黄河中游芦苇群落土壤CO2排放及其影响因素

吕海波 谢恒星

摘要：对黄河中游滨河湿地芦苇群落土壤CO2排放速率数据进行采集，按相对水位、气温及群落状况进行筛选，旨在评价研究区CO2排放水平，分析气候变化对其造成的影响。各条件下，低矮芦苇群落土壤CO2排放速率平均为353.30mmol·m-2·h-1，成熟群落的为17.62 mmol·m-2·h-1；随水位上升CO2排放速率逐渐下降，但成熟群落的在相对水位为-10～10cm时有上升波动，低矮芦苇群落土壤的CO2排放速率下降幅度大于成熟群落的；随气温上升，各类型湿地CO2排放速率有下降趋势，其变化幅度排序为低矮干>低矮湿>成熟群落；低矮芦苇群落CO2排放速率受水位、气温的影响都远大于成熟群落的。

关键词：芦苇湿地；CO2排放；水位；气温；黄河中游

中图分类号：S593 文献标志码：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.014

全球变暖过程中，湿地调节气候、抑制全球变暖的生态功能极受关注。尽管全球湿地面积仅占陆地面积的4%～6%，但其碳储量为300～600Gt，占陆地生态系统碳储存总量的12%～24%。湿地主要通过光合作用并以生物量的形式固定大气中的碳，通过土壤有机质分解、植物根系呼吸以及土壤物质还原过程等来释放CO2。对湿地碳汇作用的研究，尤其是外界条件变化对湿地碳汇作用的影响研究是本研究领域关注的焦点。目前，前人已研究了不同种类湿地（如河流、湖泊、沼泽、海岸湿地等）、不同外界干涉（如养分变化、冻融、湿地恢复、开垦、淹水、火灾等）、不同气象因素（气温、水分、昼夜等）条件下温室气体排放/吸收的变化，积累了大量的数据，然而湿地有地域差异性，对不同地域的固碳进行评价及影响仍有必要。黄河中游自禹门口以下河道变宽，湿地广泛分布且呈斑状、带状。近年来气候变化造成中国西北地区夏季降水变化剧烈，进而影响黄河水位变化。黄河中游地区湿地气体排放对气温、水位变化的响应研究一方面可以弥补中国湿地调查的空缺，另一方面有助于深入研究水位对气体排放的影响，进而有助于评价这一地区气体排放变化的范围和幅度。笔者通过对黄河中游禹门口至潼关段湿地的芦苇群落进行大范围的调查研究，整理、筛选数据，评价了研究区CO2排放水平，分析了气温、水位对CO2排放的影响规律。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

陕西韩城的禹门口是晋陕峡谷的南口，禹门口以上黄河穿行在深邃的峡谷之中，水面总比降为0.1%左右；以下黄河河谷骤然展宽为4～10km的漫滩，流经汾渭阶地平原河段，黄河游荡性较强，两岸滩地较多，发育有滨河湿地，其中东王至潼关段长60km，河道宽6～19km，沿岸均分布有广阔的河漫滩和沼泽湿地。选取黄河禹门口至潼关段两岸湿地，调查并采集了其典型湿地植物群落——芦苇群落土壤的CO2排放数据，对其进行了分析研究。

1.2 研究方法

2016年7-9月對研究区域所在的黄河两岸各种典型芦苇湿地进行采样，同时测量记录样地概况（气温、水位、株高、直径、密度）。相对水位（水面与土表的垂直距离，土表以下为负值，土表以上为正值）根据附近水面高程量算，芦苇状况及气温为人工实际测量。CO2排放速率采用WEST Systems便携式土壤CO2/H2O通量系统WS-LI840采集，并利用系统自带软件进行CO2排放速率的提取。共89个样地，每块样地重复采集3次。根据系统曲线筛选有效数据，最终获得66个样地的数据。为避免破坏样地自然状况，测量尽量选择在植株间隙处进行，过于稠密处则进行适当剪除。

利用SPSS22软件对数据进行Pearson相关分析，利用Excel软件进行不同水位和气温CO2排放速率的对比。

通过双相关分析发现，芦苇高度与直径、密度相关系数为0.537、0.268，因此将芦苇高度作为其群落状况的代表。野外调查发现，芦苇群落大致分为两大类，本文将高度小于80cm的归类于低矮群落，120～230cm的归类于成熟群落。水位<-100cm、水位>0cm分别代表土壤干、湿条件。

2 研究结果

2.1 水位变化的影响

夏季正常气温条件下，低矮芦苇群落样地各水位下CO2排放平均速率为353.30mmol·m-2·h-1，成熟芦苇群落的为17.62mmol·m-2·h-1。随水位上升（见图1），低矮芦苇群落样地CO2排放速率逐渐下降，水位在5cm以上时，其下降速率加快。随水位上升，成熟芦苇群落样地的CO2排放速率曲线呈现下降一上升一下降的趋势，水位在-10cm以下时，其呈下降趋势，水位为-10cm至10cm时其逐渐上升，在10cm以上又迅速下降。

由水位升降导致的低矮芦苇群落CO2排放速率为130.66～482.89mmol·m-2·h-1，而成熟芦苇群落该速率的变化范围为6.31～27.47mmol·m-2·h-1，变幅远小于低矮芦苇群落的。可见，水位对低矮芦苇群落样地CO2 排放速率的影响远大于成熟芦苇群落的。

2.2 气温变化的影响

在干（水位<-100cm）、湿（水位>0cm）条件下，低矮芦苇群落和成熟芦苇群落样地的CO2排放速率随气温上升都呈下降趋势，但其变化速率有所不同，干条件下低矮芦苇群落的随气温变化最快，低矮芦苇群落的变化速率大于成熟群落的（见图2）。

气温引起CO2排放速率的变化有如下规律：干条件的大于湿条件的，低矮群落的大于成熟群落的。干条件低矮群落的变化最大，气温引起CO2排放速率变化范围为139.97～1116.67mmol·m-2·h-1，变化幅度达976.7mmol·m-2·h-1，湿条件下的变化幅度为373.76mmol·m-2·h-1；成熟群落样地在干湿条件下气温造成的CO2排放速率变化并不明显，变化幅度分别为58.19、64.49mmol·m-2·h-1。

3 CO2排放速率影响因素分析

3.1 芦苇群落特点对土壤CO2排放速率的影响差异

一般认为，旺盛的湿地植物群落CO2排放较少，表现为碳汇。研究发现在滨海芦苇湿地，生长季CO2净吸收量随着叶面积指数的增长而增大。在北方苔草泥炭湿地，叶面积指数低的苔草湿地作为CO2的源，而有高叶面积指数的苔草湿地却表现为CO2的汇。本研究中低矮芦苇湿地CO2排放速率远高于成熟芦苇湿地的，而且抗干扰能力远弱于后者，水位及气温变化能够显著改变低矮芦苇湿地CO2排放速率，而对于成熟群落，则变化不大。

3.2 水位变化对芦苇湿地CO2排放速率的影响

湿地CO2排放的主要来源包括有机质矿化、电子受体的还原过程如三价铁的还原或硫酸盐的还原等。CO2的排放速率与温度、水分条件有密切关系，当温度一定时，水分条件决定了湿地土壤含氧程度，进而决定湿地有氧和厌氧生物过程在湿地中的位置和程度。一般认为，水位升高会导致CO2排放量减小，如Burkett等发现，湿地在排干或半排干状态下，水位降低会成为CO2的源，CO2排放速率增大，而水位高时CO2排放速率减小；Silvola等发现湿地在水位较低时，由于在有氧条件下有机物质具有更高的分解速率，因此CO2排放速率随着水位的降低而增大。笔者研究发现，随水位上升低矮芦苇湿地CO2排放速率减小，这与其他研究结果一致。然而，相关研究中，水位与CO2排放并未有明显相关性（见表1，在P=0.01、P=0.05显著性水平下未发现明显相关），说明这一特征并不稳定。随水位上升成熟芦苇湿地CO2排放并未表现出一致的规律，已有证据表明，气体排放与水位、气温、植被生长状况等因素都有明显关系。成熟芦苇群落CO2排放速率随水位的上升，并未表现出一致的减小规律，这与芦苇的生长状态有关，在干旱时（水位<-10cm），土壤呈厌氧环境，植物根系呼吸及微生物活动排放增加CO2排放活躍，随水位上升，土壤中含氧量逐渐减小，CO2排放量随之减小，当水位逐渐上升到地表附近时，地表土壤腐殖质层由干变湿，分解速度加快，这可能是水位从-10cm到10cm出现波峰的原因，随着水逐渐淹没土表，CO2排放量减小，当然，其中的具体机理仍需进一步研究。

3.3 气温变化对芦苇湿地CO2排放速率的影响

很多研究已证明，气温是影响湿地温室气体排放的主要因素。如胡启武等发现鄱阳湖苔草湿地中土壤温度是CO2通量的主要控制因子，可以解释呼吸速率80%以上的变异；汪青等发现湿地CO2排放与15cm深处的土壤温度成显著正相关，但与气温的相关性较弱。尽管气温与CO2排放成正相关已被有些学者认同，但仍有一些不同意见。Aurela等的研究表明，气候变暖将增加生长季的时间，有益于而不是危害泥炭地碳库。Corradi等通过对比研究不同纬度湿地和苔原生态系统，认为全球变暖将增强而不是削弱湿地CO2汇的能力。本研究中，各条件下CO2排放速率随气温上升有减小趋势，但其拟合度很低，可能是干扰因素过多导致的，本研究结果支持随气温上升湿地碳汇效应增加的观点。对于气温变化所造成的影响，低矮群落要大于成熟群落，干环境要大于湿环境，成熟湿地表现了对气候调节的稳定性。

4 结论

黄河中游芦苇湿地CO2排放速率主要受水位、气温及群落状况因素影响，但各因素相关性较为复杂。随水位上升，低矮、成熟群落样地的CO2排放速率基本表现为减小趋势，除了成熟群落在水位-10～10cm时CO2排放速率有一次增大的波动。随气温上升，各类型群落CO2排放速率有减小趋势，但其拟合度不高。

低矮芦苇群落CO2排放速率在水位、气温变化时表现出比成熟群落数值更大、变化趋势更明显、变化范围更大，当由干变湿时，其变化特点变得较为不明显。

气候变化过程中，湿地受到气温和水位变化的影响，其CO2排放表现出规律性和复杂性，芦苇湿地越成熟所受影响越小，水分条件好的芦苇群落受到的影响较小。