2018, Vol. 35
2. 广东工业大学 环境科学与工程学院，广东 广州 510006;
3. 广东省环境科学研究院，广东 广州 510030
2. School of Environmental Science and Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China;
3. Guangdong Provincial Academy Environmental Science, Guangzhou 510030, China
作为主要温室气体之一，N2O增温效应约为CO2的190~300倍，CH4的4~21倍[1]，且由于其参与光化反应会破坏大气臭氧层，对气候和环境均具有长期的重要影响. 湿地是大气N2O的一个重要排放源或汇. 一般认为，土壤中微生物主导的硝化和反硝化过程是N2O的主要源，约占生物圈释放到大气中总量的90%[2]，对以上两个过程产生作用的因素都会影响湿地土壤N2O的形成和排放. 目前，国内外学者对湿地N2O的排放过程和生成机制进行了较多研究，研究对象多集中于河口湿地、海湾湿地、沼泽等自然湿地生态系统[3-5]. 自然湿地的N2O排放量相对较低，一般表现为弱源或者汇[6-7]. 与之相比，城市湿地不同于自然湿地，会受到人为的强烈干扰和集中管理[8]，例如湿地植被更多会选择景观性植物类型，土壤多为客土，水文状况受到人为调节等，以上因素都有可能影响着城市湿地的N2O的形成和排放，但相关研究鲜有报道.
本研究选择广州市海珠湖城市湿地为研究对象，通过静态箱−气相色谱法，初步研究了城市湿地3种典型群落类型的N2O排放通量特征及其影响因素. 研究结果增进了对城市湿地N2O排放规律的认识，并为城市湿地N2O排放调控管理、控制和减少温室气体排放提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 研究区域概况研究区选择位于广东省广州市城市中央区域典型的城市湿地——海珠湖国家湿地公园(113°19′5"N，23°4′36"E)，该公园总面积1.5 km2，其中湖心区湿地0.95 km2(水面面积0.53 km2，陆地面积0.42 km2). 年均气温22.3 °C，年均降水量为1 801.5 mm. 海珠湖水生植物优势种有美人蕉(Canna indica)、野芋(Colocasia tonoimo)、蓝花草(Aphelandra ruellia)等.
1.2 实验样品采集与处理分别选取了海珠湖湿地典型的植被类型，包括美人蕉、野芋、蓝花草以及无植被样地为观测对象，分为淹水区和无水区两种水位状况，共计设置采样点8个(见图1)，每个点重复2次.
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图 1 本研究实验样地示意图 Figure 1 Schematic diagram of the experimental sample |
采用静态暗箱−气相色谱法进行N2O观测. 采样箱采用标准式组合设计，由底座(50 cm×50 cm×20 cm)、顶箱(50 cm×50 cm×50 cm)、延长箱3个部分组成，采集气体样品时各部分之间均用水密封. 底座在整个观测期固定埋设在采样点，露出地面约10 cm. 根据湿地植物的生长情况，采用不同数量的延长箱. 本实验观测期从2013年12月~2014年11月，采样频率为每月一次，每次9:00~11:00之间采样，用Agilent 7890A气相色谱仪测定N2O浓度；同时监测并记录相对应的湿地植物生长状况和环境参数(温度、pH、土壤含水率等).
1.3 计算方法与数据处理| ${ {F}} = \rho \times { {H}} \times \frac{{ {P}}}{{{{ {P}}_0}}} \times \frac{{{{ {T}}_0}}}{{ {T}}} \times \frac{{\Delta { {C}}}}{{\Delta { {t}}}},$ | (1) |
式中，F为气体交换通量(mg·m–2·h–1)，ρ为标准状态下N2O气密度(1.964 mg/mL)，P为采样点的气压(kPa)，H为采样箱高度(m)，T为采样时大气温度(K)，P0、T0分别为标准状态下的大气压和空气绝对温度，∆C/∆t为气体质量浓度随时间的变化率. 当F为负值时，表示系统从大气吸收N2O，是N2O汇；正值时表示系统向大气排放N2O，是N2O源[11-12]. 采用SPSS 19.0和Excel 2007软件进行数据处理和分析.
2 结果与分析 2.1 N2O通量季节性变化特征不同植被类型在无水区N2O通量的实验(见图2)表明，美人蕉群落N2O年平均通量为0.029 mg·m–2·h–1，11月达到峰值，为0.10 mg·m–2·h–1，10月出现最低值，为0.007 3 mg·m–2·h–1. 野芋群落年平均通量为0.089 mg·m–2·h–1，11月达到峰值，为0.10 mg·m–2·h–1，5月出现最低值，为– 0.042 mg·m–2·h–1. 蓝花草群落年平均通量为0.013 mg·m–2·h–1，4月达到峰值，为0.073 mg·m–2·h–1，7月出现最低值，为0.027 7 mg·m–2·h–1. 而无植被覆盖湿地年平均通量为0.005 8 mg·m–2·h–1，7月通量达到峰值，为0.019 mg·m–2·h–1，3月最低值为– 0.006 5 mg·m–2·h–1，在3月由N2O的源转化为汇.
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图 2 不同植被无水区N2O通量时间变化规律 Figure 2 Temporal variations of N2O flux for different vegetable types in dry zone |
不同植被类型在淹水区N2O通量有较大的季节性差异(见图3). 其中，美人蕉群落N2O年平均通量为0.016 mg·m–2·h–1，4月达到最大值，为0.076 mg·m–2·h–1，5月出现最低值，为–0.026 mg·m–2·h–1. 野芋群落N2O年平均通量为0.006 9 mg·m–2·h–1，4月通量达到峰值，为0.038 mg·m–2·h–1，7月出现最低值，为– 0.002 3 mg·m–2·h–1. 蓝花草群落N2O年平均通量为0.022 mg·m–2·h–1，10月达到峰值，为0.065 mg·m–2·h–1，4月出现N2O通量最低值，为0.000 54 mg·m–2·h–1. 而无植被覆盖湿地N2O年平均通量为0.020 mg·m–2·h–1，4月达到峰值，为0.072 mg·m–2·h–1，7月出现N2O通量最小值，为– 0.005 8 mg·m–2·h–1，在3、7、11月由N2O的源转化为汇.
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图 3 淹水区N2O通量时间变化规律 Figure 3 Temporal variations of N2O flux in submerged zone |
生态系统的N2O通量与土壤温度、大气温度呈正相关关系[13-14]. 硝化和反硝化作用的最适温度范围为25~35 ℃[15]. 在一定温度范围内，土壤微生物的活性以及N2O的排放速率通常随土壤温度升高而增加，但过高的土壤温度以及较低的土壤含水量也会降低土壤微生物的活性，从而减少湿地土壤N2O的排放[16]. 对于淹水区，美人蕉、野芋以及对照组在25 ℃左右N2O通量最大，而蓝花草群落在30 ℃左右N2O通量最大(见图4)；对于无水区，美人蕉、对照组在30~35 ℃ N2O通量最大，而蓝花草在25 ℃左右N2O通量最大，野芋合适温度表现不明显(见图5). 导致这种现象的原因可能在于城市湿地生态系统的影响因素较多，在特定的土壤理化条件下，温度不一定成为湿地N2O通量的最为突出的影响因素.
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图 4 淹水区N2O通量与大气温度的关系 Figure 4 Relations between N2O flux and temperatures in submerged zone |
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图 5 无水区N2O通量与大气温度的关系 Figure 5 Relations between N2O flux and temperatures in dry zone |
无水区和淹水区的美人蕉、蓝花草和野芋群落N2O排放通量均与空白对照组无显著性差异(p>0.05)，考虑到土壤中硝化和反硝化反应、硝化细菌反硝化以及硝态氮异化还原成铵等是产生N2O的主要途径[17]，而以上3种湿地植被都是常绿型植物，对根基的硝化和反硝化微生物影响不大，从而导致不同植被类型N2O排放差异不显著.
2.2.3 水文条件对N2O通量的影响淹水区植物(美人蕉、蓝花草、野芋)的N2O排放通量与无水区的无显著性差异(p>0.05)，而淹水区的空白样方的N2O排放通量明显高于无水区的N2O通量，达到极显著差异(p>0.01). 说明水位是影响湿地N2O排放的重要控制因子之一，与有关研究结论一致[18-19]. 水位主要通过影响土壤环境中的理化反应以控制土壤环境的N2O的排放量，随着水位升高，淹水区湿地会淹没在湖水中，湖水中所含的铵态氮会进入土壤环境，为土壤当中的一系列生化反应提供底物，从而提高湿地土壤N2O的排放.
2.3 与其他地区研究对比分析海珠湖城市湿地3种植被类型N2O的通量为0.006 9~0.022 mg·m–2·h–1，与其他类型自然湿地相比，比水田湿地[20-21]、河岸湿地[22-23]、高山湿地[24]释放更少N2O，和博斯腾[14]滨湖湿地释放较接近(见表1). 有可能是因为海珠湖湿地建设时间较短，湿地的厌氧环境不利于厌氧微生物的活动，导致湿地的N2O产生量也相对较少[25]；当然，本研究仅开展了一年的观测，也会存在有试验误差. 后期可以延长观测时间，并针对温度、水文等重要影响因素开展对比控制试验，从而进行深入分析.
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表 1 不同湿地N2O通量的比较 Table 1 Comparison of N2O flux from different wetlands |
海珠湖城市湿地不同植被类型的N2O通量具有较明显的季节性差异. 在淹水区，美人蕉、野芋群落以及对照组均在4月达到峰值，分别为0.076 mg·m–2·h–1、0.038 mg·m–2·h–1、0.072 mg·m–2·h–1，蓝花草群落在10月达到峰值为0.065 mg·m–2·h–1；在无水区，美人蕉群落和对照组均在7月达到峰值，分别为0.079 mg·m–2·h–1、0.019 mg·m–2·h–1，蓝花草群落在4月达到峰值为0.073 mg·m–2·h–1. 在城市湿地生态系统中，土壤是N2O湿地生态系统中最主要的来源，植物对其影响不大，水文状况是影响湿地N2O排放的重要环境因素. 不同植被群落N2O通量最大的合适温度有所差异，但总体表现为温度处于25~35 ℃时，N2O通量最大. 其中，在淹水区美人蕉和野芋、蓝花草群落分别在25 ℃、30 ℃左右N2O通量最大；在无水区美人蕉在30~35 ℃时 N2O通量最大，而蓝花草在25 ℃左右N2O通量最大. 城市湿地比大部分自然湿地释放更少N2O，在城市湿地生态系统保护与建设过程中需要给予关注. 本研究认为，温度和微生物生活的氧化还原环境是影响城市湿地N2O排放通量的主要因素，下一步可开展不同季节的控制模拟试验，从而进一步探究N2O排放通量特征.
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