研究论文 正式出版 版本 3 Vol 10 (4) : 364-376 2019
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螃蟹活动对闽江河口互花米草沼泽湿地土壤温室气体排放通量的影响
Effect of crabs activities on greenhouse gases emission fluxes in Spartina alterniflora Loisel marsh from Minjiang River estuary
: 2018 - 06 - 30
: 2018 - 11 - 10
: 2018 - 11 - 18
135 2 0
摘要&关键词
摘要:于2015年1月(冬季)、4月(春季)、6月(夏季)和9月(秋季),以闽江河口互花米草沼泽湿地为研究区,采用静态箱与气相色谱结合的方法,研究螃蟹对湿地土壤CO2、CH4和N2O排放通量及综合增温潜势的影响。研究表明:温室气体排放季节变化较为显著,CO2、CH4排放通量最大值均出现在夏季,N2O排放通量最大值出现在秋季,CO2、CH4和N2O排放通量最小值均出现在春季。与无螃蟹组相比,高潮滩和中潮滩螃蟹组CO2、CH4和N2O排放通量均值都增大,其中高潮滩螃蟹组CO2、CH4和N2O排放通量依次增大了46.36%、66.67%和69.66%,中潮滩螃蟹组CO2、CH4和N2O排放通量依次增大了53.57%、142.97%、73.08%。相关性分析结果表明,土壤CO2排放通量与土壤温度显著正相关(n=96,p<0.05),CH4和N2O排放通量与土壤温度显著正相关(n=96,p<0.01);N2O排放通量与土壤pH显著正相关(n=96,p<0.01),与土壤含水量显著正相关(n=96,p<0.05)。综上所述,螃蟹活动对闽江河口互花米草沼泽湿地土壤的干扰促进了温室气体排放增加,为有效调节湿地碳、氮固持作用和湿地生态系统科学管理提供参考。
关键词:螃蟹;温室气体;互花米草湿地;闽江河口
Abstract & Keywords
Abstract: Background, aim, and scope Taken the Spartina alterniflora Loisel marsh in Minjiang River Estuary as the research area, the effects of crabs on soil CO2, CH4, N2O emission fluxes and the integrative warming were determined by the combined method of static box and gas chromatography on January (winter), April (spring), June (summer) and September (fall) of 2015. Materials and methods Based on Origin 8.0 and SPSS 20.0 software, the differences in soil temperature, pH, EC, and water content with different CO2, CH4 and N2O emission fluxes were analyzed. Correlation between emission fluxes of CO2, CH4 and N2O and environmental factors using Pearson correlation analysis. Results The research showed that seasonal change in greenhouse gas emission are more significant, and the maximum CO2 and CH4 emission fluxes appear in summer, and the maximum N2O emission flux appears in the fall, and the minimum fluxes of CO2, CH4 and N2O emissions appear in the spring. The mean values of CO2, CH4 and N2O emission fluxes in the high-tide flat and the middle-tidal flat crab groups were increased compared with the non-crab group, and the soil CO2, CH4 and N2O emission fluxes of high-tide flat crab group were increased by 46.36%, 66.67% and 69.66%, and the soil CO2, CH4 and N2O emission fluxes in the middle-tidal flat crab group were increased by 53.57%, 142.97% and 73.08%. The results of correlation analysis revealed that soil CO2 emission fluxes were significantly and positively correlated with soil temperature (n=96, p<0.05), and the CH4 and N2O emission fluxes were significantly and positively correlated with soil temperature (n=96, p<0.01). The N2O emission fluxes were significantly and positively correlated with soil pH (n=96, p<0.01), and were positive and correlation with the soil water content (n=96, p<0.05). Discussion Carb activity directly or indirectly interfered with soil properties (pH, aeration, particle composition, etc.) and had a greater impact on wetland greenhouse gas emissions. Conclusions The disturbance of crab activities on the soil of Spartina alterniflora Loisel marsh in Minjiang River estuary promoted the increase of greenhouse gas emissions; Soil temperature was the main environmental factor affecting greenhouse gas emissions from wetlands. Recommendations and perspectives Crab activity can influence the dynamic change of greenhouse gas emissions from wetlands from a new perspective, and provided reference for effectively regulating the carbon and nitrogen retention of wetlands and wetland ecosystem science management.
Keywords: crab; greenhouse gas; Spartina alterniflora Loisel marsh; Minjiang River estuary
IPCC第五次评估报告表明,1880—2012年全球平均气温升高了0.58℃(IPCC,2014)。而作为大气中3种主要的温室气体CO2、CH4和N2O,其排放浓度的增高是引起全球气候变暖的关键因素(廖松婷等,2014),控制和减少温室气体浓度持续上升是当前国内外研究的重点。湿地具有较高的初级生产力,固定和储存了大量的碳、氮,同时也是温室气体的重要源或汇,在全球气候变化中有着特殊的地位和作用(Mander and Shirmohammadi,2008)。
中国湿地分布广、类型多,近岸和河口湿地面积约为5.94×106 hm2(张晓龙等,2005)。其中,互花米草入侵湿地约占我国湿地面积的2%,是全球互花米草爆发规模最大的国家,特别是亚热带河口与滨海湿地互花米草分布面积达到了92.44%以上(Lu and Zhang,2013)。目前,对于闽江河口互花米草沼泽湿地的研究主要集中在碳氮磷养分动态、土壤微生物群落特征、土壤硫、硅形态变化特征以及碳氮矿化速率等方面(金宝石等,2017;郑洁等,2017;何涛等,2017;高会等,2017;颜燕燕和林啸,2018),并取得了一些成果。底栖动物是河口生态系统的次级生产者,也是湿地生态系统的重要组成部分(Hu et al,2016),影响着河口湿地生态系统能量流动和物质循环,特别是通过生物扰动、排泄等生理活动和“生物灌溉”,影响着湿地生物地球化学循环过程(胡知渊等,2009)。国内外对于河口底栖动物的研究主要集中在底栖动物群落分布(Lee and Kwok,2002)、环境变化对底栖动物的影响(Nobbs,2003)等方面。关于底栖动物对温室气体排放影响的研究还较少。有研究发现,泥虾(Upogebia yokoyai)洞穴处的CO2排放量高于无洞穴生境(Sasaki et al,2014);在坦桑尼亚Mtoni红树林中,螃蟹(Brachyura)洞穴内土壤-大气界面的CO2通量较高(Kristensen et al,2008);还有研究发现,底栖动物可以调节水生生态系统CH4周转量,通过CH4营养介导的微生物循环对底栖—上层食物链之间的耦合产生进一步的影响,并增加CH4的排放(Figueiredo-Barros et al,2009);在高潮滩螃蟹的活动可以通过对潮滩滩面地貌的改造、有机物排泄和沉积物再悬浮等作用,促进N2O的释放(刘杰等,2008)。由于不同的底栖动物和所处生境的差异,底栖动物对温室气体排放的影响存在差异。螃蟹是常见的底栖动物,特别是相手蟹(Sesarmidae)是河口湿地最重要的大型无脊椎动物之一(Wang and Zhang,2016)。螃蟹活动直接或间接干扰土壤性质(酸碱度、通气性、颗粒组成等)(Simioni et al,2014),但对湿地碳、氮循环影响如何,还鲜见报道。
因此,本研究以闽江河口互花米草沼泽湿地为研究区域,选择中、高潮滩生境,研究螃蟹对河口湿地土壤温室气体排放的影响,对有效调节湿地碳、氮固持作用,强化湿地在应对全球气候变化中的功能,具有重要的理论和实践价值。
1   材料与方法
1.1   研究区概况
闽江河口鳝鱼滩湿地(26°00′36″N—26°03′42″N,119°34′12″E—119°41′40″E)面积约为3120 hm2(刘剑秋等,2006)。该区气候属于亚热带海洋性季风气候,年平均气温为19.85℃,年降水量为1380 mm,降水集中在3—9月,6月和8月为两个降水高峰期(刘剑秋等,2006)。研究区土壤为盐渍化和脱盐化交替状态(刘剑秋等,2006),土壤偏酸性到中性,粒径以粉砂为主,砂砾含量较少。研究区平均径流为1450 m3/s,年径流量551×108 m3(刘剑秋等,2006)。互花米草(Spartina alterniflora Loisel)为禾本科米草属多年生草本植物(潘婷等,2015),一般在3月份发芽,10月份开始枯萎(陈广银等,2011)。其植株茎秆直立、高可达1—3 m,地下部分通常由短而细的须根和长而粗的地下茎组成,根系发达(王卿等,2006)。互花米草总生物量的变化范围是(3379.01±223.60)—(5451.60±271.01) g/m2,秋季最大(张林海等,2008)。研究区螃蟹以招潮蟹(Uca)和相手蟹(Sesarmidae)为主。采样点螃蟹洞穴的特征概况为:蟹类所筑的洞穴会因季节和位置有所不同,中、高潮滩洞穴会随着潮水改变,并且所筑洞穴的深度比其它区域浅。螃蟹洞穴的外观以平洞和有烟囱的洞穴为主(图1),洞穴特征如表1所示,平洞的个数比烟囱洞多,高潮滩的螃蟹洞直径大但数量少,中潮滩的螃蟹洞直径小但数量多。此外,调查高低潮滩螃蟹洞穴发现研究区每平方米螃蟹洞约为40个。


图1   采样点螃蟹洞特征
Fig.1 Characteristics of crab holes in the sampling site
 
表1   研究区螃蟹洞穴类型和个数
洞穴类型
Cave type
平洞
Flat hole
烟囱洞
Chimney hole
洞口直径(cm)
Hole diameter
D≥4D≥3D≥2D≥1D≥4D≥3D≥2D≥1
个数(个)
Number
105932910837
1.2   实验设计与样品采集
在鳝鱼滩互花米草沼泽湿地,分别设置高潮滩有螃蟹组(GP)、高潮滩无螃蟹组(GD)、中潮滩有螃蟹组(ZP)和中潮滩无螃蟹组(ZD)4个处理,每种处理设置3个重复,不同处理与样方随机分布。螃蟹组以螃蟹洞穴数量和洞口直径较为均一为标准进行选取设置样地;无螃蟹组选取无螃蟹洞穴为样地,同时为了避免螃蟹影响,用防锈铁丝网和PPR管进行围护,地上部分为70 cm,地下部分为30 cm,防止蟹类从地下掘穴进入,样方大小为1 m× 1m。
选择互花米草湿地中的空地为研究对象,采用静态箱法测定土壤温室气体。静态箱由顶箱和底座两部分组成,都由PVC材料制作,顶箱规格为0.2 m×0.2 m×0.4 m,上面有抽气孔,底座规格为0.2 m×0.2 m×0.1 m。为避免潮水的影响,实验在小潮日进行。分别于2015年1月(冬季)、4月(春季)、6月(夏季)和9月(秋季)选择一个小潮日进行气体采集。无螃蟹组的静态箱底座中无洞穴,有螃蟹组的静态箱底座以有1个孔径≥4 cm的螃蟹洞穴为中心轻声慢慢插入放置,尽量避免影响穴内螃蟹正常活动,每个处理设置3个重复。
在每个采样日的09︰00、12︰00和15︰00开始,在0 min、15 min和30 min抽取气样,每日测定3次,抽气时同步记录箱内温度。间隔期间把顶箱打开,静态箱顶箱盖上后,立即抽取气体,每次抽取40 mL,分别注射到50 mL的铝箔气样袋中。
螃蟹在0—10 cm深度高密度分布(高阳等,2004),因此本研究在采集气体样品的同时,采用小型土钻,在各样方采集0—10 cm深度土壤样品,对照处理选择无螃蟹洞样方内采集土样,有螃蟹组选择采集螃蟹洞穴内土壤样品。通过多点采集,混合成一个样品,装入自封袋,密封保存,带回实验室。将土壤样品过2 mm筛,去除植物残体和根系后,分成两份,一份放入4℃冰箱冷藏待用,一份自然风干,装入自封袋,保存待用。
1.3   样品测定
采用Shimadzu GC-2010型气相色谱仪(日本岛津),测定采集的CO2和CH4浓度;采用Shimadzu GC-2014型气相色谱仪,测定采集的N2O浓度。CO2的测定需经过甲烷转化炉转化后测定,检测器是FID,检测器温度为280℃,柱箱温度为45℃,载气是高纯氦气,流速为30 mL/min;CH4的检测器是FID,检测器温度为280℃,柱箱温度为80℃,载气是高纯氮气,流速是30 mL/min;N2O检测器为ECD,检测器温度为320℃,柱箱温度为60℃,载气为高纯氦气,流速为30 mL/min。测定时,用中国计量科学研究院生产的CO2、CH4和N2O标气进行标定和校准。
采用烘干法,测定土壤含水量(鲁如坤,1999);按水土比5︰1,测定土壤pH;土壤温度和电导率采用2265FS便捷式电导计测定,主要将2265FS便捷式电导计有线金属探针(约10 cm)垂直插入采样地土壤中,经数值稳定后进行记录,测定土壤深度约为5—10 cm。
1.4   数据计算与处理
温室气体排放通量按照以下公式计算:


 
式中:F为温室气体排放通量(CO2和CH4为mg·m-2·h-1,N2O为μg·m-2·h-1);M为温室气体的分子量(g);V为标准状态下气体摩尔体积(22.4 L·mol-1 );dc/dt为温室气体浓度变化率(μmol/(mol·h));T为静态箱内温度(℃);H为静态箱箱高(m)。
利用Excel 2003、Origin 8.0和SPSS 20.0软件,对测定数据进行整理。利用SPSS 20.0软件,不同采样地的CO2、CH4和N2O的排放通量差异性均采用重复测量方差分析与单因素方差分析处理;不同采样地的土壤温度、电导率(EC)、含水量和pH均采用单因素方差分析处理。采用Pearson相关分析方法,分析CO2、CH4和N2O的排放通量与环境因子的相关性。利用Origin 8.0软件作图。
2   结果与分析
2.1   互花米草沼泽湿地土壤CO2排放通量
在高潮滩中,CO2排放通量与采样时间、螃蟹以及时间和螃蟹交互作用不相关(p>0.05,表2)。但总体上高潮滩螃蟹组CO2排放通量均值高于无螃蟹组,其中各季节9︰00差异性显著(p<0.05,图2)。高潮滩螃蟹组CO2排放通量范围为23.78—229.88 mg·m-2·h-1,均值为(125.15±14.84) mg·m-2·h-1。高潮滩无螃蟹组CO2排放通量范围为24.17—181.61 mg·m-2·h-1,均值为(67.11±7.67) mg·m-2·h-1
在中潮滩中,CO2排放通量与各采样日期、螃蟹以及时间和螃蟹交互作用不相关(p>0.05,表2)。整体上中潮滩螃蟹组CO2排放通量均值高于无螃蟹组,其中在夏季各时刻差异性显著(p<0.05,图2)。中潮滩螃蟹组CO2排放通量范围为16.85—417.87 mg·m-2·h-1,均值为(128.40±62.38) mg·m-2·h-1。中潮滩无螃蟹组CO2排放通量范围为5.76—185.12 mg·m-2·h-1,均值为(58.84±20.22) mg·m-2·h-1
从季节变化看,闽江河口互花米草湿地1月、4月、6月和9月的CO2排放通量均值分别为(102.35±22.76) mg·m-2·h-1、(57.07±13.17) mg·m-2·h-1、(159.78±29.22) mg·m-2·h-1和(80.43±8.14) mg·m-2·h-1。最高值和最低值分别出现在夏季(6月)和春季(4月)。
表2   CO2排放通量的方差分析结果
采样日期 Sampling date变量
Variable
高潮滩 High tide beach中潮滩 Middle tide beach
MSdfFpMSdfFp
1月
January
时间
Time
6 573.9520.410.673 329.1920.790.48
螃蟹
Carb
9 057.3010.570.473 135.0510.740.41
时间×螃蟹
Time×carb
7 801.2920.490.63844.1520.200.82
4月
April
时间
Time
860.1920.570.58844.6920.770.49
螃蟹
Carb
3 122.4312.050.181 034.0710.940.35
时间×螃蟹
Time×carb
3 213.8422.110.16157.0120.140.87
6月
June
时间
Time
7 355.1720.380.691 474.2020.080.92
螃蟹
Carb
17 557.9310.900.3682 130.4514.690.05
时间×螃蟹
Time×carb
1 274.1520.070.942 219.9520.130.88
9月
September
时间
Time
1 319.6920.520.612 196.3720.660.54
螃蟹
Carb
11 636.4214.600.051 720.9810.520.49
时间×螃蟹
Time×carb
503.4320.200.822 500.5820.750.49


图2   螃蟹作用下互花米草沼泽湿地土壤CO2排放通量
Fig.2 Soil CO2 emission fluxes in the Spartina alterniflora Loisel marsh under the actions of crabs
2.2   互花米草沼泽湿地土壤CH4排放通量
高潮滩螃蟹组土壤CH4排放通量均值高于无螃蟹组,其中高潮滩螃蟹组土壤CH4排放通量范围为-1.56—1.07 mg·m-2·h-1,均值为(0.35±0.22) mg·m-2·h-1。高潮滩无螃蟹组的土壤CH4排放通量范围为-2.3—1.56 mg·m-2·h-1,均值为(0.10±0.05) mg·m-2·h-1
在中潮滩中,螃蟹组土壤CH4排放通量均值高于无螃蟹组。中潮滩螃蟹组土壤CH4排放通量范围为-0.03—3.29 mg·m-2·h-1,均值为(0.29±0.26) mg·m-2·h-1。中潮滩无螃蟹组土壤CH4排放通量范围为-5.45—0.94 mg·m-2·h-1,均值为(-0.11±0.18) mg·m-2·h-1
从季节变化看,闽江河口互花米草湿地1月、4月、6月和9月的CH4排放通量均值分别为(0.06±0.03) mg·m-2·h-1、(0.02±0.02) mg·m-2·h-1、(1.81±0.42) mg·m-2·h-1和(0.12±0.17) mg·m-2·h-1。最大值和最小值分别出现在夏季(6月)和春季(4月)。


图3   螃蟹作用下互花米草沼泽湿地土壤CH4排放通量
Fig.3 Soil CH4 emission fluxes in the Spartina alterniflora Loisel marsh under the actions of crabs
表3   CH4排放通量的方差分析结果
采样日期 Sampling date变量
Variable
高潮滩 High tide beach中潮滩 Middle tide beach
MSdfFpMSdfFp
1月
January
时间
Time
3.5920.940.420.0520.860.45
螃蟹
Carb
4.2911.120.310.0811.250.29
时间×螃蟹
Time×carb
3.3220.870.450.0320.410.67
4月
April
时间
Time
0.0122.170.160.0020.270.77
螃蟹
Carb
0.0110.500.490.0010.010.95
时间×螃蟹
Time×carb
0.0120.380.690.0221.700.22
6月
June
时间
Time
1.0520.680.530.3920.160.85
螃蟹
Carb
0.0310.020.907.5713.150.10
时间×螃蟹
Time×carb
0.0220.010.994.0521.680.23
9月
September
时间
Time
2.8620.300.750.0221.960.18
螃蟹
Carb
6.5010.680.420.0010.020.88
时间×螃蟹
Time×carb
3.7320.390.680.0221.940.19
2.3   互花米草沼泽湿地土壤N2O排放通量
高潮滩螃蟹组土壤N2O排放通量均值高于无螃蟹组,其中,秋季各时刻差异性显著(p<0.05,图4)。高潮滩螃蟹组土壤N2O排放通量范围为-40.42—875.63 μg·m-2·h-1,均值为(165.49±184.23) μg·m-2·h-1。高潮滩无螃蟹组土壤N2O排放通量范围为-26.47—164.33 μg·m-2·h-1,均值为(36.68±32.17) μg·m-2·h-1
在中潮滩,螃蟹组土壤N2O排放通量均值高于无螃蟹组,其中夏季各时刻差异性显著(p<0.05,图4)。中潮滩螃蟹组土壤N2O排放通量范围为-46.68—145.30 μg·m-2·h-1,均值为(27.51±18.42) μg·m-2·h-1。中潮滩无螃蟹组土壤N2O排放通量范围为-61.48—124.26 μg·m-2·h-1,均值为(12.15±12.14) μg·m-2·h-1
从季节变化看,闽江河口互花米草湿地1月、4月、6月和9月的N2O排放通量均值分别为(12.68±3.81) μg·m-2·h-1、(5.71±7.99) μg·m-2·h-1、(28.28±11.64) μg·m-2·h-1和(208.44±23.33) μg·m-2·h-1。最大值和最小值分别出现在秋季(9月)和春季(4月)。


图4   螃蟹作用下互花米草沼泽湿地土壤N2O排放通量
Fig.4 Soil N2O emission fluxes in the Spartina alterniflora Loisel marsh under the actions of crabs
表4   N2O排放通量的方差分析结果
采样日期 Sampling date变量
Variable
高潮滩 High tide beach中潮滩 Middle tide beach
MSdfFpMSdfFp
1月
January
时间
Time
242.5820.510.620.0920.010.99
螃蟹
Carb
579.2811.210.291 599.56113.150.03
时间×螃蟹
Time×carb
181.0620.380.69143.5821.180.34
4月
April
时间
Time
876.6422.040.172 034.7222.340.14
螃蟹
Carb
1 212.7712.820.120.1310.010.99
时间×螃蟹
Time×carb
876.7822.040.171 689.9121.940.19
6月
June
时间
Time
2 411.5620.650.544 906.2421.480.27
螃蟹
Carb
32.1510.010.935 031.6211.520.24
时间×螃蟹
Time×carb
3 246.8820.870.442 911.4420.880.44
9月
September
时间
Time
11 621.7820.110.901 446.5922.860.10
螃蟹
Carb
115 363.3411.050.336.4910.010.91
时间×螃蟹
Time×carb
12 790.9220.120.89206.3620.410.67
2.4   螃蟹作用下的土壤环境因子
螃蟹的活动并未改变土壤温度、pH、含水量和电导率的季节变化,但高潮滩螃蟹组和中潮滩螃蟹组土壤含水量高于高潮滩无螃蟹组和中潮滩无螃蟹组,说明螃蟹的活动增大了土壤含水量。各处理组土壤温度最大值出现在6月,最小值出现在1月;各处理组土壤电导率由1月至9月依次递减。各处理组土壤pH最大值和最小值分别出现在9月和6月,但差异性不显著(p>0.05);高、中潮滩螃蟹组分别于1月和4月提高了土壤含水量,在9月和6月影响则不明显(p>0.05)。


图5   各处理组土壤环境因子
Fig.5 Soil environmental factors of each treatment group
2.5   土壤温室气体排放通量与土壤环境因子的关系
相关分析结果表明:中潮滩各处理组CO2排放通量与土壤温度显著正相关(n=24,p<0.05)。高潮滩无螃蟹组CH4排放通量与土壤电导率显著负相关(n=24,p<0.01)。中潮滩各处理组CH4排放通量与土壤温度显著正相关(n=24,p<0.05)。高潮滩螃蟹组N2O排放通量与土壤pH极显著正相关(n=24,p<0.01),与电导率极显著负相关(n=24,p<0.01),与含水量显著正相关(n=24,p<0.05);高潮滩无螃蟹组N2O排放通量与土壤温度显著正相关(n=24,p<0.01),与含水量显著正相关(n=24,p<0.05);中潮滩各处理组N2O排放通量与土壤温度显著正相关(n=24,p<0.05)。综合来看,CO2、CH4排放通量与土壤温度显著正相关(n=96,p<0.05),N2O排放通量与土壤温度、pH和含水量显著正相关(n=96,p<0.01)。
表5   温室气体排放通量与各环境因子的相关系数
指标IndexCO2排放通量 CO2 emission fluxes
GPGDZPZD综合Comprehensive
土壤温度Soil temperature-0.2740.2240.654*0.839**0.352*
pH-0.445-0.107-0.452-0.254-0.257
电导率EC0.1400.007-0.160-0.224-0.091
含水量Water content0.117-0.228-0.3080.012-0.113
指标 IndexCH4排放通量 CH4 emission fluxes
GPGDZPZD综合
Comprehensive
土壤温度Soil temperature-0.2340.5100.636*0.887**0.598**
pH-0.2580.4590.2350.037-0.039
电导率EC0.407-0.857**-0.254-0.210-0.113
含水量Water content-0.0820.1780.2670.5340.134
指标IndexN2O排放通 N2O emission fluxes
GPGDZPZD综合
Comprehensive
土壤温度Soil temperature0.0200.856**0.616*0.883**0.568**
pH0.816**-0.454-0.482-0.2470.439**
电导率EC-0.742**-0.114-0.052-0.138-0.143
含水量Water content0.591*0.701*-0.2380.3740.386*
*表示在0.05水平(双侧)上显著相关;**表示在0.01水平(双侧)上显著相关。
3   讨论
3.1   湿地土壤温室气体排放的季节特征
本研究显示:湿地土壤CO2、CH4排放通量最大值均出现在夏季,N2O最大值出现在秋季;而湿地土壤CO2、CH4和N2O排放通量最小值均出现在春季。这可能因为夏季湿地土壤温度较高,一方面改善了微生物的生存环境,促进微生物数量增加,微生物呼吸增多,土壤呼吸旺盛(Liang et al,2015),促进CO2排放增多;同时温度升高有利于微生物活性增强,以至于土壤中氧含量消耗增加,促进产CH4菌的生长(丁维新和蔡祖聪,2003),增大了土壤CH4排放。另一方面,夏季高温加快土壤中有机质的腐解过程,并释放大量的小分子有机碳,有利于土壤碳矿化的发生;同时,这些小分子活性碳为产CH4微生物提供了丰富的营养物质。使其活性和数量增大,促进CH4产生并排放。N2O主要由硝化作用产生(Gardner et al,1991),N2O最大值出现在秋季,原因是此时土壤电导率最低(图5),表明土壤盐度较低,有利于NH4+ 有效储存于土壤中,增加微生物对NH4+ 的可利用性,增强硝化细菌活性,从而可以增加硝化作用对N2O产生的贡献(Muñoz-Hincapié et al,2002)。而三种温室气体排放通量最小值均出现在春季原因可能是此时互花米草处于分蘖期(张永勋等,2013),其旺盛的生长需要吸收更多的碳、氮元素,相应造成土壤碳矿化、硝化反硝化所需碳、氮源的减少,最终抑制温室气体的产生与排放。
3.2   螃蟹活动对湿地土壤温室气体排放的影响
湿地土壤中CO2主要来源于土壤动物呼吸、植物根系呼吸和土壤微生物分解有机碳等过程(Blagodatskv and Smith,2012)。本研究螃蟹组土壤CO2排放通量均值大于无螃蟹组,可能是因为螃蟹生物体的自身呼吸对土壤CO2的直接贡献和螃蟹通过取食、排泄、挖掘洞穴等活动对CO2排放间接影响所致,如螃蟹通过挖洞增加土壤含氧量,激发好氧性细菌的呼吸(Liang et al,2015),最终提高土壤CO2的产生与排放。另外,土壤有机质对湿地排放CO2影响显著。一般来说,土壤表层的植物凋落物和剖层中根系的残留物是土壤有机质的主要来源(Daleo and Iribarne,2009),螃蟹能通过摄食和消化作用,把枯落物转化为碎屑,并以排泄物的形式进入到土壤中,增加土壤中有机物质的输入量,提高土壤微生物活性与数量(Žifčáková et al,2016),促进CO2的产生与排放。
河口湿地为CH4的重要排放源(杜慧娜等,2016),而CH4的排放通量主要取决于CH4产生和氧化过程的相对平衡。本研究中,螃蟹活动增大了CH4排放通量,是因为螃蟹通过咬食等物理碎化作用,把枯落物转化为碎屑,并以排泄物的形式进入到土壤中,促进了土壤中有机碳的积累(Moseman-Valtierra et al,2011),通过有机碳底物的增加,加速产甲烷菌的生长繁殖(Kammann et al,2009),从而提高CH4的产生与排放量。另外,螃蟹通过掘穴活动,使得沉积物-水-气三相接触界面增加,促进沉积物中的无机氮在上覆水体中的扩散,使沉积物中氮的氨化作用速率加快(胡知渊等,2009),促进土壤中NH4+ 的积累。NH4+ 增加能够抑制CH4氧化的潜力,最终有利于CH4排放(胡伟芳等,2015)。
本研究螃蟹组土壤N2O排放通量均值高于无螃蟹组。螃蟹通过直接采食细菌和真菌,或通过有机物的粉碎、微生物繁殖体的接种传播和有效营养物质的改变等间接方式,影响微生物群落的生物量和活动(Cragg and Bardgett,2001),进一步激发土壤微生物的活性,调节土壤硝化与反硝化过程(杨平等,2016),从而促进土壤N2O排放。另外,螃蟹在洞穴中的栖息过程,使其周围的土壤被压实,形成有利于微生物活动的好氧或厌氧环境,促进硝化或反硝化作用进行,进而提高N2O产生。此外,螃蟹挖掘的洞穴内,土壤和水体或者大气交换界面的增加带来了氧气,加快洞穴内壁土壤中的硝化作用,而土壤内部则可能仍处于厌氧而发生反硝化作用(Kristensen,2008),同样有利于N2O的产生和释放。高潮滩蟹类活动对潮滩滩面地貌具有显著的改造作用,潮水淹没情况下,小范围内高密度的蟹类活动能加速N2O的释放(Kristensen,2008)。除此之外,螃蟹活动将湿地土壤表面的凋落物碎化,加速了凋落物的分解和向土壤环境的氮释放量(Chen et al,2010)。同时,螃蟹通过直接的摄食作用,将凋落物以粪便的形式氮输入到其所生长的生境土壤(van Nedervelde et al,2015),有利于土壤氮含量积累,增加土壤中硝化和反硝化细菌的数量和活性(Wrage et al,2004),从而促进N2O排放。
3.3   影响湿地土壤温室气体排放的其它因子
本研究土壤CO2的排放通量与土壤温度显著正相关,这与土壤温度对土壤微生物活性和数量的促进作用有关(Andrews et al,2000)。在0—35℃,随土壤温度升高,土壤微生物活性和数量增大,CO2排放通量增大(宋长春和王毅勇,2006)。本研究中,土壤温度15—31℃,在此范围内,因此,随着土壤温度的升高,CO2排放逐渐增加(仝川等,2011)。本研究土壤CH4排放通量与土壤温度显著正相关,这与以往研究得到芦苇湿地甲烷通量与土壤温度显著正相关的结论相似(仝川等,2009)。CH4排放通量随土壤温度上升而迅速增加,当温度从20℃升到25℃时,其排放通量成倍增大(葛瑞娟等,2011)。随着土壤温度的增大,土壤微生物活性与数量增加,刺激CH4产生菌的生长(丁维新等,2003),从而促进CH4产生。
本研究土壤N2O排放通量与土壤温度显著正相关,这与以往的研究结果一致(孙丽等,2006)。土壤温度升高,土壤微生物硝化和反硝化作用加强,土壤微生物的活性和N2O排放速率会增大(Castaldi,2000)。硝化作用最适宜的土壤温度为15—35℃,而反硝化作用的适宜温度为5—75℃(孙志强等,2010),本研究中,土壤温度为15—31℃,硝化和反硝化作用都很活跃,所以,随着土壤温度升高,土壤N2O排放通量逐渐增大。此外,土壤含水量与土壤N2O排放通量显著正相关,在本研究中,土壤含水量为44.20%—59.09%,土壤含水量处于饱和含水量以下,土壤环境呈好气状态,有利于硝化过程进行,促进N2O产生和排放,并且N2O排放通量随着土壤含水量的增大而增大(李春兰等,2009)。当pH为5.6—8.6时,N2O排放通量与土壤pH显著正相关(黄耀等,2002),这与本研究中土壤N2O排放通量与pH显著正相关的结果一致。原因可能是pH降低会抑制分解有机质的细菌生长,从而降低硝化和反硝化微生物生活的底物数量(Kemmitt et al,2006),不利于硝化和反硝化作用,抑制N2O排放;相反,土壤pH升高,增强脲酶活性,有利于抑制NH4+ -N通过NH3挥发损失,增加硝化和反硝化微生物生活的底物数量(靳红梅等,2012),促进硝化和反硝化作用,提高N2O排放。
4   结论
(1)闽江河口互花米草沼泽湿地土壤CO2、CH4排放通量最大值均出现在夏季,N2O最大值出现在秋季;而湿地土壤CO2、CH4和N2O排放通量最小值均出现在春季。
(2)在闽江河口互花米草沼泽湿地中,与无螃蟹组相比,高潮滩和中潮滩螃蟹组CO2、CH4和N2O排放通量均值均增加,表明螃蟹活动促进温室气体排放。
(3)闽江河口互花米草沼泽湿地CO2、CH4和N2O排放通量与土壤温度显著正相关(n=96,p<0.05)。此外,N2O排放通量与土壤pH和含水量显著正相关 (n=96,p<0.05)。
致谢:
在野外采样和室内实验过程得到宋旭、高灯州等同学的帮助,在此一并表示感谢!
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稿件与作者信息
陈优阳
CHEN Youyang
陈淑云
CHEN Shuyun
曾从盛
ZENG Congsheng
王维奇
WANG Weiqi
wangweiqi@fjnu.edu.cn
基金项目:国家自然科学基金项目(41571287);福建省高校杰出青年科研人才培育计划
出版历史
出版时间: 2018年11月18日 (版本3
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地球环境学报
Journal of Earth Environment