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水文条件变化对三江平原沼泽湿地土壤碳蓄积的影响

侯翠翠  
【摘要】:湿地生态系统是重要的陆地碳汇,水位变化影响湿地碳蓄积功能,短期水位降低效应常表现为碳失汇,而长期效应与湿地类型、气候和水位变化的幅度有关。水文条件是湿地生态系统的基本属性,水分状况决定湿地土壤物理特性和地表植物群落的类型与结构,影响生态系统生产力。湿地开发利用以及工农业耗水等人类活动都时刻改变着湿地的水文情势,迫使湿地面积缩小,湿地功能退化。本文以三江平原典型沼泽湿地为对象,采取野外调查监测、野外控制实验以及室内模拟实验相结合的方法,开展不同水分条件对湿地土壤有机碳含量变化、植物群落演替与生物量积累、土壤-植物之间碳循环关系等的作用研究,揭示了水分条件变化对三江平原沼泽湿地土壤-植被-大气之间碳交换机制的影响。 植物类型与结构以及生物量积累受到积水条件影响,水位增高降低了小叶章群落地上生物量与绝对生长速率,而毛苔草群落地上生物量在17~30cm积水环境下比10~20cm水位增加了47.41%。对于不同湿地植物群落,水位变化增加地上生物量的同时,降低了植物群落的前期生长潜势,使得生长季提前结束。水位增加降低了群落的物种丰富度,提高了群落生物量,并且其碳蓄积向地下部分转移。群落物种丰富度与生物量呈显著线性负相关关系,说明一定程度内较少的物种数量促进了群落的碳蓄积功能。 不同水分条件下典型湿地植物小叶章及毛苔草枯落物分解过程表现出不同的阶段性特征,在生长季内积水条件促进了枯落物的分解,非生长季内与之相反,即水体冻结降低了积水条件下枯落物的分解速率。水位变化影响群落的物种丰富度,而不同物种混合的枯落物的分解速率与单一物种相比明显不同,混合枯落物的分解过程表现为不同单一物种的非加合作用(non-additive effect),且物种类型与物种数量对分解具有较高的主导作用。不同科的物种混合时促进了枯落物的分解;而同一科物种混合后抑制了分解进行,其中小叶章与乌拉苔草枯落物混合时分解速率不受其相对比例的影响。当3种物种混合时,枯落物分解速率受到明显的抑制作用,可以推测物种数量增加可以促进生态系统的碳蓄积功能。 水分条件对三江平原沼泽湿地土壤SOC及其活性碳组分的影响因湿地类型各异。随水位升高,不同湿地类型中土壤轻组有机碳(LFOC)含量显著增加(p0.01)。生长季内毛苔草沼泽湿地土壤中各密度组分有机质含量持续增加,而LFOC较重组有机碳(HFOC)含量增长速度较低,说明毛苔草沼泽湿地土壤具有较高的HF持有能力。小叶章湿地土壤中LFOC与SOC表现出显著正相关关系(r=0.816,p0.01),说明LFOC增多有利于土壤有机碳的蓄积。17~30cm积水深度下毛苔草沼泽湿地MBC与微生物熵均低于10~20cm积水毛苔草沼泽湿地,说明该条件下毛苔草沼泽湿地碳蓄积具有较高的稳定性。 小叶章沼泽化草甸湿地土壤呼吸与水位具有显著的负相关关系,说明湿地积水条件抑制了土壤中有机质的矿化分解。而当积水水位低于-5cm时,CO_2释放速率无显著增加,说明较低的土壤含水量也会抑制土壤呼吸作用。而淹水条件下小叶章湿地土壤CO_2排放速率随水位增高而增大,说明淹水环境下土壤中有机质矿化分解受到除土壤透气性以外的环境因子的影响。培养试验结果显示,淹水条件促进了土壤中有机碳矿化与CH_4排放,并促进了土壤中DOC的释放,该结果可能为高含水量下土壤有机碳矿化量较高的原因,从而说明高水位土壤DOC释放的激发作用可能是促进有机碳矿化及土壤呼吸作用的重要原因。淹水条件降低了土壤MBC与MBN,但微生物C/N与含水量没有线性关系,说明沼泽湿地微生物群落结构对土壤水分条件变化具有一定适应机制。 较高的积水水位显著提高了土壤CH_4排放速率,生长季内15cm积水环境下CH_4排放量是0cm与-10cm积水环境下CH_4排放量的2倍与近30倍。积水水位与土壤CH_4排放量呈显著的指数正相关关系(p0.01)。不同环境下水位增加对土壤CH_4排放的贡献不同。5cm与15cm积水水位之间CH_4排放量差异较为显著(p0.05),而0~-10cm之间不同水位处理之间无显著差异性(p0.05),说明积水水位对生长季小叶章湿草甸土壤CH_4排放的促进作用随水位增加其贡献增强。生长季内淹水环境下土壤碳排放量小于未淹水环境,但高水位积水条件下土壤温室气体的增温潜势较高。最低增温潜势出现在0cm积水条件下,而该条件下湿地碳排放量仅高于于5cm积水环境,说明在湿地生态系统修复等过程中0cm积水环境对土壤碳蓄积具有有利条件。 根系活动可以改变土壤中MBC、MBN、与DOC含量,尤其是提高深层土壤微生物C/N(p0.05),说明根系活动会影响微生物群落结构,并且对深层土壤中微生物群落组成作用尤为明显。根系对土壤呼吸的贡献率受到环境条件的影响。2011年土壤呼吸速率明显高于2010年(p0.01),两个生长季内根系活动产生的CO_2分别占土壤呼吸的47.71%(2010)和40.14%(2011),二者差异不显著(p0.05)。水位与根系呼吸的相关关系不明显,说明湿地植被根系活动对水分的敏感性较低。根系对土壤甲烷排放具有促进作用,并在生长季初期以及8月高排放期表现最为明显。2010年整个生长季根系活动产生的CH_4(1.51g·m~-2)占土壤CH_4排放总量的31.84%(3.15g·m~-2)。但2011年不同处理间CH_4排放无显著差异,小叶章湿草甸土壤表现为CH_4的汇(-0.08g·m~-2),说明了根系对甲烷排放的促进作用在水分充足的环境下更为显著。 根系对沼泽湿地土壤碳排放的贡献受到水位的影响。稳定积水条件降低了根系活动产生的CO_2量,生长季内根系呼吸量大小表现为-5cm10cm0cm5cm,10cm积水条件下根系呼吸占土壤呼吸的比例最高。积水条件影响根系对土壤甲烷排放的贡献能力,在-5cm与0cm积水水位环境下,小叶章根系生长抑制了土壤CH_4排放,以0cm积水水位下最为显著(p0.01)。而在10cm积水水位条件下,根系生长对CH_4排放量表现出促进作用,说明根系对甲烷产生与氧化的作用强度在不同的土壤透气性条件下有所差异。


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