论文部分内容阅读
迄今主要在北美落基山地区开展的高山湿地甲烷排放研究不足以解析全球高山湿地甲烷源强,因而进一步在世界范围内其他区域开展高山湿地甲烷排放的研究,对于估计全球高山湿地甲烷源强意义重大。若尔盖高原湿地已被列入国际重要湿地,是青藏高原甲烷排放中心之一。由于实验条件的限制,现有对若尔盖高原湿地甲烷排放的研究还局限于相对较小的尺度下以及单一生长季甲烷监测。
本研究针对若尔盖湿地甲烷排放的空间格局和时间动态问题,选取六种典型的湿地生态系统类型:陡岸湖滨湿地(Steep littoral wetland)、宽谷湿地(Organic flat)、缓岸湖滨湿地(Smooth littoral wetland)、宽谷草甸(Naturalmeadow)、坡地草甸(Slope meadow)、陡岸河岸湿地(Steep riparian wetland)作为研究对象,通过两年的连续观测,研究了该区域湿地甲烷排放的昼夜变化,季节动态,以及景观尺度、生态系统尺度及群落尺度下甲烷排放的空间格局,探讨了影响甲烷排放时间动态和空间格局的生态因子。
研究发现:若尔盖高原湿地甲烷排放具有显著的时间动态(昼夜、季节),其变化主要受光辐射、温度、植物生长等生态因子的影响;若尔盖高原湿地甲烷排放表现出显著的空间差异,其变化主要受水分条件、植物群落特征等生态因子的影响;不同空间尺度下,其影响因素也不尽相同。上述结果填补了该地区在相关碳排放研究领域的空白,对若尔盖湿地碳动态的区域估计具有积极的科学意义。同时,本研究可为在气候变化背景下建立有针对性若尔盖湿地碳汇功能保育的具体措施以及建立碳动态监测体系提供科学依据。具体研究结果如下:
1.若尔盖湿地甲烷排放的昼夜变化较为典型。通过对木星苔草(Carexmuliensis)(n=3)和刚毛荸荠(Eleocharis valecullosa)(n=3)两种典型湿地植物群落甲烷排放动态特征的研究,发现这两种植物群落有着较为相似的甲烷排放昼夜动态,即均呈不规律的双峰及多峰模式,其中明显的两个峰,第一个出现在凌晨六点左右,第二个出现在下午三点左右。而不同月份,随着各种生态环境因子的变化,其昼夜变化动态有所不同。日出时甲烷的排放峰值是由植物体两种气体传输机制(白天的对流机制和夜间的分子扩散机制)的转变所造成的。尽管土壤5 cm温度和土壤10 cm温度与甲烷排放通量显著相关,但其相关系数并不高。因而作者认为,甲烷排放日落之前的峰值不能简单归结于温度的变化,很可能是由于温度、光辐射以及氧气对流传输机制等因素影响下的甲烷产生和氧化的变化所导致的。
2.为全面了解若尔盖湿地甲烷排放的季节动态,选取宽谷湿地作为季节变化的研究对象,在样地内布设了30个采样箱,包括三种生境类型:草丘、木里苔草群落(Carex muliensis)和刚毛荸荠群落(Eleocharis valecullosa)。结果表明,三种生境类型甲烷排放均呈现显著的季节变化动态。生长季节甲烷排放的均值为14.45 mg CH4 m-2h-1(0.17-86.78 mg CH4 m-2h-1),而非生长季甲烷排放的均值为0.556 mg CH4 m-2h-1(0.002 to6.722 mg CH4 m-2h-1)。生长季草丘和刚毛荸荠群落甲烷排放的均值出现在七月或者八月,木里苔草群落的排放峰值出现在九月。在非生长季,甲烷排放季节变化有相似的趋势,即从二月到四月甲烷排放逐渐增大。在生长季,表面温度(地表温度或水温)( r2=0.55,P<0.05),地表水位( r2=0.32,P<0.01)及植物高度(r2=0.61,P<0.01)与甲烷排放的季节变化显著相关。在非生长季,冰层厚度与甲烷排放季节变化显著相关(r2=0.27,P<0.05;木里苔草和刚毛荸荠群落)。通过分析,认为表面温度(地表温度及水温)和植物生长能够较好地解释甲烷排放的季节变化,而地表水位则是使得甲烷排放温度变化和植物生长控制的季节节律产生波动的原因。不同的生境类型其季节变化节律略有不同。
3.本研究选取具有典型微地貌变化的宽谷湿地(包括三种生境类型:草丘,木里苔草(Carex muliensis)和刚毛荸荠群落(Eleocharis valecullosa)),在植物生长旺季和积雪融化高峰期观测其甲烷排放空间差异。研究发现,植物生长旺季和积雪融化高峰期甲烷排放均具有高度的空间差异(植物生长旺季与积雪融化高峰期其变异系数分别为38%和61%),且积雪融化高峰期其甲烷排放差异更大。通过单因子方差分析(ANOVA),在植物生长旺季和积雪融化高峰期,生境类型均对甲烷排放有显著影响。在植物生长旺季和积雪融化高峰期,木里苔草和刚毛荸荠群落均比草丘排放量大。在植物生长旺季,与生境类型密切联系的地表水位和植物高度与甲烷排放显著相关(r2=0.43,0.59,P<0.01,n=30)。在积雪融化高峰期,可能由于冰雪覆盖,使得生态因子具有更高的空间差异,且由于部分数据的缺失,未能发现能够合理解释积雪融化高峰期甲烷排放的空间差异。
4.为量化若尔盖高原甲烷排放通量,本研究选取了该区域六种典型的湿地生态系统类型及每种生态系统类型中不同的生境类型进行了甲烷通量监测。若尔盖高原甲烷排放均值为2.45 mg CH4 m-2 h-1,介于其它高原湿地甲烷排放通量测量值范围之内。景观尺度下,典型高原生态系统类型对甲烷通量有显著影响。景观尺度下,甲烷通量与水分条件有显著相关性(r2=0.57,P<0.01)。因此水分条件是解释若尔盖高原甲烷通量景观格局的主要因子,而植被特征(植物生物量等)不能有效解释甲烷通量的景观格局。湿地生态系统,不同生境类型地表水位和植被特征的显著差异,使得不同生境类型甲烷排放具有显著差异。因此,高原湿地生态系统中,不同生境类型具有不同的植被特征,其甲烷排放数据能够有效地尺度上推;然而对于草甸生态系统,甲烷通量甚至可能表现为吸收,其空间差异较小,植被特征不能很好地指示甲烷通量。与其分子扩散率密切相关的土壤孔隙率可能是解释甲烷通量的主要因素。