多环境变量对南极苔原温室气体通量的影响

发布时间：2020-04-04 23:43

【摘要】：南极是全球气候变化的敏感区,气候变暖对南极苔原温室气体的源汇过程产生了重要影响。在中国第15次南极科考期间,中科大极地环境研究室首次开展了南极苔原温室气体通量的观测,随后美国、巴西、加拿大和意大利等国也相继在南极苔原展开了温室气体的观测研究。这些研究主要侧重于宏观上的通量观测与碳氮循环的研究,对南极苔原温室气体排放的微观机理层次上的研究相对较少;另外,南极苔原温室气体通量的变化过程受多环境变量的影响,目前对南极苔原温室气体通量影响因素的研究多注重土壤和植被因子的影响,尤其忽略了紫外辐射强度、光照条件和微地形等对苔原温室气体源汇通量的影响。鉴于此,本文以南极法尔兹半岛地区作为重点研究区域,采用静态箱室和Li-8100碳通量分析仪对南极苔原温室气体通量进行了多年的野外观测,并结合室内模拟培养实验和稳定同位素分析手段,在宏观和微观层次上揭示南极苔原温室气体产生与排放特征;重点探索紫外辐射强度、光照条件和微地形因子,并结合土壤、气候、植被、动物活动和积雪覆盖等多环境变量对南极苔原温室气体通量的影响。此外,作为本文研究内容的补充和对比研究,还选取了国内升金湖自然保护区湿地作为研究区域,开展了湿地温室气体通量的空间变化规律的研究,探讨了土壤水分、水鸟活动、家禽饲养和土地利用等多环境因子对湿地温室气体通量的综合影响。主要研究内容和研究结果概括如下:(1)紫外辐射强度减弱对南极苔原温室气体通量的影响自《蒙特利尔议定书》实施以来,南极平流层臭氧开始逐渐恢复。然而极地地区很少有报道紫外辐射对苔原温室气体通量的影响。本文通过在南极法尔兹半岛苔原设计紫外辐射强度减弱的野外模拟实验,对苔原温室气体通量进行了 3年的夏季观测。结果发现:紫外辐射强度减弱显著增加苔原N_2O、CH_4和NEE通量。相对于对照观测点,紫外辐射强度减弱20%平均增加N_2O、CH_4和NEE 通量分别为 8 μg N_2O m~(-2) h~(-1)、93 μg CH_4 m~(-2) h~(-1) 和 76 mg CO_2 m~(-2) h~(-1),减弱50%平均增加它们的通量分别为17μgN_2O m~(-2) h~(-1)、128μgCH_4m~(-2) h~(-1)和118mg CO_2 m~(-2) h~(-1)。三种温室气体通量与土壤温度、土壤水分、总碳、总氮、硝氮和氨氮含量之间均无显著的统计学相关性(P0.05)。研究结果证实:紫外辐射强度变化对南极苔原温室气体通量有重要影响。在未来南极臭氧洞缩小、极区臭氧层恢复的环境背景下,忽略紫外辐射强度变化的影响,可能会低估极地苔原温室气体排放量。(2)光照对南极苔原温室气体通量的影响通过在南极苔原设计光照与黑暗对比原位观测实验,对南极苔原N_2O和CH_4通量开展了三年的野外观测研究。结果表明:在光照完全缺失条件下,N_2O和 CH_4 平均通量分别为-4.6±1.2 μg N_2Om~(-2) h~(-1)和 119.8±24.5 μg CH_4m~(-2) h~(-1),而在光照条件下,苔原观测点N_2O排放速率和CH_4吸收速率显著增加。N_2O和CH_4通量与土壤温度、土壤水分、总有机碳、总氮、硝氮和氨氮含量之间无统计学上显著相关性(P0.05)。相对于黑暗环境,光照平均增加苔原N_2O排放通量10.3μg N_2O m~(-2) h~(-1)和CH_4吸收通量160.3μgN_2O m~(-2) h~(-1)。因此,光照是影响南极苔原N_2O和CH_4通量的重要因素。光照可能对苔原N_2O和CH_4净收支估算产生重要影响,排除光照的影响可能低估南极苔原N_2O排放量,但会高估CH_4排放量,该结论也适合北极苔原。(3)南极法尔兹半岛普通苔原夏季碳通量变化特征通过对南极法尔兹半岛普通苔原进行了夏季生态系统呼吸(ER)速率的测定,研究了微地形梯度、植被类型、积雪覆盖、气候因素及动物活动对苔原土壤呼吸的影响。总体而言,在高地苔原顶部平台观测到最高的ER速率(平均为91.2±10.6 mg CO_2 m~(-2) h~(-1)),其次是中间的斜坡(平均为76.9±11.4mg CO_2m~(-2) h~(-1)),最低值出现在较低的斜坡苔原(平均为67.3±9.5 mg CO_2 m~(-2) h~(-1))。每天中午观测到日最高ER速率,而最低值出现在早上6点。苔原ER速率与0-10cm平均土壤温度呈显著正相关(P0.05),而与土壤湿度呈显著负相关(P0.01)。综合所有碳通量观测数据,获得了值较高的Q10(Q10=2.69),表明南极苔原土壤呼吸具有较强的温度敏感性。苔藓覆盖的苔原ER速率(72.2±4.4 mg CO_2 m~(-2) h~(-1))显著高于(P0.01)地衣覆盖的苔原区域(46.8±8.7mg CO_2 m~(-2) h~(-1))。没有积雪覆盖的苔原区观测到显著的CO_2释放(67.2±11.1mg CO_2 m~(-2) h~(-1)),而积雪覆盖的苔原区ER速率很低(5.7±1.3 mg CO_2 m~(-2) h~(-1))。此外,企鹅聚集区观测点ER速率(201.3±31.4mgCO_2m~(-2) h~(-1))显著高于(P0.01)非企鹅聚集区苔原观测点(64.0～87.1 mg CO_2 m~(-2) h~(-1))。研究结果表明,苔原土壤呼吸受地形梯度、土壤温度、土壤湿度、植被类型、积雪覆盖和企鹅活动等多环境变量的综合影响。(4)南极企鹅粪土 CH_4产生速率及碳同位素特征甲烷(CH_4)是一种重要的具有化学活性的温室气体。对土壤源CH_4的同位素组成的测定有助于了解其产生机理。目前CH_4同位素测量已经在全球不同类型的陆地生态系统中获得了广泛的关注。然而南极苔原土壤源CH_4同位素数据未见到相关文献报道。本文选取了四个不同类型的企鹅聚集区采集的企鹅粪土剖面,通过实验室培养实验,调查企鹅粪土潜在的CH_4产生速率及其δ~(13)C值。结果表明:企鹅粪土 CH_4平均产生速率存在较大差异,变化范围为0.7～20.3 μg CH_4-Ckg~(-1)h~(-1)。在有氧或厌氧培养条件下,企鹅粪土都具有较高的CH_4产生速率,表明了企鹅聚集区是潜在的CH_4排放源。大部分企鹅粪土在厌氧培养下有较高的δ~(13)C-CH_4值(-39.28%～-43.53%),而在有氧培养下δ~(13)C-CH_4值较低(-42.81%～-57.19%)。高度厌氧条件下产生的甲烷富集13C,表明厌氧条件下乙酸发酵途径可能是粪土源CH_4产生的主要途径。总体上企鹅粪土 CH_4产生速率与δ~(13)C-CH_4呈显著负相关关系(厌氧培养:R2=0.41,p0.01;有氧培养:R2=0.50,p0.01)。企鹅粪土 CH_4产生速率与土壤总磷(TP)、氨氮(NH4+-N)含量、pH和土壤含水率(Mc)呈显著正相关,而δ~(13)C-CH_4与这些环境因子呈显著负相关,表明企鹅粪的沉积增加了苔原土壤CH_4产生速率,但是降低了δ~(13)C-CH_4值,企鹅粪土 CH_4排放影响了南极沿海区域大气CH_4的碳同位素组成。(5)升金湖湿地温室气体通量空间变化规律长江中下游平原(MLYP)湿地长期受人为和自然的扰动,可能导致湿地温室气体(GHG)排放的空间变异性。然而,对MLYP湿地仍然缺乏GHG通量及其影响因素的观测研究。本文以MLYP典型的温带淡水湿地-升金湖湿地(SLM)作为研究对象,开展了温室气体(CH_4,N_2O,CO_2)通量的现场观测研究,探讨了土壤水分、水鸟活动、家禽饲养和土地利用等多环境因子对湿地GHG通量的影响。结果表明,淹水湿地区CH_4排放速率比半干旱、干旱区高一个数量级,而干旱区N_2O排放和净CO_2吸收通量比淹水湿地和半干旱区高。土壤湿度是控制湿地未受干扰区CH_4、N_2O和NEE空间变异性的主要因素。多因素分析统计分析表明,与未受干扰区相比,受干扰的湿地区GHG通量的环境因素更复杂(包括土壤湿度、总有机碳、总碳、总氮、氨氮、硝氮等因素)。水鸟和家禽活动区平均CH_4通量与未受干扰区无显著统计学差异,但它们的活动显著增加了湿地N_2O排放,降低了 CO_2汇;此外家禽活动区N_2O通量最高(平均49.5±11.9 μg N_2O m~(-2) h~(-1))。在SLM中动物活动和动物源NO_3--N的输入显著增加湿地N_2O排放(R=0.75,P0.001)。自然湿地转化为农田和垃圾填埋场并没有显著改变CH_4和N_2O的通量,但显著降低了 CO_2汇。对SLM和其他类似的温带湿地的GHG总量准确评估,应考虑土壤水分状况、水鸟的活动和人为活动等多因素的综合影响。
【图文】：

示意图,氮循环,过程,示意图

节的变化而表现出源汇功能的转换两类。正确认识当地Ｎ２０源汇规律对研宄温逡逑室效应以及氪循环有十分重要的意义。逡逑湿地土壤Ｎ２０产生有３个微生物参与的途径（图１．１）邋：邋（１）硝化作用逡逑（Ｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ），这个途径是通过利用亚硝酸盐作为中间媒介（电子受体）还原逡逑Ｎ２0；邋（２）反硝化作用（Ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ），也叫脱氮作用。这个途径是反硝化细逡逑５逡逑

同位素组成,生态系统,主要成分,和同

象法逡逑气象法是基于微气象学原理的涡度相关法，应用于观测整个采样区域的净温室气体排放通量。其基本原理为：大气的涡流运动将气体从一到另一层次，在距另一层次表面ｌｍｍ范围内的传输是靠湍流扩散途ｏｓｉｅｒｅｔａｌ．，１９９１）。微气象法就是通过检测湍流成分的流动速率和浓气体排放通量。该方法非常适合长时间跨度且大范围空间变化的观于需要在采样区域建立观测塔和设置相关的采样仪器设备，，并且需护和管理，人力和财力花费较大，因此在实际应用中并不是很广泛。逡逑．２同位素分析法逡逑来说，任何生态系统的温室气体观测所测量的通量都是净通量，然仅只能用于比较不同气体之间的差异。对于＜：０２气体来说，它的净个不同途径决定的，即：呼吸作用的排放通量和光合作用的吸收通ｈ２，６ｏ逦，３ｃｏ２？｜Ｊｃｏ２逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X16

【参考文献】