左弟召, 陳克龍, 李英年, 張法偉

青海湖流域泥炭濕地地氣系統(tǒng)不同時(shí)間尺度上CO2交換特征

左弟召1,2,3, 陳克龍2,3,*, 李英年4, 張法偉4

1. 青海師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 青海西寧 810008 2. 青海師范大學(xué)青藏高原地表過(guò)程與生態(tài)保育教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青海西寧 810008 3. 青海師范大學(xué)青海省自然地理與環(huán)境過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青海西寧 810008 4. 中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所, 青海西寧 810008

為了定量分析2017年青海湖流域泥炭濕地地氣系統(tǒng)不同時(shí)間尺度上的碳交換的變化特征及影響機(jī)制, 利用渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)對(duì)其不同時(shí)間尺度上的碳通量進(jìn)行了測(cè)定, 結(jié)果表明: 1)青海湖流域泥炭濕地地氣系統(tǒng)在2017年表現(xiàn)為“碳源”, 全年合計(jì)排放209.312 gC·m–2。2)生態(tài)系統(tǒng)總初級(jí)生產(chǎn)量(GPP)和生態(tài)系統(tǒng)總呼吸(Re)年變化均呈倒V型, 而凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換(NEE)年內(nèi)變化則呈雙峰型。3)NEE和GPP 與各環(huán)境要素(氣溫、土壤溫度、月平均降水量、土壤含水量)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系, 而Re與之呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(<0.01)。4)NEE受溫度因子影響較大, 主要受控于氣溫。5)GPP和Re與各水熱因子都有較大的相關(guān)性, 但GPP受溫度因子影響較顯著, 而水、熱季節(jié)變化及其協(xié)調(diào)程度對(duì)Re有更大的影響。

泥炭濕地; 渦度相關(guān); 碳通量; 青藏高原

0 前言

全球濕地面積約為5.7×106km2, 約占陸地面積的6%, 濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤中有機(jī)碳含量約占全球碳含量的20%—25%[1]。觀測(cè)濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳通量是明確濕地碳源匯功能的重要手段, 也是了解陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。渦度相關(guān)技術(shù)(Eddy covariance, EC)是一種非破壞性的、能長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)的微氣象觀測(cè)技術(shù), 其優(yōu)勢(shì)在于研究不同時(shí)間尺度上生態(tài)系統(tǒng)碳收支的變化規(guī)律及其對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)機(jī)理[2]。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)已廣泛使用渦度相關(guān)技術(shù)進(jìn)行測(cè)定, 該技術(shù)漸漸成為生態(tài)系統(tǒng)水平測(cè)量碳通量的標(biāo)準(zhǔn)方法[3–4]。

自20世紀(jì)70年代以來(lái), 有關(guān)陸地生態(tài)系統(tǒng)地表CO2通量的研究大多集中于森林、農(nóng)田、草地、荒漠和鹽沼濕地等生態(tài)系統(tǒng)[5–15]。高海拔地區(qū)的泥炭濕地不同時(shí)間尺度上量化碳收支及其環(huán)境要素響應(yīng)機(jī)理卻少有涉及。青藏高原被譽(yù)為世界“第三極”[16]。青藏高原東北部的青海湖高寒濕地位于西北干旱區(qū)及東部季風(fēng)區(qū)的交匯處, 是高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)的典型區(qū)域[17]。泥炭地儲(chǔ)量了全球濕地絕大多數(shù)的碳, 且廣布于北半球溫帶及寒冷地區(qū)[18]。因研究區(qū)域不同, 青藏高原不同的下墊面和泥炭層厚度呈現(xiàn)不同的碳源、碳匯潛能。如玉樹(shù)隆寶濕地[19]、高寒草甸那曲站[20]和青藏高原東北部[21]表現(xiàn)為碳匯, 而高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)(海北站)[22]和青海湖高寒藏嵩草濕草甸[23]則表現(xiàn)為碳源。為此, 有必要開(kāi)展高寒泥炭濕地地氣系統(tǒng)碳交換特征及其碳源匯機(jī)制的觀測(cè)研究, 探究高海拔不同下墊面和泥炭厚度有何種碳源匯功能, 以期對(duì)高海拔地區(qū)泥炭濕地的碳通量的時(shí)空變異性和碳收支進(jìn)行精確估算。

本文基于伊克烏蘭瓦顏站2017年全年渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù), 通過(guò)定量分析青海湖流域高寒泥炭濕地碳通量的變化特征及其環(huán)境因子, 并明晰其碳收支在日變化和年變化尺度的變化規(guī)律, 進(jìn)而探究高寒泥炭濕地有何種碳源匯功能？并對(duì)其環(huán)境因子影響機(jī)制如何？不僅對(duì)量化凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換(Net ecosystem exchange, NEE)、生態(tài)系統(tǒng)總呼吸(ecosy-stem respiration, Re)和生態(tài)系統(tǒng)總初級(jí)生產(chǎn)量(gross primary productivity, GPP)及其環(huán)境因子影響機(jī)制具有重要的意義, 而且為評(píng)估未來(lái)氣候變化背景下青藏高原相關(guān)的高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳收支研究提供理論參考和數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省海北藏族自治州剛察縣伊克烏蘭鄉(xiāng)瓦顏山(37°44′35"N, 100°05′40"E), 北靠祁連山, 南臨青海湖, 是沙柳河上游支流瓦顏曲的河源濕地。依托該區(qū)建設(shè)青海青海湖濕地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站——伊克烏蘭瓦顏站(圖1)。該站點(diǎn)年均氣溫為(-3.06±0.40) ℃, 最高氣溫為33.3 ℃, 最低氣溫為-36.3 ℃。年均降水量為462.8 mm, 5—9月降水量約占年降水量的90%, 屬于典型的高原大陸性氣候[24], 主要特征為太陽(yáng)輻射強(qiáng), 氣溫低而日溫差大, 降水少而集中, 雨熱同期。該區(qū)海拔3750 m, 主要植被類型是高寒沼澤化草甸, 藏嵩草 ()是該區(qū)的優(yōu)勢(shì)種, 苔草鵝絨委陵菜為主要伴生種。主要土壤類型為沼澤土和草甸土, 土壤厚度約為1.2 m, 表層廣布有厚度約1.7 m的季節(jié)性凍土層, 深層為永久性凍土[25]。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖

Figure 1 Geographical location of the study area

2 研究材料與方法

2.1 觀測(cè)系統(tǒng)與觀測(cè)要素

觀測(cè)站的各觀測(cè)要素和觀測(cè)系統(tǒng)如下(表1), 是由安裝于長(zhǎng)期觀測(cè)樣地內(nèi)每30 min記錄一次的數(shù)據(jù)采集器(CR5000, Campbell Scientific, USA) 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集, 主要包括氣溫、降水量、總輻射和反射輻射等氣象數(shù)據(jù)和不同梯度土層含水量數(shù)據(jù)。

表1 儀器及架設(shè)高度

2.2 數(shù)據(jù)解析與插補(bǔ)

選取了2017年1月1日至2017年12月31日渦度相關(guān)系統(tǒng)所觀測(cè)的原始數(shù)據(jù), 采用Eddypro5.0軟件對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理, 包括坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、WPL 校正和光譜校正等[26–28]。由于LI-7500A型號(hào)分析儀存在表面自加熱效應(yīng), 所以對(duì)1—5和10—12月氣溫低于-10 ℃時(shí)的數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行儀器自加熱效應(yīng)的校正[29–30]。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量, 由儀器故障、微氣象異常等因素造成觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的缺失或者“野點(diǎn)”進(jìn)行剔除和插補(bǔ); 剔除降水同期的觀測(cè)數(shù)據(jù), 降水對(duì)湍流平穩(wěn)性有一定影響, 并有可能導(dǎo)致儀器失靈[27]; 針對(duì)夜間。(光合光量子通量密度PPFD<10 μmol·m–2·s–1)湍流發(fā)展不充分, 剔除夜間摩擦風(fēng)速低于0.15 m·s–1對(duì)應(yīng)的通量數(shù)據(jù)[31]

其中對(duì)非生長(zhǎng)季全天以及生長(zhǎng)季夜間采用Van't Hoff方程[32]進(jìn)行插補(bǔ):

式(1)中,為非生長(zhǎng)季全天以及生長(zhǎng)季夜間生態(tài)系

表2 缺失或丟失的通量數(shù)據(jù)插補(bǔ)法

對(duì)生長(zhǎng)季白天缺失CO2通量數(shù)據(jù), 利用Michaelis- Menten[33]方程進(jìn)行插補(bǔ):

渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測(cè)的CO2通量為NEE,將夜間呼吸函數(shù)外延至白天(Re, d), 即可得生態(tài)系統(tǒng)的總呼吸量(Re), 進(jìn)而可得生態(tài)系統(tǒng)總交換量(GEE)[31]。在生態(tài)系統(tǒng)的尺度上, 生態(tài)系統(tǒng)總初級(jí)生產(chǎn)量(GPP)與GEE數(shù)值等同, 但方向相反。

2.3 數(shù)據(jù)分析

使用EDDY渦度軟件來(lái)轉(zhuǎn)換和處理碳通量數(shù)據(jù)。采用Excel 2013對(duì)碳通量、氣象、土壤等數(shù)據(jù)作進(jìn)一步計(jì)算處理。利用SPSS 18.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析與顯著性檢驗(yàn)。用Origin Pro 2018來(lái)擬合回歸方程與制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 微氣象要素分布狀況

研究時(shí)段內(nèi), 微氣象要素在總體上呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征(圖2)。研究區(qū)氣溫(Ta)年均值為-3.06 ℃,月最高、最低氣溫分別為7月的9.3 ℃和1月的-14.9 ℃。5 cm深處的土壤溫度(Ts)的月最高、最低分別出現(xiàn)在7月(10.36 ℃)和1月(-7.29 ℃)。Ts變化規(guī)律和Ta相似, 年平均Ts為1.49 ℃。降水總量(PPT)為540.258 mm, 主要集中在生長(zhǎng)季。在5月和9月有兩次脈沖性降水, 7月達(dá)到降雨量旺盛期。5—9月的降水總和為488.95 mm, 約占全年的90%。土壤含水量(SWC)季節(jié)變化與降水有相似的變化特征但有所滯后, 是由于植被的根系吸收水分, 導(dǎo)致土壤含水量不會(huì)迅速增加。光合光量子通量密度(PPFD)在7月達(dá)到峰值(744.01μmol·m–2·s–1), 夏季通量密度較大, 冬季通量密度較小?？傒椛?DR)與PPFD的變化特征相似, 最高值出現(xiàn)在7月(374.553 W·m–2), 而反射輻射(UR)變化規(guī)律不同于其他, 全年總量較低且變化較平穩(wěn), 高值主要集中在4月和5月, 其中全年的最高值是5月3日(231.657 W·m–2), 之后便波動(dòng)減小。

圖2 2017年瓦顏山泥炭濕地氣溫和5 cm深處的土壤溫度(a)、降水量(b)、土壤含水量(c)、光合光量子通量密度(d)、總輻射(e)、反射輻射(f)的季節(jié)變化

Figure 2 Seasonal variation of air temperature and soil temperature at 5 cm depths(a), precipitation (b), soil water content (c), photoperiod quantum flux density (d), total radiation (e), reflection radiation (f) in Wayanshan peat wetland in 2017

3.2 生態(tài)系統(tǒng)總初級(jí)生產(chǎn)量(GPP)在不同時(shí)間尺度上的變化特征

3.2.1 GPP日變化

根據(jù)CO2通量變化的基本形態(tài)將全年劃分為生長(zhǎng)季(5—9月)和非生長(zhǎng)季(10—4月)[26]。生長(zhǎng)季夜間GPP月平均日變化非常平穩(wěn)(圖3), 從日出后開(kāi)始, GPP逐漸增加, 且減少速率隨月份的不同其加快程度也不盡相同, 到北京時(shí)間11: 30左右半小時(shí)開(kāi)始呈現(xiàn)波動(dòng)減少的趨勢(shì), 持續(xù)到19: 00左右便歸于平穩(wěn)。主要是由于隨著植物葉面積加大, 其光合效率、水分利用率逐漸增加, 生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力隨植物生長(zhǎng)旺盛而增強(qiáng)。非生長(zhǎng)季的植物處于無(wú)呼吸狀態(tài), 土壤表層受季節(jié)性凍土影響, 所以非生長(zhǎng)季的GPP接近于0。

3.2.2 GPP年變化

2017年瓦顏山GPP總量約為246.470 gC·m–2。在5—9月生長(zhǎng)季期間的日GPP年變化呈現(xiàn)先上升后下降的V字型(圖4), 于第208日達(dá)到最高值4.318 gC·m–2·d–1, 非生長(zhǎng)季的總量接近于0。整個(gè)生長(zhǎng)季的總初級(jí)生產(chǎn)力具有明顯的季節(jié)性, 在一年中水熱條件最好的7、8月份最高, 其中7月>8月>6月> 9月>5月。

5月伊始, GPP較小且平穩(wěn); 6—7月是植物生長(zhǎng)的旺盛時(shí)期, 總初級(jí)生產(chǎn)量逐漸增多; 8月開(kāi)始逐漸減少, 直到9月(即生長(zhǎng)季末期)變化趨勢(shì)漸緩, 且總初級(jí)生產(chǎn)力降低, 非生長(zhǎng)季則接近于0。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)總呼吸(Re)在不同時(shí)間尺度上的變化特征

3.3.1 Re日變化

生態(tài)系統(tǒng)呼吸日變化十分平緩(圖5), 夜晚呼吸值在全年都很小, 在北京時(shí)間8: 00左右達(dá)到日內(nèi)最低值, 日間呼吸作用逐漸增強(qiáng), 在14:30左右上升到日內(nèi)最大值, 之后逐漸下降, 可見(jiàn)生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用受溫度影響最大。

1月的Re日變化最小(0.003—0.027 mgC·m–2·s–1), 5月開(kāi)始其日變化趨勢(shì)愈加顯著(0.007—0.136 mgC·m–2·s–1), 4月和10月的變動(dòng)水平相近(0.040—0.093 mgC·m–2·s–1), 主要?dú)w因于1月土壤溫度極低, 水熱條件差, 且土壤水分處于凍結(jié)狀態(tài), 微生物活動(dòng)極弱, Re對(duì)土壤溫度變化響應(yīng)最不敏感。從5月持續(xù)到9月的植物生長(zhǎng)季, 水熱充足, 生態(tài)系統(tǒng)生物因素活躍, Re對(duì)土壤的溫度變化響應(yīng)最敏感, 4月和10月則處于中間狀態(tài), 但4月的溫度低于10月。

3.3.2 Re年變化

2017年瓦顏山泥炭濕地生態(tài)系統(tǒng)總呼吸的變化總趨勢(shì)為倒V型(圖6), 在非生長(zhǎng)季分布較為集中(0—1.0 gC·m–2·d–1), 冬季呼吸作用微弱且波動(dòng)小。整個(gè)生長(zhǎng)季分布相對(duì)分散, 7、8月份為呼吸作用最強(qiáng)的時(shí)期, 7、8月份呼吸最旺盛且基本在3 gC·m–2·d–1左右, 最大值為3.410 g(8月15日), 年內(nèi)最低值為0.145 g(1月23日)。其中5月份和10月份有兩次生態(tài)系統(tǒng)總呼吸次高峰, 可能是降水使草甸生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物和植被根系的呼吸作用增強(qiáng), 導(dǎo)致整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)呼吸的增加, 植物返青期和枯草期的脈沖性降水會(huì)通過(guò)土壤含水量來(lái)間接促進(jìn)草甸生態(tài)系統(tǒng)的碳排放, 成為影響碳收支的因素之一[23]。

圖3 2017年瓦顏山沼澤濕地GPP生長(zhǎng)季各月平均日變化

Figure 3 Monthly average diurnal variation of GPP during growth season in Wayanshan peat wetland 2017

圖4 2017年瓦顏山泥炭濕地日GPP年變化(a)和月總量年變化(b)

Figure 4 Daily GPP annual variation (a) and monthly total annual variation (b) for the Wayanshan peat wetland in the 2017

圖5 2017年瓦顏山泥炭濕地Re非生長(zhǎng)季(a)和生長(zhǎng)季(b)各月平均日變化

Figure 5 Monthly average diurnal variation of Re during vegetation no-growing seasonal (a) and growing season (b) over the Wayanshan peat wetland in 2017

圖6 2017年瓦顏山泥炭濕地日Re年內(nèi)變化(a)和月總量年變化(b)

Figure 6 Daily Re annual variation (a) and monthly total annual variation (b) for the Wayanshan peat wetland in the 2017

2017年Re呼吸總量為455.781 gC·m–2。Re生長(zhǎng)季總量為186.63 gC·m–2, 非生長(zhǎng)季為269.145 gC·m–2。1月的月呼吸總量最少(約10.587 gC·m–2·month–1)。在生長(zhǎng)季初期的5月, 太陽(yáng)輻射較小, 氣溫較低, 地表大部分凍土尚未融解, 植物進(jìn)入返青期, 但是呼吸作用仍較弱, Re維持在相對(duì)較低的水平。隨著氣溫的回升, 地表的凍土逐漸融化, 植被的萌發(fā)和微生物活動(dòng)漸強(qiáng), 呼吸作用也愈強(qiáng), 7、8月份的呼吸總量最大, 分別為64.893 gC·m–2·month–1和66.758 gC·m–2·month–1。此后由于太陽(yáng)總輻射量的減少, 氣溫的降低及降水量的減少, 植被進(jìn)入枯草期且微生物活動(dòng)漸弱, Re于11月底下降到以土壤呼吸為主的冬季水平, 即使在極低氣溫和土壤溫度下仍然存在一定的呼吸強(qiáng)度(0—1 gC·m–2·d–1)。

3.4 凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換(NEE)在不同時(shí)間尺度上的變化特征

3.4.1 NEE日變化

半小時(shí)NEE月平均日變化在非生長(zhǎng)季變化較平穩(wěn)且都有碳釋放能力, 在0—0.5 mgC·m–2·s–1范圍內(nèi)變化, 只是不同月份釋放的量大小不同(圖7)。白天NEE碳吸收最高可達(dá)到1.095 mgC·m–2·s–1, 夜間生態(tài)系統(tǒng)則只有呼吸作用, 表現(xiàn)為CO2釋放, 且維持在相對(duì)穩(wěn)定的較低水平。由于青藏高原在非生長(zhǎng)季氣候寒冷, 低溫抑制了土壤微生物的代謝活動(dòng), 再加上受到季節(jié)性凍土的影響, 導(dǎo)致該時(shí)段內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)碳通量整體較小[34]。

NEE在生長(zhǎng)季(5月—9月)呈倒鐘型, 7、8月份為生長(zhǎng)季旺期, 生長(zhǎng)季各月份平均日變形態(tài)基本一致, 夜間碳釋放速率較低, 生長(zhǎng)季的白天北京時(shí)間8: 00—18: 00期間NEE為負(fù)值, 表現(xiàn)為吸收狀態(tài), 其中7月>8月>6月>9月>5月。7:00之后由正轉(zhuǎn)負(fù), 在11: 30左右一個(gè)小時(shí)存在明顯的低谷, 18: 00之后再由負(fù)轉(zhuǎn)正, 但隨著四季更替, 日照時(shí)間長(zhǎng)短不同, NEE正負(fù)值轉(zhuǎn)換的具體時(shí)間會(huì)不盡相同。

3.4.2 NEE年變化

日NEE年內(nèi)變化呈雙峰型(圖8), 從第1日開(kāi)始高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)碳釋放能力不斷增強(qiáng), 到第139日逐漸增大至第一個(gè)峰值(3.327 gC·m-2·d–1), 進(jìn)入生長(zhǎng)季后, 經(jīng)過(guò)短暫的釋放期, 日NEE由正轉(zhuǎn)負(fù)并迅速下降, 在第208日降至最小值(-2.945 gC·m-2·d–1), 隨后到第274日左右, 迅速上升并完成由吸收轉(zhuǎn)外釋放的轉(zhuǎn)換過(guò)程, 隨即到達(dá)第二個(gè)峰值(2.913 gC·m-2·d–1), 之后日NEE在小幅波動(dòng)中略微下降并趨近于0值, 且波動(dòng)幅度也越來(lái)越小。

NEE生長(zhǎng)季總量為186.637 gC·m–2·month–1, 非生長(zhǎng)季的總量為22.674 gC·m–2·month–1。5月開(kāi)始由正轉(zhuǎn)負(fù), 6、7和8月為負(fù)值, 9開(kāi)始由負(fù)轉(zhuǎn)正。在5月和10月達(dá)到了NEE的高值, 分別為47.986 gC·m–2·month–1和50.400 gC·m–2·month–1。7月處于低谷期, 為-30.380 gC·m–2·month–1。

圖7 2017年瓦顏山泥炭濕地NEE非生長(zhǎng)季(a)與生長(zhǎng)季(b)各月平均日變化

Figure 7 Monthly average diurnal variation of NEE during vegetation no-growing seasonal (a) and growing season (b) over the Wayanshan peat wetland in 2017

圖8 2017年瓦顏山泥炭濕地日NEE年內(nèi)變化(a)和月總量年變化(b)

Figure 8 Daily Re annual variation (a) and monthly total annual variation (b) for the Wayanshan peat wetland in the 2017

3.5 水熱因子對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳通量影響機(jī)制分析

3.5.1 氣溫對(duì)NEE、Re、GPP的影響

通過(guò)對(duì)氣溫(Ta)和泥炭濕地生態(tài)系統(tǒng)碳通量各組分的相關(guān)性分析和線性擬合(圖9), 結(jié)果表明: Ta與NEE呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 兩者表現(xiàn)為二次多項(xiàng)式關(guān)系(P<0.01, 雙尾檢驗(yàn))。Re與Ta的響應(yīng)曲線呈顯著的線性正相關(guān)(P<0.01, 雙尾檢驗(yàn)), GPP與Ta的關(guān)系可用指數(shù)方程表示, 且相關(guān)性極顯著(P<0.01, 雙尾檢驗(yàn))。GPP隨著氣溫的增加而表現(xiàn)出生產(chǎn)力不斷減小的趨勢(shì)。

3.5.2 土壤溫度對(duì)NEE、Re、GPP的影響

生態(tài)系統(tǒng)碳通量各組分均受控于Ts, 且與之有極顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.01, 雙尾檢驗(yàn))。可以明顯看出Ts與NEE和GPP呈負(fù)相關(guān), 均表現(xiàn)為二次多項(xiàng)式關(guān)系, 而Ts同Re呈顯著線性正相關(guān)(圖10)。

圖9 2017年瓦顏山泥炭濕地氣溫(Ta)對(duì)NEE、Re、GPP的影響

Figure 9 Effect of air temperature (Ta) on the NEE, Re, and GPP in the Wayanshan peat wetland in 2017

圖10 2017年瓦顏山泥炭濕地土壤溫度(Ts)對(duì)NEE、Re、GPP的影響

Figure 10 Effect of soil temperature (Ts) on NEE, Re, GPP in Wayanshan peat wetland in 2017

3.5.3 月平均降水量對(duì)NEE、Re、GPP的影響

月平均降水量(PPT)與高寒泥炭濕地碳通量也存在顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.01, 雙尾檢驗(yàn)), 其中, NEE和GPP與PPT呈現(xiàn)負(fù)相關(guān), 與PPT的響應(yīng)曲線分別為三次多項(xiàng)式和線性方程, 且GPP有更高的線性相關(guān)性(圖11)。土壤呼吸隨季節(jié)降水量的變化而一般呈正相關(guān)關(guān)系[35]。而本文Re與PPT的擬合結(jié)果也很好地印證了這結(jié)論。

3.5.4 SWC對(duì)NEE、Re、GPP的影響

地下5cm土壤含水量(SWC)和泥炭濕地生態(tài)系統(tǒng)碳通量各組分均有顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.01, 雙尾檢驗(yàn))。NEE和GPP與SWC呈負(fù)相關(guān), 均表現(xiàn)為二次多項(xiàng)式關(guān)系(圖11), Re與SWC則為顯著的線性正相關(guān)。

4 討論

4.1 泥炭濕地與其他生態(tài)系統(tǒng)碳通量特征的比較

青海湖流域泥炭濕地地氣系統(tǒng)在2017年表現(xiàn)為“碳源”, NEE年總量為209.312 gC·m–2, 較藏北高寒灌叢[36]的66.75 gC·m–2高, 但較北美混合高草草原[37]的361.90 gC·m–2低?？赡苡捎诓煌聣|面和泥炭層厚度, 土壤有機(jī)碳含量不同, 使得植物的碳源潛力不同[38]。由于研究地位于緯度靠北、海拔較高的河源, 山區(qū)氣溫日較差較大, 泥炭濕地NEE最大吸收速率均出現(xiàn)在11: 30左右, 最高可達(dá)1.095 mgC·m–2·s–1晚于半干旱高寒草原生態(tài)系統(tǒng)(拉薩班戈)的9:00和高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)(云南麗江)的11:00[39]。

4.2 水熱因子對(duì)NEE、Re、GPP的影響機(jī)制分析

泥炭濕地的形成和發(fā)展是一個(gè)復(fù)雜而漫長(zhǎng)的過(guò)程, 是各種自然要素綜合作用的結(jié)果, 而水、熱季節(jié)變化及其協(xié)調(diào)程度是影響生態(tài)系統(tǒng)碳通量大小和季節(jié)變異的主要環(huán)境因子[40]。結(jié)果表明NEE和GPP 與部分環(huán)境要素(氣溫、土壤溫度、月平均降水量、土壤含水量)呈現(xiàn)相似的相關(guān)性, Re則與其相關(guān)性則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì), 這與海北高寒灌叢[41]和高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)[22]的結(jié)論相似。NEE受溫度因子影響較大, 主要受控于Ta。這與青海湖北岸高寒草甸草原[31]研究結(jié)果一致。隨著氣溫的升高, 泥炭濕地生態(tài)系統(tǒng)NEE值降低, 可能由于氣溫的不斷升高, 導(dǎo)致光合作用和呼吸作用的效率同時(shí)提高, 但呼吸作用的效率提速要高于呼吸作用, 使得NEE減少, 泥炭濕地生態(tài)系統(tǒng)的固碳作用不斷增強(qiáng)[42]。Ta、Ts、PPT和SWC都對(duì)Re有顯著影響。由于土壤溫度的增加, 促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)速率和土壤微生物活性, 使得生態(tài)系統(tǒng)總呼吸不斷增多。降水可以通過(guò)影響土壤中生物活動(dòng)和根系生長(zhǎng)所需要的水量、土壤含水量以及土壤溫度來(lái)影響土壤呼吸, 降水的發(fā)生使得土壤含水量的增加, 從而增加植物根系呼吸和增強(qiáng)土壤微生物的活性, 導(dǎo)致土壤呼吸釋放的碳通量也會(huì)迅速升高[34]。GPP主要受Ta、Ts和PPT的影響, 表明在溫度是主要驅(qū)動(dòng)因素的生態(tài)系統(tǒng)中, 降水的季節(jié)分配對(duì)GPP的影響也較為明顯。

圖11 2017年瓦顏山泥炭濕地月平均降水量(PPT)對(duì)NEE、Re、GPP的影響

Figure 11 Effect of monthly average precipitation (PPT) on NEE, Re, GPP in Wayanshan peat wetland in 2017

圖12 2017年瓦顏山泥炭濕地5cm深處土壤含水量(SWC)對(duì)NEE、Re、GPP的影響

Figure 12 Effect of soil water content (SWC) on NEE, Re, GPP in Wayanshan peat wetland in 2017

5 結(jié)論

(1)青海湖流域泥炭濕地地氣系統(tǒng)在2017年表現(xiàn)為“碳源”, 全年合計(jì)排放209.312 gC·m–2, 其碳通量各組分在不同時(shí)間尺度上具有明顯的日變化和年變化特征。GPP年變化呈倒V型, Re年變化總趨勢(shì)為倒V型, 而日NEE年內(nèi)變化則呈雙峰型。生態(tài)系統(tǒng)碳通量在生長(zhǎng)季都處于交換活躍時(shí)段, 在非生長(zhǎng)季處于平穩(wěn)狀態(tài)。

(2)對(duì)泥炭濕地生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境控制因子進(jìn)行相關(guān)分析, NEE和GPP與各水熱因子(氣溫、土壤溫度、月平均降水量、土壤含水量)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中, NEE受溫度因子影響較大, 主要受控于氣溫; GPP與各水熱因子都有較大的相關(guān)性, 溫度因子影響較顯著。Re則與各水熱因子呈顯著的正相關(guān), 水、熱季節(jié)變化及其協(xié)調(diào)程度對(duì)Re有更大的影響。因此, 應(yīng)該進(jìn)一步探究水熱因子對(duì)的各自貢獻(xiàn)多少？以及研究水熱協(xié)調(diào)度對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)碳通量有何種的影響機(jī)制。

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Characteristics of CO2exchange on different time scales of peat wetland land-atmosphere system in Qinghai Lake basin

ZUO Dizhao1,2,3, CHEN Kelong2,3,*, LI Yingnian4, ZHANG Fawei4

1. College of Geographical Sciences, Qinghai Normal University, Xining 810008, China 2. MOE Key Laboratory of Tibet Plateau Land Surface Process and Ecological Conservation, Xining 810008, China 3. Qinghai Province Key Laboratory of Physical Geography and Environmental Process, Xining 810008, China 4. Northwest Institute of Plateau Biology, Chinese Academy of Sciences, Xining 810008, China

In order to quantitatively analyze the carbon exchange change characteristics and impact mechanism of the land-atmosphere system of peat wetland on the Qinghai Lake basin at different time scales in 2017, this paper used eddy covariance technique to measure its carbon flux on different time scales. The results showed that: 1) The land-atmosphere system of peat wetland in Qinghai Lake Basin behaved as a "carbon source" in 2017, with a total annual emission of 209.312 gC·m-2.2) The annual variation of gross primary productivity (GPP) and ecosystem respiration (Re)of the system were both inverted V type, while the annual variation of net ecosystem exchange(NEE) was bimodal pattern. 3) NEE and GPP had a negative correlation with various environmental factors (air temperature, soil temperature, monthly average precipitation, and soil water content), but Re had a significant positive correlation with them (<0.01). 4) NEE was greatly affected by temperature factors and was mainly controlled by air temperature. 5) Both GPP and Re had greater correlations with various hydrothermal factors, but GPP was significantly affected by temperature factors, while the seasonal changes in water and heat and their coordination degree had a greater impact on Re.

peat wetland;eddy covariance;CO2fluxes;Qinghai-Tibetan Plateau

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.02.021

S157.2

A

1008-8873(2022)02-174-10

2020-03-14;

2020-04-22

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC0403601); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41661023); 青海省科技廳項(xiàng)目(2017-ZJ-782; 2018-ZJ-T09)

左弟召(1996—), 男, 四川資陽(yáng)人, 碩士研究生, 從事生物地理與自然保護(hù)研究, E-mail: 17808324634@163.com

通信作者:陳克龍(1965—),男, 安徽蕪湖人, 教授, 博士生導(dǎo)師, 主要從事生物地理與濕地生態(tài)研究, E-mail: ckl7813@163.com

左弟召, 陳克龍, 李英年, 等. 青海湖流域泥炭濕地地氣系統(tǒng)不同時(shí)間尺度上CO2交換特征[J]. 生態(tài)科學(xué), 2022, 41(2): 174–183.

ZUO Dizhao, CHEN Kelong, LI Yingnian, et al. Characteristics of CO2exchange on different time scales of peat wetland land- atmosphere system in Qinghai Lake basin[J]. Ecological Science, 2022, 41(2): 174–183.