胶州湾潮滩湿地CHBr3通量特征及影响因素研究

宫 健,谢文霞,柴 娜 (青岛大学环境科学与工程学院,山东 青岛 266071)

溴仿(CHBr3)是一种重要的挥发性卤代烃(Volatile halocarbons, VHCs)气体,它们能在大气中发生光化学反应产生 Br自由基.Br自由基能与大气中的OH、O3和NO3等发生反应,对臭氧层造成破坏并且可能改变大气中某些成分(如 CH4、氮氧化物、硫化物等)的浓度,进而对全球温室效应产生显著影响[1-2].虽然在大气中 CHBr3的浓度低于二氧化碳(CO2)的浓度,但从单个分子角度来看,其吸收辐射能力远远大于CO2[3].由于CHBr3等VHCs对全球气候变化所起到的重要作用,他们在海洋等环境中的研究引起各国学者的关注,在各大洋及其近海海域对其源与汇、时空变化、影响因素和海-气交换通量等进行了大量研究[4-8].而对于受海洋和陆地双重影响的滨海湿地挥发性卤代烃排放特征的研究较为缺乏,这将严重影响全球挥发性卤代烃排放通量估算的准确性.滨海湿地具有丰富的底物,土壤有机质含量较高,在全球碳循环中具有重要作用[9].

互花米草(Spartina alterniflora)在1979年从北美被引种到我国沿海地区,由于其超强的繁殖能力和适应能力,对当地生态环境构成严重威胁和破坏,已成为我国沿海湿地最严重的入侵物种[10].有研究表明,互花米草入侵增加了根际土壤碳含量,提高了甲烷(CH4)等温室气体的排放[11-12].互花米草的入侵使湿地生态环境发生很大变化,对其生源要素的循环过程产生一定影响.目前,国内对湿地温室痕量气体排放进行了大量研究,主要集中在黄河口盐沼[13-14],长江口盐沼[15-16],闽江河口湿地[17-18],福建红树林湿地[19].对CH4、N2O和CO2气体的通量特征,影响因素和时空变化等方面进行了研究[20-23].而关于CHBr3通量特征的研究主要在东海,渤海以及黄海海域[24-28],对互花米草湿地 CHBr3通量的研究较为缺乏.Rhew等[29]研究指出,沿海盐沼湿地可能是全球痕量气体的重要来源.鉴于此,本研究选择胶州湾互花米草湿地和光滩为研究对象,对不同潮滩湿地CHBr3排放通量、时空变化和影响因素等进行相关探究,为合理预测全球气候变化提供依据.

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于山东省胶州湾洋河入海口滨海潮滩湿地(120°03′E～120°25′E, 36°10′N～37°12′N).胶州湾为一半封闭型海湾,面积约 438km2,湾内宽阔开敞,自然条件有相对的独立性.胶州湾的潮汐为典型的半日潮,平均潮差2.71m,最大潮差6.87m.研究区平均降雨量 775.6mm,年均气温在 12.2℃,雨热同期,有明显的四季变化,属于暖温带季风气候.土壤类型主要是盐渍土,覆盖植被类型以互花米草为主.

1.2 样地选择与样品采集

在胶州湾洋河入海口依据有无植被覆盖来确定2个研究样地,根据距海远近,依次是互花米草湿地和光滩.在每个采样地分别设置3个平行采样箱,研究采用的数据是基于3个平行采样箱数据的平均值.采样地土壤的基本理化性质详见表1.

本试验原位采样时间跨度为2016年7月～2017年5月,具体采样时间为2016年7月、8月、9月、10月、11月、12月和2017年3月及5月,每月采样1次.采用静态箱法进行气体样品的采集.箱法比较简单,在野外观测中具有移动便利、扩展性强和灵敏度高等特点,尤其是在进行不同土壤类型处理的观测方面拥有不可替代的优势,是湿地痕量气体观测最常用的方法[30].采样装置由箱体(50cm×50cm×50cm)和底座(50cm×50cm×20cm)两部分组成.箱体外部包裹有一定厚度的泡沫,防止由于直接辐射的影响而造成箱内温度的大幅波动.底座上端有一2cm宽,3cm深的凹槽,采样时将箱体罩在底座上,凹槽内填充水进行密封,防止箱体内气体外漏和外界气体进入.箱体内装有用来搅动空气的小风扇,测量箱温的温度传感器,采集气体的三通阀以及平衡箱体内外压力的平衡管.气体测量时间分别为10:00、13:00和16:00,在每个时间点重复测量3次,时间间隔为20min.采集的气体注入到 1L的铝塑复合气袋(化工部大连光明化工研究所生产),在24h内带回实验室用Agilent 6890N气相色谱仪进行分析.在气体样品采集过程中,同步进行气温、箱温和地温(0～25cm)的测量.同时在每个样点进行采集 0～60cm 的土壤样品,测定土壤含水量,盐度,pH值,总有机碳和总硫.其中用重量法测定土壤含水量,电导分析法测量盐度,电位法测pH值.分别用重铬酸钾氧化分光光度法和硫酸钡浊度法测定总有机碳(TOC)浓度和总硫(TS).

表1 不同观测点土壤理化性质比较Table 1 Comparison of environmental conditions of soils at different sampling sites

1.3 通量计算与统计分析

图1 互花米草湿地和光滩在不同月份CHBr3通量变化Fig.1 Variations of CHBr3 fluxes from S. alterniflora marsh and bare flat marsh in different months

图2 不同季节不同潮滩湿地环境温度变化Fig.2 Variations of environment temperatures in different marshes in different season

CHBr3排放通量采用下式进行计算:式中:F为气体排放通量, nmol/(m2⋅d);H 为箱体高度,m;h为水位高度,m;Vo为标准状况下气体的摩尔体积,(22.4L/mol);P为采样点气压,Pa;PO为标准状态下空气气压,Pa;T为箱内温度;dc/dt为单位时间箱体内气体浓度的变化率,使用线性拟合气体摩尔浓度随采样时间的变化,相关系数的平方至少大于0.9.

采用One-Way ANOVA对同一地带不同季节以及同一季节不同地带进行单因素差异性方差分析.运用Pearson相关性分析来检测气体通量和环境因素间的相关性.用 Origin2017对数据进行绘图,SPSS20.0对数据进行统计分析.

2 结果与分析

2.1 CHBr3通量特征

图3 不同季节CHBr3通量在不同潮滩湿地之间的空间差异Fig.3 Spatial difference of CHBr3 fluxes among different marshes in different season

整个采样期间,在互花米草湿地和光滩的 CHBr3通 量 范 围 为 -24.97～29.16nmol/(m2⋅d),年 均 值 为8.98nmol/(m2⋅d),整体表现为 CHBr3的排放源.在互花米草湿地和光滩,春夏秋冬四个季节的通量分别为9.21, 21.60, 11.35, 1.50nmol/(m2⋅d)以及 27.83, -2.71,-6.74, 17.47nmol/(m2⋅d).互花米草湿地中,四个季节中CHBr3均表现为排放,夏季排放明显高于其他季节,但季节间没有显著性差异(P＞0.05).在光滩,夏秋季CHBr3表现为消耗,春冬季表现为排放,且不同季节间CHBr3通量没有显著性差异(P＞0.05).从图 3中可知,CHBr3通量在互花米草湿地和光滩之间呈现相反的季节变化趋势,互花米草湿地夏秋季高,光滩冬春季高.互花米草湿地的 CHBr3排放通量要高于光滩,但没有显著性差异.

2.2 环境因子的变化

据图2可知,互花米草湿地和光滩在不同季节间温度变化均比较明显,且两地之间的温度变化趋势较为一致.气温和不同深度地温(0～25cm)之间的变化趋势相似.自春季至夏季,气温和地温(0～25cm)呈增加趋势,且在夏季达到最高值,之后开始减小,在冬季气温和地温均降到最低值.不同采样点间的 pH值具有显著性差异(P＜0.05),且互花米草湿地的pH值显著高于光滩.互花米草湿地的有机质和 TOC含量明显高于光滩,但两个采样点之间均没有显著性差异(P＞0.05).互花米草湿地和光滩的盐度和含水率均没有显著性差异(P＞0.05),在互花米草湿地的盐度和含水率较高.光滩的 TS含量高于互花米草湿地,但两个采样点之间没有显著性差异(P＞0.05).

表2 不同滨海地区CHBr3排放通量的比较Table 2 Comparison of CHBr3 fluxes from different coastal areas

2.3 与其他滨海地区CHBr3通量的比较

表2总结了已发表的不同研究区的CHBr3通量数据.本研究中胶州湾潮滩湿地CHBr3通量的变化范围大于葡萄牙 Ria Formosa泻湖和北黄海的 CHBr3通量变化范围,小于其他研究区CHBr3通量的变化范围.东海冬季 CHBr3平均通量[56.08nmol/(m2⋅d)]要大于南极海岸CHBr3平均通量[32.2nmol/(m2⋅d)]地区测量的CHBr3平均通量,这可能是由于南极海岸地区温度较低造成的.在渤海和北黄海地区以及东海地区,在不同采样时间,CHBr3通量变化也不一致,这也说明温度变化对CHBr3通量变化有着重要影响.综合来看,各研究区整体均表现为CHBr3通量的“源”.

表3 CHBr3排放通量与环境因子的相关性分析Table 3 Pearson correlation analysis between CHBr3 fluxes and environmental paraments

3 讨论

3.1 环境因子的识别

为了探究影响CHBr3通量的可能主控因素,在本研究中对在采样过程中测量的环境因素进行了主成分分析.在统计学上,一般认为 KMO 检验值大于0.6,Bartlett球形检验概率小于显著性水平 0.01,则适合进行主成分分析.本文对所选取的 12个环境变量进行主成分分析发现,KMO值为 0.795,Bartlett球形检验概率为 0.000,由此判断原是变量存在相关关系,适合进行主成分分析.表4是特征值及主成分贡献率的列表.本研究中使用特征值和累积方差贡献率两种方法来确定主成分的数量.从表4中可以看出,提取的三个特征值大于 1的主成分(1,2,3),它们的累积方差贡献率为 88.859%,表明提取的主成分涵盖了原始变量足够的信息,较好的反映了研究区的环境特征.

根据主成分分析结果(表 5),主成分 1与环境因子X7～X12有较大的正相关,与环境因子X4、X6有较大的负相关,说明主成分 1基本反映了这些环境因子的信息,而这些环境因子主要与土壤有机质和热量有关,因此可以将主成分1看作热量和有机质因子的代表.环境因子X2～X3及X5在主成分2上有较大的相关性,说明主成分2基本反映了这些环境因子的信息,而这些环境因子与水盐条件和土壤营养元素相关,因此将主成分2看作是水盐条件和土壤营养元素的代表.只有环境因子 X1在主成分3上有较大的正相关,因此将主成分3识别为pH因子.通过逐步引入-剔除法 (stepwise)建立这些环境因素与CHBr3通量的回归方程:

式中:Y为CHBr3通量,X6为气温.

表4 特征值及主成分贡献率Table 4 Eigenvalues and principal component contribution rates

表5 主成分载荷Table 5 Load of principal components

环境因素中只有气温进入回归方程,说明热量的变化对胶州湾滨海湿地系统CHBr3的排放影响显著.回归分析还发现,其他因素对CHBr3通量的变化也有一定影响,虽未达到显著水平但也不容忽视.

3.2 温度

温度是影响痕量气体排放的重要因素,通过影响合成酶及微生物的活性,使得 CHBr3通量有明显的季节变化[33].温度是季节性变化较为明显的影响因子.在互花米草湿地,CHBr3通量的季节变化与温度的季节变化相一致.CHBr3排放的最大通量与温度的最大值均出现在夏季,而在冬季温度达到最低时,CHBr3通量也处于最低值,本实验结果说明温度是影响 CHBr3季节性通量变化的重要因素.这与Rhew等[34]的研究结果相一致.温度能够影响生物反应速率以及土壤和大气之间的气体交换速率[35].夏季温度较高,微生物活动增强,气体产生和排放速率增加;温度较低时,微生物和酶活性不能正常发挥,有机物的降解速率降低,这可能是互花米草湿地夏季 CH3Br通量大于冬季的重要原因.Redeker等[36]对水稻土的研究发现,卤代烃的排放通量与气温之间具有显著相关性.本研究中也得出了相同的结论,由CHBr3通量与环境因子的相关性分析(表3),互花米草湿地不同深度地温(0～25cm)与CHBr3通量之间呈极显著正相关,说明温度对 CHBr3排放具有一定的促进作用,是影响CHBr3通量的重要因素.

在光滩,CHBr3通量与温度的季节变化呈相反的变化趋势,在温度较高的夏秋季节,CHBr3的排放通量反而要低于温度较低的冬春季节.有研究指出,在中高纬地区,发生在冬季和初春的冻融交替过程是影响湿地痕量气体排放的重要过程[37-38],这一结论已在湿地 N2O排放中得到验证.而本研究位于中纬度地区,在冬春季节土壤表层会发生冻融循环过程.因此,在冬春季较高的 CHBr3通量也可能与冻融循环现象有关.此外,由表 3,光滩的气温与 CHBr3通量之间呈极显著负相关(P＜0.01),各土层深度的地温(0～25cm)与 CHBr3通量相关性不显著,这表明温度可能不是影响光滩 CHBr3通量的主要因子.夏秋季节较低的CHBr3通量可能与多种影响因子的交互作用有关.产生这种情况的原因一方面可能是由于光滩环境更为复杂,温度和其他生物和非生物因子产生复杂的交互作用,从而将温度的效应掩盖,没有体现出来.另一方面,本实验没有在完整的涨落潮循环过程中测量气体通量和环境因子,这可能导致一些重要环境因子的变化被错失.

3.3 土壤理化性质

CHBr3的产生和排放是一个复杂的过程,与土壤微生物和酶活性等密切相关.土壤理化性质的变化能引起微生物等发生相应的改变,从而对气体通量变化产生影响.

盐分是影响气体排放的重要因子.Xu等[39]研究表明,过高的盐度会降低微生物的降解速率.盐度过高会通过渗透压胁迫抑制土壤微生物活性,从而降低有机质分解速率,最终影响气体产生和排放[40].

水分含量可以直接影响气体扩散速率,微生物活性和氧气可利用率,并间接影响土壤pH等与气体产生相关的因素,从而对气体排放产生影响[41].本研究中,观测期间的潮汐较弱,在互花米草湿地和光滩受潮汐作用影响不大.CHBr3通量与含水率之间相关性均不显著,可能是由于不同样区之间土壤含水率没有显著差异,导致 CHBr3排放受土壤含水率的影响不明显.潮汐是沿海湿地的典型影响因素.潮汐作用通过各种物理、化学和生物过程,来影响湿地土壤生源要素的循环过程[42].海水中含有丰富的卤离子和甲基供体,随潮汐循环过程带入湿地,为卤代烃气体产生提供了必要条件.已有研究证明[43-44],甲基供体(如 S-腺苷甲胺酸 SAM和二甲基硫丙酸 DMSP)对卤离子的甲基化过程可以形成卤代烷烃,是盐沼卤代烃自然生产的重要过程.此外,潮水是卤代烃排放的重要源.很多研究表明[26,45],海水中有较高的CHBr3排放.沿海湿地中CHBr3等卤代烃的排放通量有来自潮水的贡献.潮汐对气体通量的具体影响机制和过程还需要进一步的探究.

土壤 pH是微生物代谢过程中重要的影响因素.pH的变化会对微生物和酶活性产生影响,进而影响气体的排放.有研究表明[46],当pH由强酸性向中性范围变化时,土壤微生物数量会随着 pH的升高而增加.Weissflog等[47]研究发现,挥发性卤代烃排放量在pH呈酸性的湖泊要比pH呈中性的湖泊低.在本研究中也得到了相似的结果,互花米草湿地的 pH低于光滩,因而CHBr3通量也较光滩高.土壤pH会影响微生物的生存、活性和数量,较低的 pH会减少微生物的多样性,从而减少气体的产生[48-49].

在互花米草湿地和光滩,土壤有机质含量存在空间差异,互花米草湿地土壤有机质和TOC的含量高于光滩区.盐沼土壤有机质分布的空间差异,会影响到土壤微生物种类和数量的空间差异性[50],进而影响气体通量.王进欣等[51]研究表明,有机质含量较高的湿地对应较高的气体通量,且气体通量与土壤有机质之间有具有相关性.在本研究中得出了相同的结果,有机质含量较高的互花米草湿地的气体通量高于光滩.但CHBr3通量与有机质在互花米草区相关性不显著,光滩区呈显著负相关.这种差异可能是由于不同地区间地形、坡度、水文和物种组成等条件的差异造成的[50].另一方面也说明气体通量并不仅仅受单一因素的影响,有机质和其他因素的交互效应具有重要作用.

3.4 植物

研究区植被以互花米草为主,属于维管束植物,具有高度发达的通气组织,能为气体排放提供通道[21].已有研究表明[53],通过米草等通气组织发达的植物,可以有效促进气体从沉积物向大气中扩散.本研究中光滩没有植被覆盖,且CHBr3通量要低于互花米草样区,表明互花米草有利于CHBr3通量的排放.互花米草入侵显著提高土壤有机质含量,随着入侵年限的增加,土壤有机碳含量逐渐增加[54-55].Ruecker等[56]发现,在盐沼环境中,植物和植物相关的微生物群落是挥发性有机物的主要来源.根际区土壤较高的有机质含量可以为真菌等微生物活动提供丰富的碳源,促进微生物分解,并通过植物通气组织输送到大气中.这说明互花米草湿地较高的 CHBr3通量可能与较高的有机质有关(表 1).王进欣等[57]研究发现,卤代烃排放的季节变化更多的受植物地上生物量的影响.在本研究中,得到了相似的结果,在生长季(夏秋季)的 CHBr3通量明显高于非生长季(冬春季)的 CHBr3通量,这表明互花米草湿地 CHBr3通量的季节变化与植被的生长期变化有明显的对应关系,互花米草生长的季节变化会影响CHBr3通量变化.生长季植被具有更高的生物生产和更大的地上生物量[58],更有利于气体的传输和排放.与生长季相比,冬季互花米草已经枯萎,通过植被进行气体传输的途径受到抑制[14].而且,在冬季,微生物群落和微生物活性远低于其他季节[59].因此,在一定程度上,互花米草具有促进CHBr3排放的作用.

4 结论

4.1 综合来看,胶州湾潮滩湿地是 CHBr3的排放源,互花米草湿地和光滩的 CHBr3通量均值分别为10.92nmol/(m2⋅d)和 8.96nmol/(m2⋅d),互花米草湿地在一定程度上能够促进CHBr3的排放.

4.2 胶州湾潮滩湿地系统中不同潮滩湿地之间CHBr3的排放有明显区别.夏秋季互花米草湿地较高的 CHBr3通量可能主要是受温度和植物生物量变化的影响,而在冬春季光滩较高的CHBr3通量可能与冻融循环现象有关.

4.3 胶州湾潮滩湿地环境条件较为复杂,CHBr3的排放通量受多种因素的影响.其中温度对CHBr3通量的影响显著,而水盐条件和营养元素状况对CHBr3通量的影响也不容忽视.