根河源湿地公园不同下垫面土壤理化性质与温室气体通量关联性研究

 

（1内蒙古农业大学林学院，呼和浩特010018；2内蒙古呼和浩特市气象局，呼和浩特010000）

 

摘要：温室气体排放是引起全球气候变化的主要原因，不同下垫面土壤温室气体排放各异。选取内蒙古大兴安岭根河源湿地公园3种主要的下垫面，采用静态箱-气相色谱法，于2019年生长盛季（7－8月）进行了大气-土壤温室气体通量（CO2、CH4和N2O）的原位观测，同期测定了相关环境因子及土壤的物理和化学性质。结果表明，生长盛季森林沼泽、灌丛沼泽、草本沼泽土壤CO2通量无显著差异（P=0.2457），日均值分别是383.2mg/m2·h、342.5mg/m2·h、180.1mg/m2·h。

CO2通量与大气湿度和土壤温度呈极显著正相关（P＜0.01），与土壤湿度并不存在明显的联系。3种下垫面土壤CH4通量无显著差异（P=0.1249），日均值分别是-70.92mg/m2·h、62.11mg/m2·h、558.42mg/m2·h；CH4通量除草本沼泽区域外，与土壤温度呈极显著负相关（P＜0.01），3种下垫面土壤CH4吸收通量均与土壤湿度相关性不显著。

3种下垫面土壤N2O通量无显著差异（P=0.4569），日均值分别是4.56ug/m2·h、5.69ug/m2·h、6.69ug/m2·h；土壤N2O通量在森林沼泽和灌丛沼泽覆盖区域中均与土壤温度显著正相关（P＜0.05），灌丛沼泽N2O通量与土壤水分显著正相关（P＜0.05）。土壤CO2通量、CH4通量和N2O通量还不同程度受到土壤pH值、土壤有机碳、硝态氮、铵态氮和总氮因素的影响。研究表明，不同下垫面对温室气体通量具有不同的影响特征，存在显著的关联性差别，对其深入研究对

 

全球变暖引起的生态环境问题日益凸显[1]，其主要原因是大气温室气体浓度不断增加。CO2、CH4、N2O是对大气温室效应影响最大的3种温室气体，它们的大量释放是全球变暖的直接原因[2]。在过去数年里，大气CO2、CH4、N2O浓度分别以每年0.8%、0.4%、0.25%的速率快速增长[3]，改变了陆地生态系统C、N平衡，从而引起全球气候变化，改变生态系统生产力[4]。

陆地生态系统是气体CO2、CH4、N2O的源或汇[5]，森林沼泽、灌丛沼泽、草本沼泽等则是陆地自然环境生态系统的具体构成部分。这些气体释放和全球气候变暖问题之间的相互联系，以及与所对应的陆地体系稳固性和持续进展方式，都产生了不同程度的影响，近年来，这些问题一直是研究人员重点研究的问题之一[6-9]。

 

植物和土壤在自然环境中是相互影响和依存的，前者是将需要的土壤进行优化，同时其自身的各部分条件都对土壤的特性进行改变[10]。土壤养分主要来源于其内部的有机化合物中的碳和氮，同时也是整体环境之中最重要的生态圈，与大气息息相关。经探究发现，其环境湿度是改变其生物理化性质的直接因素，进而使整体土壤环境的碳氮模式交替进行，最终可对温室气体通量产生影响[11]。

 

研究表明，土壤COZ通量和土壤N20通量与温度呈正相关，土壤CH、通量与土壤水分呈正相关n’一’5]由此说明，温度是土壤温室气体(CCOZCH4,N20)排放的关键性因素。在不同纬度、不同海拔地区，由于土壤温度的差异和植被条件的影响，土壤地表CO2通量的变化范围很大[16]。温带地区不同海拔、不同林型的土壤温室气体释放有显著差异，CO2随海拔增加排放量减少，CH4随海拔增加而增加，海拔对N2O排放通量影响不明显[17]。因为受温度的影响，土壤CO2、CH4和N2O的通量往往呈现出明显的季节性变化。

 

土壤是大气温室气体的源和汇[18]，不同下垫面类型与土壤温室气体排放通量特征变化密切相关[19-20]。陆地生态系统是由不同下垫面类型复合而成的，不同下垫面可以通过多种途径影响土壤性质及土壤CO2、CH4和N2O的通量。在相关研究中发现，在湿地生长的植被对温室气体的产生、消耗和传输过程产生极其重要的影响[21-22]。一方面是因为下垫面的植被根系及枯落物的存在会为微生物提供良好活动环境[23]，土壤碳含量和pH值会被其改变，从而对温室气体的产生造成影响[24]；另一方面是因为不同下垫面有着不同的生理学特征，同样会对温室气体造成影响[25]。

 

基于此，为了分析内蒙古大兴安岭根河源湿地公园不同下垫面土壤理化性质与温室气体通量的变异情况，本研究于2019年8月中旬选择晴好天气，同时对森林沼泽、灌丛沼泽和草本沼泽等3种不同下垫面土壤的CO2、CH4和N2O通量日变化动态进行原位观测，以期掌握根河源湿地公园不同下垫面温室气体通量的关键影响因子，为该地区温室气体通量规律核算提供一定数据支撑。

 

 

1研究区概况与研究方法

 

1.1研究区概况

 

根河源湿地公园位于内蒙古自治区呼伦贝尔市根河市境内，地处大兴安岭北麓西坡中段，隶属于内蒙古大兴安岭重点国有林管理局根河林业局。该市北上漠河，西南下呼伦贝尔，是关键交通节点，地理坐标为东经121°34′~122°40′、北纬50°49′~51°12′，总面积为59060.48hm2，湿地面积为22739.37hm2，湿地率34.34%。湿地生态系统以沼泽生态系统为主，沼泽生态系统的植被分类主要有森林沼泽、灌丛沼泽、草本沼泽等多种湿地类型。

 

本区域属于寒温带湿润气候区，年均气温为-2.6℃，全年最低气温为-49.6℃，全年最高气温35.4℃，年均降水量425.5mm，年均相对湿度71%。湿地水源补给主要为大气降水，流出状况为永久性流出，积水以季节性积水为主。地带性土壤为棕色针叶林土，且它们的分布方式极为简便，在丛林的山脊和沟谷基本上都有涉及。原始植被有兴安落叶松[Larixgmelinii(Ruprecht)Kuzeneva]、白桦（BetulaplatyphyllaSuk.）和樟子松（Pinussylvestrisvar.mongolicaLitv.）。在各个沟谷溪周围分布最多的是沼泽土，在根河的附近和岛状宜林的荒地附近及二阶台地附近则以草甸土为主。

 

1.2试验设计

 

于生长旺季选取晴好天气进行采样，采样时间选取7:00－19:00（当日气体交换通量）。按照地形地势相对平坦且具有代表性的样地，选取森林沼泽、灌丛沼泽和草本沼泽等3种下垫面进行土壤温室气体通量（CO2、CH4、N2O）的原位观测。在每个样地中，划分成面积10m×10m、间隔为20m的3个试验小区，作为3个重复样方。开展试验前1周将采样地箱安插在土壤中，减少人为扰动对气体通量的影响。

 

1.3气体采集、通量测定及环境因子的观测

 

本试验中土壤温室气体通量采用静态箱-气相色谱法。顶箱是由2mm厚度的不锈钢材板制成的正立方体（5个面），规格是40cm×40cm×40cm，箱体外围包被泡沫，防止箱内温度变化太快，顶箱内部设有1个小风扇，用于使箱内的空气流通混合均匀。地箱规格为40cm×40cm，上部边缘设有水槽，用于观测时与顶箱的密封。采用30min的罩箱时间，分别在罩箱后的0、15和30min分别进行气体样品采集。用100mL配有三通阀的注射器与箱体的采气线连接，抽取60mL的气体样品到气袋当中。用Agilent7890A型的气相色谱仪测定气体样品的CO2、CH4、N2O浓度，利用浓度对时间的斜率计算土壤温室气体通量。

 

大气温湿度和土壤温湿度用JM624型便携式仪器测定。样品在抽取的时候也同时测验其内部的温湿度和箱体内部温度以及5cm深的土壤温度。在其周围采取0~10cm、10~20cm的土壤放置在采样袋内，带回实验室分析。

 

1.4计算公式

 

利用连续时间内的气体浓度差异，用公式计算其排放通量。气体交换通量计算公式如下：式中，F＜0时表示吸收，F＞0时表示排放。补充公式中其它字母代表的含义。具体计算气体通量时要对气压和温度进行校正。

 

1.5土壤理化性质测定

 

土壤有机碳含量（TOC）采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法，土壤总氮（TN）采用半微量凯氏法，土壤铵态氮（NH4+）和硝态氮（NO3-）用KCL溶液浸提后用连续流动分析仪测定，土壤含水量采用烘干法测定，土壤pH按2.5︰1水土比浸提液采用便携式酸度计（pHS-3c酸度计）测定。

 

1.6数据分析

 

利用Excel2010录入信息并进行初步分析。采用SPSS20.0对土壤温室气体通量（CO2、CH4、N2O）和土壤温度以及大气温湿度进行相关性单因素分析，结果在Excel2010绘图呈现。

 

2结果与分析

 

2.13种下垫面土壤理化性质

 

 

由表1可知，3种下垫面覆盖类型环境因子变化规律基本一致。土壤温度差异较大，森林沼泽覆盖区域内土壤温度最高（11.6℃），其次为灌丛沼泽（8.6℃）、草本沼泽（6.9℃）。灌丛沼泽覆盖区域0~10cm、10~20cm湿度最低，草本沼泽覆盖区域0~10cm、10~20cm土壤湿度相差最大，森林沼泽覆盖区域土壤湿度最高。3种下垫面覆盖类型土壤pH变化规律一致，灌丛沼泽pH最小，森林沼泽和草本沼泽pH值相近。

 

不同下垫面覆盖类型土壤有机碳含量影响显著，灌丛沼泽覆盖区域较森林沼泽覆盖区域0~10cm有机碳含量显著提高212.8%，10~20cm有机碳含量提高216.8%；灌丛沼泽覆盖区域较草本沼泽覆盖区域0~10cm有机碳含量显著（p＜0.01）提高318.9%，10~20cm有机碳含量提高161.6%。

 

土壤全氮含量在灌丛沼泽区域中值最大，森林沼泽和草本沼泽土壤全氮含量值较为接近。

 

2.23种不同下垫面土壤-近地表大气温室气体通量

 

2.2.1CO2通量的日动态。CO2通量在3种下垫面覆盖类型变化不一致，森林沼泽CO2通量日平均值（383.2±38.5）mg/m2·h，灌丛沼泽CO2通量平均值为（342.5±52.1）mg/m2·h，草本沼泽CO2通量平均值为（180.1±29.2）mg/m2·h。由图1可见，森林沼泽CO2通量9:00出现当日谷值，13:00为当日峰值（435.9mg/m2·h），之后呈波动式下降-上升-下降特点。灌丛沼泽CO2通量7:00为当日最低值，之后显著上升，15:00出现灌丛沼泽CO2通量当日峰值（434.1mg/m2·h），之后CO2通量呈缓慢下降趋势。草本沼泽CO2通量在7:00－13:00时间段内变化特点同森林沼泽CO2通量相似，13:00出现当日草本沼泽CO2通量峰值（255.8mg/m2·h）；13:00之后CO2通量迅速下降到15:00为当日谷值。根据分析得出，森林沼泽和灌丛沼泽CO2排放量显著高于草本沼泽，这3种下垫面覆盖类型之间CO2通量没有显著性差异（P=0.2457）。

 

2.2.2CH4通量的日动态。在森林沼泽覆盖区域，土壤吸收CH4通量均表现为大气甲烷汇，通量值变化范围-153.4~-34.7（mg/m2·h）。灌丛沼泽覆盖区域与森林沼泽覆盖区域CH4通量相比，存在明显动态变化趋势，CH4吸收速率最大值出现在13:00（159.1mg/m2·h），在图2土壤CH4通量的日动态7:00－9:00灌丛沼泽覆盖区域CH4通量变化不明显。

由于草本沼泽覆盖区域存在季节性积水区，因此草本沼泽覆盖CH4通量呈明显排放特点，变化波动大，通量值变化范围261.0~907.8（mg/m2·h）；CH4通量从11:00出现草本沼泽覆盖区域CH4通量的峰值（907.83mg/m2·h），之后呈下降-上升-下降趋势，到19:00时出现草本沼泽覆盖区域CH4通量当日谷值。根据分析得知，草本沼泽的CH4排放量明显高于森林沼泽和灌丛沼泽，且三者覆盖区域植被之间未达到显著性水平（p=0.1249）。

 

2.2.3N2O通量的日动态。N2O通量在3种下垫面覆盖类型变化波动较大且为弱排放。在森林沼泽覆盖区域，N2O通量变化呈波浪式，N2O通量值变化范围（1.4~7.8μg/m2·h）；N2O通量从7:00－17:00一直呈上升下降波动式规律，且在17:00才出现当日最大峰值（7.8μg/m2·h）。在灌丛沼泽覆盖区域，7:00－11:00呈下降趋势；13:00为当日第一个峰值（9.5μg/m2·h）；在13:00－17:00时间段N2O通量持续下降，在17:00后又迅速上升，到19:00为当日第2个峰值。

在草本沼泽覆盖区域呈下降-上升-下降的变化特点，N2O通量值变化范围（2.3~8.9μg/m2·h）；在15:00出现当日最大值（8.9μg/m2·h），N2O通量在15:00后缓慢下降，到19:00出现当日谷值（2.3ug/m2·h）。早上开始测得N2O通量植被覆盖类型变化是草本＞灌丛＞森林，而到傍晚时灌丛沼泽覆盖类型N2O通量最大，草本沼泽覆盖类型N2O通量次之，森林沼泽覆盖类型N2O通量依然最低。由统计分析得出，森林沼泽、灌丛沼泽、草本沼泽对N2O通量没有显著性差异（p=0.4569）。

 

2.3气体通量与土壤性质、环境因子之间的相关性分析

  

 

由表2所示，气体通量与土壤的SOC、TN、pH之间不存相关性。3种植被类型土壤CO2通量与大气湿度和土壤温度均呈极显著正相关（p＜0.01），土壤温度升高、大气湿度升高，则使CO2排放通量增大；而3种植被类型的CO2通量与土壤其他环境因子不存在显著相关性（p＞0.05）。3种植被类型CH4通量与大气湿度和土壤温度均呈负相关关系。其中，森林沼泽覆盖类型与土壤温度呈极显著负相关关系（p＜0.01）；灌丛沼泽覆盖类型与大气湿度和土壤温度均呈极显著负相关关系（p＜0.01）；草本沼泽与大气湿度呈极显著负相关关系（p＜0.01）。



森林沼泽和灌丛沼泽CH4通量与土壤水分呈正相关，而草本沼泽与土壤水分呈负相关，但均未达到显著性水平（p＞0.05）。在森林沼泽和草本沼泽覆盖区域中，N2O通量与土壤温度达到极显著水平（p＜0.01）。在灌丛沼泽覆盖区域中，N2O通量与土壤温度呈显著水平（p＜0.05），与土壤水分呈极显著正相关（p＜0.01）。

 

3讨论

 

3.1CO2通量与土壤性质、环境因子之间的变异

 

很多研究表明，土壤水分和土壤温度对CO2通量有重要作用。在本研究中，CO2与土壤温度呈极显著正相关，随土壤温度的增加，CO2通量也呈增加趋势，这与王飞[26]研究的杜香-兴安落叶松林土壤呼吸速率与土壤温度之间呈极显著的相关关系结果一致，杨琳[27]和吴祥文等[28]对兴安落叶松林的研究也得出与此相近结果。在完成3种不同下垫面的监测之后，可以得出CO2通量与土壤水分之间存在较低相关度的负相关关系。该研究结果和Christensen[29]的结果相同，即在含水量比较大的情况下CO2通量与土壤水分之间关系不明显。CO2通量与TN呈负相关关系，与梁蕾等[30]研究结论相一致。

 

3.2CH4通量与土壤性质、环境因子之间的变异

 

在3种下垫面中，森林沼泽是CH4的汇，草本沼泽和灌丛沼泽是CH4的源，这和陈全胜等[31]的研究结果相同，即土壤含水量的提高，CH4由吸收转为排放。在本研究中，CH4通量显示出与土壤温度和大气湿度具有相关性。吴祥文等[28]的研究表明，土壤CH4通量明显受土壤温度的影响。高伟峰[32]的研究也表明，CH4通量受土壤温度的显著影响，且受多个环境因子的共同影响，包括土壤湿度、pH值、铵态氮、硝态氮、有机碳和全氮等，但在不同下垫面类型下影响有所差异。

 

3.3N2O通量与土壤性质、环境因子之间的变异

 

结果显示，N2O通量与土壤温度存在极显著正相关，李金博[33]研究的大兴安岭落叶松土壤温室气体排放通量研究结果也表明，土壤N2O通量受土壤温度的影响较大，N2O通量随土壤温度的升高而升高。曾庆博[35]的研究表明N2O排放通量与土壤水分和土壤中的铵态氮、硝态氮的含量均有显著影响。

 

4结论

 

本研究表明，3种温室气体均对土壤温度有显著影响，只有草本沼泽的CH4通量不存在相关性（p＞0.05），表明土壤温度是影响3种温室气体的主导因子。3种下垫面的CO2通量均对大气湿度表现为极显著正相关性（p＜0.01）；CH4通量在3种下垫面下对大气湿度均表现负相关，且灌丛沼泽和草本沼泽表现为极显著负相关（p＜0.01）；灌丛沼泽的N2O通量对土壤水分表现为极显著正相关（p＜0.01）。

 

 

在全球气候变暖的条件下，以期测定3种下垫面下土壤温室气体通量与土壤环境因子及土壤理化性质的变异，为该地区温室气体释放的影响提供了有力的数据支撑。