淡水湿地不同围垦土壤非耕季节呼吸速率差异

何小青， 许信旺,， 方宇媛， 毛 敏， 石小磊， 郑聚锋

(1．池州学院 资源环境与旅游系， 安徽 池州 247000； 2．安徽师范大学 国土资源与旅游学院，安徽 芜湖， 241000； 3．南京农业大学 农业资源与生态环境研究所， 江苏 南京 210095)

湿地是介于陆地和水体间一种特殊的过渡生态类型，由于较低的有机质分解速率和较高的生产力而成为重要的碳汇，湿地的固碳潜力高于其他类型的生态系统，因此，采取必要的措施，维持和发展湿地的固碳潜力，对于增加陆地生态系统碳库和缓解全球变暖具有深远的意义[1]。中国已在东北平原[2-8]、青藏高原[9-11]、云贵高原[12-13]以及东部平原[14-18]等开展了湿地生态系统土壤固碳及CO2气体排放方面的研究，而此方面的研究主要集中在三江平原。宋长春等[5]认为湿地土壤水分梯度变化及土壤新的碳输入条件是温度驱动下土壤呼吸变化的重要影响因素，湿地垦殖后土壤呼吸速率明显增大。杨继松等[6]认为，在生长季，湿地土壤呼吸具有明显的时间变化特征，随土壤温度的上升呈指数形式增加，并受水热条件的共同制约。黄靖宇等[7]通过研究发现，土地利用方式是影响土壤生物量碳及溶解有机碳变化的主要因素，天然沼泽湿地垦殖为农田后，土壤微生物量碳及溶解有机碳显著降低，弃耕还湿和人工造林后表层土壤微生物量碳及溶解有机碳呈显著增加的趋势。

由此可见，影响土壤固碳及呼吸的主要因素有水分、温度及微生物活动等，选择何种湿地利用方式，使得土壤固碳能力及CO2气体排放受到的影响最小，是合理利用湿地、减少温室气体排放的关键所在。

截止到2008年，中国现有湿地(不包括水稻田)总面积为324 100 km2，其中天然湿地占88%，人工湿地占12%。“长江及其周围湖群”是世界自然基金会(WWF)确定的具有全球意义的生态区域之一，也是中国湿地生物多样性的关键地区之一，由于该区域为重要的农业水产基地，随着经济发展，当地的湿地面临着巨大的压力，面积不断减少[19]。因此，加强对该区域湿地改造对环境影响的研究非常必要。

关于皖江湿地及不同围垦利用方式下土壤碳呼吸的研究较少，已有的研究也主要集中在湿地土壤有机碳储存、分布、空间差异及开垦后含量变化方面[14-16]。所以本文选择皖江地区作为研究区域，在人为干扰较少的非耕季节开展土壤呼吸CO2排放通量野外观测实验，直观评价湿地及不同围垦利用方式下土壤呼吸CO2的贡献效率，以期为温室气体减排提供科学依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 自然地理概况

皖江地区，即长江下游安徽段，属亚热带湿润气候区，年平均日照时数2 000～2 100 h，年平均气温15.7～16.6 ℃，年均相对湿度75%，无霜期230～250 d，年平均降水量1 050～1 400 mm，年均蒸发量1 500～1 800 mm，降水季节分配不均[20]。该区域有安庆沿江地区、升金湖、淡水豚保护区、扬子鳄保护区、龙感湖、十八索以及太平湖等一些有代表性的湿地。

皖江流域湿地一般在每年的11月至翌年的4月可以出露，生长着自然草甸植被，常见的是芦苇和苔草，还生长有水蕨、眼子菜、黑藻和苦草等植物[16]。

1.2 试验设计和研究方法

1.2.1 样地选择 选择毗邻平天湖的天然湿地(草甸土)、湿地围垦形成的旱地(灰潮土)以及水稻田(潴育性水稻土)为研究对象，旱地和水稻田围垦的年限为20 a。在3个样地各选一个观测点进行连续观测，为保证数据的可比性，观测点位置尽量接近，湿地测试点(30°39′N，117°34′E；海拔高度16 m；估计误差11 m)、旱地测试点(30°39′N，117°34′E；海拔高度20 m；估计误差6 m)、水稻田测试点(30°39′N，117°34′E；海拔高度17 m；估计误差8 m)，水平距离小于20 m。

1.2.2 土壤CO2排放通量测定 采用密闭箱/便携式红外线气体测定仪(MultiRAE Plus IR PGM-54)联用技术对CO2浓度进行测定，密闭箱为高25 cm(有效高度20 cm+埋入地下5 cm)，底面直径27 cm的圆柱塑料箱。箱上开有两个孔(进气孔、出气孔)，内装微型电扇，测定时将便携式红外线气体测定仪抽气口和排气口分别与密闭箱上的两孔相连，形成一个闭合回路，将抽出的气体还回到箱内。

测定过程中，首先去除测定点地表生长植物，打开密闭箱内风扇，将密闭箱开口端埋入土壤5 cm深度，迅速打开仪器，读取CO2浓度数据X0作为初始值，5 min之后读取的数据Xt，作为即时值。按理想气体方程，将测得的CO2排放通量按照式(1)转化为标准状态(0 ℃，101.325 kPa)进行比较：

式中：F——CO2排放通量〔mg/(m2·h)〕；Xt——CO2浓度即时值(ml/m3)；X0——CO2浓度初始值(ml/m3)；H——密闭箱的高度(m)； 273——标准状态温度(K)； 44——CO2的摩尔质量(g/mol)；Pt——测试点空气压强(kPa)；T——采样时密闭箱内平均温度(K)； 101.325——标准状态大气压强(kPa)； 22.4——标准状态气体摩尔体积(L/mol)； Δt——集气时间(h)。

研究样地水稻田种植一季稻，旱地种植棉花，在该区域水稻生长季一般在5月上旬到10月上旬，棉花生长季在4月上旬到11月中下旬。根据本文研究目的，选择在非耕季节不同月份开展相关试验，为体现土壤CO2排放的季节性变化，试验选择在相同天气情况下的2012年1月8，9日(冬季)以及3月10，12日(春季)的8:00—19:00对3种类型土壤CO2排放情况进行连续测定。在测定土壤CO2排放的同时，测得研究区域上部(0.50 m)空气CO2浓度在1，3月份值分别为383.90和683.00 ml/m3。1月份，在温度较高的11:00—15:00空气中CO2浓度较低，最低峰值大概出现在13:00—14:00，低至342.00 ml/m3；3月份，8:00—11:00浓度维持在500～600 ml/m3波动，最高峰值出现在13:00—14:00，达到890 ml/m3。

1.2.3 空气温度与土壤温度的测定 为了解3种不同类型土壤CO2排放与温度因子之间关系，在测定CO2排放的同时，用埋入式温度计测定表层土壤(10 cm)温度以及测点地表空气温度，感温5 min读数。

1.2.4 土壤TOC含量的测定 在非耕季节，以荷兰Eijkelkamp公司生产的不锈钢土钻采样，每种样地按0—5，5—10，10—20，20—30 cm垂直梯度采集土样。采样时按照S形布点，五点混合取土样。样品经自然风干后，剔除草根等杂物，磨碎过100目筛，装袋备用。

选用重铬酸钾容重法—外加热法测定并计算土壤TOC含量。

2 结果与分析

2.1 天然湿地、围垦旱地及水稻田CO2排放总体特征

研究区天然湿地、旱地及水稻田CO2排放差异显著，CO2排放通量水稻田>旱地>湿地。测试的4 d中，天然湿地、旱地及水稻田CO2通量的平均值分别为302.66,433.80,700.70 mg/(m2·h)，天然湿地CO2通量相当于旱地70%左右，相当于水稻田的43%左右(表1)。由此可知，湿地对大气中CO2浓度贡献最小。

2.2 天然湿地、围垦旱地及水稻田CO2排放非耕季节变化特征

研究区天然湿地、围垦旱地及水稻田CO2排放通量具有明显的季节性变化特征。湿地、围垦旱地及水稻田CO2排放通量在1和3月分别为：233.32和372.00 mg/(m2·h),275.52和592.08 mg/(m2·h),361.24和1 040.16 mg/(m2·h)(表1)，说明3种类型土壤在春季CO2排放通量较冬季有明显的增长，出现这种现象是由于冬季，植物根系呼吸作用减弱，同时由于春季温度升高，土壤微生物活动加剧，植物根系呼吸作用增强，因此，形成了这种季节性变化特征。

表1 天然湿地、围垦旱地及水稻田CO2排放通量 mg/(m2·h)

2.3 天然湿地、围垦旱地及水稻田CO2排放通量增长率比较

在1月天然湿地、围垦旱地及水稻田3种类型土壤CO2排放通量相差不大，三者之比为1∶1.18∶1.55，而在3月排放通量相差较大，三者之比为1∶1.59∶2.80。其中水稻田CO2排放通量增长幅度最大，增长率达到188%，湿地最小，增长率为59%。由此可知，季节变化对水稻田土壤CO2排放通量影响较大，而对湿地影响较小。

2.4 天然湿地、围垦旱地及水稻田CO2排放通量与温度相关性分析

对空气温度、土壤温度分别与CO2排放通量进行相关性分析(图1)，湿地、旱地、水稻田与空气温度相关系数分别为0.62,0.84,0.74，与表层土壤温度相关系数分别为0.30,0.64,0.66。由此可知，3种土壤类型CO2排放与空气温度和土壤温度均呈正相关，与大气温度相关性更为显著，且通过对比发现，湿地表层土壤温度与CO2排放通量相关系数仅为0.30，小于水稻田及旱地，原因有待进一步研究。

图1 天然湿地、围垦旱地及水稻田CO2排放通量与空气温度及表层土壤温度的关系

2.5 土壤TOC含量比较

土壤TOC含量的多少可以较准确地反映土壤呼吸的强弱程度。从图2可看出，在表层(0—5 cm深度)，围垦旱地及水稻田土壤TOC含量明显大于天然湿地，这可能与农田长期施加有机肥料有关。水稻田TOC含量最大，达1.645%，旱地为1.640%，而天然湿地仅为0.978%。

图2 天然湿地、围垦旱地及水稻田不同深度土壤TOC含量

由此可见，表层土壤TOC含量的顺序为：水稻田>旱地>天然湿地，这与测得土壤CO2排放通量规律一致。

在5—30 cm深度，天然湿地土壤TOC含量明显高于围垦旱地和水稻田，这说明天然湿地具有更强的固碳能力。

3 结 论

非耕季节，皖江地区天然湿地相对于围垦旱地、水稻田CO2排放通量最小，湿地CO2排放通量相当于围垦旱地的70%左右，相当于水稻田的43%左右，天然湿地土壤TOC含量明显高于围垦旱地及水稻田(0—30 cm深度土壤)，表明在非耕季节，天然湿地较围垦旱地和水稻田对大气中CO2浓度贡献最小，能存储更多的碳。3种土壤类型CO2排放3月相对于1月均有增加，表明不同土壤类型CO2排放具有相同的变化趋势，但水稻田波动最大，湿地波动最小。通过与温度相关性分析发现，3种土壤类型CO2排放通量与大气温度和表层土壤温度均呈正相关关系，与大气温度相关性更高。

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