李冬冬，　仝　川,b，　黃佳芳,b

(福建師范大學(xué) a． 地理科學(xué)學(xué)院； b． 濕潤(rùn)亞熱帶生態(tài)-地理過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福州 350007)

0　引　言

大氣中位于第一位的溫室氣體是CO2，其為全球變暖作出的貢獻(xiàn)約為63%，雖然大氣中的第二大溫室氣體是CH4，但其增溫潛勢(shì)卻是CO2的15～30倍[1]。已有研究表明，大氣中的CH4主要來(lái)源于濕地，而且濕地會(huì)對(duì)CO2產(chǎn)生潛在影響[2]。因此，十分有必要對(duì)濕地溫室氣體排放特征開(kāi)展研究。氮沉降是指大氣中的含氮化合物通過(guò)干、濕沉降的形式重回生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)程，近年來(lái)，大量燃燒化石燃料、無(wú)限制施用氮肥、隨意改變土地利用方式等，使大氣氮沉降量迅速增長(zhǎng)[3]。在亞洲, 由于工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展, 活性氮的使用和釋放，已經(jīng)從1961年的14 Tg/a增加到2000年的68Tg/a, 預(yù)計(jì)到2050年將達(dá)到270 Tg/a[4]。中國(guó)已位列全球第三大氮沉降區(qū)，并且日益嚴(yán)重。

河口感潮沼澤濕地位于海洋和大陸的過(guò)渡區(qū)域，是大氣CH4源和CO2碳，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)具有重要的服務(wù)功能[5]。濕地生態(tài)系統(tǒng)的氮在大氣和河流的共同作用下，必定改變?cè)械纳锏厍蚧瘜W(xué)循環(huán)過(guò)程，從而影響CO2、CH4排放通量的排放特征。 關(guān)于氮沉降對(duì)CO2、CH4排放通量影響的研究多見(jiàn)于森林、草地、水稻田及內(nèi)陸一些天然沼澤濕地[6-7]；關(guān)于氮沉降對(duì)河口感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量的影響還鮮見(jiàn)報(bào)道。

作為我國(guó)東南沿海重要的河口濕地之一，閩江河口感潮沼澤濕地承接著從上游和潮汐攜帶而來(lái)的大量含氮物質(zhì)。目前，關(guān)于氮沉降對(duì)我國(guó)亞熱帶河口感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量影響的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究以閩江河口道慶洲短葉茳芏(Cyperusmalaccensis)感潮沼澤濕地為研究對(duì)象，探討氮沉降對(duì)河口感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量的影響。本研究對(duì)于認(rèn)識(shí)氮沉降對(duì)河口感潮沼澤濕地碳循環(huán)過(guò)程的影響具有現(xiàn)實(shí)意義。

1　研究區(qū)與研究方法

1.1　研究區(qū)概況

研究樣地位于福建閩江河口自然保護(hù)區(qū)內(nèi)鱔魚(yú)灘濕地(26°00′36″～26°03′42″N，119°34′12″～119°40′40″E)，是閩江河水從上游攜帶大量泥沙在河口淤積而成。區(qū)內(nèi)是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫19.13 ℃，降雨量1 346 mm左右，屬正規(guī)半日潮。本研究在鱔魚(yú)灘濕地東部堤壩附近的高潮灘內(nèi)進(jìn)行，選擇一個(gè)短葉茳芏群落廣泛分布的典型樣區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)布設(shè)，樣地土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1　鱔魚(yú)灘感潮沼澤濕地土壤基本理化性質(zhì)

注：表中數(shù)值為均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=4

1.2　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在選定短葉茳芏濕地范圍內(nèi)布設(shè)1條20 m×1 m與岸平行的實(shí)驗(yàn)樣帶，將其等距離平分為3個(gè)重復(fù)樣區(qū)，樣區(qū)之間間距2 m。在每個(gè)處理樣區(qū)內(nèi)等間距設(shè)置4個(gè)1 m×1 m 的處理小區(qū)。根據(jù)中國(guó)市域氮沉降量的一般區(qū)間以及相關(guān)研究[8]，設(shè)置對(duì)照CK(0 g NH4NO3m-2·a-1)及3個(gè)梯度的氮沉降處理：N24(24 g NH4NO3m-2·a-1)、N48(48 g NH4NO3m-2·a-1)、N96(96 g NH4NO3m-2·a-1)。將3個(gè)氮沉降處理需要施入的NH4NO3量平均分配到12個(gè)月中，從2016年10～12月，將每月分配的NH4NO3加蒸餾水配置成NH4NO3溶液。每月選擇1個(gè)小潮日樣地出露地表時(shí)，使用噴壺向氮沉降處理靜態(tài)箱底座內(nèi)土壤表面噴灑NH4NO3溶液，對(duì)照底座內(nèi)則施加相同量的蒸餾水。

1.3　氣體采集與測(cè)定

使用靜態(tài)暗箱法采集氣樣，靜態(tài)箱由不透明PVC板制成，分為底座和頂箱，底座頂端有環(huán)形水槽，底座尺寸：35 cm×35 cm×40cm，頂箱尺寸：35 cm×35 cm×120 cm。頂箱內(nèi)部頂端裝有小風(fēng)扇，側(cè)面裝有溫度計(jì)和丁基膠塞采氣孔。底座長(zhǎng)期固定在樣地土壤中，沒(méi)入地下35 cm，出露地表5 cm。僅在每月施加溶液的第2 d采集一次氣樣，10～12月每月采集一次，共采集3次。采樣時(shí)，將頂箱罩在底座上，底座水槽加水密封，從蓋上頂箱開(kāi)始每隔15 min用50 mL 帶三通閥的注射器抽取40 mL氣體注入氣袋，共抽取4次。將所采樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，用氣相色譜儀(Shimadzu GC-2010，Japan)測(cè)定氣樣中CO2、CH4濃度。根據(jù)以下公式計(jì)算排放到大氣環(huán)境中的CO2、CH4通量：

式中：F為溫室氣體通量(mg·m-2·h-1)；M為CO2、CH4的摩爾質(zhì)量(g/mol)；V為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體摩爾體積；dc/dt為CO2、CH4的濃度變化率；T為采樣箱內(nèi)溫度( ℃)；H為采樣箱的箱高(m)。只有濃度數(shù)據(jù)的線(xiàn)性回歸系數(shù)R2>0.9，才計(jì)算溫室氣體通量。

1.4　環(huán)境因子測(cè)定

氣體采集同時(shí)測(cè)定底座內(nèi)土壤深度為10 cm的溫度、pH值、電導(dǎo)率以及頂箱內(nèi)的溫度等因子。土壤pH值采用IQ150便攜式pH計(jì)(IQ Scientific Instruments，USA)測(cè)定，土壤溫度與電導(dǎo)率采用2265FS 便攜式溫度/電導(dǎo)計(jì)(Spectrum Technologies Inc，USA)測(cè)定，用頂箱側(cè)部安裝的溫度計(jì)測(cè)定箱內(nèi)溫度，用烘干法測(cè)定含水率，容重用環(huán)刀法測(cè)定。

1.5　數(shù)據(jù)處理與分析

運(yùn)用Microsoft Excel 2003和SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，采用Origin 8.0 軟件進(jìn)行作圖。其中，用Microsoft Excel 2003 軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計(jì)算。不同處理CO2、CH4排放通量的差異性用SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件中單因素方差分析(ANOVA)進(jìn)行檢驗(yàn)，CO2、CH4排放通量與環(huán)境因子相關(guān)性用SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件中的Pearson 相關(guān)分析進(jìn)行分析。

2　結(jié)果與分析

2.1　CO2排放通量對(duì)氮沉降的響應(yīng)

鱔魚(yú)灘感潮沼澤濕地CO2排放通量在不同氮沉降處理下均呈現(xiàn)出隨溫度降低而減少的趨勢(shì)(見(jiàn)圖1)。CK、N24、N48和N96處理的CO2平均排放通量分別為：(1 474.59±381.21)、(1 212.77±217.46)、(1 253.83±252.88)和(1 165.75±217.58)mg·m-2·h-1。與對(duì)照相比，N24處理CO2平均排放通量減少17.76%，N48處理CO2平均排放通量減少14.97%，N96處理CO2平均排放通量減少20.94%，CK、N24、N48和N96的CO2排放通量的變異系數(shù)分別為：77.56%、53.79%、60.51%和55.99%。雖然氮沉降對(duì)鱔魚(yú)灘感潮沼澤濕地CO2排放通量具有抑制作用，但方差分析顯示，各處理間CO2排放通量的差異性不顯著(P>0.05)，氮沉降對(duì)鱔魚(yú)灘感潮沼澤濕地CO2排放特征未產(chǎn)生顯著影響。

圖1CO2排放通量對(duì)氮沉降的響應(yīng)

注：不同大寫(xiě)字母代表同處理不同月份在P<0.05 水平上差異顯著；不同小寫(xiě)字母代表同月份不同處理在P<0.05 水平上差異顯著(下同)

2.2　CH4排放通量對(duì)氮沉降的響應(yīng)

鱔魚(yú)灘感潮沼澤濕地CH4排放通量在不同氮沉降處理下也表現(xiàn)出隨溫度降低而下降的趨勢(shì)(見(jiàn)圖2)。CK、N24、N48和N96處理的CH4平均排放通量分別為：(6.73±2.55)、(5.96±2.10)、(4.94±2.47)和(5.59±1.84)mg·m-2·h-1。與對(duì)照相比，N24處理CH4平均排放通量下降11.52%，N48處理CH4平均排放通量下降26.63%，N96處理CH4平均排放通量下降16.94%。與對(duì)照相比，不同氮沉降處理抑制了CH4排放通量，但方差分析顯示，不同處理CH4排放通量差異性也未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。

圖2　CH4排放通量對(duì)氮沉降的響應(yīng)

2.3　環(huán)境因子變化特征及其與氣體通量的關(guān)系

(a)

(b)

(c)

圖3環(huán)境因子變化特征

觀(guān)測(cè)期內(nèi)，鱔魚(yú)灘感潮沼澤濕地土壤溫度總體表現(xiàn)出隨時(shí)間下降趨勢(shì)(見(jiàn)圖3(a))。方差分析顯示，各處理間土壤溫度差異性不顯著(P>0.05)。而土壤EC的變化規(guī)律則呈現(xiàn)出隨時(shí)間上升趨勢(shì)(見(jiàn)圖3(b))。各處理土壤EC的變化范圍為1.05～3.88(見(jiàn)圖3(c))，具體表現(xiàn)為CK>N96>N24>N48，土壤EC在各處理間差異性不顯著(P>0.05)。而土壤pH則表現(xiàn)出波動(dòng)變化的特征，CK、N24、N48和N96的土壤pH平均值分別為：(6.50±0.10)、(6.54±0.09)、(6.71±0.06)和(6.37±0.06)，不同處理間土壤pH差異性也不顯著(P>0.05)。相關(guān)分析顯示，鱔魚(yú)灘感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量與土壤溫度具有極顯著(P<0.01)的正線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系(見(jiàn)表2)。CO2、CH4排放通量與土壤EC和土壤pH除了個(gè)別處理之間存在顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)相關(guān)外(見(jiàn)表2)，其他的相關(guān)性均不顯著(P>0.05)。

表2　環(huán)境因子與CO2、CH4排放通量的相關(guān)關(guān)系

注：*和**分別表示在P<0.05 和P<0.01 水平上顯著相關(guān)

3　討　論

3.1　氮沉降對(duì)CO2排放通量的影響

3.2　氮沉降對(duì)CH4排放通量的影響

氮沉降會(huì)對(duì)CH4產(chǎn)生、氧化和傳輸過(guò)程產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)CH4排放通量發(fā)生作用[12]。本研究中，鱔魚(yú)灘感潮沼澤濕地CH4排放通量受到了氮沉降的抑制作用，曾從盛等也發(fā)現(xiàn)CH4的產(chǎn)生會(huì)受到硝酸鹽的抑制，且輸入濃度和產(chǎn)生潛力之間具有負(fù)相關(guān)關(guān)系[13]。原因可能為：① 氮沉降使天然濕地土壤氮含量增加，增強(qiáng)了濕地土壤的氧化還原潛力，抑制CH4排放；② 氮沉降對(duì)CH4排放的影響主要是通過(guò)植被實(shí)現(xiàn)的，氮的施入提高了濕地生物量，減少了植被的根莖比，從而減少了CH4的排放[14]；③ 硝酸鹽能夠減少CH4的產(chǎn)生，因?yàn)橐恍┪⑸镌谘趸袡C(jī)質(zhì)時(shí)會(huì)將這些負(fù)離子作為電子受體，但是在厭氧條件下會(huì)從產(chǎn)甲烷菌中離開(kāi)，從而降低產(chǎn)甲烷菌活性，使CH4排放通量減少。

3.3　環(huán)境因子對(duì)CO2、CH4排放通量的影響

本研究中，鱔魚(yú)灘感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量主要受到土壤溫度的影響，它們之間具有極顯著的正線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系。植物根系呼吸和微生物活性會(huì)受控于土壤溫度，進(jìn)而對(duì)CO2排放產(chǎn)生影響。一般來(lái)說(shuō)，土壤溫度升高會(huì)增強(qiáng)土壤CO2向大氣的傳輸速率, 使土壤向大氣釋放的CO2增多。同時(shí)，土壤溫度升高會(huì)增加植株密度、加強(qiáng)根系呼吸、加快微生物分解速率，機(jī)碳源供應(yīng)量增多，進(jìn)而使更多的CO2得到釋放[15]。而且，土壤溫度升高還會(huì)提高微生物活性，增加耗氧量，促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)，阻礙甲烷氧化菌作用，從而抑制甲烷氧化，提高甲烷產(chǎn)生速率，最終使CH4排放通量增加。同時(shí)，土壤溫度升高，土壤微生物活性增強(qiáng)，植物生長(zhǎng)旺盛，根系有機(jī)物釋放量增加，使土壤有機(jī)碳積累量減少，進(jìn)而促進(jìn)CH4排放[16]。本研究中，土壤EC、pH與CO2、CH4排放通量之間大多不相關(guān)，這主要與研究時(shí)間較短，各處理間的土壤性質(zhì)差異性不顯著有關(guān)。實(shí)際上，除了上述的環(huán)境因子外，微生物活性、生物量、植被差異、土壤粒徑、含水率、容重等生物和非生物因素也會(huì)對(duì)溫室氣體的排放產(chǎn)生一定影響。因此，探究多因子耦合作用下長(zhǎng)時(shí)間的溫室氣體排放特征將是我們今后研究的方向。

4　結(jié)　語(yǔ)

(1) 氮沉降對(duì)鱔魚(yú)灘感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量具有一定的抑制作用，但各處理間的差異性不顯著。

(2) 氮沉降沒(méi)有改變鱔魚(yú)灘感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量的時(shí)間變化規(guī)律，CO2、CH4排放通量均表現(xiàn)出隨溫度降低而減少的趨勢(shì)。

(3) 鱔魚(yú)灘感潮沼澤濕地CO2、CH4排放通量和土壤溫度具有極顯著的正線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系，與土壤EC、土壤pH之間的相關(guān)性不顯著。

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好奇——?jiǎng)?chuàng)新意識(shí)的萌芽；

興趣——?jiǎng)?chuàng)新思維的營(yíng)養(yǎng)；

質(zhì)疑——?jiǎng)?chuàng)新行為的舉措；

探索——?jiǎng)?chuàng)新學(xué)習(xí)的方法。