條件下,凍土融化在有氧環(huán)境中的碳排放量(CO2和CH4)較厭氧環(huán)境提高3.9—10.0倍[29]；取自大興安嶺的土樣培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)也得到隨著未來(lái)氣候的變化,泥炭地土壤將成為大氣潛在的CO2排放源[30]。由此可見(jiàn),氣候變暖及凍土退化可能會(huì)導(dǎo)致凍土區(qū)濕地溫室氣體排放發(fā)生實(shí)質(zhì)性改變,但相關(guān)方面的研究仍很薄弱,尚需要足夠的野外觀測(cè)證據(jù)加以驗(yàn)證。

大興安嶺位于歐亞大陸南緣,是我國(guó)第二大永久凍土帶,也是氣候變化最敏感區(qū)之一[31- 32]。在氣候變暖的影響下,致使永久凍土南部邊界正向北推移,永久凍土總面積減少了20世紀(jì)70—80年代估計(jì)值的35%[32]。凍土退化改變了永久凍土區(qū)濕地的水文、地形以及植被演替[15],進(jìn)而影響到濕地碳氮循環(huán)過(guò)程及溫室氣體排放[7,33]。然而,目前有關(guān)大興安嶺永久凍土區(qū)沼澤濕地溫室氣體排放研究相對(duì)較少,且主要集中在灌叢與草叢沼澤N2O[34]、CH4[35]及CH4和CO2[36- 37]研究,而作為本區(qū)沼澤濕地主體的森林沼澤的溫室氣體排放情況仍不十分清楚,僅見(jiàn)有落葉松苔草、杜香沼澤N2O排放[38]的報(bào)道。加之這些研究多限于生長(zhǎng)季且單一氣體的觀測(cè)數(shù)據(jù),尚難以對(duì)大興安嶺永久凍土區(qū)沼澤濕地溫室氣體排放的總體狀態(tài)加以準(zhǔn)確評(píng)估。

本研究以我國(guó)寒溫帶大興安嶺永久凍土區(qū)7種典型天然沼澤類(lèi)型(草叢沼澤、灌叢沼澤、2種闊葉林沼澤和3種針葉林沼澤)為研究對(duì)象,同步原位測(cè)定全年尺度上的3種溫室氣體(CO2、CH4和N2O)排放通量及相關(guān)環(huán)境因子(溫度、水位、化凍深度及土壤碳氮含量等),揭示其土壤溫室氣體排放特征及其主控因子,并結(jié)合現(xiàn)有研究結(jié)果對(duì)其溫室氣體排放總體狀態(tài)加以評(píng)價(jià),探討氣候變暖對(duì)大興安嶺永久凍土區(qū)溫室氣體排放的影響規(guī)律,以便為永久凍土區(qū)濕地碳匯管理及探尋氣候變化與凍土退化的反饋關(guān)系提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地位于大興安嶺北部的黑龍江漠河森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位研究站,是連續(xù)永久凍土帶,地理坐標(biāo)為122°06′—122°27′E,53°17′—53°30′N(xiāo)。本區(qū)域?qū)儆诤疁貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,年平均氣溫為-4.9℃。冬季極寒而漫長(zhǎng),極端最低氣溫達(dá)到-52.3℃,夏季濕熱,雨水充沛,年降水量約430—550 mm,7—8月份為降雨集中期,全年無(wú)霜期約為80—90 d,該地區(qū)的植被屬于歐亞寒溫帶針葉林的南部延伸,沼澤類(lèi)型豐富,沿沼澤至森林方向過(guò)渡帶依次分布有苔草(Eriophorumvaginatum)沼澤、柴樺苔草灌叢(Betulafruticosa)沼澤、毛赤楊苔草(Alnussibirica)沼澤、白樺苔草(Betulaplatyphylla)沼澤、興安落葉松苔草(Larixgmelinii-Carexschmidtii)沼澤、興安落葉松蘚類(lèi)(Larixgmelinii-moss)沼澤和興安落葉松泥炭蘚(Larixgmelinii-Sphagnumspp)沼澤,且以森林沼澤為主體。灌木主要有油樺(Betulaovalifolia)、篤斯越橘(Vacciniumuliginosum)和細(xì)葉杜香(Ledumpalustre),草本植物主要有臌囊苔草(Carexschmidtii)、小葉章(Calamagrostisangustifolia)。地帶性土壤為棕色針葉林土,其他非地帶性土壤類(lèi)型有草甸土、泥炭土和腐殖質(zhì)沼澤土,泥炭層厚度40—60 cm,永久凍土廣泛分布于河流溝谷濕地中,故本區(qū)域是研究永久凍土退化與沼澤濕地溫室氣體排放關(guān)系的理想場(chǎng)所。

1.2 研究方法

1.2.1樣地設(shè)置

于2016年在實(shí)地踏查的基礎(chǔ)之上沿著溝谷濕地水分環(huán)境梯度依次選擇了7種天然沼澤濕地作為研究對(duì)象,即草叢沼澤-C、灌叢沼澤-G、毛赤楊沼澤-M、白樺沼澤-B、落葉松苔草沼澤-LT、落葉松蘚類(lèi)沼澤-LX、落葉松泥炭蘚沼澤-LN,并在每個(gè)類(lèi)型中各設(shè)置20 m×30 m樣地3塊,共設(shè)置21塊樣地(每個(gè)樣地隨機(jī)設(shè)置1個(gè)靜態(tài)箱),共計(jì)設(shè)置21個(gè)靜態(tài)箱。并于2017年5月至2018年5月(全年尺度)對(duì)各樣地土壤溫室氣體及環(huán)境因子進(jìn)行觀測(cè),以便揭示各沼澤類(lèi)型土壤溫室氣體排放規(guī)律及其主控因子,評(píng)價(jià)永久凍土區(qū)沼澤濕地土壤溫室氣體排放的總體狀況。

1.2.2土壤表面溫室氣體和環(huán)境因子觀測(cè)方法

溫室氣體(CO2、CH4和N2O)的測(cè)定使用靜態(tài)暗箱-氣象色譜法。取樣時(shí)間為09:00—12:00,全年共計(jì)采樣25次。春季為3月下旬—6月中旬,夏季為6月下旬—9月中旬,秋季為9月下旬—12月中旬,冬季為12月下旬—次年3月中旬；生長(zhǎng)季為5月中旬—9月下旬,非生長(zhǎng)季為10月中旬—次年5月上旬。每個(gè)靜態(tài)暗箱由50 cm×50 cm×50 cm的不銹鋼箱體和50 cm×50 cm×10 cm的不銹鋼底座2部分組成。為防止安插底座對(duì)樣地土壤的擾動(dòng),首次取樣前數(shù)天將底座插入土中10 cm,切斷底座周?chē)导叭コ鬃鶅?nèi)植物,并在每次取樣前20 h將底座內(nèi)的植物去除,以確保對(duì)土壤異養(yǎng)呼吸的測(cè)定。為減少箱內(nèi)溫度波動(dòng)在頂箱外部安裝保溫材料,箱內(nèi)頂部設(shè)有兩個(gè)小風(fēng)扇,并配備12V4A蓄電池供電,用于使箱內(nèi)的空氣流通混合均勻。暗箱頂部有直徑為1 cm且內(nèi)置橡膠塞的2個(gè)口,分別用來(lái)采樣和測(cè)量箱內(nèi)溫度。采集氣體樣品前,將靜態(tài)暗箱兩部分間用水密封,取樣在暗箱頂部進(jìn)行,用60 mL醫(yī)用注射器通過(guò)三通閥連接針頭進(jìn)行取樣,每間隔10 min采樣1次,在30 min內(nèi)取樣4次,樣品采集后裝入100 mL的鋁塑復(fù)合氣袋中儲(chǔ)存,并及時(shí)帶入實(shí)驗(yàn)室,在72 h內(nèi)進(jìn)行分析。

溫度測(cè)定用JM624型便攜數(shù)字溫度計(jì),在每次取樣時(shí)于靜態(tài)箱附近安置溫度計(jì),測(cè)定10 cm土壤溫度。土壤采集于每月中旬,取0—30 cm土壤,置于密封袋中,帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤成分。水位測(cè)定于每次取樣時(shí),在采樣箱附近挖井,用鋼尺測(cè)量。永久凍土活動(dòng)層深度測(cè)定于每次取樣時(shí)用土鉆測(cè)量。

1.2.3氣體樣品和土壤樣品分析方法

溫室氣體(CO2、CH4和N2O)濃度分析用Agilent 7890A氣相色譜儀(GC)分析。CO2和CH4分析由前檢測(cè)器氫火焰離子檢測(cè)器(FID)進(jìn)行測(cè)定,FID溫度為250℃,N2O分析由后檢測(cè)器電子捕獲檢測(cè)器(ECD)進(jìn)行測(cè)定,ECD溫度為330℃。色譜柱的溫度為55℃,鎳轉(zhuǎn)化爐溫度為375℃。氣體樣品的載氣為高純氮?dú)狻?種溫室氣體同時(shí)測(cè)定,測(cè)定時(shí)間為4.5 min。10 h內(nèi)的CV值分別小于68%、26%和88%,30 min內(nèi)采集的4個(gè)氣體樣品濃度與采樣時(shí)間間隔存在線形相關(guān)的關(guān)系,CO2和CH4樣品的相關(guān)系數(shù)均在R2>0.95時(shí)視為有效,N2O樣品的相關(guān)系數(shù)在R2>0.70時(shí)視為有效,計(jì)算公式如下[36]：

式中,F為單位時(shí)間單位面積靜態(tài)箱內(nèi)某種溫室氣體通量(mg m-2h-1或μg m-2h-1),正值為排放,負(fù)值為吸收；P0、V0、T0分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(101325 Pa)、氣體摩爾體積(22.4 m3/mol)和空氣絕對(duì)溫度(273.15 K)；dc/dt為采樣時(shí)氣體濃度隨時(shí)間變化的直線斜率(μmol/mol/h)；M為溫室氣體的摩爾質(zhì)量(g/mol)；P、T為采樣時(shí)采樣箱內(nèi)的實(shí)際大氣壓(Pa)和溫度(K)；H為采樣箱有效高度(m)。

溫室氣體排放總量估算：用全年觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)全年溫室氣體排放總量進(jìn)行估算,公式如下[39]：

式中,M為溫室氣體累積通量(kg/hm2)；Fi和Fi+1為第i次和i+1次取樣氣體通量(mg m-2h-1或μg m-2h-1)；ti和ti+1為第i次和i+1次取樣日期。

增溫潛勢(shì)估算：結(jié)合100年尺度上的全球增溫潛勢(shì)(global warming potential,GWP),CO2、CH4和N2O的增溫潛勢(shì)值依次為其排放總量的1、28倍和265倍[9],估算各處理樣地的增溫效果,計(jì)算公式如下：

式中,F′代表各溫室氣體年排放總量

土壤含水量采用烘干法測(cè)定；采用環(huán)刀(100 cm3)法測(cè)量各土層土壤容重；使用HANNA pH211型pH計(jì)測(cè)定土壤pH值；使用Multi N/C 3000分析儀(Analytik Jena AG,Germany)利用燃燒法測(cè)定干土中有機(jī)碳(TOC)濃度；利用KjeltecTM8400凱氏定氮儀(Foss Teactor AB,Sweden)測(cè)定土壤全氮濃度。各沼澤類(lèi)型的土壤狀況見(jiàn)表1。

1.2.4數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010和SPSS 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素(one-way ANOVA)方差分析對(duì)土壤理化性質(zhì)、溫室氣體通量及GWP進(jìn)行單因素方差分析,采用Duncan進(jìn)行多重比較(α=0.05)。采用逐步多元回歸模型對(duì)CO2、CH4和N2O的月平均通量與相應(yīng)月份的環(huán)境因子均值進(jìn)行分析,篩選主要影響因子。SigmaPlot 12.5軟件作圖,圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 大興安嶺永久凍土區(qū)7種沼澤土壤CO2通量及其季節(jié)變化

大興安嶺永久凍土區(qū)7種天然沼澤類(lèi)型的土壤CO2年均通量相近(表2)。其土壤CO2年均通量分布在125.12—163.33 mg m-2h-1之間,其中,C、B、LX、LN略高于G、M、LT 9.3%—30.5%,但各沼澤類(lèi)型間差異性均不顯著(P>0.05),故大興安嶺永久凍土區(qū)沼澤土壤CO2排放與沼澤類(lèi)型關(guān)系并不大。

表1 大興安嶺永久凍土區(qū)7種沼澤類(lèi)型土壤理化性質(zhì)

Table 1 Soil physicochemical property from seven kinds of natural swamp in the continuous permafrost region of the Daxing′an Mountains

土壤性質(zhì)Soil characteristics土層Depth/cm樣地類(lèi)型 SiteCGMBLTLXLN水位Water level/cm-7.31±0.80bc-14.53±2.49ab-5.84±3.88c-10.49±3.15abc-13.87±3.67ab-15.96±0.97a-8.09±0.95bc化凍深度Thaw depth/cm-138.80±6.3b-141.30±3.8b-153.80±6.3a-151.00±2.0a-153.00±2.0a-155.50±7.5a4a-153.00±6.0a土壤溫度Soil temperature/℃10-1.67±0.02a-1.29±0.07b-1.27±0.01b-1.32±0.03b-0.39±0.04d-0.60±0.06c-0.66±0.01c土壤pH值 Soil pH0—305.36±0.04b5.11±0.18a5.21±0.11a5.22±0.20a5.24±0.14a5.24±0.21a5.11±0.11a土壤容重 Soil bulk density/(g/cm3)0—300.88±0.31a1.15±0.29a0.95±0.33a0.92±0.34a0.88±0.31a0.79±0.16a0.89±0.36a有機(jī)碳Soil organic carbon/(mg/g)0—30117.20±62.2abc103.40±39.8ab166.80±120.7c169.30±130.6c112.70±81.9abc88.70±71.3a161.30±78.1bc全氮Total nitrogen/(mg/g)0—308.83±3.98abcd8.24±1.15ab12.76±7.70cd13.11±9.78d8.53±6.21abc4.81±3.97a10.01±3.4bcd碳氮比C/N ratio0—3013.37±1.05a13.96±3.01a12.98±1.89a12.93±0.57a14.78±1.65a19.65±0.40b15.96±2.47a含水量Soil water content/(cm3/cm3)0—301.59±0.52a1.50±0.24a2.12±0.79a1.10±0.46a0.88±0.28a0.82±0.26a1.85±0.56a

同一行不同小寫(xiě)字母表示同一土壤指性質(zhì)不同樣地類(lèi)型間差異顯著(P<0.05)。C：草叢沼澤Eriophorumvaginatum；G：灌叢沼澤Betulafruticosa；M：毛赤楊沼澤Alnussibirica；B：白樺沼澤Betulaplatyphylla；LT：落葉松苔草沼澤Larixgmelinii-Carexschmidtii；LX：落葉松蘚類(lèi)沼澤Larixgmelinii-moss；LN：落葉松泥炭蘚沼澤Larixgmelinii-Sphagnumspp

不同沼澤類(lèi)型土壤CO2排放通量的季節(jié)變化趨勢(shì)一致(圖1),即由早春開(kāi)始波動(dòng)升高,進(jìn)入夏季達(dá)到排放峰值,且在6月下半月(424.3—509.2 mg m-2h-1)及7月下半月或8月上半月(377.5—491.8 mg m-2h-1)呈現(xiàn)出2個(gè)排放峰值,夏末秋初開(kāi)始波動(dòng)下降,直至整個(gè)冬季維持低排放(<85 mg m-2h-1)。但各沼澤類(lèi)型土壤CO2通量季節(jié)格局卻不同(表2),可分為3種類(lèi)型：LT、LX呈夏>春>秋>冬型分布(夏季高于其他3季41.9%—654.4%,P<0.05)；G、B呈夏>春>秋≈冬型分布(夏季高于其他3季65.5%—545.8%,P<0.05)；C、M和LN呈夏>春≈秋≈冬型分布(夏季高于其他3季52.9%—743.2%,P<0.05)。此外,各沼澤類(lèi)型生長(zhǎng)季土壤CO2通量均顯著高于非生長(zhǎng)季168.5%—311.4%(P<0.05)。因此,大興安嶺永久凍土區(qū)7種天然沼澤類(lèi)型的土壤CO2通量均呈現(xiàn)出雙峰型季節(jié)動(dòng)態(tài)趨勢(shì),但其季節(jié)格局卻存在3種類(lèi)型。

2.2 大興安嶺永久凍土區(qū)7種沼澤土壤CH4通量及其季節(jié)變化

大興安嶺永久凍土區(qū)7種沼澤類(lèi)型土壤CH4年均通量存在顯著差異性(表2)。其土壤CH4年均通量分布在-0.007—0.400 mg m-2h-1之間,其中,C為CH4強(qiáng)排放源,顯著高于其他5種沼澤類(lèi)型5.6—65.7倍(P<0.05)(LT為弱匯除外),其他6種沼澤類(lèi)型為CH4的弱排放源或弱吸收匯且差異性均不顯著。因此,大興安嶺永久凍土區(qū)僅草叢沼澤為CH4的強(qiáng)排放源,其他6種沼澤類(lèi)型為CH4的弱排放源或弱吸收匯。

7種沼澤類(lèi)型CH4通量季節(jié)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)及季節(jié)格局不同(圖1)。其中,草叢、灌叢及2種闊葉林(M和B)沼澤的CH4通量自早春開(kāi)始逐漸緩慢升高,進(jìn)入夏季波動(dòng)升高,至夏末、秋初出現(xiàn)1—3個(gè)排放峰值(分別為1.61—2.71、0.26、0.24—0.29、0.42 mg m-2h-1),秋末迅速波動(dòng)下降,整個(gè)冬季維持低吸收或低排放；而3種針葉林沼澤LT、LX和LN的CH4通量在全年觀測(cè)期間均呈排放與吸收交替出現(xiàn)的季節(jié)變化趨勢(shì)。此外,7種沼澤類(lèi)型CH4通量季節(jié)格局各不相同(表2)：C呈夏>秋>春≈冬型；G呈秋>春≈冬>夏型；M呈夏≈秋>春≈冬型；B呈秋>春≈夏≈冬型；LT呈冬>秋≈夏>春型；LX呈夏>春≈秋≈冬型；LN呈秋>夏≈冬>春型。因此,大興安嶺永久凍土區(qū)7種沼澤類(lèi)型CH4通量季節(jié)動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)出單峰型、多峰型和排放吸收交替型3種類(lèi)型及季節(jié)分布格局各不相同。

表2 大興安嶺永久凍土區(qū)7種沼澤類(lèi)型土壤CO2、CH4和N2O排放通量

同一行不同大寫(xiě)字母表示同一時(shí)期不同類(lèi)型間的差異顯著,同一列不同小寫(xiě)字母表示同一類(lèi)型不同時(shí)期間的差異顯著(P<0.05)

2.3 大興安嶺永久凍土區(qū)7種沼澤土壤N2O通量及季節(jié)變化

大興安嶺永久凍土區(qū)7種天然沼澤類(lèi)型土壤N2O年均通量不同(表2)。其土壤N2O年均通量分布在1.52—37.90 μg m-2h-1,其中,B和M最高(顯著高于其他5種類(lèi)型2.0—23.9倍,P<0.05),LT、LX和LN居中(顯著高于G和C 2.9—6.2倍,P<0.05),G和C最低且相近。因此，大興安嶺永久凍土區(qū)天然沼澤濕地土壤N2O年平均通量呈現(xiàn)闊葉林沼澤>針葉林沼澤>灌叢沼澤和草叢沼澤的變化規(guī)律性。

7種天然沼澤土壤N2O通量季節(jié)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)有所不同(圖1)。其中,B和M從早春起迅速升高,分別在4月和5月出現(xiàn)排放峰值(230.3、123.9 μg m-2h-1),進(jìn)入夏、秋季直至冬季一般均維持較低排放；其余5種沼澤類(lèi)型早春迅速升高,3月至5月也出現(xiàn)各自排放峰值(22.6、20.2、42.2、40.8、79.9 μg m-2h-1),但自夏季開(kāi)始、經(jīng)秋季直至冬季一般均維持低吸收與低排放交替的變化趨勢(shì)。此外,各沼澤類(lèi)型N2O通量季節(jié)格局也不同(表2),可分為4種類(lèi)型：C呈春>秋≈冬>夏型；G呈春>秋夏≈冬型；M和B呈春>夏≈秋>冬型；LT、LX和LN呈春>秋≈冬≈夏型。因此,大興安嶺永久凍土區(qū)天然沼澤濕地土壤N2O通量呈現(xiàn)2種季節(jié)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)及4種季節(jié)分布格局且均以春季排放最高。

2.4 大興安嶺永久凍土區(qū)沼澤濕地土壤溫室氣體通量的主控因子

大興安嶺永久凍土區(qū)7種天然沼澤類(lèi)型土壤CO2、CH4和N2O排放與環(huán)境因子的多元逐步回歸分析結(jié)果表3顯示,土壤CO2通量影響因子方面,C與土壤溫度顯著正相關(guān),可以解釋CO2排放的58%；G和M均與土壤溫度、pH值顯著相關(guān),兩者可解釋CO2通量的68%—80%；LT與土壤溫度正相關(guān)但與水位顯著負(fù)相關(guān),可解釋CO2通量的67%；B、LX與土壤溫度正相關(guān)但與水位、土壤碳氮比負(fù)相關(guān),三者可以解釋CO2通量的89%—93%；LN與土壤溫度正相關(guān)但與水位、土壤化凍深度負(fù)相關(guān),三者可以解釋CO2通量的88%。永久凍土區(qū)沼澤土壤CO2通量主控因子存在2種類(lèi)型草叢、灌叢、毛赤楊沼澤為土壤溫度、pH值(C除外)；森林沼澤(M除外)為土壤溫度、水位、化凍深度(B、LX)及碳氮比(LN)。因此,大興安嶺永久凍土區(qū)沼澤土壤CO2通量主控因子為土壤溫度和水位。

土壤CH4通量影響因子方面,C和M與土壤化凍深度負(fù)相關(guān),可以解釋土壤CH4通量的45%—84%；LX與土壤溫度顯著正相關(guān),可以解釋土壤CH4通量的73%；G與土壤溫度和pH值正相關(guān),兩者可以解釋土壤CH4通量的54%；B與土壤溫度、pH值、化凍深度、全氮、碳氮比、含水量正相關(guān),與有機(jī)碳含量負(fù)相關(guān),共同可以解釋土壤CH4通量的99%；LT、LN與各環(huán)境因子相關(guān)性均不顯著。因此,土壤CH4通量主控因子為土壤溫度和化凍深度。

土壤N2O通量影響因子方面,C與土壤碳氮比成負(fù)相關(guān),可以解釋土壤N2O通量的26%；M與土壤溫度負(fù)相關(guān),與有機(jī)碳含量和碳氮比正相關(guān),三者可以解釋土壤N2O通量的83%；LT與碳氮比負(fù)相關(guān),與土壤溫度、pH值、化凍深度正相關(guān),共同可以解釋土壤N2O通量的79%；B與土壤有機(jī)碳含量負(fù)相關(guān),與土壤溫度、pH值、全氮、碳氮比正相關(guān),共同可以解釋土壤N2O通量的93%；G與有機(jī)碳含量負(fù)相關(guān),與土壤溫度、含水量、pH值、全氮、碳氮比正相關(guān),共同可以解釋土壤N2O通量的97%；LN與水位、pH值、有機(jī)碳含量、含水量負(fù)相關(guān),與土壤溫度、化凍深度、碳氮比正相關(guān),共同可以解釋土壤N2O通量的99%；LX與土壤溫度、pH值、化凍深度、水位、全氮負(fù)相關(guān),與有機(jī)碳含量、碳氮比、含水量正相關(guān),共同可以解釋土壤N2O通量的99%。沼澤類(lèi)型改變了N2O通量與土壤溫度、pH值、化凍深度、有機(jī)碳氮含量、碳氮比、含水量的相關(guān)性,8種環(huán)境因子共同可以解釋土壤N2O通量變化達(dá)26%—99%。

2.5 大興安嶺永久凍土區(qū)7種沼澤土壤溫室氣體年排放量及其增溫潛勢(shì)

大興安嶺永久凍土區(qū)7種沼澤類(lèi)型土壤3種溫室氣體年排放量不同(表4)。各沼澤類(lèi)型土壤CO2年排放量分布在10.99—14.35 t hm-2a-1,其中,C高于其他6種沼澤9.1%—30.6%(P>0.05),B、LX、LN高于G、M、LT 9.3%—19.7%(P>0.05),但各沼澤類(lèi)型間差異性均不顯著；CH4年排放量分布在-0.61—35.16 kg hm-2a-1,C為CH4的強(qiáng)排放源(顯著高于其他5種沼澤5.5—69.3倍(P<0.05)(LT為弱匯除外),其他5種沼澤為CH4的弱排放源；N2O年排放量分布在0.13—3.33 kg hm-2a-1,均表現(xiàn)為N2O排放源,M和B顯著高于其他5種沼澤類(lèi)型1.9—24.6倍(P<0.05),LT、LX和LN顯著高于G、C 2.9—6.4倍(P<0.05),而G、C最低且相近。因此,寒溫帶大興安嶺永久凍土區(qū)天然沼澤濕地土壤CO2排放量并無(wú)顯著差異性；但CH4排放量呈草叢沼澤>其他6種沼澤類(lèi)型,N2O排放量呈闊葉林沼澤>針葉林沼澤>灌叢和草叢沼澤的變化規(guī)律性。

表3 大興安嶺永久凍土區(qū)7種沼澤類(lèi)型CO2、CH4和N2O排放通量與環(huán)境因子的逐步多元線性回歸分析

Table 3 The stepwise multiple linear regression model between environment factors and the emissions fluxes of greenhouse gas from seven kinds of natural swamp in the continuous permafrost region of Daxing′an Mountains

+：代表P<0.1；*：代表P<0.05；**：代表P<0.01；***：代表P<0.001

表4 大興安嶺永久凍土區(qū)7種沼澤類(lèi)型土壤溫室氣體排放總量及GWP值

Table 4 Fluxes and GWP of greenhouse gas in the seven kinds of natural swamp at cold temperate zone continuous permafrost region at the Daxing′an Mountains

樣地類(lèi)型SiteCO2排放總量Total flux/(t hm-2 a-1)GWPCO2GWPCO2/(t hm-2 a-1)CH4排放總量Total flux/(kg hm-2 a-1)GWPCH4GWPCH4/(t hm-2 a-1)N2O排放總量Total flux/(kg hm-2 a-1)GWPN2OGWPN2O/(t hm-2 a-1)GWP總和Total GWP/(t hm-2 a-1)C14.35±1.34a14.35±1.34a35.16±10.12b0.98±0.28b0.13±0.15a0.04±0.04a15.37±1.56aG10.99±1.41a10.99±1.41a0.50±0.26a0.01±0.01a0.18±0.13a0.05±0.03a11.05±1.44aM10.99±2.17a10.99±2.17a5.39±1.77a0.15±0.05a2.83±0.65c0.75±0.17c11.89±2.29aB12.89±1.83a12.89±1.83a1.54±0.70a0.04±0.02a3.33±0.25d0.88±0.07d13.82±1.80aLT11.11±1.12a11.11±1.12a-0.61±0.07a-0.02±0.00a0.96±0.18b0.25±0.05b11.34±1.08aLX13.15±0.60a13.15±0.60a0.51±0.70a0.01±0.02a0.76±0.08b0.20±0.02b13.37±0.58aLN12.14±2.31a12.14±2.31a2.57±0.22a0.07±0.01a0.71±0.11b0.19±0.03b12.40±2.32a

同一列不同小寫(xiě)字母表示不同樣地類(lèi)型間差異顯著(P<0.05);GWP:全球增溫潛勢(shì)Global warming potential

七種沼澤類(lèi)型土壤溫室氣體增溫潛勢(shì)(GWP)相近。各沼澤類(lèi)型GWP分布在11.05—15.37 t CO2hm-2a-1之間,C最高(高于其他6種沼澤11.2%—39.1%,P>0.05),B、LX居中(高于其他4種沼澤7.8%—25.1%,P>0.05),后四者相對(duì)較低,但各沼澤類(lèi)型間差異性均不顯著。此外,7種沼澤類(lèi)型土壤溫室氣體增溫潛勢(shì)的組成結(jié)構(gòu)均以CO2占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位(92.4%—99.5%),且草叢沼澤以CH4占次要地位(6.4%),5種森林沼澤以N2O占次要地位(1.5%—6.4%),灌叢沼澤CH4和N2O僅占極次要地位(0.1%—0.4%)。

3 討論與結(jié)論

3.1 大興安嶺永久凍土區(qū)7種沼澤土壤CO2通量季節(jié)變化及其主控因子

大興安嶺永久凍土區(qū)7種天然沼澤類(lèi)型的土壤CO2年均通量(125.12—163.33 mg m-2h-1)無(wú)顯著差異性與現(xiàn)有結(jié)論不同沼澤類(lèi)型土壤CO2排放相近[37,40]相一致。且其土壤CO2年均通量與德國(guó)南部沼澤濕地(80.00—162.92 mg m-2h-1)[41]相近；但低于小興安嶺季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)森林沼澤(157.40—231.06 mg m-2h-1)[42]及三江平原草叢沼澤(281.13—428.81 mg m-2h-1)[43]。故大興安嶺永久凍土區(qū)沼澤濕地土壤應(yīng)屬于CO2弱排放源。

7種天然沼澤土壤CO2排放量相近,可能與永久凍土區(qū)土壤溫度相對(duì)較低(-0.39—-1.67℃)有關(guān)(表1)。此外,7種沼澤類(lèi)型土壤CO2通量存在3種季節(jié)分布格局(夏>春>秋>冬型、夏>春>秋≈冬型及夏>春≈秋≈冬型)與現(xiàn)有結(jié)論沼澤濕地土壤CO2排放呈夏季高于其他季節(jié)[40,42,44]基本一致,且進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)其季節(jié)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)呈雙峰型。其原因在于溫度[37,44- 45]和水位[40,42,46]是土壤CO2排放的重要影響因子,土壤CO2排放總體上與溫度變化趨勢(shì)相一致,各沼澤類(lèi)型夏季土壤溫度高于春、秋和冬季(6.8—9.9、7.7—21.1、16.5—32.0℃),較高土壤溫度能夠增加土壤微生物生物量和活性,增強(qiáng)土壤酶活性和酶對(duì)底物的親和力[47]從而促進(jìn)土壤CO2排放,故夏季排放通量高；但由于夏季又是本區(qū)降水相對(duì)集中期,夏季平均水位相對(duì)較高且波動(dòng)性較大(高于春、秋季0.5—13.5 cm和2.3—8.1 cm)(表1),高水位時(shí)抑制了土壤微生物的有氧呼吸,結(jié)果導(dǎo)致其夏季土壤CO2排放呈現(xiàn)出雙峰型變化趨勢(shì)。

3.2 大興安嶺永久凍土區(qū)7種沼澤土壤CH4通量季節(jié)變化及其主控因子

大興安嶺永久凍土區(qū)7種沼澤類(lèi)型土壤CH4年均通量(-0.007—0.400 mg m-2h-1)呈現(xiàn)草叢沼澤顯著高于灌叢沼澤和森林沼澤的變化規(guī)律性。其CH4年均通量?jī)H接近小興安嶺季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)森林沼澤及歐洲南部泥炭地CH4年均通量(0.006—7.756 mg m-2h-1[42]和0.03—5.83 mg m-2h-1[40- 41])的下限值,故大興安嶺永久凍土區(qū)除LT為弱匯外,其他6種沼澤類(lèi)型均為CH4的弱排放源。

至于草叢沼澤CH4通量顯著高于其他類(lèi)型的原因,主要在于其地處過(guò)渡帶的下部生境地段,生長(zhǎng)季平均水位高于其他5種類(lèi)型0.8—8.7 cm(表1),厭氧反應(yīng)空間較大,故產(chǎn)生CH4相對(duì)較多。此外,永久凍土區(qū)沼澤CH4排放季節(jié)動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)單峰型、多峰型和交替吸收排放型與現(xiàn)有研究結(jié)論[37,42,45]一致。其原因在于CH4排放是由產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌綜合作用的結(jié)果[37,48],溫度升高產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的代謝加快,有利于甲烷的產(chǎn)生。但由于各沼澤類(lèi)型沿過(guò)渡帶水分環(huán)境梯度分布的位置不同,C、G 處于過(guò)渡帶下部生境地段,生長(zhǎng)季水位相對(duì)較高(-22.67—6.67 cm),夏季泥炭層經(jīng)常處于水淹厭氧狀態(tài),故CH4排放通量隨溫度的季節(jié)變化趨勢(shì)近乎一致,秋季溫度降低且波動(dòng)較大導(dǎo)致CH4排放呈單峰型和雙峰型；M、B 處于過(guò)渡帶的中下部生境地段,生長(zhǎng)季水位有所降低(-30.0—6.0 cm),且經(jīng)常發(fā)生上下波動(dòng),進(jìn)而引起土壤有氧環(huán)境與厭氧環(huán)境轉(zhuǎn)化,故兩者CH4通量呈多峰型；而LT、LX、LN 處于過(guò)渡帶中上部生境地段,生長(zhǎng)季水位相對(duì)較低(-36.7—0.7 cm)且波動(dòng)頻率高,使得有氧環(huán)境與厭氧環(huán)境頻繁轉(zhuǎn)換,進(jìn)而引起CH4吸收與排放交替發(fā)生。同時(shí),永久凍土化凍深度最大值出現(xiàn)在秋季,此時(shí)的溫度已開(kāi)始降低,且水位因降水減少也已降低(15 cm以下),故抑制CH4產(chǎn)生。

3.3 大興安嶺永久凍土區(qū)7種沼澤土壤N2O通量季節(jié)變化及其主控因子

大興安嶺永久凍土區(qū)7種天然沼澤類(lèi)型土壤N2O年平均通量(1.52—37.90 μg m-2h-1)呈現(xiàn)出闊葉林沼澤>針葉林沼澤>灌叢沼澤和草叢沼澤的變化規(guī)律性。其N(xiāo)2O年均通量?jī)H接近歐洲南部泥炭地N2O年均通量(4.0—610.0 μg m-2h-1)下限值；其生長(zhǎng)季平均通量(-0.95—35.56 μg m-2h-1)與小興安嶺季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)森林沼澤(3.7—31.0 μg m-2h-1)[49]相近,略低于同區(qū)的落葉松苔草、杜香沼澤(29.56—40.76 μg m-2h-1)[38]。故大興安嶺永久凍土區(qū)7種沼澤類(lèi)型N2O通量與小興安嶺季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)森林沼澤相近,且兩者均應(yīng)屬于N2O的弱排放源。

同時(shí),其土壤N2O通量呈闊葉林沼澤>針葉林沼澤>灌叢和草叢沼澤變化規(guī)律與西伯利亞中部及小興安嶺生長(zhǎng)季土壤N2O通量呈草地<針葉林<落葉林[46,50- 51]研究結(jié)論基本一致。其原因在于毛赤楊沼澤和白樺沼澤土壤有機(jī)碳和全氮含量高于其他5種沼澤類(lèi)型(表1),充足的底物能夠促進(jìn)硝化或反硝化細(xì)菌活動(dòng),故兩者N2O排放量相對(duì)較高[33]。N2O排放受多因子綜合調(diào)控,發(fā)現(xiàn)不同沼澤類(lèi)型與環(huán)境因子的相關(guān)性并不一致?？赡苡捎诟髡訚深?lèi)型沿過(guò)渡帶水分環(huán)境梯度分布的位置不同,樣地間微環(huán)境改變了N2O與環(huán)境因子間的相關(guān)性。此外,7種沼澤類(lèi)型N2O通量均呈現(xiàn)春季顯著高于其他3季的季節(jié)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)與現(xiàn)有研究結(jié)論N2O通量春季出現(xiàn)排放峰值基本一致[40,52- 53]。其原因在于N2O排放源于微生物調(diào)控土壤中氮的硝化和反硝化過(guò)程[54],春季出現(xiàn)N2O爆發(fā)式排放可能是由于春季永久凍土開(kāi)始解凍使得冬季未凍結(jié)低層土壤中儲(chǔ)存的N2O快速釋放[34],也可能是由于春季凍土融化釋放出更多可利用的碳氮底物[55],促進(jìn)了反硝化微生物的活性。

3.4 大興安嶺永久凍土區(qū)7種沼澤土壤溫室氣體排放增溫潛勢(shì)

大興安嶺永久凍土區(qū)7種天然沼澤土壤溫室氣體增溫潛勢(shì)相近且分布在11.05—15.37 t CO2hm-2a-1之間,其值低于小興安嶺季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)生長(zhǎng)季6種沼澤類(lèi)型增溫潛勢(shì)(15.31—22.22 t CO2hm-2a-1)[46,49,56],說(shuō)明大興安嶺永久凍土區(qū)沼澤濕地土壤溫室氣體增溫潛勢(shì)仍處于相對(duì)較低狀態(tài)。

至于永久凍土區(qū)7種天然沼澤類(lèi)型土壤溫室氣體增溫潛勢(shì)相近的原因,則主要在于沼澤土壤CO2排放占其土壤溫室氣體增溫潛勢(shì)的優(yōu)勢(shì)地位[49],本研究得到同樣結(jié)論(92.4%—99.5%),且7種沼澤類(lèi)型土壤CO2排放量又相近(表4),故增溫潛勢(shì)也相近。而草叢沼澤CH4排放盡管較高也僅占土壤溫室氣體增溫潛勢(shì)的6.4%,5種森林沼澤N2O排放也較高,但僅占土壤溫室氣體增溫潛勢(shì)1.5%—6.4%,故永久凍土區(qū)沼澤濕地CH4和N2O排放僅占次要地位,對(duì)其增溫潛勢(shì)的貢獻(xiàn)率相對(duì)較低。