在人类活动的影响下, 温室气体(CO2、CH4和N2O)的持续排放是造成气候变暖的主要原因之一[1]。研究表明：湿地是CO2汇和CH4源[2]。湿地植物通过自身的生命活动固定CO2, 同时又通过物质循环释放CO2和CH4。湿地在化学元素循环中, 特别是在CO2和CH4等温室气体的固定和释放中起着重要的“开关”作用[3]。湿地碳通量研究主要关注CO2和CH4的排放问题以及影响它们蓄积或者排放的因素[3]。目前基于微气象原理的涡度相关法已成为直接测定大气与群落CO2交换通量的主要方法, 也是世界上CO2和水热通量测定的标准方法[4]。
目前国内学者利用涡度相关技术已经在高寒湿地[5-10]、河口三角洲湿地和滨海湿地[11-16]等湿地生态系统开展了CO2通量研究。但是, 目前针对亚热带湖泊湿地生态系统的有关研究相对较少, 尤其是针对鄱阳湖湿地的研究则更少。胡启武等[17-18]利用密闭箱-气相色谱法测定了非淹水期鄱阳湖苔草湿地CO2释放通量和鄱阳湖典型苔草湿地的CH4释放通量。王佳佳等[19]利用密闭箱-气相色谱法测定了鄱阳湖星子湿地的CH4排放通量。尚未有利用涡度相关技术对鄱阳湖南矶湿地进行CO2通量观测的研究报道。
依托鄱阳湖南矶湿地野外综合试验站, 利用涡度相关技术所获CO2通量数据，分析鄱阳湖南矶湿地净生态系统CO2交换量(net ecosystem CO2 exchange, NEE)日变化特征, 并探讨鄱阳湖湿地NEE日变化的影响因素, 为亚热带湖泊湿地生态系统碳循环研究提供基础资料。
1 研究区概况与研究方法 1.1 研究区概况鄱阳湖南矶湿地综合试验站位于鄱阳湖南矶湿地国家级自然保护区内, 该地区属亚热带湿润季风气候区, 热量丰富, 雨量充沛, 无霜期长, 四季分明。年无霜期为246~275 d, 年平均气温为17~17.8 ℃, 年日照时数为2 008~2 105 h, 年降水量为1 368~1 633.8 mm[20]。整个保护区处在水陆过渡带, 土壤类型主要为草甸土、草甸沼泽土和水下沉积物, 成土母质为近代河湖冲积物和沉积物等, 南山和矶山岛土质为红壤土。
鄱阳湖最大的特点是年内巨大的水位变化, 南矶湿地的景观随其水位变化而变化。在丰水期湿地植被被淹没, 湿生草本植物进入休眠期, 以沉水植物和部分挺水植物、水生植物群落为主; 在枯水期, 洲滩逐渐显露, 大部分水生植物枯死, 以苔草群落为优势种群的湿生草本植物生长茂盛[21]。
1.2 数据来源研究数据来源于鄱阳湖南矶自然保护区野外综合试验站, 该试验站的涡度通量观测系统包括LI-7700开路式CH4分析仪、LI-7500A开路式CO2/H2O分析仪、三维超声风速仪和数据采集器等, 可以自动测量并存储地表与大气相互作用时近地气层的瞬时三维风速、温度、CO2、H2O和CH4脉动, 采用微气象学湍流涡动协方差方法处理可获得CO2、H2O和CH4通量等地表与大气之间的物质与能量交换量数值。该系统还搭载了常规气象要素测定系统。采用2015年4月—2016年7月的星子站水位数据作为参考。
1.3 数据处理采用Eddypro软件(LI-COR公司)对涡度相关仪的原始10 Hz数据进行处理, 以Express版块为主要处理流程。主要处理步骤:原始采集数据经坐标旋转修正(二次坐标轴旋转), 除趋势修正(块平均), 数据同步(默认值下最大协方差), 统计检验(异常值计数/去除、振幅分辨率、缺失值、绝对限度、偏度和峰度), 密度修正，水热校正, 超声虚温修正, 谱修正, 迎角修正, 数据质量控制标记等, 得到30 min的通量数据。由于大气稳定度、天气原因以及仪器的物理限制等影响, Eddypro软件输出的30 min通量值仍然存在一些野点, 需要进一步进行质量控制:(1)剔除异常值(-9999);(2)剔除降水时期的通量; (3)以每个月的光量子通量密度(photosynthetic photon quanta flux density, PPFD)600~1 600 μmol·m-2·s-1为界, 得出每月对应的CO2通量最大值(Amax), 以Amax为阈值剔除该月份CO2通量极端值; (4)剔除夜间摩擦风速低于0.1 m·s-1的通量数据; (5)剔除夜间通量为负的数据, 总计剔除数据所占比例为30.9%。
采用数据插补方法, 对通量数据进行预处理。数据插补方法如下:(1)小于3 h的短时缺失数据用线性内插法。(2)大于3 h的缺失数据, 分日间数据和夜间数据分开插补。当PPFD≥1 μmol·m-2·s-1时，定义为日间段; 当PPFD＜1 μmol·m-2·s-1时, 定义为夜间段。利用平均昼夜变化法, 用相邻几天(7~14 d)的相同时段观测数据的平均值对日间数据进行插补; 利用夜间生态系统CO2交换数据与20 cm深处土壤温度之间的经验公式[22]对夜间数据进行插补, 经验公式为
| ${R_{{\rm{eco}},{\rm{n}}}} = a\;{\rm{exp}}\;(b{T_{\rm{s}}}){\rm{。}}$ | (1) |
式(1)中, Reco, n为夜间生态系统呼吸量(以CO2计), μmol·m-2·s-1; Ts为20 cm深处土壤温度, ℃; a为温度为0 ℃时的生态系统呼吸速率(以CO2计), μmol·m-2·s-1; b为温度反应系数。
2 结果与分析 2.1 南矶湿地生态系统的水位变化由于通量塔配备的水位计在2016年3月才开始投入使用, 故利用2016年4—7月的星子站水位(x)与实测的同时期塔下水位(y)作曲线拟合, 发现两者关系符合线性关系:y=0.816x-10.902, R2=0.988。利用此方程插补2015年4月—2016年3月塔下水位, 得出2015年4月—2016年10月的水位变化, 见图 1。
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图 1 2015年4月—2016年10月通量塔下方的水位变化 Figure 1 Variation of the water level below the flux tower during April, 2015 to October, 2016 |
由图 1可知, 2015年6—7月与2016年5—8月通量塔下方的水位较高, 并依据物候相机所摄照片, 可以获取通量塔下方处于水淹状态的时间段。湿地水文状况是影响湿地碳通量的一个重要因素, 湿地水位和土壤含水量决定着湿地生态系统中土壤的氧化还原环境, 通过影响O2的扩散速率与CO2的传输速率制约着湿地土壤呼吸。因此，根据水位变化情况, 将2015年4—5月、2015年8—10月、2016年4月、2016年9—10月归为未淹水期, 此时湿地生态系统的植物群落主要由苔草(Carex cinerascens)、芦苇(Phragmites australis)和南荻(Triarrhena lutarioriparia)等组成。而2015年7月、2016年5—8月为淹水期, 湿地生态系统除部分洲滩及湖岸高地还出露地表外, 植被多被湖水覆盖, 植被的光合和呼吸作用都受到影响。在退水之后的一段时间内部分植被仍具备继续生长的能力, 在次年1—2月逐渐有新的植被萌发生长并替代原有湿地植被群落。
2.2 南矶湿地NEE的日变化特征将2015年4月—2016年10月每月同时刻的半小时通量数据进行平均, 得到NEE的月平均日动态(图 2)。NEE为正值时表示生态系统向大气中释放CO2, NEE为负值时表示生态系统从大气中吸收CO2。
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图 2 2015年4月—2016年10月南矶湿地净生态系统CO2交换量(NEE)的日变化 Figure 2 Diurnal variation of NEE of the wetland during the period from April, 2015 to October, 2016 |
由图 2可知, 在未淹水期, 南矶湿地NEE日变化大致呈“U”型变化, 夜间NEE为正值, 表现为释放CO2, 日间NEE为负值, 表现为吸收CO2。这与对其他湿地的研究结果[10, 13-14]一致。在淹水期, 南矶湿地NEE日变化无明显规律, 变化幅度较未淹水期小。
由图 2~3可知, 在未淹水期, 06:30—08:00前后, 南矶湿地NEE由正值(释放)转为负值(吸收), 之后随着辐射增加, NEE值逐渐变小, 中午前后CO2吸收量达到最大。之后随着辐射减弱, NEE值逐渐变大, CO2吸收量减少, 在17:00—18:30前后, NEE由负值转为正值, 之后一直呈现CO2释放状态。日间最大CO2吸收量为18.24 μmol·m-2·s-1, 夜间最大CO2释放量为24.92 μmol·m-2·s-1。其中, 2015年9月NEE日变化幅度最大, 日间NEE累积量(每个月的日均NEE累加)达-185.59 μmol·m-2·s-1, 日间CO2吸收量达18.24 μmol·m-2·s-1, 夜间CO2释放量达16.26 μmol·m-2·s-1。另外, 2015年4、9、10月月均日间NEE累积量分别为-154.23、-185.59和-146.15 μmol·m-2·s-1, 而2016年4、9、10月月均日间NEE累积量分别为5.20、80.19和52.39 μmol·m-2·s-1, 2 a间相同时期的3个月之间碳交换量差别很大, 可能与2016年淹水期较长、植被生长受限有关。
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图 3 各个月份南矶湿地净生态系统CO2交换量(NEE)的日变化均值 Figure 3 Mean daily variation of the NEE of the wetland in the months |
由图 2~3还可知, 在淹水期, 南矶湿地NEE明显低于未淹水期, 日间最大CO2吸收量为2.29 μmol·m-2·s-1, 夜间最大CO2释放量为12.66 μmol·m-2·s-1。在淹水期较长时间内, NEE为正值，表现为该生态系统向大气排放CO2, 但某些月份NEE在09:00—16:00前后为负值, 说明该生态系统处于CO2吸收状态, 可能与一些挺水植物进行光合作用而致CO2吸收量大于释放量有关。
2.3 南矶湿地NEE日变化的影响因子分析将NEE月平均日变化与PPFD、气温、土壤温度等环境因子进行相关性分析(表 1~2)。在未淹水期的日间, 南矶湿地NEE月平均日变化与PPFD相关性最高, 与气温、降水、土壤含水量、土壤温度的相关性次之; 而在夜间, 南矶湿地NEE月平均日变化与气温、土壤温度、土壤含水量相关性较高。在淹水期日间, 南矶湿地NEE月平均日变化与PPFD、土壤含水量相关性较高; 而在夜间, NEE月平均日变化与土壤温度、土壤含水量、气温相关性较高。
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表 1 南矶湿地日间NEE月平均日变化与其环境因子的Pearson相关系数 Table 1 Pearson correlation coefficients of monthly mean daily variation of NEE and environmental factors in daytime |
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表 2 南矶湿地夜间NEE月平均日变化与其环境因子的Pearson相关系数 Table 2 Pearson correlation coefficients of monthly mean daily variation of NEE and its environmental factors at night |
对未淹水期日间NEE月平均日变化的影响因子进行主成分分析, 结果见图 4, 第1和第2主成分的载荷分别为31.78%和24.57%。因此，PPFD、气温、土壤温度直接影响南矶湿地NEE月平均日变化, 降水和土壤含水量则对其产生间接影响。
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图 4 南矶湿地NEE月平均日变化影响因子的主成分分析结果 Figure 4 Principal component analysis of the factors affecting monthly mean daily variation of NEE of the Nanji wetland PPFD—光量子通量密度；Ta—气温；P—降水；SWC—土壤含水量；Ts—土壤温度。 |
在淹水期, 湿地生态系统光合作用受到抑制, 呼吸作用因水体的隔断和扩散, 仪器较难监测到生态系统实际碳交换, NEE月平均日变化与现有环境因子的相关关系普遍较弱, 特别是夜间时段。由于缺乏水环境相关指标如溶解氧含量、溶解性有机碳含量、浊度和叶绿素含量等数据, 无法进一步分析该时期NEE的主要影响因素。
3 讨论与结论鄱阳湖的水位波动是影响湿地生态系统碳交换的关键因素。鄱阳湖巨大的水位变化导致南矶湿地生态系统与其他湿地生态系统有很大差别, 在探讨其碳通量变化时需先考虑水位变化。水位变化影响生态系统的植被生长、发育与繁殖以及分布, 进而直接或间接地改变湿地生态系统的碳通量。低水位时, 植被生长旺盛, 植物通过光合作用固定大量CO2, 南矶湿地NEE日变化特征与其他湿地相似。而高水位时, 植被均被淹没, 生长停止, 仅有少量挺水植物和浮游植物生长, 光合作用与呼吸作用受限制, 所以在高水位时该湿地的NEE变化无明显规律。
在未淹水期南矶湿地NEE与其他湿地生态系统相类似。在2015—2016年的未淹水期, 鄱阳湖南矶湿地NEE月平均日变化呈“U”型分布。日间最大CO2吸收量为18.24 μmol·m-2·s-1, 夜间最大CO2释放量为24.92 μmol·m-2·s-1。在日间, 该湿地NEE变化主要受PPFD、气温、土壤温度的影响; 在夜间, 其主要受气温、土壤温度、土壤含水量的影响。
在淹水期南矶湿地NEE可能受到其他因素影响。在淹水期鄱阳湖南矶湿地日间最大CO2吸收量为2.29 μmol·m-2·s-1, 夜间最大CO2释放量为12.66 μmol·m-2·s-1, 月平均日变化无明显规律, NEE与PPFD、气温、土壤温度等因子有关, 但数值上相关关系较弱。因此，开展后续该区域NEE研究应增加对水体环境因子, 如溶解氧含量、溶解性有机碳含量、浊度和叶绿素含量等的监测内容。
| [1] |
IPCC.Climate Change 2013:The Physical Science Basis:Contribution of Working Group 1 to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[R].Cambridge:Cambridge University Press, 2013:143-151.
(  0) |
| [2] |
CAO M K, GREGSONA K, MARSHALLA S. Global Methane Emission From Wetlands and Its Sensitivity to Climate Change[J]. Atmospheric Environment, 1998, 32(19): 3293-3299. DOI:10.1016/S1352-2310(98)00105-8 ( 0) |
| [3] |
马安娜, 陆健健. 湿地生态系统碳通量研究进展[J]. 湿地科学, 2008, 6(2): 116-123. MA An-na, LU Jian-jian. The Progress of Research on Carbon Flux in Wetland Ecosystems[J]. Wetland Science, 2008, 6(2): 116-123. ( 0) |
| [4] |
BALDOCCHI D, VALENTINI R, RUNNING S, et al. Strategies for Measuring and Modeling Carbon Dioxide and Water Vapor Fluxes Over Terrestrial Ecosystems[J]. Global Change Biology, 1996(2): 159-168. ( 0) |
| [5] |
宋涛. 三江平原生态系统CO2通量的长期观测研究[D]. 南京: 南京信息工程大学, 2007. SONG Tao.Long Term Carbon Dioxide Flux Measurements in Sanjiang Plain, Northeastern China[D].Nanjing:Nanjing University of Information Science & Techology, 2007. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10300-2007127469.htm ( 0) |
| [6] |
何奇瑾. 盘锦芦苇湿地碳通量特征与模拟研究[D]. 北京: 中国气象科学研究院, 2007. HE Qi-jin.Characteristics of Net Ecosystem CO2 Exchange Over Panjin Reed Wetland and Its Simulation[D].Beijing:China Academy of Meteorological Sciences, 2007. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-85101-2007075515.htm ( 0) |
| [7] |
李英年, 赵亮, 赵新全, 等. 高寒湿地生态系统土壤有机物质补给及地-气CO2交换特征[J]. 冰川冻土, 2007, 29(6): 940-946. LI Ying-nian, ZHAO Liang, ZHAO Xin-quan, et al. The Features of Soil Organic Matters Supplement and CO2 Exchange Between Ground and Atmosphere in Alpine Wetland Ecosystem[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2007, 29(6): 940-946. ( 0) |
| [8] |
张法伟, 刘安花, 李英年, 等. 青藏高原高寒湿地生态系统CO2通量[J]. 生态学报, 2008, 28(2): 453-462. ZHANG Fa-wei, LIU An-hua, LI Ying-nian, et al. CO2 Flux in Alpine Wetland Ecosystem on the Qinghai-Tibetan Plateau[J]. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(2): 453-462. ( 0) |
| [9] |
ZHOU L, ZHOU G S, JIA Q Y. Annual Cycle of CO2 Exchange Over a Reed (Phragmites australis) Wetland in Northeast China[J]. Aquatic Botany, 2009, 91(2): 91-98. DOI:10.1016/j.aquabot.2009.03.002 ( 0) |
| [10] |
王记明, 陈克龙, 曹生奎, 等. 青海湖高寒湿地生态系统夏季CO2通量日变化及其影响因子研究[J]. 生态与农村环境学报, 2014, 30(3): 317-323. WANG Ji-ming, CHEN Ke-long, CAO Sheng-kui, et al. Diurnal Variation of CO2 Flux From Qinghai Lake Alpine Wetland Ecosystems in Summer and Its Affecting Factors[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2014, 30(3): 317-323. ( 0) |
| [11] |
李玉, 康晓明, 郝彦宾, 等. 黄河三角洲芦苇湿地生态系统碳、水热通量特征[J]. 生态学报, 2014, 34(15): 4400-4411. LI Yu, KANG Xiao-ming, HAO Yan-bin, et al. Carbon, Water and Heat Fluxes of a Reed (Phragmites australis) Wetland in the Yellow River Delta, China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(15): 4400-4411. ( 0) |
| [12] |
HAN G X, YANG L Q, YU J B, et al. Environmental Controls on Net Ecosystem CO2, Exchange Over a Reed (Phragmites australis) Wetland in the Yellow River Delta, China[J]. Estuaries and Coasts, 2013, 36(2): 401-413. DOI:10.1007/s12237-012-9572-1 ( 0) |
| [13] |
杨利琼, 韩广轩, 于君宝, 等. 黄河三角洲芦苇湿地生长季净生态系统CO2交换及其环境调控机制[J]. 应用生态学报, 2013, 24(9): 2415-2422. YANG Li-qiong, HAN Guang-xuan, YU Jun-bao, et al. Net Ecosystem CO2 Exchange and Its Environmental Regulation Mechanisms in a Reed Wetland in the Yellow River Delta of China During the Growth Season[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2013, 24(9): 2415-2422. ( 0) |
| [14] |
王江涛, 仲启铖, 欧强, 等. 崇明东滩滨海围垦湿地生长季CO2通量特征[J]. 长江流域资源与环境, 2015, 24(3): 416-425. WANG Jiang-tao, ZHONG Qi-cheng, OU Qiang, et al. Characteristic of CO2 Flux in the Coastal Reclaimed Wetland of Chongming Dongtan During the Growing Season[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2015, 24(3): 416-425. ( 0) |
| [15] |
葛振鸣, 周晓, 王开运, 等. 长江河口典型湿地碳库动态研究方法[J]. 生态学报, 2010, 30(4): 1097-1108. GE Zhen-ming, ZHOU Xiao, WANG Kai-yun, et al. Research Methodology on Carbon Pool Dynamics in the Typical Wetland of Yangtze River Estuary[J]. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30(4): 1097-1108. ( 0) |
| [16] |
马安娜, 陆健健. 长江口崇西湿地生态系统的二氧化碳交换及潮汐影响[J]. 环境科学研究, 2011, 24(7): 716-721. MA An-na, LU Jian-jian. Net Ecosystem Exchange of Carbon and Tidal Effect in Chongxi Wetland, Yangtze Estuary[J]. Research of Environmental Sciences, 2011, 24(7): 716-721. ( 0) |
| [17] |
胡启武, 幸瑞新, 朱丽丽, 等. 鄱阳湖苔草湿地非淹水期CO2释放特征[J]. 应用生态学报, 2011, 22(6): 1431-1436. HU Qi-wu, XING Rui-xin, ZHU Li-li, et al. Characteristics of CO2 Emission From Carex-Dominated Wetland in Poyang Lake in Non-Flooded Period[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2011, 22(6): 1431-1436. ( 0) |
| [18] |
胡启武, 朱丽丽, 幸瑞新, 等. 鄱阳湖苔草湿地甲烷释放特征[J]. 生态学报, 2011, 31(17): 4851-4857. HU Qi-wu, ZHU Li-li, XING Rui-xin, et al. Methane Emission From a Carex-Dominated Wetland in Poyang Lake[J]. Acta Ecologica Sinica, 2011, 31(17): 4851-4857. ( 0) |
| [19] |
王佳佳, 弓晓峰, 李志龙, 等. 不同季节鄱阳湖湿地的甲烷排放通量[J]. 南昌大学学报(理科版), 2015, 39(3): 286-295. WANG Jia-jia, GONG Xiao-feng, LI Zhi-long, et al. Selenium Deposition Regularity With Different Forms of Selenium in Rat Tissues[J]. Journal of Nanchang University(Natural Science), 2015, 39(3): 286-295. ( 0) |
| [20] |
王晓鸿. 鄱阳湖湿地生态系统评估[M]. 北京: 科学出版社, 2004, 20-60. WANG Xiao-hong. Wetland Ecosystem Assessment of Poyang Lake[M]. Beijing: Science Press, 2004, 20-60. ( 0) |
| [21] |
张全军, 于秀波, 钱建鑫, 等. 鄱阳湖南矶湿地优势植物群落及土壤有机质和营养元素分布特征[J]. 生态学报, 2012, 32(12): 3656-3669. ZHANG Quan-jun, YU Xiu-bo, QIAN Jian-xin, et al. Distribution Characteristics of Plant Communities and Soil Organic Matter and Main Nutrients in the Poyang Lake Nanji Wetland[J]. Acta Ecologica Sinica, 2012, 32(12): 3656-3669. ( 0) |
| [22] |
LLOYD J, TAYLOR J A. On the Temperature Dependence of Soil Respiration[J]. Functional Ecology, 1994, 8(3): 315-323. DOI:10.2307/2389824 ( 0) |