張 尹,于志國(guó),金 彪

1 南京信息工程大學(xué)水文與水資源工程學(xué)院, 南京 210044 2 水利部珠江水利委員會(huì)水文水資源局, 廣州 510611 3 中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所, 廣州 510640

泥炭沼澤濕地(簡(jiǎn)稱(chēng)“泥炭地”)面積雖只占全球陸地表面積的3%,其碳儲(chǔ)存卻占陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的三分之一(390—455 Pg)[1- 3]。雨養(yǎng)型泥炭地是一種主要依靠大氣降水來(lái)實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分和水分補(bǔ)給的泥炭地,其主要分布在北溫帶至北極地區(qū)[1, 3]。泥炭地中的植物通過(guò)光合作用將大氣中的碳固定在泥炭土壤中,由于泥炭土壤中的有機(jī)質(zhì)分解緩慢,泥炭地便成為重要的碳匯[1]。然而泥炭地并不是穩(wěn)定的碳匯[4],前期觀測(cè)結(jié)果以及地球系統(tǒng)模式預(yù)測(cè)均顯示：氣候變化的影響下,其碳匯的能力有減弱趨勢(shì)[5],當(dāng)泥炭地中有機(jī)質(zhì)分解速率加大,排放到大氣中的碳量大于固定的碳量時(shí),泥炭地便由碳匯轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚础?/p>

研究表明,二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)是泥炭沼澤濕地排放的兩種最重要的溫室氣體,它們的排放與土壤溫度、濕度、pH值、地上生物量、生態(tài)系統(tǒng)呼吸等因素有關(guān)[6- 9]。宋長(zhǎng)春等[6]以及郝慶菊等[10]對(duì)三江平原泥炭沼澤濕地研究發(fā)現(xiàn),泥炭地的CO2和CH4排放隨溫度升高而增加。Laiho[9]研究發(fā)現(xiàn),原本處于淹水狀態(tài)的濕地在地下水位下降時(shí)可加快有機(jī)質(zhì)分解速率,促進(jìn)CO2的排放；反之,當(dāng)水位上升,則可能使CH4排放增加,而CO2排放減少。Bergman等[11]研究發(fā)現(xiàn),pH值變化會(huì)直接影響微生物活性和群落分布,從而影響其分解有機(jī)質(zhì)的效率。室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和模式評(píng)估方式普遍認(rèn)為,環(huán)境因素是直接影響土壤碳庫(kù)有機(jī)碳含量的主要因素[12],然而Doetterl等[13]研究發(fā)現(xiàn),在長(zhǎng)時(shí)間尺度(十年至上百年)內(nèi),環(huán)境因素是通過(guò)影響土壤風(fēng)化,間接影響土壤中的地球化學(xué)過(guò)程,從而影響土壤有機(jī)質(zhì)的含量及溫室氣體的排放。當(dāng)前關(guān)于泥炭地碳排放的研究主要是以地表生態(tài)系統(tǒng)排放通量觀測(cè)為主[14-15],但是碳通量觀測(cè)容易受到周?chē)h(huán)境的影響,如風(fēng)速、地表植被演替等,直接導(dǎo)致觀測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度的不確定性,而地下部泥炭土壤的生物地球化學(xué)過(guò)程與碳排放密切相關(guān),但當(dāng)前探討地下部碳排放過(guò)程的相關(guān)研究較少,因此本文旨在通過(guò)原位不同深度尺度被動(dòng)式采樣方式,探討高緯地區(qū)的地下部泥炭土壤中CO2和CH4的濃度變化特征及其關(guān)鍵影響因素,以期從根本上提升碳排放估算的準(zhǔn)確性,為后續(xù)碳模型改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持,為未來(lái)氣候變化趨勢(shì)研究提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)概況

本文的兩個(gè)采樣點(diǎn)貝爾山濕地(BBM)和舒特茲山濕地(SBM),位于德國(guó)中部圖林根州的圖林根森林地區(qū),均為典型的雨養(yǎng)型泥炭地,其養(yǎng)分和水分主要來(lái)源于大氣降水,無(wú)機(jī)鹽含量低(微摩爾濃度級(jí)),孔隙水導(dǎo)電率極低(10—15 S/m)[4]。BBM位于貝爾山北坡(50°39′34″N,10°44′34″E),海拔高度為945—983 m,年平均降水量為1300 mm,年平均氣溫為4 ℃[16]。BBM泥炭土層厚度為3—4 m,主要植被類(lèi)型為灌木叢和泥炭蘚。SBM位于海拔高度884—893 m的山脊上(50°41′44″N,10°41′58″E),年平均降水量為1230 mm,年平均氣溫為5 ℃,泥炭土層厚度約2.5 m,主要植被類(lèi)型為灌木叢和泥炭蘚[17]。研究所選采樣點(diǎn)均位于圖林根森林的自然保護(hù)區(qū)內(nèi),泥炭發(fā)育較為完整且受人類(lèi)活動(dòng)影響較少,因而具有較好的代表性及重要的研究?jī)r(jià)值[18]。

1.2 采樣方法

利用原位被動(dòng)式高分辨率采樣器(multilevel piezometer, MLP)采集原位泥炭土壤剖面中不同深度的孔隙水和溶解性氣體,如圖1所示,MLP由多段采集管通過(guò)螺紋連接而成,土壤中的孔隙水和氣體可以通過(guò)采集管管壁的通孔擴(kuò)散到采集管中,其中采集管內(nèi)的上部為硅膠管,用于采集氣體樣品,下部為樣品瓶,用于采集孔隙水。為研究淹水厭氧條件下地下部溫室氣體排放規(guī)律,采樣時(shí)間定為降水量較大的夏季,為2018年6—7月,以確保泥炭地處于淹水狀態(tài)。MLP置于泥炭土壤中進(jìn)行分段采樣,采樣的深度分辨率為：150 cm深度以上每隔10 cm采集一個(gè)樣品,150 cm深度以下每隔20 cm采集一個(gè)樣品。平衡5周后,將MLP分段逐步取出,每段采集管采集得到的樣品儲(chǔ)存于容積為20 mL的頂空樣品瓶中,然后注入超純水并用0.2 μm滲透膜覆蓋。靜置一段時(shí)間后,在頂空樣品瓶中抽取2 mL氣體樣品,注入盛有50 μL 6 mol/L HCl的7.5 mL頂空樣品瓶中,用丁基橡膠塞(Wicom, Heppenheim, Germany)緊塞瓶口,隨后測(cè)定溶解性溫室氣體的濃度。因泥炭淺層生物地球化學(xué)過(guò)程活躍,故參考Hesslein[19]的方法,使用深度分辨率為1 cm的被動(dòng)式透析采樣器(dialysis chamber,DC)(60 cm長(zhǎng))對(duì)淺層泥炭土進(jìn)行采樣,采樣平衡時(shí)間為5周。將每段采樣器中收集到的孔隙水樣品注入盛有20 μL 6 mol/L HCl的1.8 mL頂空樣品瓶中備用,隨后測(cè)定溶解性溫室氣體的濃度。地下水位利用水位傳感器(MX2001-S,ONSET,USA)測(cè)定。

圖1 原位被動(dòng)式高分辨率采樣器采集管示意圖 Fig.1 Schematic design of a multilevel piezometer (MLP) segment

泥炭土壤樣品利用俄羅斯箱式采樣器(Peat sampler, Eijkelkamp, Netherlands)采樣,受地形變化差異,不同采樣點(diǎn)泥炭累積厚度略有差異,其中BBM的采樣深度為340 cm,SBM的采樣深度為210 cm。對(duì)采集到的泥炭芯每隔5—10 cm進(jìn)行分層,并置于采樣袋冷凍保存以待分析。

由于本研究的采樣為被動(dòng)式擴(kuò)散采樣法,孔隙水及氣體擴(kuò)散收集到的樣品為長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果,與自然環(huán)境中的實(shí)際濃度較為接近,因此樣品的代表性較高。整個(gè)采樣過(guò)程持續(xù)5周,取最后一天累積的樣品量作為研究值,BBM和SBM采樣點(diǎn)均無(wú)作重復(fù)采樣。

1.3 氣體樣品、孔隙水樣品和土壤樣品分析方法

CO2和CH4的濃度利用氣相色譜儀(SRI 8610 C, SRI Instruments, USA)測(cè)定,該儀器由電子捕獲檢測(cè)器(Electron Capture Detector,ECD)和火焰電離檢測(cè)器(Flame Ionization Detector,FID)組成,色譜柱為Haysep-D。FID可檢測(cè)甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2),兩種氣體的最低檢測(cè)限均為0.01 mg/L,檢測(cè)時(shí)每10分鐘向儀器內(nèi)注入1 mL室內(nèi)空氣樣品。CO2和CH4的濃度應(yīng)用亨利定律計(jì)算得到,亨利常數(shù)參考Lide等[20]的方法確定。

對(duì)于可溶性有機(jī)碳(dissolved organic carbon, DOC)的濃度分析,先用0.45 μm濾膜(NylonMillipore)過(guò)濾孔隙水樣品,然后用總有機(jī)碳分析儀(TOC 5050, Shimadzu, Japan)進(jìn)行分析。pH值利用pH計(jì)來(lái)測(cè)定,MLP和DC的每段采樣段均需測(cè)量pH值。

碳氮比(C/N)可用于衡量泥炭分解程度以及碳、氮的質(zhì)量損失隨深度的變化情況[21]。總C和總N量利用元素分析儀(NA 1108,CE Instruments, Italy)測(cè)定,13C/12C和15N/14N利用同位素比質(zhì)譜儀(delta S, Finnigan MAT, Germany)測(cè)定。同位素比值用式(1)的δ來(lái)表示,用空氣中的N2作為N的標(biāo)準(zhǔn)氣體。

利用傅里葉變換紅外光譜(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR)可研究泥炭土中有機(jī)物和礦物的分子結(jié)構(gòu)及其官能團(tuán)組成[22],以及由于腐殖化過(guò)程引起的有機(jī)質(zhì)組分的變化,例如腐殖化過(guò)程中脂肪族和芳香族等物質(zhì)的積累[23]。取200 mg干燥KBr和2 mg泥炭土壤樣品利用氧化鋯球磨后測(cè)定波數(shù)范圍為4500—300 cm-1的紅外光譜。本研究定義以下4個(gè)吸收峰與多糖(1090 cm-1)的比值為腐殖化系數(shù)：1720/1090、1630/1090、1510/1090和1420/1090。其中,1720 cm-1代表羧酸和芳香酯,1630 cm-1代表芳烴和芳香族或脂肪族羧酸鹽,1510 cm-1代表酰胺,1420 cm-1代表酚醛和脂肪族結(jié)構(gòu)[23-24]。

樣品測(cè)定過(guò)程中,每個(gè)采集到的氣體樣品、孔隙水樣品和土壤樣品均做了3次重復(fù)測(cè)定。

1.4 同位素的計(jì)算方法

利用穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀(GC-C-IRMS, deltaplus, Thermo, Germany)對(duì)MLP采樣得到的CO2和CH4進(jìn)行穩(wěn)定同位素測(cè)量,δ13C的值利用參考?xì)怏w(CO2,-21.225‰)和2個(gè)同位素值標(biāo)準(zhǔn)(CO250000 mg/L, -39.386‰; CH410000 mg/L, -46.362‰)來(lái)修正。多次測(cè)量得到的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍為0.09‰(CH4)—0.24‰(CO2)。同位素的計(jì)算公式如下：

(1)

式中,δ表示以V-PDB為標(biāo)準(zhǔn)的樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品偏離的千分率,Rsample表示待測(cè)樣品中重碳同位素與輕碳同位素的豐度比,即13C/12C,Rstandard表示標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中重碳同位素與輕碳同位素的豐度比。

通常泥炭土壤中產(chǎn)甲烷方式主要有氫產(chǎn)甲烷過(guò)程和乙酸產(chǎn)甲烷過(guò)程[25]：

4H2(aq)+CO2(aq)→2H2O(l)+CH4(aq)

(2)

CH3COO-(aq)+H+(aq)→CO2(aq)+CH4(aq)

(3)

利用同位素分餾系數(shù)αc可衡量泥炭土壤中主要發(fā)生的產(chǎn)甲烷方式,分餾系數(shù)αc的計(jì)算公式如下：

(4)

式中,δ13CCO2和δ13CCH4可由式(1)算得,當(dāng)αc<1.055時(shí),產(chǎn)甲烷方式以乙酸產(chǎn)甲烷為主,當(dāng)αc>1.055時(shí),產(chǎn)甲烷方式以氫氣還原二氧化碳為主[26]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2013和SigmaPlot 14.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析。采用Pearson相關(guān)分析法對(duì)碳氮比與FTIR結(jié)果及碳、氮同位素比值進(jìn)行相關(guān)性分析。利用SigmaPlot 14.0軟件作圖,經(jīng)計(jì)算,3次重復(fù)測(cè)定的氣體樣品、孔隙水樣品和土壤樣品標(biāo)準(zhǔn)差范圍都在1%以?xún)?nèi),因此圖表中數(shù)據(jù)均表示平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下部溫室氣體隨深度變化特征

2.1.1地下部CO2和CH4濃度變化特征

對(duì)于CO2濃度,BBM處除10 cm深度以上濃度較低外(0—2500 μmol/L)(圖2),CO2濃度都隨深度在3000 μmol/L左右波動(dòng),10—60 cm處波動(dòng)幅度較小,60 cm以下波動(dòng)幅度較大,總體呈現(xiàn)隨深度減少的趨勢(shì)。CO2濃度最小值為0.05 μmol/L,最大值出現(xiàn)在120 cm處,可達(dá)4210.74 μmol/L,整個(gè)垂直采樣深度平均值為2568.81 μmol/L。SBM的CO2濃度隨深度先增后減,最小值出現(xiàn)在近地表處,為573.03 μmol/L,最大值出現(xiàn)在90 cm,為4191.94 μmol/L,平均值為1948.16 μmol/L。0—60 cm處CO2濃度隨深度增加緩慢,在1800 μmol/L左右小幅波動(dòng),60—90 cm隨深度急劇增加到最大值,隨后隨深度減少,并且在3000 μmol/L左右波動(dòng)。

對(duì)于CH4濃度,BBM和SBM處都隨深度增加,BBM的甲烷濃度最大值比SBM的大。BBM處CH4濃度為1.88—735.90 μmol/L,平均值為259.04 μmol/L,60 cm以上隨深度增加幅度較小, 60 cm以下增加幅度較大,最大值出現(xiàn)在260 cm。SBM的CH4濃度為15.57—543.51 μmol/L,平均值為301.34 μmol/L,深度為60 cm以上的CH4濃度都穩(wěn)定在300 μmol/L左右,而60 cm以下波動(dòng)幅度較大,最大值出現(xiàn)在170 cm。

BBM和SBM的CO2/CH4比率均在近地表處有一峰值。BBM的CO2/CH4比率總體上呈現(xiàn)隨深度遞減的趨勢(shì),淺層的比率可達(dá)16.20,而150 cm以下的比率僅為4—5。SBM的CO2/CH4比率在60 cm以上變化不大,60 cm以下處迅速增加到15.14(70 cm)后隨深度減少,并且SBM所有深度中CO2/CH4的比率大多在4—6范圍內(nèi)。

圖2 BBM和SBM中CO2濃度、CH4濃度和CO2/CH4隨深度的變化Fig.2 The profiles of concentration of CO2 and CH4 and CO2/CH4 in BBM and SBM

2.1.2地下部CO2和CH4碳同位素比值變化特征

圖3 BBM和SBM中δ13CCH4、δ13CCO2和分餾系數(shù)αc隨深度的變化Fig.3 The profiles of δ13CCH4, δ13CCO2 and αc in BBM and SBM

BBM和SBM的δ13CCO2都隨深度增加(圖3),而且值都為-27.40‰—-3.13‰。BBM處深度為100 cm以上時(shí),δ13CCO2隨深度增加迅速,100 cm以下隨深度增加緩慢。同樣地,SBM也出現(xiàn)淺層(80 cm以上)隨深度增加迅速,深層(80 cm以下)隨深度增加緩慢的規(guī)律。

BBM采樣點(diǎn)處δ13CCH4的值(-81.33‰—-70.13‰)比SBM的(-70.68‰—-60.81‰)小(圖3)。BBM的δ13CCH4在40 cm以上隨深度急劇下降,隨后隨深度增加,先減后增是因?yàn)樵跍\層(40 cm以上)12CH4被氧化的量隨深度減少,即12CH4的濃度隨深度增加,根據(jù)式(1),δ13CCH4的值在淺層隨深度也減少；而SBM的δ13CCH4的值隨深度波動(dòng)下降,并且波動(dòng)幅度很大。

與δ13CCO2的變化規(guī)律類(lèi)似,BBM和SBM的分餾系數(shù)αc也隨深度增加,并且αc的范圍都為1.046—1.077。其中,BBM和SBM分別在20 cm和40 cm深度處αc≈1.055,由于αc可以判斷泥炭沼澤濕地中甲烷產(chǎn)生的主要方式,因此找到αc為1.055的臨界深度即可判斷不同深度泥炭土層的產(chǎn)甲烷方式。參考Whiticar[26]定義的分餾系數(shù)αc為1.04—1.055時(shí),泥炭地地下部產(chǎn)甲烷方式以乙酸產(chǎn)甲烷為主,αc為1.055—1.09時(shí),產(chǎn)甲烷方式以H2還原CO2為主。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),BBM和SBM的αc分別在20 cm和40 cm深度以下為αc>1.055(圖3),表明BBM和SBM在分別在20 cm和40 cm深度以上是以乙酸產(chǎn)甲烷為主,20 cm和40 cm以下產(chǎn)甲烷方式都則以H2還原CO2為主,與前期研究發(fā)現(xiàn)的淺層以乙酸產(chǎn)甲烷為主,深層以H2還原CO2為主的規(guī)律一致[27-28]。

2.2 地下部剖面孔隙水中的DOC濃度及pH值隨深度變化特征

如圖4所示,BBM中的DOC濃度隨深度呈逐漸減少趨勢(shì),濃度為14—28 mg/L。SBM中的DOC濃度沒(méi)有明顯的變化規(guī)律,在深度為100 cm以上處波動(dòng)較大,100 cm以下波動(dòng)較小,其中最大值出現(xiàn)在20 cm處,為20.81 mg/L,最小值出現(xiàn)在50 cm處,為2.22 mg/L。SBM中DOC的濃度(2.22—20.81 mg/L)略少于BBM的DOC濃度(14.75—27.93 mg/L)。

BBM和SBM的pH值均隨深度升高,SBM隨深度變化的幅度比BBM大,BBM的pH值范圍為3.49—4.51,SBM的pH值范圍為4.00—5.71,兩個(gè)采樣點(diǎn)pH平均值都為4.3,符合雨養(yǎng)型泥炭地為酸性的特點(diǎn)[29]。

圖4 BBM和SBM中DOC和pH值分別隨深度的變化Fig.4 The profiles of concentration of DOC and pH value in BBM and SBM

2.3 泥炭沼澤濕地有機(jī)質(zhì)儲(chǔ)量隨深度變化特征

如圖5所示,BBM和SBM的C/N都是隨深度先增后減,但是BBM中的變化幅度較SBM中的大,BBM和SBM的C/N基本上都大于50,BBM中C/N最大值為206.27(140 cm),SBM的最大值為288.40(100 cm)。

BBM和SBM的δ13C都隨深度先增大后減少(圖5),與C/N呈顯著正相關(guān)(表1),并且比值都為-29.17‰—-22.63‰。BBM的δ13C最大值為180 cm處的-22.63‰,SBM的δ13C最大值為70 cm處的-24.15‰。

圖5 BBM和SBM中C/N、δ13C、δ15N隨深度的變化Fig.5 The profiles of C/N, δ13C and δ15N in BBM and SBM

BBM和SBM的δ15N隨深度變化規(guī)律相似,都是隨深度增加。BBM的δ15N(-5.80‰—1.20‰)略小于SBM的δ15N(-2.00‰—2.98‰)。BBM的δ15N隨深度波動(dòng)不大,除了270—290 cm和330—340 cm處δ15N為正值外,其余深度均為負(fù)值。SBM的δ15N在深度為100 cm以上時(shí)在0‰附近波動(dòng)較大,100 cm以下波動(dòng)較小,且都大于0‰。

表1 貝爾地濕地(BBM)和舒特茲山濕地(SBM)中C/N與FTIR和碳氮同位素比值的相關(guān)關(guān)系

BBM中的傅里葉變換紅外光譜圖中的不同比值(1720/1090、1630/1090、1510/1090、1420/1090)隨深度變化都是先減后增(圖6),變化趨勢(shì)與BBM中的C/N變化趨勢(shì)相反(圖6),且這種負(fù)相關(guān)關(guān)系顯著(表1)。SBM的FTIR圖中,除了1630/1090 50 cm處有一峰值和1720/1090 40 cm處有一最小值外,不同的比值大致均呈現(xiàn)180 cm以上隨深度變化不大,180 cm以下隨深度增加的趨勢(shì)。

前期研究發(fā)現(xiàn),原位泥炭土中的可溶性有機(jī)質(zhì)的FTIR光譜在約1630 cm-1處的吸收峰最強(qiáng)[23-24],故選取比值為1630/1090作為腐殖化指數(shù)。BBM中的腐殖化指數(shù)與其C/N呈顯著負(fù)相關(guān)(表1),在50 cm以上處腐殖化指數(shù)較大,而對(duì)應(yīng)的C/N較小,隨后腐殖化指數(shù)隨深度減少至0.4左右(130—150 cm)時(shí),C/N則隨深度增加至206.27(140 cm)。在200 cm以下,腐殖化指數(shù)隨深度增加至大于0.9,而C/N隨深度減少至50以下。表1計(jì)算結(jié)果表明,SBM中的腐殖化指數(shù)與C/N也呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,但并不顯著。除了50 cm處的腐殖化指數(shù)達(dá)到1.45外,SBM中的腐殖化指數(shù)在190 cm以上處均在0.60—0.85之間,在190 cm以下處隨深度增加至約為1.2。

圖6 BBM和SBM中傅里葉紅外變換光譜比值隨深度的變化Fig.6 The profiles of fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) ratio in BBM and SBM

3 討論

3.1 原位地下部溫室氣體濃度影響因素

3.1.1CO2和CH4氣體濃度的影響因素

前期研究表明,地球上高緯度地區(qū)(47°—55°)泥炭沼澤濕地中的CO2的濃度范圍多為0—6000 μmol/L,但濃度高的地區(qū),如英格蘭,可達(dá)6000—10000 μmol/L,而CH4的濃度范圍多為0—2000 μmol/L,并且兩種氣體的濃度沿土壤剖面變化都是大致隨深度增加[6, 28, 30-31]。Beer等[31]和Blodau等[32]分別對(duì)加拿大Mer Bleue泥炭地進(jìn)行原位觀測(cè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),CO2的濃度為100—5500 μmol/L,CH4的濃度為0—600 μmol/L,CO2和CH4的濃度均與本研究中兩個(gè)采樣點(diǎn)的結(jié)果相近,因此本研究得到的結(jié)果與前期研究結(jié)果具有可比性。BBM和SBM的CO2隨深度減少,CH4隨深度增加,由于αc可用于判斷泥炭地地下部的產(chǎn)甲烷方式(見(jiàn)1.4),由圖3的αc數(shù)據(jù)可知,BBM和SBM分別在20 cm和40 cm深度以下存在αc>1.055,表明在這些深度以下的甲烷產(chǎn)生方式是H2還原CO2為主,CO2被消耗用于產(chǎn)CH4,因此CO2濃度降低而CH4濃度升高。BBM和SBM的CH4在60cm以下隨深度快速增加,推斷是由于隨深度增加,泥炭土壤內(nèi)部厭氧環(huán)境有利于CH4的產(chǎn)生使其積累[27]。BBM和SBM在10cm以上處CO2/CH4的比率都很高,由圖7可知,雖然采樣時(shí)間段內(nèi)水位一直在地表以上,但是由于德國(guó)的降水量有夏多冬少的特點(diǎn)[33],因此地下水位會(huì)上下波動(dòng),水位波動(dòng)過(guò)程中有氧氣的輸入,甲烷被有氧氧化導(dǎo)致其含量極低,因而導(dǎo)致CO2/CH4的比率極高。10cm以下,BBM和SBM的CO2/CH4比率都隨深度增加而減少,并且比率大多數(shù)為4—6,與前期北半球高緯地區(qū)泥炭地研究報(bào)道的結(jié)果相近[28, 34-35]。

圖7 BBM和SBM中地下水位隨時(shí)間的變化 Fig.7 Variation of water table in BBM and SBM

3.1.213CO2和13CH4氣體路徑示蹤

由于分解過(guò)程產(chǎn)生12CO2、12CH4、13CO2和13CH4,相對(duì)分子質(zhì)量較輕的12CO2和12CH4會(huì)優(yōu)先排放到大氣中,而相對(duì)分子質(zhì)量較重的13CO2和13CH4則留在土壤中,利用δ13CCO2和δ13CCH4方法可以對(duì)地下部溫室氣體進(jìn)行路徑示蹤研究,了解氣體的去向。本研究中CH4和CO2的δ13C分別為-82‰—-60‰和-28‰—-3‰,與前期北半球典型泥炭地的研究結(jié)果相當(dāng)[28, 31, 35]。Hornibrook[27]對(duì)加拿大Point Pelee Marsh和Sifton Bog兩個(gè)濕地研究發(fā)現(xiàn),兩個(gè)濕地的δ13CCH4都隨深度減少,比值為-72‰—-48‰,變化規(guī)律與本研究中的SBM相似,但比值均比BBM和SBM的δ13CCH4大,而δ13CCO2都隨深度增加,比值為-20‰—-5‰,變化規(guī)律和比值與BBM和SBM均相似,主要是因?yàn)镻oint Pelee Marsh和Sifton Bog的12CH4被有氧氧化作用消耗或者以冒泡的方式排放到大氣中,導(dǎo)致12CCH4較小,進(jìn)而使得δ13CCH4較大。由此可見(jiàn),本研究中2個(gè)采樣點(diǎn)δ13CCH4的比值較小,表明大部分的12CH4仍被儲(chǔ)存在泥炭土壤中,該地受外界環(huán)境的干擾較少。δ13CCO2隨深度增大,表明12CO2隨深度消耗增多,而消耗的CO2用于H2還原CO2的產(chǎn)甲烷過(guò)程,因?yàn)閳D3αc數(shù)據(jù)表明BBM和SBM分別在20 cm和40 cm以下產(chǎn)甲烷方式都以H2還原CO2為主,另外,消耗的CO2也有可能用于產(chǎn)乙酸過(guò)程[27]。

3.2 原位地下部溫室氣體濃度變化與泥炭分解的關(guān)系

利用C/N可以衡量泥炭土中有機(jī)質(zhì)的分解程度,C/N比值越大,表明泥炭土的分解程度低,通常情況下,泥炭土壤的C/N介乎于40—100,并且當(dāng)C/N大于50時(shí)表明有機(jī)質(zhì)分解程度較低[1, 22, 24, 36]。本研究中,BBM和SBM的C/N的比值基本上都大于50,并且BBM在深度為100—270 cm處、SBM在70—100 cm處,C/N大于100,說(shuō)明在該深度區(qū)域的分解程度十分低,儲(chǔ)存著大量有機(jī)碳。SBM和BBM都是約200 cm以下C/N較小,腐殖化指數(shù)較大,表明深層處有機(jī)質(zhì)分解程度較高。歐洲泥炭土平均沉積速率約為2 mm/yr[37],如此計(jì)算,200 cm以下的泥炭土層可以代表一千年以前的情況。根據(jù)IPCC[38]報(bào)告可知,在公元800—1100年北半球的氣溫比1100年后的略高,而溫度較高有利于加速有機(jī)質(zhì)分解,所以?xún)蓚€(gè)采樣點(diǎn)深層處的腐殖化指數(shù)較高。

有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程伴隨著同位素分餾的發(fā)生,分解過(guò)程中12C會(huì)優(yōu)先富集在產(chǎn)物,如CO2、CH4中,并排放到大氣中去,而13C則富集在分解后殘余的有機(jī)質(zhì)中,因此δ13C偏負(fù)值時(shí)說(shuō)明有機(jī)質(zhì)分解程度高,而偏正值時(shí)說(shuō)明分解程度低。BBM和SBM的δ13C在淺層處較大,主要是由于德國(guó)的降水有季節(jié)性差異[33],地下水位波動(dòng)過(guò)程中有氧氣的輸入,可以促進(jìn)有機(jī)質(zhì)分解,導(dǎo)致淺層處δ13C更偏負(fù)值。此外,也與采樣時(shí)間處于夏季,夏季土壤溫度隨深度變化比較大,淺層土壤溫度對(duì)氣溫的響應(yīng)較強(qiáng),因而地表溫度比較高,有利于有機(jī)質(zhì)的分解有關(guān)[39]。

氮同位素可以研究土壤有機(jī)質(zhì)的來(lái)源和分布[40],本研究中兩個(gè)采樣點(diǎn)的δ15N都是隨深度趨于正值,研究結(jié)果與前期研究結(jié)果吻合[22, 41]。不同植物的穩(wěn)定氮同位素比率存在差異,進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致不同地區(qū)泥炭土壤中的δ15N的值不同[22, 24],雖然本研究中SBM的δ15N比BBM中的稍大,但是兩個(gè)采樣點(diǎn)的覆蓋植被類(lèi)型均為泥炭蘚和灌木叢,因而可以排除植被類(lèi)型的影響導(dǎo)致兩地δ15N存在差異。另外,溫度和降水也可以影響δ15N的變化,但是影響規(guī)律是如何,至今還沒(méi)有明確的定論,需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[42]。

DOC的濃度受多種因素的影響,例如溫度、水位、pH、植被類(lèi)型、泥炭地演替階段等[43-44],本研究發(fā)現(xiàn)SBM和BBM中DOC濃度比其他學(xué)者的研究結(jié)果低[24],是因?yàn)檠芯康貐^(qū)地處中高緯度地區(qū),溫度較低,凋落物的分解速度較慢,另外,2個(gè)采樣點(diǎn)覆蓋的植被類(lèi)型均為灌木叢和苔蘚,屬于森林演替過(guò)程中的早期階段,凋落物分解釋放DOC的速率較低。另外,前期研究表明,產(chǎn)甲烷的最適pH值為5—6[45],甲烷氧化的最適pH值為5—8[46],而本研究中2個(gè)采樣點(diǎn)的泥炭土pH值都較低,基本都為4.3左右,因此該土壤環(huán)境并不十分利于產(chǎn)甲烷及甲烷氧化的發(fā)生,同時(shí)pH值低也會(huì)限制微生物活性及有效底物活性,從而限制有機(jī)質(zhì)分解放出二氧化碳[47]。

總的來(lái)說(shuō),C/N、碳氮同位素和FTIR方法都表明,本研究中天然條件下原位泥炭土的有機(jī)質(zhì)整體分解程度較低,但是在淺層和底層分解程度相對(duì)較高。淺層分解程度高是因?yàn)榻邓斐傻牡叵滤徊▌?dòng),有氧氣輸入,促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解；而底層泥炭土的深度在 200 cm 以上,對(duì)應(yīng)的是沉積了1000多年的泥炭土,對(duì)應(yīng)歷史時(shí)期的氣溫略高,高溫可以促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解,表明該地儲(chǔ)存著大量的有機(jī)碳,是重要的碳庫(kù),隨著氣候變化,該地有可能成為一個(gè)重要的碳源。另外,DOC濃度和pH值是影響有機(jī)質(zhì)分解的關(guān)鍵因子,BBM和SBM兩個(gè)采樣點(diǎn)的低DOC濃度和低pH值均限制了有機(jī)質(zhì)的分解。

4 結(jié)論

(1)BBM采樣點(diǎn)地下部CO2濃度變化總體呈隨深度減少趨勢(shì),SBM的CO2濃度變化隨深度先增后減；BBM和SBM地下部CH4濃度均隨深度增加,并且在60cm以下快速增加,CO2和CH4的濃度變化規(guī)律與前期研究結(jié)果具有可比性。摸清地下部溫室氣體濃度變化規(guī)律對(duì)準(zhǔn)確核算地表溫室氣體排放通量具有重要意義。

(2)兩個(gè)采樣點(diǎn)δ13CCH4的值均較小,表明大部分的12CH4仍被儲(chǔ)存在泥炭土壤中,被氧化或排放到大氣中的量較少。BBM和SBM的δ13CCO2和分餾系數(shù)αc都隨深度增加,BBM和SBM分別在20 cm和40 cm以下有αc>1.055,表明產(chǎn)甲烷方式在該深度以上為乙酸產(chǎn)甲烷為主,該深度以下為H2還原CO2為主,深層消耗的12CO2有一部分用于產(chǎn)甲烷過(guò)程。

(3)碳氮比、碳氮同位素比值、傅里葉紅外光譜法都表明,BBM和SBM兩個(gè)采樣點(diǎn)的有機(jī)質(zhì)分解程度較低,是因?yàn)榈虳OC濃度和低pH值不利于有機(jī)質(zhì)的分解,由此2個(gè)采樣點(diǎn)儲(chǔ)存大量有機(jī)碳。