蔣躍平，嚴(yán)潔如

(杭州西溪國家濕地公園生態(tài)研究中心，浙江 杭州 310030)

濕地聚集大量的有機(jī)碳，因此對氣候變化表現(xiàn)出較高的敏感性和不確定性[1]。近期研究表明，由于植物生長、二氧化碳(CO2)施肥效應(yīng)和氮沉降的綜合作用，不少地區(qū)的陸地碳庫有所增加，但這一現(xiàn)象并沒有在全球尺度上得到證實[2]，這可能與濕地有關(guān)。近年來，由于濕地在溫室氣體減排中“匯”的作用巨大，對濕地溫室氣體排放的研究日益增多。長江三角洲是我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化發(fā)展最快的地區(qū)之一，其密集的平原河網(wǎng)湖泊與傳統(tǒng)的農(nóng)耕文化形成了城市邊緣濕地，基塘系統(tǒng)是主要類型之一[3]。20世紀(jì)90年代以來，隨著長江三角洲城市化進(jìn)程的加快以及隨之而來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地位下降、環(huán)境污染等問題，城市濕地受到了諸多不利因素的影響，面積開始急劇萎縮，景觀出現(xiàn)了破碎化、孤島化等現(xiàn)象，嚴(yán)重干擾了基塘系統(tǒng)正常的水陸相互作用。上述變化對其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能和生態(tài)功能的發(fā)揮產(chǎn)生了顯著的影響，使其對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的調(diào)控能力大大降低[4]。為了更好地保護(hù)城市濕地，充分發(fā)揮其生態(tài)功能，通過保存和維護(hù)好基塘系統(tǒng)這一景觀類型，就成為一個重要舉措。同時，為提高區(qū)域生態(tài)安全水平，如何科學(xué)認(rèn)識與評估城市濕地溫室氣體通量特征對科學(xué)利用與保護(hù)濕地，指導(dǎo)城市規(guī)劃與建設(shè)顯得尤為重要。因此，為了解城市濕地典型基塘系統(tǒng)的CO2通量特征，本文以杭州西溪國家濕地公園為主要研究對象，選擇西溪濕地內(nèi)最典型的竹基系統(tǒng)，主要包括早園竹(Phyllostachyspropinqua)和毛竹(Phyllostachysedulis)。本文主要分析毛竹林土壤的CO2通量，通過靜態(tài)箱式法進(jìn)行CO2的通量觀測，解析其不同季節(jié)的排放特征；同時，分析其溫室氣體通量與土壤有機(jī)碳的關(guān)系，以期為城市濕地溫室氣體排放和管理提供基礎(chǔ)資料。

1 樣地自然概況

浙江省杭州西溪濕地是在古河灘遺存的基礎(chǔ)上，經(jīng)過千余年人類漁耕活動，逐漸形成的城市邊緣次生濕地，以魚塘為主，并由部分河港湖漾及狹窄的塘基和面積較大的河渚相間組成，具有典型的基塘系統(tǒng)特征。

西溪濕地屬亞熱帶北緣季風(fēng)氣候，四季分明。杭州西湖區(qū)年平均溫度16.4 ℃，無霜期約240 d，年降水量1 100～1 600 mm，10月至翌年2月相對干旱。西溪濕地土壤主要為水稻土，核心區(qū)域平均下挖60～100 cm可見泥炭層，水稻耕作層15～25 cm左右，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.7%～2.1%。樣地位于杭州西溪國家濕地公園(30°15′35.6220″N，120°03′34.7832″E)，土壤pH 6.4，樣地面積約1 200 m2，其中毛竹林面積約700 m2，成林時間較長(50～70 a)，林下伴生種較少，偶見麥冬(Ophiopogonjaponicas)、碎米薺(Cardaminehirsuta)和井欄邊草(Pterismultifida)等。樣地邊緣有伴生種海州常山(Broussonetiapapyrifera)、雞屎藤(Paederiascandens)和美洲商陸(Phytolaccaamericana)的灌草群落。

2 研究方法

2.1 土壤溫室氣體排放通量測定

CO2通量的測定采用靜態(tài)密閉箱-氣相色譜法進(jìn)行[5]。在毛竹林每隔5 m設(shè)置1個溫室氣體采集箱，共設(shè)置3個采集箱，采集箱由有機(jī)玻璃(0.4 cm厚)制作，體積均為50 cm×50 cm×50 cm，底座(50 cm×50 cm×10 cm)，底座的上平面設(shè)計成密閉水槽。箱內(nèi)裝有小風(fēng)扇和溫度傳感器。第1次測量取樣前30 d將底座底插入土中10 cm，并留置于樣地中，以作長期采樣觀測。

于2014年5月-2015年6月進(jìn)行CO2氣體采樣，采樣頻率為每隔25～40 d，采樣時間為8:30～15:00。使用60 mL容量的一次性注射器，在40 min內(nèi)10 min抽取1次靜態(tài)箱內(nèi)氣體，如此每次在0、10、20、30和40 min取得5個樣品；同時，原位同步測定10 cm處土壤層溫度(TS10)。氣體采集后立即注射到鋁塑復(fù)合氣袋中儲存，5 d內(nèi)使用氣相色譜儀(Agilent 6820)分析CO2樣品。

利用公式(1)計算溫室氣體速率[6]：

(1)

式(1)中，GS為溫室氣體通量(g·m-2·h-1)，M為溫室氣體摩爾質(zhì)量(g·mol-1)；P0和T0為理想氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣壓力(1 013.25 hPa)和氣溫(273.15 K)；V0為CO2在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的摩爾體積；H為箱室高度；P和T為測定時箱內(nèi)的實際氣壓和氣溫；dc/dt為箱內(nèi)溫室氣體濃度隨時間變化的斜率。

2.2 土壤含水量和土壤有機(jī)碳的測量

測量CO2通量的同時，在毛竹林距離CO2靜態(tài)箱周圍1 m左右采集土樣，用土鉆采集3個0～20 cm土層的混合樣品。將混合土壤樣品帶回實驗室測定土壤含水量，另一部分混合土壤樣經(jīng)自然風(fēng)干后，過2 mm篩，土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定。

3 結(jié)果與分析

3.1 毛竹林土壤CO2通量的季節(jié)動態(tài)

根據(jù)氣候觀測數(shù)據(jù)(圖1)，西溪濕地在3-5月日均溫、日均濕度和降水量開始上升，6-9月日均溫、日均濕度和降水量達(dá)到最高，10月開始降溫和降水量減少，同時大氣濕度下降，在12月至翌年2月出現(xiàn)全年低溫和偏干旱的氣候環(huán)境。

圖1 觀測點日均溫、日均濕度和降水量的氣象數(shù)據(jù)Fig.1 The daily average temperature, daily average humidity, and precipitation of Xixi Wetland

濕地土壤CO2通量具有極其強烈的時間變異性。全年測得的CO2均為正值(圖2)，故西溪濕地毛竹林土壤是CO2的排放源，為單峰型，春夏季和秋冬季的季節(jié)轉(zhuǎn)變期間不穩(wěn)定，表現(xiàn)為波動上升或下降，CO2通量最小值出現(xiàn)在冬季1月，為127.41±24.06 mg·m-2·h-1；然后在春季4月份時，其CO2排放速率有大幅度的上升，為275.96±50.53 mg·m-2·h-1，幾乎提升了1倍；最大值出現(xiàn)在夏季的9月，CO2達(dá)到排放高峰，為537.21±41.12 mg·m-2·h-1，是1月份最小通量的4倍多；然后急劇下降，其動態(tài)具有明顯的季節(jié)性差異，這與華東地區(qū)多數(shù)濕地土壤CO2通量年動態(tài)相仿，全年毛竹林土壤CO2的累積排放量為3 366.29 g·m-2·a-1。

圖2 毛竹林土壤CO2通量季節(jié)動態(tài)Fig.2 The seasonal variation of soil CO2 flux in moso bamboo forest

3.2 毛竹林土壤CO2通量與土壤溫度、土壤含水量的關(guān)系

西溪濕地毛竹林的土壤溫度和土壤含水量動態(tài)見圖3。土壤溫度、土壤含水量主要由大氣溫度、大氣濕度、降水量主導(dǎo)，西溪濕地毛竹林的土壤溫度、土壤含水量與日均溫、降水量有類似的趨勢，但也有植被群落和微環(huán)境形成的自身特點。西溪濕地毛竹林地勢較高，在最高水位時，離水面的距離都有50 cm以上，因此其土壤含水量受濕地水位的影響相對較小。西溪濕地毛竹林面積相對較大，林內(nèi)郁閉度高，林內(nèi)地表蒸發(fā)量小，這是其林內(nèi)土壤含水量較高的主要原因。毛竹林10 cm土壤層的溫度動態(tài)與土壤CO2通量季節(jié)動態(tài)基本吻合，兩者呈極顯著的線性關(guān)系，可以用線性方程y=13.58x+63.53(R2=0.734 3；n=15；P<0.01)表示。毛竹林0～20 cm土壤含水量測得的數(shù)據(jù)變化較大，基本規(guī)律是6-8月較高，但9月則突然下降，這與測量取樣時持續(xù)天晴的時間相關(guān)，10月再次上升，隨后開始下降，進(jìn)入相對干旱的季節(jié)，毛竹林土壤CO2通量與0～20 cm土壤含水量呈顯著相關(guān)，兩者關(guān)系可以線性方程y=52.064x-1 253.8(R2=0.322 5；n=15；P<0.05)表示。

圖3 土壤溫度和土壤含水量動態(tài)Fig.3 The seasonal variation of soil temperature and soil water content in moso bamboo forest

3.3 毛竹林土壤CO2通量與土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

毛竹林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出冬季高夏季低的趨勢，最高值出現(xiàn)在12月，為22.95±3.08 g·kg-1，最低值為13.55±1.43 g·kg-1，出現(xiàn)在8月份，最高均值是最低均值的1.69倍，差異顯著(P<0.01)。毛竹林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與10 cm土壤層溫度呈顯著負(fù)相關(guān)的關(guān)系，可以用線性方程y=-0.315 5x+23.923(R2=0.793 2；n=15；P<0.01)表示。土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與0～20 cm土壤含水量相關(guān)性不顯著(P>0.05)。毛竹林土壤CO2通量與土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系呈負(fù)相關(guān)，可以用線性方程y=-28.269x+823.3(R2=0.399 3；n=15；P<0.05)。

圖4 土壤有機(jī)碳動態(tài)Fig.4 The seasonal variation of soil organic C content in moso bamboo forest

4 討論

在人類活動和全球氣候變化的雙重壓力下，濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳源/匯功能變化顯著[7]。本研究發(fā)現(xiàn)，西溪濕地毛竹林土壤CO2年累積排放量較大(33.66 t·hm-1·a-1)，大于西溪濕地平均的土壤CO2排放量(12.83 t·hm-1·a-1)[8]，小于浙江省臨安市三口鎮(zhèn)蔥坑村毛竹林年土壤CO2總排放量(37.25 t·hm-1·a-1)[9]。因此，西溪濕地毛竹林土壤CO2排放的特征更類似于亞熱帶丘陵地帶的毛竹林土壤呼吸。與城市園林綠地中竹林的年土壤CO2排放量(10.03 t·hm-1·a-1)相比[10]，西溪濕地毛竹林的年土壤CO2排放量要高得多。在整個生長季節(jié)(4-10月)，西溪濕地毛竹林平均土壤CO2通量(0.41 g·m-2·h-1)，低于浙江省一般的集約經(jīng)營毛竹林和粗獷經(jīng)營毛竹林(1.01和0.79 g·m-2·h-1)[11]，這主要是因為集約經(jīng)營措施促進(jìn)了毛竹林土壤有機(jī)質(zhì)的礦化，加劇了土壤呼吸[12]。

Wagai等[13]認(rèn)為，濕地生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸作用具有強烈的時空變異性，其重要影響因子是溫度、水文條件和植物群落。本試驗發(fā)現(xiàn)，西溪濕地毛竹林(土壤含水率27.74%～32.63%)的土壤CO2通量與土壤含水率呈顯著相關(guān)，這與唐曉鹿[14]的研究相似，其研究表明：土壤呼吸與土壤濕度呈極顯著的線性關(guān)系。而李雅紅[15]的研究顯示：土壤體積含水量與土壤呼吸不存在顯著關(guān)系。這也說明毛竹林土壤CO2通量與土壤含水量存在較為復(fù)雜的關(guān)系。

初小靜等[16]的研究表明：土壤CO2通量變化受溫度與水分共同調(diào)控，CO2季節(jié)動態(tài)與氣候相關(guān)。而土壤有機(jī)碳作為土壤微生物的主要食源，主要來源于動植物和微生物殘體以及植物根系的分泌物，而且其處于不斷分解與形成的動態(tài)過程中，植被群落所處的發(fā)育階段直接影響該群落的地上和地下生物量的積累，也影響到土壤有機(jī)碳的輸入輸出[12]。西溪濕地毛竹林冬季與夏季的土壤CO2通量有明顯差異，生長季高于非生長季，其變化受到環(huán)境因子和非環(huán)境因子的共同作用。西溪濕地毛竹林形成的時間較長(30-50 a)，林相較為固定，西溪國家濕地公園建立前有原住民粗獷經(jīng)營，林地通透性好，春季溫度回升，進(jìn)入生長季后植被開始萌發(fā)，特別是根系呼吸增強，土壤微生物和土壤酶的活性增強，土壤CO2通量緩慢上升，夏季是植物生長旺盛和水熱條件達(dá)到最佳的時候，夏季土壤有機(jī)物質(zhì)分解快，同時土壤微生物增多，土壤微生物的活性增強[17]，土壤呼吸也達(dá)到了最大值[18]，致使土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。隨后，隨著水熱條件的降低，土壤呼吸也隨之降低。進(jìn)入非生長季節(jié)，水熱條件最低時，土壤呼吸保持了較低的速率并出現(xiàn)最低值。