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《南京大学》 2015年
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滨海湿地温室气体通量及影响因素分析

许鑫王豪  
【摘要】:滨海湿地作为陆地和海洋的过渡区域,严格的厌氧环境导致其在储存大量碳的同时排放CO_2、CH_4和N_2O等温室气体,而且特殊的水文周期和植被状况使得滨海湿地的源汇功能与内陆湿地不同,在全球变化中发挥着重要的作用。然而环境条件的恶劣、影响因素的复杂以及野外采样的困难,使得对滨海湿地温室气体排放通量的研究,相对于陆地生态系统比较缺乏。对江苏滨海湿地实地勘察后,本研究选取盐城国家级珍禽自然保护区核心区为试验区,区域内植被自海向岸呈明显的演替序列,依次是:无植被覆盖的光滩(BF,Bare mud Flat),有植被覆盖的互花米草滩(SAF,Spartina alterniflora Flat)、碱蓬滩(SGF,Suaedaglauca Flat)、芦苇滩(PAF,Phragmites australis Flat)以及藨草滩(STF,Scirpus triqueter Flat)。2012年8月至2014年4月,运用改进的静态箱观测了不同植被覆盖和水文条件下,温室气体(CO_2、CH_4和N_2O)通量的时空变化以及影响因素,重点探讨了滨海湿地特殊的环境要素:以潮汐为代表的自然因素、以互花米草为代表的外来种和以土地利用变化为代表的人类活动,对滨海湿地温室气体通量的影响,在此基础上,分析了滨海湿地的全球变暖潜能(GWP,Global warming potential)和源汇功能,比较了外来种引进和土地利用变化等人类活动对滨海湿地全球变暖潜能的影响。主要结论如下:(1)温室气体通量具有明显的时空异质性。在植被不同生长阶段,CO_2通量的昼夜变化呈双峰分布,峰值出现在气温急剧上升和下降的时刻,一般为早上6点或者9点以及下午6点,在中午12点的时候,出现短暂的下降,最小值一般出现在凌晨。在植被不同生长阶段,N_2O通量的昼夜变化既有单峰分布,也有双峰分布,但是峰值与CO_2通量一样,均出现在气温急剧变化的时刻,且植被不同生长阶段日均N_2O排放通量不存在显著的差异性(P0.05)。CH_4通量的昼夜变化则不具有明显的规律性,除植被生长中期外(6月份),在其他植被生长阶段,夜晚CH_4排放都明显大于白天。在植被生长中期和旺盛期,表现为CH_4的排放源(0.199 ± 0.142和0.022 ± 0.442 mg m-2h-1),在非生长季和生长初期表现为CH_4的弱吸收汇(-0.007 ± 0.163和-0.057 mg m-2h-1)。在季节变化尺度上,CO_2通量表现为夏季最高(588.811 mgm-2h-1)、冬季最低(136.541 mgm-2h-1),春秋季居中(305.846 和 370.193 mgm-2h-1)。滨海湿地春季表现为对CH_4的弱吸收(-0.02 mg m-2h-1),夏季转化成CH_4的排放源(0.250mg m-2h-1),到秋季CH_4的排放量达到最大(0.364mg m-2h-1),冬季(0.O82mg m-2h-1)逐渐减少。在2012~2014年间,春季、夏季、秋季和冬季的平均N20通量分别是10.100,10.592,8.063和13.413 mg m-2h-1,且不存在显著的差异性(P0.05)。2013~2014年间较低的年累积降雨量和较高的年平均温度导致年均CO_2排放通量(363.880 士 237.466 mg m-2 h-1)大于2012~2013年均CO_2通量(336.660 ± 199.091 mg m-2 h-1)。CH_4通量的年变化与 CO_2 相反,即 2012~2013年均 CH_4通量(0.224±0.25Omgm-2h-1)大于 2013~2014 年间(0.141 ±0.163mg m-2h-1),然而不同植被覆盖下,CH_4通量的年变化主要由年累积降雨量和潮滩的积水深度的共同决定的。N_2O通量的年变化与CO_2相同,但是在SAF和PAF上,表现为2013~2014年均N_2O排放通量大于2012~2013,在SGF和STF则表现为相反的规律。滨海湿地CO_2和N_2O通量的空间变化由海向陆,均表现为"M"型分布,不同的是,CO_2通量的峰值出现在互花米草滩(SAF),而N_2O通量的峰值出现在芦苇滩(PAF)。滨海湿地的CH_4排放通量均很小,但是却具有明显的空间异质性。芦苇滩CH_4通量值最大,其次是藨草滩,互花米草滩和碱蓬滩居中,以上潮滩均为CH_4的排放源,但是光滩却吸收CH_4。(2)植被类型以及发育程度对温室气体通量的影响。在互花米草生长初期和旺盛期:割除植被后,CO_2通量降低了 41.2%和33.3%,N20通量降低了 65.3%、92.5%,而在非生长季,割除植被有利于CO_2的排放,N20通量却降低了 36.6%。在芦苇生长初期和旺盛期:割除植被后,C02通量分别降低了 43.4%和80.7%,N_2O通量降低了 67.4%、40.2%,而在非生长季,芦苇割除前后CO_2排放通量基本持平,N_2O通量降低了 34.9%。在碱蓬生长中期,割除植被,C02通量降低了 85.3%,旺盛期则不存在明显的变化,非生长季则有利于C02的排放,而对于N_2O,割除植被反而有利于N_2O的排放。割除植被前后CH_4通量的变化比较复杂:在植被生长季初期,割除植被切断了通气组织和底物的供应,因此使得滨海湿地由CH_4的排放变为对CH_4的吸收;在植被生长季旺盛期和非生长季,割除植被虽然切断了通气组织,但是埋藏在地表的CH_4由于凋落物的移开而短暂地释放出来。(3)互花米草的对滨海湿地碳蓄积的影响。综合地上、地下净初级生产力以及年均SOC碳汇率,可知互花米草的年初级生产力为:31.32 t ha-1 a-1,利用插值法计算的互花米草生态系统年累积CO_2和 CH_4 排放量分别是:66.438 ± 8.945th-1a-1 和 2.719 ±7.140 kg ha-1 a-1。净生态系统固定CO_2的量为:22.7t CO_2 ha-1 a-1。2012年由于互花米草的造成江苏滨海湿地固碳:148 877 tC,中国滨海湿地固碳:328 118 tC。(4)潮汐对滨海湿地温室气体通量的影响。三种温室气体通量与潮汐高程不存在显著的相关性(P0.05),淹水显著降低了 CO_2和N_2O的排放通量,但是对CH_4排放通量的影响却比较复杂,主要取决于植被的类型以及生长期、通气组织的发育程度、淹水时间的频率和长短以及温度的综合作用。(5)土地利用变化(LUCC)对滨海湿地温室气体通量的影响。以稻田为例,利用插值法计算的年累计排放CO_2、CH_4和N_2O的排放量依次为 25.900 士 4.420t ha-1 a-1,79.486 ± 114.592 kg ha-1 a-1 1.872±0.422 kg ha-1 a-1。通过比较自然湿地和人工湿地的的年均累积温室气体排放量,可知,自然湿地转化成稻田后,CH_4和N_2O排放量显著增加。(6)滨海湿地全球变暖潜能以及源汇功能。在整个观测期间,GWP在时间尺度上(从夏季到春季),呈现不对称的"V"型分布,最大值出现在夏季(2.975 kgha-1s-1;54.6%),秋季次之(1.175 kgha-1 s-1;21.6%),冬季和春季最小,且差异不大(11.6%和12.2%)。而在空间尺度上,自海向岸,表现为不对称的"M"型,峰值出现在SAF和PAF。滨海湿地整体上表现为碳汇,植被类型对潮滩CO_2的固定存在一定的影响,最大值出现在芦苇滩(17.97 tC ha-1 a-1),最小值出现在藨草滩(2.81 tC ha-1 a-1),互花米草滩和碱蓬滩居中。互花米草较高的碳固定和碳排放导致其净生态系统固碳能力相对于芦苇,出现一定程度的减少。本文的研究结果为江苏滨海湿地全球变暖潜能的评估提供规范、连续、系统的监测数据,为江苏盐城通量站的建立提供理论指导,填补粉砂淤泥质潮滩温室气体通量的研究空白,为进一步评估中国滨海湿地源汇功能提供数据支撑和案例分析,为减缓滨海湿地温室气体排放提供重要的科学依据以及管理措施。
【学位授予单位】:南京大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:X16;X171

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