譚鳳鳳,羅 敏,張昌威,陳 欣,黃佳芳,

植物調(diào)節(jié)濕地CO2和CH4排放對淹水增強的響應(yīng)

譚鳳鳳1,羅 敏2*,張昌威2,陳 欣2,黃佳芳1,3

(1.福建師范大學地理科學學院,濕潤亞熱帶生態(tài)地理過程教育部重點實驗室,福建 福州 350007；2.福州大學環(huán)境與安全工程學院,福建 福州 350116；3.福建閩江河口濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站(國家林業(yè)和草原局),福建 福州 350215)

在閩江河口鱔魚灘潮汐沼澤濕地設(shè)置有植物與無植物2種中宇宙,每種中宇宙設(shè)置對照(CK)、CK?20cm、CK?40cm 3種高程處理,以此模擬研究淹水增強對有無植物2 種中宇宙的CO2和CH4排放通量的影響.結(jié)果表明,淹水增強未顯著改變植物的總生物量和植物株高,但增加植物地下生物量,減少植物地上生物量.在有植物中宇宙中,土壤氧化還原電位(ORP)和溶解性有機碳(DOC)濃度隨著淹水增強而增加.在無植物中宇宙中,DOC濃度也隨著淹水增強而增加,但土壤ORP隨淹水增強變化不顯著.與CK相比,在CK?20cm和CK?40cm 2種高程處理中,有植物中宇宙中CO2排放通量分別增加43%和61%,而CH4排放通量則分別增加66%和84%.在無植物中宇宙中,CO2和CH4的排放通量隨著淹水增強無顯著變化.未來海平面上升50～100a內(nèi),有植被的潮汐沼澤濕地綜合增溫潛勢會增加,土壤有機碳儲量會顯著下降;無植被的潮汐沼澤濕地綜合增溫潛勢將下降,土壤有機碳儲量不會顯著改變.

淹水增強；CO2和CH4排放通量；海平面上升；氧化還原電位；潮汐沼澤濕地；閩江河口

海平面上升已成為21世紀人類社會關(guān)注的重大生態(tài)議題[1].位于海陸過渡帶的濱海潮汐沼澤濕地僅占全球濕地面積的0.3%～5.0%,但其碳累積速率達到166～180g C/(m2·a)[2-6].濱海潮汐濕地高速的碳累積速率是高植物生產(chǎn)力和低有機碳厭氧礦化共同作用的結(jié)果[7].隨著海平面持續(xù)高速上升,濱海潮汐濕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能將進一步退化,影響濱海潮汐濕地的固碳能力[8].目前,有大量研究聚焦海平面上升帶來的淹水增強對濱海潮汐沼澤濕地固碳潛力的影響[9-15],但淹水增強對濱海潮汐沼澤濕地CO2和CH4排放帶來的影響的關(guān)注度較低.

淹水增強對濱海潮汐濕地土壤有機碳分解有重要影響.淹水增強產(chǎn)生的厭氧環(huán)境抑制有氧呼吸和土壤氧化酶的活性,從而減緩有機質(zhì)的礦化速率[4-5,14].但野外調(diào)研結(jié)果卻反映出濱海潮汐沼澤濕地土壤含碳溫室氣體排放對淹水增強響應(yīng)的不一致.例如,一項黑海欖雌和燈芯草土壤的室內(nèi)培養(yǎng)實驗表明,與每天淹水4h相比,每天淹水20h使得CO2產(chǎn)生速率下降18%[16].另一項在美國Everglades紅樹林的室外實驗的研究結(jié)果也表明,當淹水水位增加8cm,CO2排放通量下降90%[17].與上述研究結(jié)果相反,在美國馬里蘭州的實驗表明當淹水增加15～30cm,CO2排放通量增加125%～267%[18].這些不一致的研究結(jié)果表明,目前尚未厘清淹水增強對濱海潮汐沼澤濕地含碳溫室氣體排放的影響機制.

植物的存在可以調(diào)節(jié)濕地CO2和CH4的排放通量[9,11].首先,植物的地上或地下生物量發(fā)生變化,將進一步改變有機碳底物輸入,影響CO2和CH4的排放通量[19-20].其次,維管束植物可以通過根系泌氧改變深層濕地土壤氧氣的供給[21].一方面,根系泌氧加速氧化濕地土壤中生成的CH4[18];另一方面,根系泌氧可以支持深層土壤中的Fe(II)轉(zhuǎn)化為Fe(III),從而為有機碳厭氧礦化提供電子受體[22-23].因此,要綜合評估海平面上升對濱海潮汐沼澤濕地碳排放的影響,需要將土壤–植物作為一個整體,充分考慮植物在調(diào)節(jié)濱海潮汐沼澤濕地碳排放對淹水增強的響應(yīng)中發(fā)揮的作用.

閩江河口是我國亞熱帶地區(qū)極具代表性的開放性河口.閩江河口區(qū)下游遍布有植物的沼澤濕地和無植物的光灘.在過去的野外調(diào)查過程中,發(fā)現(xiàn)沼澤濕地和光灘濕地的CO2和CH4排放通量差異顯著[24],且在沼澤濕地的潮灘剖面上,CO2和CH4排放通量隨著淹水的增強而增加[21],而在光灘濕地CO2和CH4排放通量隨著淹水增強差異不顯著[25].因此,沼澤植物有可能調(diào)節(jié)CO2和CH4排放通量對淹水增強的響應(yīng).但上述實驗的結(jié)果分別來自兩個不同的生境,土壤異質(zhì)性和不同的水文環(huán)境會影響結(jié)果的準確性.鑒于此,本文于2017年3月～2018年2月在中國東南沿海閩江河口潮汐沼澤濕地建立了中宇宙實驗[26],選取閩江河口鱔魚灘潮汐沼澤濕地土壤作為供試土壤,將中宇宙的高程相對于對照分別降低20cm和40cm,來模擬CO2和CH4排放通量對淹水增強的響應(yīng).以期厘清植物在調(diào)節(jié)濕地碳排放對淹水增強的響應(yīng)中扮演的角色,同時明晰未來海平面上升情境下,閩江河口潮汐沼澤濕地CO2和CH4排放通量的變化趨勢.

1 材料與方法

1.1 實驗區(qū)概況

研究樣地位于中國福建省東南沿海閩江河口段下游的鱔魚灘潮灘濕地(26°10′7″N,119°37′9″E) (圖1(a)和(b)).濕地潮汐類型為典型半日潮,潮灘每日有26%～31%的時間處于浸沒狀態(tài)[24].供試土壤采自鱔魚灘濕地表層0～10cm土壤.土壤鹽度為4‰～ 6‰[24],土壤有機碳含量為(10.4±3.0)mg/g,土壤類型為粉砂質(zhì)壤土(粘粒10.3%～13.4%,粉粒54.3%～ 58.7%,砂粒28.4%～35.2%)[27].

1.2 實驗設(shè)計

本試驗裝置參考Morris[28]設(shè)計的“沼澤管” (Marsh organ),由高度相同的圓柱形聚氯乙烯管(內(nèi)徑=15cm;高度=50cm)組成的中宇宙(圖1(c)),在潮汐沼澤濕地的潮溝中不同的高程設(shè)置“沼澤管”,因3個不同高程的“沼澤管”其淹水最大高度和淹水時間有差異,從而實現(xiàn)研究淹水增強對潮汐沼澤濕地生物地球化學循環(huán)的影響的目的[29-30].本實驗將中宇宙實驗設(shè)置為以下3種高程:CK(對照), CK?20cm (頂部高程比對照低20cm),CK?40cm (頂部高程比對照低40cm).其中CK處理聚氯乙烯管的頂端是參照實驗所在鱔魚灘潮灘的平均高程而設(shè)置(圖1(c)).CK?20cm和CK?40cm處理聚氯乙烯管的頂端高程則比CK處理低20cm和40cm.參照全球平均海平面上升速率3.7～4.2mm/a[1],未來50和100a全球平均海平面上升的高度約為18～21cm和37～42cm,故本實驗設(shè)計高程比CK處理低20和40cm的2個處理,即模擬未來50和100a全球平均海平面上升可能對閩江河口潮汐沼澤濕地帶來的影響.為了降低土壤的異質(zhì)性,本文將鱔魚灘所采集的土壤,剔除石塊和植物根系,充分混勻后裝入聚氯乙烯管.有植物組種植本地土著種短葉茳芏()幼苗,種植時保證幼苗的長度、根莖粗細相近.種植密度參考天然短葉茳芏的密度(～160株/m2).

圖1 研究區(qū)位置圖和中宇宙實驗示意

圖(a)為閩江河口位;圖(b)為閩江河口鱔魚灘沼澤濕地研究區(qū)位置;圖(c)為中宇宙實驗示意

1.3 樣品采集、處理與測定

2017年3月～2018年2月每月測定土壤氧化還原電位(ORP)和溶解性有機碳(DOC).土壤ORP利用南京傳滴儀器設(shè)備有限公司FJA-6型氧化還原電位去極化法全自動測定儀測定(精度:± 0.1mV).ORP自動測定儀以Ag/AgCl為參比電極,將與儀器連接后的ORP復(fù)合電極傳感器小心地插入各中宇宙實驗0～10cm深度的土壤,讀數(shù)穩(wěn)定后記錄,并將ORP讀數(shù)校正為標準氧化還原電位[31].DOC的采集利用探針型Rhizon土壤溶液采樣器采集[32],DOC濃度使用日本島津TOC-VCPH總有機碳分析儀測定(檢測限為2μmol/L).

植物和土壤樣品于2018年6月開始采集(實驗結(jié)束后),土壤采集深度為0～10cm,選擇此深度是因為該深度的土壤受到潮汐浸沒的影響最強[33].植物采集后,將植物的地下部分裝入孔徑為1mm的尼龍網(wǎng)中洗凈.地上部分直接用水洗凈,放入烘箱105℃殺青0.5h,在65℃下烘干稱重并計算生物量.土壤pH值采用美國Spectrum Technologies 公司pH400便攜式pH計測定,精度為0.1.土壤活性Fe(II)通過濃度為0.5mol/L的HCl浸提,土壤活性總Fe采用0.5mol/L的HCl與10mg/L的羥胺混合液提取[34-35].土壤活性Fe(III)的含量為活性總Fe和Fe(II)之差.Fe(III):Fe(II)為土壤活性Fe(III)與活性Fe(II)含量的比值.各種Fe的含量均利用日本島津UV-2450紫外可見分光光度計測定.土壤有機碳(SOC)和總氮(TN)含量采用德國Elementar公司Elementer Vario MAX碳氮元素分析儀測定.土壤SOC測定前,土壤樣品用10%稀HCl清洗以清除無機碳.土壤C:N比為土壤SOC含量與TN含量的比值.孔隙水SO42–和Cl–濃度使用美國Dionex公司 ICS-2100離子色譜儀測定(檢測限分別為4和2μmol/L).

1.4 氣體樣本的采集與測定

2017年3月～2018年2月每月采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定CO2和CH4排放通量.靜態(tài)箱由亞克力管制作,管的內(nèi)、外徑(內(nèi)徑15cm,外徑16cm)均與種植植物的中宇宙圓柱形聚氯乙烯管一致,高度為120cm.溫室氣體采集時,使用PVC管箍將中宇宙(下部圓管)與亞克力管靜態(tài)箱(上部靜態(tài)箱)進行密封連接,管箍內(nèi)徑16cm,與上部靜態(tài)箱及下部圓管的外徑尺寸一致,同時在連接處涂上一圈凡士林以保證氣密性.亞克力管距離底端60cm處設(shè)置1個金屬采氣嘴(內(nèi)部設(shè)置有橡膠墊圈),采集氣體樣品.亞克力管頂部設(shè)置有通風蓋.頂箱上安裝小風扇,以保證箱內(nèi)氣體混合均勻,側(cè)壁安裝溫度計用于靜態(tài)箱內(nèi)溫度測量.采樣時,先將亞克力管和聚氯乙烯管連接密閉,蓋上頂部通風蓋,同時在亞克力管的外部罩上遮光布.利用帶有三通閥的注射器在采氣嘴采樣.采樣時間為0、15、30和45min,并將采樣氣體打入鋁箔氣袋.氣體樣品通過日本島津GC-2010氣相色譜儀測定.CO2和CH4排放通量計算公式[36]:

式中:為CO2或CH4排放通量,CO2為mmol/(m2·h), CH4為μmol/(m2·h);表示標準狀態(tài)氣體摩爾體積, 22.4L/mol; d/d是靜態(tài)箱內(nèi)CO2或CH4濃度隨時間變化率,CO2為μL/(L·h),CH4為nL/(L·h);為靜態(tài)箱內(nèi)溫度,℃;為靜態(tài)箱內(nèi)氣體部分高度,m;靜態(tài)箱內(nèi)CO2或CH4含量變化率由不同時間段采集的4個氣體樣品CO2或CH4含量與時間進行線性回歸分析得到,計算得到的通量數(shù)據(jù)只有當2> 0.90時才視為有效數(shù)據(jù)[37].

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)先通過正態(tài)分布檢驗,對于不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進行l(wèi)og轉(zhuǎn)置.利用單因素重復(fù)測量方差分別測定有植物組和無植物組,高程處理對中宇宙CO2和CH4排放通量、土壤ORP和DOC濃度的影響.不同高程處理間有無顯著性差異利用事后檢驗分析.利用回歸分析檢驗CO2和CH4排放通量及土壤ORP和DOC濃度的關(guān)系.數(shù)據(jù)分析顯著性水平為=0.05.所有數(shù)據(jù)均以平均值±標準差的形式表示.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同高程處理對植物生物量和植物株高的影響

中宇宙內(nèi)植物地上生物量由(3.4±0.7)kg/m2變化至(5.0±0.5)kg/m2,而地下生物量由(3.3±0.5)kg/m2變化至(5.3±0.6)kg/m2(圖2(a)).不同高程處理對總生物量無顯著影響(>0.05),但隨著高程的降低,地上生物量逐漸減少(<0.05);而地下生物量呈現(xiàn)逐漸增加(<0.01).植物的株高由(71.2±12.9)cm變化至(83.1±14.4)cm(圖2(b)).隨著高程的降低,株高沒有顯著的變化(>0.05).

圖2 閩江河口潮汐沼澤濕地3種高程處理下中宇宙植物生物量和植物株高

不同字母表示三種高程處理下植物生物量和植物株高有顯著差異

2.2 不同高程處理對土壤理化性質(zhì)的影響

有植物組的土壤pH值由(6.7±0.2)變化至(6.8±0.3),無植物組的土壤pH值由(6.3±0.2)變化至(6.8±0.1)(圖3(a)),有植物組和無植物組的中宇宙土壤pH值無顯著差別(>0.05),不同高程處理對有植物組和無植物組的土壤pH值無顯著影響(>0.05).有植物組的土壤Fe(III):Fe(II)比值由(0.28±0.04)變化至(0.42±0.09),無植物組的土壤Fe(III):Fe(II)比值由(0.10±0.05)變化至(0.11±0.03)(圖3(b)).有植物組的土壤Fe(III):Fe(II)比值顯著高于無植物組(<0.05).淹水增強顯著促進有植物組的土壤Fe(III):Fe(II)比值增加(<0.05),淹水增強對無植物組的土壤Fe(III):Fe(II)比值無影響(>0.05).有植物組的土壤SOC的含量由(9.4±1.2)mg/g變化至(13.7±1.3)mg/g,無植物組的土壤SOC的含量由(9.2±1.2)mg/g變化至(9.6±2.0)mg/g(圖3(c)),有植物組的土壤C:N比值由(11.5±0.5)變化至(14.9±0.7),無植物組的土壤C:N比值由(8.7±1.7)變化至(9.2±1.2)(圖3(d)).不同高程處理對有植物組的SOC含量和C:N比值影響顯著(<0.05),隨著高程的降低,有植物組的土壤SOC含量逐漸降低(圖3(c)),土壤C:N比值逐漸增加(圖3(d)).對無植物組的SOC含量和C:N比值無顯著影響(>0.05).有植物組的孔隙水Cl–濃度由(82.5±25.5)mmol/L變化至(85.5±6.5)mmol/L,無植物組的孔隙水Cl–濃度由(83.6± 24.1)mmol/L變化至(89.6± 14.9)mmol/L(圖3(e)),有植物組的孔隙水SO42–濃度由(4.5±0.9)mmol/L變化至(5.2±0.6)mmol/L,無植物組的孔隙水SO42–濃度由(3.5±1.6)mmol/L變化至(4.7±1.0)mmol/L(圖3(f)).高程處理對有植物組和無植物組的孔隙水Cl–和SO42–濃度無顯著影響(>0.05).

圖3 閩江河口潮汐沼澤濕地3種高程處理下有植物組和無植物組中宇宙土壤理化性質(zhì)

不同大寫字母表示不同高程處理下差異顯著;不同小寫字母表示有無植物組差異顯著

有植物組的土壤ORP由(–292.2±12.0)mV變化至(91.5±3.1)mV(圖4(a)),無植物組的土壤ORP變化范圍為(–235.3±13.1)mV至(–29.2±37.3)mV(圖4(b)).高程降低對植物組的土壤ORP具有顯著影響(< 0.001),有植物組土壤ORP隨著高程降低而增加(圖4(a)和表1).高程降低對無植物組的土壤ORP無顯著影響(>0.05)(圖4(b)和表1).

有植物組DOC濃度由(1.5±0.5)mg/L 變化至(51.2±3.5)mg/L(圖4(c)),無植物組DOC濃度由(0.6±0.0)mg/L變化至(10.2±2.3)mg/L(圖4(d)).相對于對照處理,高程降低處理顯著增加植物組和無植物組的DOC濃度(<0.01;圖4(c)和4(d)).與對照相比,高程降低20cm和40cm,有植物組的DOC的濃度分別增加32%和81%(表1),無植物組DOC的濃度分別增加為11%和45% (表1).

月份 月份

Fig. 4 Dynamics of soil ORP and DOC concentrations in the tidal wetlands of the Minjiang Estuary under three elevation treatments between planted and unplanted mesocosms

表1 三種高程處理下閩江河口潮汐沼澤濕地有植物組和無植物組土壤ORP和DOC濃度變化

注:不同大寫字母表示不同高程處理下差異顯著;不同小寫字母表示有無植物處理下差異顯著.

2.3 高程處理對CO2和CH4排放通量的影響

有植物組和無植物組中宇宙的CO2排放通量有顯著差別(圖5(a)和5(b)).有植物組CO2排放通量由(23.0±6.6)mmol/(m2·h)增加至(415.6±27.8)mmol/ (m2·h)(圖5(a)),無植物組CO2排放通量由(9.7± 5.2)mmol/(m2·h)增加至(158.8±30.5)mmol/(m2·h) (圖5(b)).高程處理對有植物組的排放通量具有顯著影響(圖5(a);<0.001),與對照相比,高程降低20cm和40cm,有植物組的CO2平均排放通量分別增加43%和61%(表2).無植物組CO2的排放通量對高程處理的響應(yīng)不顯著(圖5(b);>0.05).

有植物組和無植物組的CH4排放通量有顯著差別(圖5(c)和5(d)).有植物組CH4排放通量由(11.8± 1.3)μmol/(m2·h)變化至(1721.6±105.7)μmol/(m2·h) (圖5(c)),無植物組CH4排放通量由(1.1±0.4) μmol/(m2·h)變化至(281.9±26.0)μmol/(m2·h)(圖5(d)).高程處理對植物組CH4的排放通量影響顯著(< 0.001;圖5(c)),與對照相比,高程下降20cm和40cm,有植物組CH4排放通量增加66%和84%(表2).無植物組的CH4排放通量對高程處理的響應(yīng)不顯著(> 0.05;圖5(d)).

圖5 閩江河口潮汐沼澤濕地3種高程處理下有植物組和無植物組中宇宙CO2和CH4排放通量變化

表2 三種高程處理下閩江河口潮汐沼澤濕地有植物組和無植物組中宇宙CO2和CH4排放通量的變化

注:不同大寫字母表示不同高程處理下差異顯著;不同小寫字母表示有無植物處理下差異顯著.

2.4 CO2和CH4排放通量和土壤ORP和DOC濃度相關(guān)性分析

在有植物組中宇宙中,CO2的排放通量與土壤ORP和DOC濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖6(a)和6(b)),CH4的排放通量與土壤ORP無顯著相關(guān)關(guān)系(>0.05),和DOC濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖6(c)).無植物組中宇宙的CO2和CH4排放通量與土壤ORP和DOC濃度無顯著相關(guān)關(guān)系(>0.05).

圖6 閩江河口潮汐沼澤濕地有植物組中宇宙CO2和CH4的排放通量與土壤理化特征的相關(guān)性

3 討論

3.1 淹水增強對沼澤植物生物量和株高的影響

經(jīng)過1a的實驗,供試植物短葉茳芏在中宇宙中長勢良好.淹水增強對短葉茳芏的總生物量不存在顯著影響(圖2).過去的研究也報道過淹水增強對植物生物量的影響,但多數(shù)研究結(jié)果表明沼澤植物生物量隨著淹水增強而下降.例如,Kirwan等[38]在4a的中宇宙實驗發(fā)現(xiàn)淹水增強25cm,使得互花米草的生物量下降44%.Adam等[39]和Lan等[40]發(fā)現(xiàn)淹水增加30cm時,互花米草的生物量急劇下降.與這些研究不同,本研究所選的供試植物短葉茳芏對水淹脅迫的耐受限較大,可適應(yīng)日浸沒時長達12h的淹水環(huán)境[22],因此,可以較好地適應(yīng)本文設(shè)計的2種高程處理(CK?20cm和CK?40cm)對植物生長帶來的水淹脅迫.雖然淹水增強未顯著地影響短葉茳芏植物的總生物量,但是淹水增強降低地上生物量,同時增加地下生物量(圖2),該結(jié)果表明淹水增強使得植物將光合作用固定的碳由地上部分轉(zhuǎn)移至地下部分.這可以視作是沼澤植物面對水淹脅迫的一種適應(yīng)機制[41-42].這種機制在Mueller等[18]的文章中也有報道,即淹水增強顯著增加了沼澤植物的根冠比.這主要是由于地下生物量增加,尤其是根系中的木質(zhì)素和纖維素含量增加,可以使得潮汐沼澤植物的根系更好地抵抗靜水壓力[7].此外,發(fā)達的根系可以使得沼澤植物在淹水狀態(tài)下吸收更多的營養(yǎng)鹽,更好地適應(yīng)水淹脅迫[43].綜上,本研究發(fā)現(xiàn),對于耐水性較好的沼澤植物短葉茳芏,淹水增強不會改變其總生物量和株高,但會促進地下生物量增加,而減少地上生物量.

3.2 沼澤植物調(diào)節(jié)土壤ORP和DOC濃度對淹水增強的響應(yīng)

沼澤植物調(diào)節(jié)土壤ORP對淹水增強的響應(yīng).有植物組土壤ORP隨著淹水增強而顯著提高(圖4(a)).有植物組土壤ORP的變化可能與植物的根系泌氧有關(guān).根系泌氧是沼澤維管束植物為了適應(yīng)水淹脅迫,將光合作用釋放的一部分氧(O2)傳輸?shù)礁?以保證根部正常呼吸的一種生理現(xiàn)象[19,44-45].通常,根系泌氧的強度與地下生物量保持良好的正相關(guān)關(guān)系[18].因此,有植物處理下,由于地下生物量隨著淹水增強而增加,使得植物的根系泌氧能力也隨之增強,土壤ORP也隨著淹水增強而提高.此外,植物根系泌氧可以將土壤中的Fe(II)快速氧化成Fe(III),在濕地土壤的根際附件形成棕紅色的“鐵膜”[21].因此,土壤的Fe(III):Fe(II)比值也可表征沼澤植物根系泌氧的強度.研究結(jié)果表明,有植物組的土壤Fe(III):Fe(II)隨淹水增強而增加(圖3(b)),暗示著淹水促進了濱海濕地沼澤植物根系泌氧能力.在無植物處理下,土壤的Fe(III):Fe(II)比值以及土壤ORP均未隨著淹水增強而發(fā)生改變(圖3(b)和4(a)).這可能是由于位于潮間帶的濱海潮汐沼澤濕地土壤一直處于飽水狀態(tài),使得土壤表層幾mm之下,就處于完全厭氧的狀態(tài)[46-48].由于沒有作為“導(dǎo)管”的沼澤植物,空氣中的氧氣很難滲透至深層土壤中[47].因此,即使淹水進一步增強,土壤中的氧化還原環(huán)境并未發(fā)生顯著的改變,因此,在無植物處理組土壤ORP以及Fe(III):Fe(II)的比值未發(fā)生顯著改變.

沼澤植物調(diào)節(jié)土壤DOC濃度對淹水增強的響應(yīng).有植物組和無植物組土壤中的DOC含量隨著淹水的增強而增加(圖4(c)和4(d)).這與美國佛羅里達州大沼澤的研究結(jié)果一致,該研究發(fā)現(xiàn)當淹水增加8cm時,土壤DOC濃度增加4.3mg/L.這是由于淹水增強可促進土壤有機質(zhì)的淋溶和水解等過程,從而促使土壤DOC的濃度增加[49].此外,在有植物組,由于地下生物量增加,根系分泌物增加也會促進土壤中DOC的累積[41].因此,在相同的淹水增強條件下,有植物組DOC增幅超過無植物組DOC的增幅.

3.3 沼澤植物調(diào)節(jié)CO2和CH4排放通量對淹水增強的響應(yīng)

本研究中有植物組淹水增強顯著促進中宇宙CO2排放通量,無植物組淹水增強對中宇宙CO2排放通量影響不顯著(表2).結(jié)果發(fā)現(xiàn)有植物組,中宇宙CO2排放通量與土壤ORP和DOC濃度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖6(a)和6(b)).說明沼澤植物通過調(diào)節(jié)土壤ORP和DOC濃度,來調(diào)節(jié)中宇宙CO2和CH4排放通量對淹水增強的響應(yīng).

在有植物組,淹水增強過程中,土壤中ORP增加,意味著土壤中更多的Fe(II)被氧化成Fe(III).Fe(III)介導(dǎo)的鐵異化還原是一種高效的厭氧有機質(zhì)呼吸途徑[48,50].故由于植物的存在,電子受體的含量隨著淹水的增強而增加.此外,在有植物組,土壤DOC濃度也隨著淹水增強而增加.DOC是土壤有機質(zhì)的活性組分,可為土壤中的厭氧呼吸微生物提供有機質(zhì)底物[51-53].因此,沼澤植物的存在, 使得土壤有機質(zhì)底物隨著淹水的增強而增多.由于電子受體和有機質(zhì)底物同時隨著淹水增加而增加,故有植物組的中宇宙CO2的產(chǎn)生和排放也因此增加.在無植物處理組,由于缺乏植物根系的作用,土壤ORP并沒有隨著淹水的增強而改變,且土壤DOC濃度增加幅度不如有植物組顯著,因此,無植物處理下,中宇宙CO2排放通量對淹水的增強變化不顯著.

有植物組CH4排放通量隨著淹水增強而顯著增加. CH4的排放量受到CH4產(chǎn)生、氧化以及植物傳輸?shù)挠绊慬54-60].在有植物組,一方面,隨著淹水的增加,短葉茳芏枯落物加速腐爛和分解促進DOC的累積[61],而DOC的累積可為土壤中的產(chǎn)甲烷菌帶來豐富底物,促進了CH4產(chǎn)生[12,22].雖然有植物組土壤ORP隨著淹水增強而增加,暗示著有植物組,土壤的甲烷氧化能力也隨著淹水的增加而逐漸增強[6,62-63].但研究結(jié)果表明中宇宙CH4排放通量隨著淹水增強而增加,說明在有植物組,甲烷產(chǎn)生潛力有可能超過CH4的氧化潛力.無植物處理組,由于土壤ORP并未隨著淹水增強發(fā)生改變,且DOC濃度增幅有限,使得中宇宙CH4排放通量對淹水增強不敏感.

此外,淹水還可能通過影響植物傳輸影響CO2和CH4排放通量.在對蘆葦、水稻等物種的水位調(diào)控及密閉箱收集試驗中發(fā)現(xiàn),較高的水位抑制CH4的傳輸排放[64-65].這通常被認為是較高的水位淹沒了莖基部的微孔(即CH4排放關(guān)鍵區(qū)域)[66].但即使淹水增加抑制植物傳輸,較高的CO2和CH4產(chǎn)生潛力使得淹水增加后,CO2和CH4排放通量增加.

3.4 沼澤植物調(diào)節(jié)含碳溫室氣體綜合增溫潛勢對淹水增強的響應(yīng)

本文計算了有植物組和無植物組CO2和CH4的綜合增溫潛勢在3種高程處理下的變化規(guī)律.在百年尺度上,CH4的全球增溫潛勢(SGWP)為CO2的45倍[67].研究結(jié)果表明,有植物組的增溫潛勢要高于無植物組.在有植物組,隨著中宇宙頂端高程下降20和40cm,綜合增溫潛勢相對于對照分別增加44%和62%(表3).而在無植物組,隨著中宇宙頂端高程下降20和40cm,綜合增溫潛勢相對于對照分別下降16%和17%(表3).無論有無植物,綜合增溫潛勢均以CO2的貢獻為主,有植物組CH4對增溫潛勢的貢獻略高于無植物組(表3).

表3 3種高程處理下閩江河口潮汐沼澤濕地有植物組和無植物組中宇宙CO2和CH4排放的綜合增溫潛勢

注:括號中的數(shù)字代表CO2或CH4對綜合增溫潛勢的貢獻率,%.

根據(jù)本文研究結(jié)果,濱海潮汐沼澤濕地在未來50～100a至百年尺度內(nèi)海平面上升后,淹水增強可能帶來的碳循環(huán)變化規(guī)律如圖7所示.在無植物的光灘,土壤ORP不會發(fā)生顯著變化,DOC濃度變化有限,使得CO2和CH4的排放通量增加并不會發(fā)生顯著變化,因此,土壤SOC含量變化并不顯著.在有植物的沼澤濕地,海平面上升后,地上生物量將顯著減少,地下生物量增加,從而使得土壤ORP和DOC濃度增加,使得CO2和CH4的排放通量增加,土壤SOC含量顯著下降.同時,海平面上升的同時,含碳溫室氣體綜合增溫潛勢進一步加強,也會反過來促進海平面上升.因此,有植物的沼澤濕地沉積速率有可能將趕不上海平面上升的速率,導(dǎo)致大面積的沼澤濕地被浸沒.在本文選擇了對淹水變化耐受性較好的植物短葉茳芏,因此,淹水只改變了短葉茳芏的地上和地下生物量,并沒有影響植物的分布格局.但對于對淹水耐受性不好的濕地植物,淹水增加可能會加速這些沼澤植物的死亡,從而使得這些沼澤濕地演替為光灘濕地,從而影響濱海濕地土壤碳循環(huán).

圖7 植物調(diào)節(jié)CO2和CH4排放通量和土壤理化性質(zhì)對不同高程處理的響應(yīng)

4 結(jié)論

4.1 淹水增強未顯著改變沼澤植物的總生物量和株高,但增加地下生物量,減少地上生物量.

4.2 沼澤植物調(diào)節(jié)土壤理化指標對淹水增強的響應(yīng).在有植物組,土壤ORP和DOC濃度隨著淹水增強而增加.在無植物組,土壤ORP不變,DOC濃度隨著淹水增強而增加,但其增長幅度不如有植物組.

4.3 沼澤植物調(diào)節(jié)CO2和CH4排放通量對淹水增強的響應(yīng).在有植物組,中宇宙CO2和CH4的排放通量隨著淹水的增強而增加,而在無植物組,中宇宙CO2和CH4的排放通量隨著淹水的增強無顯著變化.

4.4 有植物組的增溫潛勢要高于無植物組的增溫潛勢.在有植物組,隨著淹水增強,綜合增溫潛勢增加,土壤有機碳儲量下降.而在無植物組,隨著淹水增強,綜合增溫潛勢下降,土壤有機碳儲量不變.

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Plants moderate the effects of emission fluxes of CO2and CH4on increased flooding in wetland soils.

TAN Feng-feng1, LUO Min2*, ZHANG Chang-wei2, CHEN Xin2, HUANG Jia-fang1,3

(1.School of Geographical Sciences, Fujian Normal University, Key Laboratory of Humid Subtropical Eco-geographical Process, Ministry of Education, Fujian Normal University, Fuzhou 350007；2.College of Environment and Safety Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China；3.Wetland Ecosystem Research Station of Minjiang Estuary, National Forestry and Grassland Administration, Fuzhou 350215, China)., 2023,43(1)：424～435

Two mesocosms, with and without plants, were established in the tidal wetlands of the Minjiang Estuary, Southeast China. Each mesocosm contained three elevation treatments: control (CK), CK-20cm, and CK-40cm. The CO2and CH4emission fluxes under each elevation treatment in the planted and unplanted mesocosms were investigated. Overall, the results showed that increased flooding did not significantly change the total biomass or stem heights of the plants, but it increased the belowground biomass and decreased the aboveground biomass. In the planted mesocosms, the soil redox potential (ORP) and dissolved organic carbon (DOC) concentration increased with increasing flooding. In the unplanted mesocosms, the DOC concentration also increased with increasing flooding, but the soil ORP did not change. In the planted mesocosms, compared to the CK treatment, CO2emission flux increased by 43% and 61%, respectively and CH4emission flux increased by 66% and 84%, respectively for the CK-20cm and CK-40cm treatments. In the unplanted mesocosms, the emission fluxes of CO2and CH4did not significantly change with increasing flooding. Within 50 to 100 years of sea level rises in the future, the sustained-flux global warming potential of vegetated tidal wetland will increase, while the soil organic carbon storage will decrease. Conversely, in unvegetated tidal wetlands, the sustained-flux global warming potential will decrease, while the storage of soil organic carbon will not change.

increased flooding；CO2and CH4eflux；sea level rise；redox potential；tidal wetland；Minjiang Estuary

X131

A

1000-6923(2023)01-0424-12

譚鳳鳳(1997-),女,湖南株洲人,福建師范大學地理科學學院碩士研究生,主要從事濕地生物地球化學循環(huán)研究.

2022-05-16

國家自然科學基金面上項目(32071598);福建省基金面上項目(2020J01503);福建省林業(yè)科技項目(2021FKJ30)

* 責任作者, 副教授, luomin@fzu.edu.cn