2023, Vol. 43文章信息
- 黄庄, 王维奇, 仝川, 王纯
- HUANG Zhuang, WANG Weiqi, TONG Chuan, WANG Chun
- 模拟盐度脉冲耦合潮汐过程对闽江河口湿地土壤含碳温室气体排放的影响
- Modelling the effects of salinity pulses coupled with tidal processes on carbonaceous greenhouse gas fluxes in wetlands of the Min River estuary
- 生态学报. 2023, 43(22): 9294-9304
- Acta Ecologica Sinica. 2023, 43(22): 9294-9304
- http://dx.doi.org/10.20103/j.stxb.202208242421
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文章历史
- 收稿日期: 2022-08-24
- 采用日期: 2023-04-07
2. 福建师范大学湿润亚热带生态-地理过程教育部重点实验室, 福州 350117
2. Key Laboratory of Humid Sub-tropical Eco-geographical Process of Ministry of Education, Fujian Normal University, Fuzhou 350117, China
湿地因其具有较高的初级生产力, 固定和储存了大量的碳, 成为温室气体的重要源或汇, 在全球气候变化中有着特殊的地位和作用[1—2]。河口湿地是重要的湿地类型之一, 虽然其面积仅占全球湿地总面积的3.4%[3], 却具备全球重要的碳汇功能, 年平均碳积累速率约为250—500 g/m2[4]。因此, 探究河口湿地土壤有机碳动态, 对于科学预测全球气候变化背景下河口湿地碳汇功能演变具有重要意义。
近年来, 全球气候变化导致的海平面上升加剧了沿海地区台风风暴潮等极端天气事件发生的频率和强度, 引起短期脉冲式盐水入侵, 叠加周期性潮汐变化, 已成为影响河口湿地土壤CO2与CH4排放的主要因素[5—6]。目前, 国内外关于盐度或潮汐等单因素对CO2与CH4产生和排放的影响研究已较多。Han等[7]研究发现当潮汐淹水时, 土壤逐渐形成缺氧环境, 进而通过限制植物根区O2有效性和微生物活性来降低土壤含碳温室气体的排放。此外, 淹水还会通过改变O2在土壤中的渗透性和溶解氧的分布影响湿地土壤好氧/厌氧边界的深度和氧化还原状况, 间接影响土壤CO2与CH4的排放[8]。Setia等[9]研究通过不同盐度对土壤CO2与CH4排放的影响发现, 盐度主要是通过改变有机碳矿化的速率和途径, 进而影响土壤CO2与CH4排放, 但土壤有机碳的矿化速率对于盐度的响应可能存在一个阈值效应, 在盐度较低的范围(0—9‰)内土壤有机碳矿化速率与盐度呈正相关[10], 超出这个阈值则随盐度增加而下降。那么, 短期盐度脉冲耦合潮汐过程会对河口湿地土壤CO2与CH4排放产生怎样的影响？相关研究鲜见报道。因此, 开展这一研究, 能够更清晰地探明在饱受台风风暴潮影响地区, 短期盐度脉冲和潮水耦合变化与河口湿地土壤含碳温室气体排放之间的关系, 为精准认识台风风暴潮对河口湿地碳循环的影响机理提供科学参考。
闽江河口湿地位于我国中亚热带和南亚热带过渡区, 是典型的开放式河口湿地, 极易出现台风风暴潮现象, 每年约有5—7个台风影响该区域[11]。台风风暴潮引起的短期盐度脉冲和潮汐变化改变湿地土壤理化性质和水文条件, 影响湿地土壤生物地球化学过程, 进而影响湿地土壤含碳温室气体排放。基于此, 本研究选取闽江河口湿地土壤为研究对象, 通过室内模拟实验, 研究由于风暴潮引起的短期盐度脉冲叠加潮水涨落变化下, 河口湿地土壤CO2与CH4排放特征并分析其主要影响因子, 进一步探讨短期盐度脉冲和潮水涨落变化与河口湿地土壤含碳温室气体排放之间的关系, 并辨析其原因, 其研究结果对科学认知台风风暴潮对河口湿地碳汇功能的影响具有重要价值, 为实现全球变暖背景下湿地生态系统碳中和战略目标和可持续发展提供理论参考。
1 研究区与研究方法 1.1 研究区与采样点闽江河口位于福建省长乐市, 是中国东南沿海典型的河口湿地之一。该区内气候暖热湿润, 年平均气温为19.3℃, 年降水日数为153 d, 年降水量约为1346 mm, 降水多发生在3—9月。芦苇和短叶茳芏为该区主要优势植物群落[12]。潮汐属正规半日潮, 一个潮汐周期内, 土壤约有4个小时处于淹水状态[13], 水体盐度随潮汐变化而呈周期性变化, 表现出从入海口向上游呈现盐-淡水更替的特征并有上溯的趋势[14]。台风是该区域常见的天气现象, 多集中在6—10月, 且由于闽江口的喇叭口地形作用, 极易出现风暴潮现象[15]。本研究采样地位于闽江口道庆洲短叶茳芏淡水湿地(25°57′48″N—25°57′49″N, 119°24′22″E—119°24′25″E), 土壤盐度小于0.5‰[14]。在该淡水湿地内选取短叶茳芏长势均匀、环境条件相对一致的地段作为采样地(图 1)。
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| 图 1 采样点位置图 Fig. 1 Location map of sampling sites |
在选定的短叶茳芏淡水湿地内, 随机布设4个2 m×2 m的样方。在每个样方内, 根据等量、随机和多点混合的原则采样, 利用土钻(直径5 cm, 长20 cm)随机采集多个剖面深度为0—15 cm的土柱, 充分混合后作为1个土样, 共4个混合土样。将混合后的土样放入自封袋密封, 立刻运回实验室, 4℃下冷藏, 一部分用来测定土壤的理化性质, 一部分用来做模拟盐度脉冲耦合潮汐过程的培养实验。土样采集的同时, 在毗邻的潮流中采集适量表层潮水, 过1微米的野外过滤袋后运回实验室备用。所有样品采集均在接近低潮时。
将每个混合土样按比例均匀分配在4个直径20 cm、高40 cm PVC材料制作的培养箱内(培养箱嵌在顶部带槽的不锈钢铁架上, 培养箱底部有一直径1 cm的开口, 并装有水龙头, 打开水龙头阀门可使箱内的水排干, 并在培养箱底垫一层100目的滤网, 防止排水时土样流出), 共16个培养箱。每包含原4个混合土样的培养箱分成1组, 共分成4组。在培养试验开始前, 每个培养箱均用野外采回的表层潮水预培养5 d, 以便使采集回来的土壤系统处于稳定状态。模拟实验开始后, 每天采用热带海水珊瑚礁盐(Cnsic Marine Biotechnology Co., Ltd)溶解于去离子水中, 根据盐度倍增的原则, 配置盐度为0.5‰ (对照组, 为采样点的背景盐度)、2‰、4‰和8‰, 每个盐度处理随机对应一组培养箱(即每个处理4个重复)。同时, 根据采样地附近潮汐涨落规律与淹水深度, 设定模拟潮汐淹水高度为8 cm, 水淹4小时模拟涨潮, 然后手动打开培养箱底部的阀门开始排水模拟退潮[16], 模拟短期盐度脉冲耦合潮汐过程实验连续维持10 d。
1.3 样品采集与测定 1.3.1 气体和水样采集采气时, 盖上培养箱顶盖(培养箱顶部设有凹槽, 采气时往凹槽注水以保证气密性, 顶盖上有两个钻孔, 一个装上橡胶气垫用于取样, 另一个用于测量温度), 用60 mL三通阀注射器抽取培养箱内气体30 mL注入气袋, 每隔20 min采样1次, 共采集3次, 并将采集的3次气体浓度与时间间隔进行线性拟合, 以此计算1个气体通量值[17]。在模拟实验期间, 每天在模拟潮汐前1个小时, 淹水后1个小时, 排水后1个小时以一定的时间间隔各采集3次气体, 分别用于计算不同潮汐阶段的气体通量值。每个潮汐阶段气体采集完后, 均用便携式仪器测定土壤电导率(EC)、温度、pH指标。且每次采气当日均收集下排水样, 并测定下排水样中可溶性有机碳(DOC)、硫酸盐(SO42-)、氯离子(Cl-)、氨态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、亚硝态氮(NO2--N)浓度。本实验中, 由于下排水是指水体通过垂直或水平运动流经土壤剖面的水, 且整个实验期间下排水中的DOC、NH4+-N等含量均未发生明显减少, 表明土壤中的诸多养分并未在短期内流失, 因此, 采样的下排水大致代表了土壤剖面的孔隙水[18]。
1.3.2 气体测定与计算CH4和CO2浓度采用气相色谱仪分析(岛津GC-2014, 日本), CO2与CH4检测器为FID (氢离子火焰化检测器), 载气为氮气, 流速为30 mL/min。氢气为燃气, 流速为47 mL/min, 空气为助燃气, 流速为400 mL/min, 检测器温度为280℃, 分离柱温度为45℃。40 min内采集的3个气体浓度与采样时间存在线性关系, 所有样品的决定系数均在R2＞0.90时才视为有效。CO2、CH4气体采用以下公式计算:
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(1) |
式中, F为气体排放通量(mg m-2 h-1)；M为对应气体摩尔质量(g/mol), V为标准状态下气体摩尔体积(22.4 L/mol), dc/dt为培养箱内气体浓度单位时间的变化(μL L-1 h-1), H为箱高(m), T为采样时气温。
在百年尺度上, CH4单位质量的全球增温潜势(GWP)为CO2的25倍[19], 100年时间尺度上CO2与CH4的全球增温潜势的计算见公式[20]:
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(2) |
式中, GWP为全球增温潜势值(kg CO2 eq/hm2, 以CO2计), CO2为观测期的CO2累积排放量(g/m2), CH4为观测期的CH4累积排放量(g/m2)。
1.3.3 理化因子的测定培养中的土壤pH采用IQ150便携式pH计(IQ Scientific Instruments, 美国)测定；土壤电导率(EC)用2265FS便携式电导盐分计(Spectrum Technologies Inc, 美国)测定。潮后土壤孔隙水经0.45 μm玻璃纤维滤膜(马弗炉400℃烘2 h)过滤后, 采用TOC-VCPH分析仪(TOC-VCPH, Shimadzu, 日本)测定DOC浓度；经0.22 μm有机尼龙滤头过滤后, 采用ICS-2100离子色谱仪(Dionex, 美国)测定其SO42-和Cl-浓度, 采用流动分析仪(Skalar San++, 荷兰)测定其无机氮(NH4+-N、NO3--N、NO2--N)浓度。
1.4 数据处理与分析对测定数据分别运用Microsoft Excel 2016、Origin 2021b、SPSS 22.0统计分析软件进行整理和绘图。采用SPSS 22.0统计软件, 检验所有数据是否符合正态分布和方差齐性, 当检验没通过时, 将所有原始数据对数转换直到符合条件时才进行方差分析。不同盐度处理、不同潮汐阶段的水土理化因子及CO2、CH4排放的差异性检验均采用one-way ANOVA, CO2、CH4排放与水土理化性质的关系采用Origin 2021b的Correlation Plot插件中的Pearson相关系数进行, 运用Canoco 5对CO2、CH4排放与水土理化因子进行冗余分析(RDA)。P＜0.05时, 视为达到显著性水平。
2 结果与分析 2.1 盐度脉冲耦合潮汐过程下的水土理化特征盐度脉冲耦合潮汐过程下的水土理化特征如图 2、3所示。土壤EC随盐度的增加而增加, 除2‰处理外, 不同潮汐阶段各盐度处理均与对照差异显著(P＜0.05)。不同盐度处理及不同潮汐阶段对土壤温度、pH均无显著影响(P＞0.05)。与对照相比, 盐度增加显著提高了土壤孔隙水中NO3--N、Cl-和SO42-浓度(P＜0.05), 但对NH4+-N、NO2--N和DOC无显著影响(P＞0.05)。
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| 图 2 模拟盐度脉冲耦合潮汐过程下的土壤理化特征 Fig. 2 Soil physicochemical characteristics under simulated salinity pulses coupled with tidal processes (n=120) 不同小写字母表示同一潮汐阶段不同盐度之间的差异水平; 不同大写字母表示同一盐度处理下, 不同潮汐阶段之间的差异水平 |
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| 图 3 潮后不同盐度处理土壤孔隙水理化特征 Fig. 3 Physico-chemical characteristics of post-tide soil pore water in different salinity treatments (n=40) |
盐度、潮汐过程及其耦合作用对土壤CO2与CH4排放都具有一定影响(图 4)。不同潮汐阶段, 盐度增加促进了CO2排放, 而CH4排放在不同盐度处理下变化不同, 在盐度小于2‰时, 盐度增加促进CH4排放, 盐度大于2‰时, 盐度增加开始抑制CH4排放(P＜0.05)。潮汐淹水显著抑制CO2排放(P＜0.05), 但是促进了CH4排放(P＜0.05), 且潮后略高于潮中(P＞0.05)。盐度脉冲耦合潮汐过程对CO2排放影响不显著(P＞0.05), 对CH4排放影响显著(P＜0.05)。
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| 图 4 实验期间不同处理下含碳温室气体的累积排放通量 Fig. 4 Cumulative emission fluxes of carbonaceous greenhouse gases under different treatments during the experiment (n=120) 不同小写字母表示同一潮汐阶段不同盐度之间的差异水平; 不同大写字母表示同一盐度处理下, 不同潮汐阶段之间的差异水平 |
盐度脉冲耦合潮汐过程对含碳温室气体全球增温潜势的影响如表 1所示。在潮前和潮后两个阶段, 4‰和8‰盐度处理下全球增温潜势均显著高于对照(P＜0.05)；潮中阶段, 各盐度处理下的全球增温潜势无显著差异(P＞0.05), 且潮中阶段的全球增温潜势显著低于潮前与潮后阶段(P＜0.05)。
| 潮汐阶段 Tidal stages |
盐度 Salinity/‰ |
全球增温潜势Global warming potential/(kgCO2-eq hm-2) | ||
| GWP (CO2) | GWP (CH4) | GWP(CO2+CH4) | ||
| 潮前Before flooding | 0.5 | 15.548(98.64)Ab | 0.215(1.36)Aa | 15.763Ab |
| 2 | 15.817(100.17)Ab | -0.027(-0.17)Aa | 15.790Ab | |
| 4 | 17.808(101.67)Aa | -0.293(-1.67)Ba | 17.515ABa | |
| 8 | 19.938(101.21)ABa | -0.239(-1.21)Aa | 19.699ABa | |
| 潮中Flooding | 0.5 | 3.074(102.13)Ba | -0.064(-2.13)Ba | 3.010Ba |
| 2 | 3.612(92.12)Ba | 0.309(7.88)Aa | 3.921Ba | |
| 4 | 5.360(96.75)Ba | 0.180(3.25)Ba | 5.540Ba | |
| 8 | 2.618(82.66)Ba | 0.549(17.34)Aa | 3.167Ba | |
| 潮后After ebbing | 0.5 | 14.722(95.12)Ac | 0.756(4.88)Ab | 15.478Ab |
| 2 | 16.738(94.50)Abc | 0.974(5.50)Aa | 17.712Aab | |
| 4 | 23.393(96.25)Aab | 0.911(3.75)Aa | 24.304Aa | |
| 8 | 24.232(99.89)Aa | 0.027(0.11)Ab | 24.259Aa | |
| GWP: 全球增温潜势Global warming potential；CO2: 二氧化碳Carbon dioxide；CH4: 甲烷Methane；不同小写字母表示同一潮汐阶段不同盐度之间的差异水平; 不同大写字母表示同一盐度处理下, 不同潮汐阶段之间的差异水平；括号中的数字代表同一处理中, CO2或CH4对全球增温潜势的贡献率(%) | ||||
通过对含碳温室气体排放通量与水土理化因子进行Pearson相关分析发现(图 5), CO2排放与土壤pH呈显著负相关(P＜0.05), 与孔隙水中的NH4+-N呈极显著正相关(P＜0.01), 与NO3--N、DOC呈显著负相关(P＜0.05), 而CH4排放与水土理化均无显著关系。为进一步探讨水土理化因子对含碳温室气体排放的影响, 将含碳温室气体排放与水土理化因子进行RDA分析(图 5), 根据含碳温室气体排放通量到水土理化因子的投影距离越小, 影响越显著, 夹角角度决定正负关系, 锐角为正相关, 钝角为负相关可得, 对含碳温室气体排放解释度最高的是NH4+-N和pH, NH4+-N与CO2呈正向作用, 与CH4呈负向作用；pH与CO2呈负向作用, 与CH4呈正向作用。
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| 图 5 含碳温室气体排放通量与水土理化因子相关性分析及RDA分析 Fig. 5 Correlation analysis and RDA analysis of carbonaceous greenhouse gas emission fluxes with the physicochemical factors of soils and water EC: 土壤电导率；DOC: 可溶性有机碳; 图中深红表示正相关关系, 浅红表示负相关关系；*表示因子间显著相关(P＜0.05), * *表示因子间极显著相关(P＜0.01) |
在模拟实验期间, CO2排放在潮中最低(P＜0.05), 潮后与潮前差异不显著(P＞0.05), 这表明涨潮对CO2排放具有抑制作用。主要原因是潮汐可以通过干湿交替改变土壤中的O2分布, 进而影响土壤的氧化还原状况[21—22]。涨潮时, 随着水位增加, 土壤厌氧环境增强, 土壤微生物活性降低, 土壤呼吸随之降低。在潮前与潮后, 空气中的氧进入沉积物, 促进有氧呼吸, 产生大量CO2。CH4排放在潮前最低(P＜0.05), 潮后略高于潮中(P＞0.05)。这说明水分状况对土壤中CH4的产生起着决定性作用[23]。涨潮前土壤较为干旱, 以好氧过程为主, 土壤产生的CH4极易被土壤微生物氧化而导致其排放量减少[24—25]。涨落潮过程中, 潮汐淹水创造的厌氧环境有利于产甲烷菌活性, 增加CH4的产生[26], 但淹水环境使土壤厌氧代谢释放的CH4有部分溶于水体, 溶解在水中的CH4一方面部分被盐水中的硫酸盐氧化[27], 另一方面CH4从水体扩散到大气中具有时滞效应, 阻碍了CH4向大气的排放。落潮后的湿润阶段, 土壤仍处于厌氧环境, 同时失去水流屏障, 土壤中产生的CH4得以大量释放[28]。
目前有众多研究证明了盐度是影响湿地土壤含碳温室气体排放的重要因素, 在不同盐度梯度下, 土壤含碳温室气体排放状况具有较大差异, 但均表现出盐度对土壤含碳温室气体排放具有一个阈值效应, 盐度较低时会促进含碳温室气体排放, 超出这个阈值则随盐度增加而下降(表 2)。在本研究中, 盐度(0.5‰—8‰)增加促进了CO2排放(P＞0.05)；盐度低于2‰时促进了土壤CH4的排放(P＞0.05), 但是盐度升高后抑制了土壤CH4的排放。这一结果表明, 不同梯度的盐度在土壤含碳温室气体排放中充当了不同的角色。通常而言, 盐度增加主要通过大量SO42-引起的硫酸盐效应和离子强度增加引起的离子效应对土壤含碳温室气体排放产生影响[16]。同时, 我们发现孔隙水中的DOC、NH4+-N、NO3--N与CO2排放显著相关(P＞0.05), 这表明盐度与潮汐淹水的双重作用主要是通过激发了NO3-等电子受体的活性, 使微生物的活性增强, 进而提高有机物的数量和质量[34—35], 促进了CO2与CH4的产生。此外, 我们发现当盐度超过2‰后, CI-含量显著增加(P＞0.05), 其对产甲烷菌活性的离子胁迫作用随之加强, 最终导致CH4排放降低。
| 研究区 Study area |
方法 Method |
CO2与CH4的排放特征 Emission characteristics of CO2 and CH4 |
文献 References |
| 辽河口湿地 Liaohe estuary wetland |
野外静态箱法 | 相比于涨潮前, 潮汐淹水后CO2排放量下降了50%—65%。 | [21] |
| 东北小叶樟淡水沼泽湿地 D.angustifolia freshwater marsh wetlands in northeastern China |
野外静态箱法 | 土壤处于淹水状态时, CO2排放通量最小, 而CH4排放通量最大。 | [29] |
| 美国石溪盐沼湿地 Salt marsh wetlands of Stony Brook, USA |
室内培养 | 干燥土壤CO2排放要比淹水土壤高10倍, CH4差异不显著。 | [10] |
| 杭州湾湿地 Hangzhou Bay Wetland |
室内培养 | CO2的产生潜力在盐度0.5‰时最高。 | [30] |
| 辽河口湿地 Liaohe estuary wetland |
室内培养 | 与低盐度处理(0 —3‰)相比, 高盐度处理(5‰—10‰)土壤呼吸速率降低。 | [31] |
| 美国南佐治亚州河口潮汐湿地 Estuarine tidal wetland, South Georgia, USA |
室内培养 | 盐度升高显著减小了CH4产生速率(盐度为2‰时, 减小77%；盐度为5‰时, 减小89‰)；然而, CO2产生速率却随着盐度(2‰—5‰)增加而增大。 | [32] |
| 美国佛罗里达州亚热带河口湿地 Subtropical estuarine wetland, Florida, USA |
室内培养 | 与对照处理相比, 只是增加淹水, CO2排放通量显著降低了50倍, 但同时增加淹水和盐度, CO2排放通量降幅了27倍。 | [16] |
| 美国佛罗里达州鲨鱼河口湿地 Shark River estuary, Florida, USA |
室内培养 | 淹水增加5—13 cm情境下, CO2排放通量显著降低35%—37%, 而在盐度为15‰—20‰或30‰—35‰盐水处理下, CO2排放通量增加了17%—21%, 在盐度和淹水交互作用下, CO2排放通量下降了19%—26%。 | [33] |
| 闽江河口短叶茳芏湿地 Cyperus malaccensis wetlands of the Min river estuary |
室内培养 | 潮汐淹水显著抑制CO2排放, 而有利于CH4排放。盐度(0.5‰—8‰)增加促进了土壤CO2产生；CH4排放在0.5‰—2‰盐度内随着盐度增加而增加, 而2‰—8‰盐度抑制了CH4排放。盐度脉冲耦合潮汐过程对CO2排放影响不显著, 但显著降低了CH4排放。 | 本研究 |
通过盐度脉冲耦合潮汐过程对含碳温室气体排放的影响分析发现, 盐度脉冲耦合潮汐过程对CO2排放影响不显著(P＞0.05)。Chambers等[33]通过控制盐度和水位变化发现, CO2排放通量在15‰—20‰或30‰—35‰盐水处理下增加17%—21%, 在淹水5—13 cm时降低35%—37%, 在盐度处理和淹水组合下降低19%—26%。在本研究中, 同样发现盐度对CO2排放具有促进作用, 而潮汐淹水对CO2排放存在抑制作用, 这表明盐度和潮汐过程之间对CO2排放存在一个互相抵消的关系。从两者的影响程度上来看, 潮汐淹水对CO2排放的影响相对于盐度更加大, Liu等[36]也发现水位或淹水周期是控制土壤CO2排放的关键因子, 其对土壤CO2排放的影响远超于盐度。通常来说, 潮汐淹水将会促进CH4的排放, 但是当盐度上升到较高后, 盐度对CH4排放具有显著的抑制效应[37]。在本研究中, 盐度脉冲耦合潮汐过程显著降低了CH4排放(P＜0.05), 这表明在盐度脉冲耦合潮汐过程中, 盐度在CH4排放中起主导作用。原因在于随着盐度的增加, 大量的盐分在土壤中累积产生的离子胁迫作用有效抑制了产甲烷菌活性, 使CH4的产量降低。同时, SO42-与CH4氧化菌的相互作用进一步氧化了因淹水增加而产生的CH4, 进而减少CH4排放[38]。我们与以往盐度和潮汐单因素研究对比发现, 本实验中控制土壤含碳温室气体排放的盐度阈值相对较高, 主要是因为在盐度与潮汐的耦合效应下, 硫酸盐还原所产生的有毒副产物(H2S)被潮汐冲洗带走, 减弱了高盐度对微生物的胁迫。
同时, 我们也发现在100年尺度下, 0.5‰—4‰的盐度显著提高了盐度脉冲耦合潮汐过程中含碳温室气体全球增温潜势, 当盐度超过4‰时, 盐度对含碳温室气体全球增温潜势的促进作用减缓；而不论盐度高低, 潮汐淹水均显著降低了各盐度处理下含碳温室气体全球增温潜势, 但CH4在全球增温潜势的贡献均增加。这一结果表明相对于盐度增加, 潮汐淹水过程在含碳温室气体全球增温潜势中起主导作用。在全球气候变化变暖、海平面上升背景下, 沿海地区由于台风风暴潮所引起的盐度脉冲耦合潮汐淹水可能进一步加剧, 在盐度与淹水的双重作用下, 湿地土壤含碳温室气体的全球增温潜势可能会大幅度下降, 但CH4对全球增温潜势的贡献会増加。
3.3 盐度脉冲耦合潮汐过程下水土壤理化特征的改变及其对含碳温室气体排放的影响盐度脉冲耦合潮汐过程会对湿地土壤及其孔隙水的理化特征产生影响, 进而改变含碳温室气体排放状况。在模拟盐水入侵后, 孔隙水SO42-和C1-含量都随盐度升高而显著增加(P＜0.05), 这主要是因为本研究采用的热带海水珊瑚礁盐中含有大量的SO42-和C1-, 含量分别是63.5 g/kg和498.6 g/kg。盐度对孔隙水DOC含量的影响并不显著(P＞0.05), 原因在于盐度增加虽然可以促使易分解的DOC从土壤中解析出来, 但以硫酸盐还原占主导的有机质矿化途径可以充分消耗从土壤中解析的DOC[39], 因而盐度增加并没有对DOC含量产生明显影响, 同时我们发现DOC与CO2呈显著负相关(P＜0.05), 这也验证了DOC从土壤中解析出来后, 被矿化消耗。CO2排放与NH4+-N含量极显著正相关, 主要原因是土壤NH4+-N含量的增加会促进湿地生态系统生产力, 同时增强土壤酶活性, 促进土壤有机质分解转化, 从而影响CO2的排放[40]。在实验期间, 土壤pH均在6至7之间, 属于弱酸性, CO2排放与pH呈极显著负相关(P＜0.01)。这与惠若男等[41]的研究相似, 当土壤pH值超过6时, CO2排放与土壤pH值间呈负相关关系；土壤pH值在4—6之间时, CO2排放与土壤pH值间呈正相关关系。土壤pH对CO2排放的影响是一个复杂的过程, 一定范围内的土壤pH适宜土壤微生物的存活, 促进土壤有机质的分解, 有利于CO2气体的排放, 反之将抑制。
4 结论本研究从双因素耦合的视角, 通过室内模拟实验探究了由台风风暴潮引起的盐度脉冲叠加潮汐过程对河口湿地含碳温室气体的影响, 为科学预测河口湿地碳排放如何响应全球气候变化提供新认识：
(1) 盐度对湿地土壤CO2和CH4排放的影响各不相同, 盐度(0—8‰)增加促进了土壤CO2排放(P＞0.05)；0—2‰盐度促进土壤CH4排放(P＞0.05), 2‰—8‰盐度抑制土壤CH4排放(P＜0.05)。潮汐淹水过程显著抑制CO2的排放, 但促进了CH4的排放(P＜0.05)。
(2) 盐度脉冲耦合潮汐过程对CO2和CH4排放均存在一个正负消长的博弈过程, 在0—8‰的盐度内, 潮汐淹水对CO2排放的影响更大, 而盐度在CH4排放中起主导作用。相较于盐度, 潮汐淹水是影响河口湿地含碳温室气体全球增温潜势的主导因素。
(3) 盐度脉冲耦合潮汐过程通过影响水土理化性质间接影响土壤含碳温室气体排放, CO2排放与孔隙水中的NH4+-N呈极显著正相关(P＜0.01), 与NO3--N、DOC呈显著负相关(P＜0.05)；当土壤pH值超过6时, CO2排放与土壤pH呈显著负相关(P＜0.05)。
| [1] |
Shu Y X, Chen J W, Huang Y F, Fu W Q. Sustainable approaches to realize carbon neutrality in China: a case study of Zhejiang Province. Journal of Marine Science and Engineering, 2022, 10(10): 1351. DOI:10.3390/jmse10101351 |
| [2] |
Jun M, Altor A E, Craft C B. Effects of increased salinity and inundation on inorganic nitrogen exchange and phosphorus sorption by tidal freshwater floodplain forest soils, Georgia (USA). Estuaries and Coasts, 2013, 36(3): 508-518. DOI:10.1007/s12237-012-9499-6 |
| [3] |
Howe A J, Rodriguez J F, Saco P M. Surface evolution and carbon sequestration in disturbed and undisturbed wetland soils of the Hunter Estuary, southeast Australia. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2009, 84(1): 75-83. DOI:10.1016/j.ecss.2009.06.006 |
| [4] |
Meng W, He M, Hu B, Mo X, Li H, Liu B, Wang Z. Status of wetlands in China: a review of extent, degradation, issues and recommendations for improvement. Ocean & Coastal Management, 2017, 146: 50-59. |
| [5] |
Tobias C, Neubauer S C. Salt marsh biogeochemistry- An overview. Coastal wetlands: An integrated ecological approach, 2009, 445-492.
|
| [6] |
He L, She C, Huang J, Yang P, Yu H, Tong C. Effects of constant and fluctuating saltwater addition on CH4 fluxes and methanogens of a tidal freshwater wetland: a mesocosm study. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2022, 277: 108076. DOI:10.1016/j.ecss.2022.108076 |
| [7] |
Han G X, Sun B Y, Chu X J, Xing Q H, Song W M, Xia J Y. Precipitation events reduce soil respiration in a coastal wetland based on four-year continuous field measurements. Agricultural and Forest Meteorology, 2018, 256/257: 292-303. DOI:10.1016/j.agrformet.2018.03.018 |
| [8] |
Elberling B, Askaer L, Jørgensen C J, Joensen H P, Kühl M, Glud R N, Lauritsen F R. Linking soil O2, CO2, and CH4 concentrations in a Wetland soil: implications for CO2 and CH4 fluxes. Environmental Science & Technology, 2011, 45(8): 3393-3399. |
| [9] |
Setia R, Gottschalk P, Smith P, Marschner P, Baldock J, Setia D, Smith J. Soil salinity decreases global soil organic carbon stocks. Science of the Total Environment, 2013, 465: 267-272. DOI:10.1016/j.scitotenv.2012.08.028 |
| [10] |
Wang F M, Kroeger K D, Gonneea M E, Pohlman J W, Tang J W. Water salinity and inundation control soil carbon decomposition during salt marsh restoration: an incubation experiment. Ecology and Evolution, 2019, 9(4): 1911-1921. DOI:10.1002/ece3.4884 |
| [11] |
福建省气象局. 2021年福建省气候公报. (2022-01-10)[2022-11-01]. http://fj.weather.com.cn/zxfw/qhgb/03/3527254_14.shtmL.
|
| [12] |
王纯, 刘兴土, 仝川, 陈晓旋, 陈优阳, 牟晓杰, 万斯昂. 水盐梯度对闽江河口湿地土壤有机碳组分的影响. 中国环境科学, 2017, 37(10): 3919-3928. |
| [13] |
王维奇, 王纯, 曾从盛, 仝川. 闽江河口不同河段芦苇湿地土壤碳氮磷生态化学计量学特征. 生态学报, 2012, 32(13): 4087-4093. |
| [14] |
谢蓉蓉, 李家兵, 张党玉, 黄倩倩, 丁晓燕, 吴春山. 闽江河口湿地沉积物氮矿化对盐度响应研究. 中国环境科学, 2017, 37(6): 2248-2254. |
| [15] |
夏丽花, 邬惠明, 刘铭, 冷典颂, 李婷婷. 热带气旋影响福建沿海风暴潮特征分析. 热带海洋学报, 2014, 33(3): 40-45. |
| [16] |
Chambers LG, Osborme T Z, Reddy K R. Effect of salinity-altering pulsing events on soil organic carbon loss along an intertidal wetland gradient: a laboratory experiment. Biogeochemistry, 2013, 115(1): 363-383. |
| [17] |
仝川, 姚顺, 王维奇, 黄佳芳, 张林海, 章文龙, 曾从盛. 中国东南沿海短叶茳芏潮汐沼泽湿地甲烷动态. 中国科学: 地球科学, 2012, 42(5): 723-735. |
| [18] |
Wang C, Sardans J, Tong C, Peñuelas J, Wang W. Typhoon-induced increases in porewater nutrient concentrations and CO2 and CH4 emissions associated with salinity and carbon intrusion in a subtropical tidal wetland in China: a mesocosm study. Geoderma, 2021, 384: 114800. DOI:10.1016/j.geoderma.2020.114800 |
| [19] |
Li Q, Cui K, Lv J, Zhang J, Peng C, Li Y, Song X. Biochar amendments increase soil organic carbon storage and decrease global warming potentials of soil CH4 and N2O under N addition in a subtropical Moso bamboo plantation. Forest Ecosystems, 2022, 9: 100054. DOI:10.1016/j.fecs.2022.100054 |
| [20] |
Wang C, Lai D Y F, Tong C, Wang W Q, Huang J F, Zeng C S. Variations in temperature sensitivity (Q10) of CH4 emission from a subtropical estuarine marsh in southeast China. PloS One, 2015, 10(5): e0125227. DOI:10.1371/journal.pone.0125227 |
| [21] |
刘凯, 杨继松, 袁晓敏, 郑冬梅, 宋常站. 辽河口盐沼和光滩CO2排放通量及其影响因素. 湿地科学, 2017, 15(6): 855-861. |
| [22] |
罗佳宸, 李思悦. 三峡库区典型河流水-气界面CO2通量日变化观测及其影响因素分析. 环境科学, 2018, 39(11): 5217-5226. |
| [23] |
韩广轩, 王法明, 马俊, 肖雷雷, 初小静, 赵明亮. 滨海盐沼湿地蓝色碳汇功能、形成机制及其增汇潜力. 植物生态学报, 2022, 46(4): 373-382. |
| [24] |
韩广轩. 潮汐作用和干湿交替对盐沼湿地碳交换的影响机制研究进展. 生态学报, 2017, 37(24): 8170-8178. |
| [25] |
贺文君, 韩广轩, 许延宁, 张希涛, 王安东, 车纯广, 孙宝玉, 张孝帅. 潮汐作用下干湿交替对黄河三角洲盐沼湿地净生态系统CO2交换的影响. 应用生态学报, 2018, 29(1): 269-277. |
| [26] |
栾军伟, 崔丽娟, 宋洪涛, 王义飞. 国外湿地生态系统碳循环研究进展. 湿地科学, 2012, 10(2): 235-242. |
| [27] |
Wang C, Lai D Y F, Sardans J, Wang W Q, Zeng C S, Peñuelas J. Factors related with CH4 and N2O emissions from a paddy field: clues for management implications. PloS One, 2017, 12(1): e0169254. |
| [28] |
贺文君, 韩广轩, 宋维民, 李培广, 张树岩, 张希涛. 潮汐作用对黄河三角洲盐沼湿地甲烷排放的影响. 生态学报, 2019, 39(17): 6238-6246. |
| [29] |
Yang J, Liu J, Hu X, Li X, Wang Y, Li H. Effect of water table level on CO2, CH4 and N2O emissions in a freshwater marsh of Northeast China. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 61: 52-60. |
| [30] |
Shao X X, Zhao L L, Sheng X C, Wu M. Effects of influent salinity on water purification and greenhouse gas emissions in lab-scale constructed wetlands. Environmental Science and Pollution Research, 2020, 27(17): 21487-21496. |
| [31] |
Yang J, Zhan C, Li Y, Zhou D, Yu Y, Yu J. Effect of salinity on soil respiration in relation to dissolved organic carbon and microbial characteristics of a wetland in the Liaohe River Estuary, Northeast China. Science of the Total Environment, 2018, 642: 946-953. |
| [32] |
Marton J M, Herbert E R, Craft C B. Effects of salinity on denitrification and greenhouse gas production from laboratory-incubated tidal forest soils. Wetlands, 2012, 32(2): 347-357. |
| [33] |
Chambers L G, Davis S E, Troxler T, Boyer J N, Downey-Wall A, Scinto L J. Biogeochemical effects of simulated sea level rise on carbon loss in an Everglades mangrove peat soil. Hydrobiologia, 2014, 726(1): 195-211. |
| [34] |
Helton A M, Ardón M, Bernhardt E S. Thermodynamic constraints on the utility of ecological stoichiometry for explaining global biogeochemical patterns. Ecology Letters, 2015, 18(10): 1049-1056. |
| [35] |
Neubauer S C, Franklin R B, Berrier D J. Saltwater intrusion into tidal freshwater marshes alters the biogeochemical processing of organic carbon. Biogeosciences, 2013, 10(12): 8171-8183. |
| [36] |
Liu X, Ruecker A, Song B, Xing J, Conner W H, Chow A T. Effects of salinity and wet-dry treatments on C and N dynamics in coastal-forested wetland soils: implications of sea level rise. Soil Biology and Biochemistry, 2017, 112: 56-67. |
| [37] |
Neubauer S C. Ecosystem responses of a tidal freshwater marsh experiencing saltwater intrusion and altered hydrology. Estuaries and Coasts, 2013, 36(3): 491-507. |
| [38] |
Zhao M, Han G, Li J, Song W, Qu W, Eller F, Jiang C. Responses of soil CO2 and CH4 emissions to changing water table level in a coastal wetland. Journal of Cleaner Production, 2020, 269: 122316. |
| [39] |
Weston N B, Dixon R E, Joye S B. Ramifications of increased salinity in tidal freshwater sediments: Geochemistry and microbial pathways of organic matter mineralization. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 2006, 111(G1): 1-14. |
| [40] |
Song Y Y, Song C C, Li Y C, Hou C C, Yang G S, Zhu X Y. Short-term effect of nitrogen addition on litter and soil properties in Calamagrostis angustifolia freshwater marshes of northeast China. Wetlands, 2013, 33(3): 505-513. |
| [41] |
惠若男. 河岸湿地土壤二氧化碳排放规律及其影响因素研究[D]. 哈尔滨: 东北林业大学, 2014.
|