呂海波

黃河龍門-潼關段水位變化對蘆葦濕地土壤CO2釋放速率的影響研究

呂海波1,2

（1.渭南師范學院 環(huán)境與生命科學學院，陜西 渭南 714000；2.陜西省河流濕地生態(tài)與環(huán)境重點實驗室，陜西 渭南 714000）

【】評價水位變化對黃河中游濱河濕地土壤碳排放的影響程度并分析其影響機理。對研究區(qū)蘆葦群落進行土壤CO2釋放的隨機調查，結合人工注水設置監(jiān)測試驗，研究了各種因素對土壤CO2釋放的影響規(guī)律。水位變化的影響規(guī)律與土溫有關，土溫13~23 ℃時，隨水位上升土壤CO2釋放速率先升后降，最大值對應深度為0 cm，在24~30 ℃和>30 ℃時逐漸降低，同時，水位與CO2釋放回歸方程的2值也受到土溫影響；野外樣地半注水（水位-30 cm）和全注水（水位0 cm）設置后，土壤CO2釋放速率呈急劇降低-波動滯后-波動同步的特征，所有數(shù)據(jù)白天和晚上釋放平均值分別為3.05、2.74 μmol/(m2?s)，多表現(xiàn)為晝高夜低的規(guī)律，在7 d監(jiān)測期間未干涉樣地（Lo）、全注水（Lh）和半注水樣地（Lf）CO2排放總量分別為2.47、1.22、1.39 mol/m2，后2者分別造成了50.4%和43.4%的減少。水位升降對濕地CO2釋放的影響收到氣溫和晝夜變化的復合影響，較多情況下表現(xiàn)為水位上升，CO2釋放減少，釋放速率晝高夜低，水位變化造成CO2的影響持續(xù)時間大于7 d。

水位變化；土壤呼吸；蘆葦濕地

0 引言

土壤呼吸過程中，含水率變化是重要的影響因素之一，對濕地而言，水位變化的影響更加重要，其對土壤CO2排放的影響復雜而多變。據(jù)統(tǒng)計，全球濕地面積僅占陸地面積的4%～6%[1]，碳儲量卻可達300～600 Gt[2]，濕地碳儲量變化中，碳匯為通過光合作用儲存于為生物體內(nèi)或土壤有機質中，碳源則主要為通過土壤呼吸向大氣排放的含碳氣體。對于穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)而言，碳存儲變化緩慢，而通過土壤呼吸造成的碳源變化受氣溫、降水等因素影響而敏感多變，研究土壤呼吸變化特征及影響因素一直是一個熱點。濕地的水位變化是決定其土壤環(huán)境的重要因素，對濕地生態(tài)功能有顯著的影響。研究發(fā)現(xiàn)，濕地水位狀況往往對土壤需氧層/厭氧層界面和土壤氧化還原水平起決定性作用[3]，隨水位升高，土壤逐漸轉為厭氧環(huán)境，CO2排放量逐漸減少，低水位則會造成CO2增加[4]，然而對于水位動態(tài)變化過程以及各因素的復合作用研究尚顯缺乏，水位對CO2影響存在不同的結論[5-6]。濕地水位變化的影響特征及相關機理需進一步研究。在氣候變暖后，受融雪和降水雙重影響[7-8]，中國西部地區(qū)河流水位變化頻繁[9-11]，顯著影響了河流兩岸濕地固碳功能。黃河中游承接位于西北地區(qū)多變的上游流域來水，水位變化頻繁，對兩岸濕地的環(huán)境影響較大。為此，在黃河中游選擇代表性蘆葦濕地，采用廣泛野外調查采集不同濕地土壤CO2釋放速率，結合定點人工注水試驗，研究靜態(tài)和動態(tài)水位下CO2排放速度的特點。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

龍門—潼關段是黃河中游水情較為特殊的一段，陜西龍門是晉陜峽谷的南口，水量承接中國西北地區(qū)流域的降水及融雪補給，以下展寬為4～10 km的河谷漫灘，流經(jīng)汾渭階地平原河段，兩岸灘地較多，發(fā)育有濱河濕地（圖1）。蘆葦濕地在邊灘上呈斑狀分布，是研究的濕地群落中的建群種。

圖1 研究區(qū)位置

1.2 研究方法

1.2.1 野外調查取樣

2016年7―9月對研究區(qū)域所在的黃河邊灘蘆葦進行調查，記錄樣地水位、蘆葦株高、直徑、密度及土溫，測量土壤CO2釋放速率。水位為附近黃河水面距邊灘土表面的垂直距離，水位在地表以下用負值表示；植物生長狀況及氣溫通過人工實際測量：隨機取100 cm×100 cm樣方3個，用卷尺量取株高、1/2株高處的直徑，并人為計數(shù)獲得密度，用玻璃溫度計插入土壤5 cm深處計時5 min量取土溫。測量CO2排放速率取3次重復，根據(jù)群落統(tǒng)計數(shù)據(jù)篩選掉個別異常的生長狀態(tài)如過密、植物過雜、過稀疏等狀況，篩選后獲得具有代表性的蘆葦樣地68個。蘆葦高120～230 cm，密度750～900 株/m2；5 cm土溫變化介于13～35 ℃之間，對測樣進行聚類分析，結合研究區(qū)實際溫度狀況將>30、24～30、13～23 ℃設定為高溫、正常溫度及低溫進行歸類對比。

1.2.2 定點人工設置與觀測

為驗證野外數(shù)據(jù)的研究結果，2017年7月16日進行人工設置試驗。選擇韓城市黃河邊灘（35°25.082'N，110°28.03'E）典型蘆葦濕地進行人工設置（圖1和圖2（b））。邊灘寬60~200 m，長500 m，近河邊蒲草為建群種，由河向兩側，蘆葦逐漸增多，在距河邊約21 m處蘆葦占80%以上，試驗樣地據(jù)河邊30~50 m，地面平整，植物外貌一致。7日觀測過程中蘆葦樣地距水面高差約50~60 cm。蘆葦平均株高約150～170 cm，莖稈直徑為1~3 mm（70%）、4~6 mm（30%），密度約650 株/m2。

在80 cm見方的蘆葦濕地的外圍挖掘寬50 cm、深60 cm的水槽，槽內(nèi)鋪設塑料阻滲膜，內(nèi)壁開孔以供水滲透圖2（a）。

圖2 人工設置試驗

共設置6個培養(yǎng)坑，同時準備3個未處理對比樣地Lo，9個樣地沿河面一字排開，間距大于6 m。樣坑設置好后3個注水至地表（Lf），3個注水至-30 cm（Lh），注水后任其自由滲透，后期不補充，Lf、Lh 2類培養(yǎng)坑水位在（35.31±3）h、（46.71±3）h 后回到原始位置。注水前進行第1次監(jiān)測分析，初期每隔3～4 h采集1 次數(shù)據(jù)，后期時段適當放長，監(jiān)測持續(xù)160.85 h，獲得19組數(shù)據(jù)（3類型×3重復=9個/組）。監(jiān)測時段為2017年7月16日13:03至2017年7月23日05:54，采集中心樣方數(shù)據(jù)。

1.2.3 CO2數(shù)據(jù)采集

CO2排放速率采用WEST Systems便攜式土壤CO2/H2O通量系統(tǒng)WS-LI840（west systems portable flux meter WS-LI840）采集，葉室直徑200 mm，高200 mm。采樣前預熱30 min以上，每樣平均耗時5 min，利用系統(tǒng)自帶軟件進行濕地土壤CO2排放速率的提取，同時用玻璃溫度計測量5 cm深度土溫。盡量保持群落原貌，葉室盡量扣在土表以測量土壤CO2排放速率，選擇叢間空地進行采樣。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計方法

利用瞬時排放速率對監(jiān)測期間各類處理CO2排放總量進行計算（線性內(nèi)插法）：

式中：為采樣次數(shù)；為采樣時間；為瞬時排放速率（μmol/（cm2?s））。

利用Excel 2013和SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用雙因素方差分析法(two-way ANOVA)分析土溫、水位對蘆葦濕地土壤CO2釋放速率的影響。利用LSD方法(數(shù)據(jù)滿足方差齊次性時)或Tamhane方法(數(shù)據(jù)不滿足方差齊次性時)對3個土溫水平下不同水位CO2釋放速率進行差異顯著性比較（=0.05）。

2 結果與分析

2.1 野外調查

方差分析結果表明（表1），土溫對CO2沒有顯著影響，水位、土溫水位交叉都表現(xiàn)出極顯著影響，土溫和水位交叉影響的值大于水位影響。

表1 土溫、水位對蘆葦濕地土壤CO2釋放速率的影響

注 **、*分別表示差異極顯著、顯著。

Note **,* indicate that the difference is extremely significant and significant respectively.

圖3 不同水位下CO2釋放速率圖內(nèi)數(shù)據(jù)為平均CO2釋放速率

土溫對土壤CO2釋放速率有顯著影響，對測樣進行聚類分析，結合研究區(qū)實際溫度狀況將土溫分類為>30、24～30、13～23℃3個級別，代表了高溫、正常溫度及低溫。篩選外貌類似的蘆葦樣地并將其分為3個土溫水平，得出水位與CO2釋放速率關系圖（圖3，圖中括號內(nèi)為樣品個數(shù)，總個數(shù)68個）。

低溫、正常溫度和高溫階段各水位CO2釋放平均值分別為4.21、4.52、5.39 μmol/(m2·s)，隨氣溫上升而增加。在低溫階段高水位（30 cm以上）與低水位差異顯著，隨水位上升，蘆葦呈先升后降趨勢，最高值對應水位為0 cm；正常氣溫及高溫時，水位過低和過高都造成了顯著差異，隨水位升高，2類植被CO2釋放速率基本呈減小趨勢。

對3個溫度水平下對水位與CO2釋放速率進行指數(shù)回歸分析（表2），發(fā)現(xiàn)蘆葦濕地在23～30 ℃表現(xiàn)為高的擬合度，高溫和低溫條件下擬合度較差。

表2 不同氣溫水平下水位與CO2釋放速率的關系

2.2 人工設置試驗

整個培養(yǎng)過程中的19次監(jiān)測，Lo、Lf、Lh 3類樣地CO2瞬時釋放速率平均值分別為4.18、2.15、2.42 μmol/(m2?s)（圖4），整個培養(yǎng)過程中CO2釋放速率表現(xiàn)為Lo大于注水類型，大部分時間Lh>Lf。3.94 h后Lo樣地有上升趨勢，Lf和Lh則迅速下降，分別在20.70 h，37.69 h后下降至最低值，但隨后有1個出現(xiàn)較高值（Lf在37.69 h，Lh在46.71 h）。第3~4 d受ST影響，3類CO2釋放速率波動頻繁，波動周期為1 d，第4 d后波動緩和，3者波動規(guī)律基本一致。所有數(shù)據(jù)在白晝和夜晚釋放均值分別為3.05和2.74 μmol/(m2?s)，整個培養(yǎng)過程中白晝CO2釋放速率較高，除了Lf在第2、3、7 d外，3者在每個監(jiān)測日的白晝或傍晚都出現(xiàn)高值（Lo在第1、3、4、6、7 d，Lf在第1、4、5、6 d，Lh在第1、3、4、5、6、7 d）。

圖4 監(jiān)測過程中各類處理CO2瞬時釋放速率變化

Fig 4 Changes of CO2instantaneous release rates of all kinds of treatments in monitoring process.

注 根據(jù)當?shù)厝粘鋈章鋾r間（05:46和19:54）計算晝夜，灰色柱體表示黑夜。Note Label day and night according to local sunrise and sunset time (05:46 and 19:54)，grey column represents night.

Fig 5 Comparison of total CO2emission during monitoring

2種處理對CO2排放都造成了顯著影響，但二者之間差異不明顯（圖5）。監(jiān)測160.85 h蘆葦CO2總排放量為自然（o）>半注水（h）>全注水（f）。自然樣地、全注水和半注水在培養(yǎng)期間釋放總量分別為2.47、1.22、1.39 mol/m2，分別造成了43.4 %和50.4 %的減少。

3 討論

3.1 溫度、水位變化與蘆葦濕地CO2釋放速率的關系

溫度升高能夠促進濕地土壤內(nèi)生物、物理化學過程，因而促進了土壤CO2的釋放。本研究發(fā)現(xiàn)3個溫度水平下，CO2釋放平均值表現(xiàn)為低溫<正常<高溫，與溫度變化正相關，這與一些研究結論一致[3,6]。隨水位上升CO2釋放速率基本呈下降趨勢，但其影響規(guī)律受土溫變化的干擾，在正常及高溫下（>23 ℃），水位升高造成CO2的降低，但在較低溫度下，表現(xiàn)為以0 cm為轉折點的先升后降趨勢。在溫度、水位異常情況下，土壤生物群落因遠離適宜的環(huán)境條件，其活動受到抑制，土壤中的物理化學過程如有機質礦化、電子受體的還原過程等因素發(fā)生變化[12]。本研究中，較低的溫度抑制了土壤環(huán)境中的生物活動和物理化學過程，干擾了水位對CO2釋放速率的影響規(guī)律。低溫干旱時，蘆葦生命活動受到抑制，土壤中排碳因素如根系呼吸、微生物活動及氧化還原過程減弱，最終造成CO2排放的減少，但隨水位上升，各因素因土壤含水率增加而逐漸活躍，CO2排放逐漸增加，當水位在0 cm以上時，蘆葦土壤由好氧環(huán)境變?yōu)閰捬醐h(huán)境，產(chǎn)碳機制發(fā)生變化，CO2排放又開始逐漸減少。本研究中低溫水平下的這一特征，在其他研究中也有類似發(fā)現(xiàn)：陳小平等[13]發(fā)現(xiàn)科爾沁草甸濕地CO2凈通量最大時對應的土壤濕度為35.5%，說明土壤生態(tài)系統(tǒng)中對水分的要求有一個最佳值，過干或者過濕都會對CO2排放產(chǎn)生抑制；盛宣才等[14]對中國杭州濕地研究發(fā)現(xiàn)，隨水位上升，CO2通量增加，但在10 cm以上，則會隨水位上升而下降；Burkett等[15]發(fā)現(xiàn)，濕地在排干或半排干的條件下，水位降低時CO2排放速度增加，而在淹水條件下，這一特征并不明顯；劉杰云等[16]發(fā)現(xiàn)與長期淹水相比，水稻節(jié)水灌溉方式增加了稻田土壤CO2排放，干旱或淹水都不利于溫室氣體排放。當溫度>23 ℃時，水位與CO2排放呈反比，說明溫度升高促使生命活動活躍，盡管水位較低，蘆葦也能保持良好生長，但隨水位上升，好氧微生物及動物急劇減少，厭氧微生物沒有充足時間繁殖發(fā)育，淹水抑制了排碳機制，如物理聚合被破壞[17]、氧化還原電位降低[18]、微生物活性降低且群落結構發(fā)生變化[19]、有機質腐解降低等，最終造成CO2排碳量降低。

3.2 水位升降變化中CO2變化特征

注水監(jiān)測試驗說明，當水位呈現(xiàn)升降波動時，土壤CO2排放呈低值波動且周期較長。這一結論預示著正常條件下黃河沿岸水位短期升降時，CO2排放量會出現(xiàn)持續(xù)至少7 d的減少。這一結論對于研究區(qū)趨于波動頻繁的現(xiàn)狀來說，意義較大。蘆葦濕地注水后CO2降低，隨后有一定程度的反彈，Lf在37.69，Lh在46.71 h出現(xiàn)高值。注水后由于滲透作用，水位逐漸下降，含氧氣量上升，CO2排放速率出現(xiàn)反彈，出現(xiàn)類似“Birch效應”[20]。隨后表現(xiàn)為由波動周期滯后到趨于一致的現(xiàn)象，說明CO2排放規(guī)律正在擺脫初期淹水的影響，但含量未表現(xiàn)出接近自然樣地的趨勢。Moffett等[21]發(fā)現(xiàn)潮間帶濕地淹水程度伴隨潮汐而變化，使?jié)竦谻O2交換產(chǎn)生與潮汐運動協(xié)同或略滯后的周期性，持續(xù)短暫但卻作用強烈,與本研究結果類似。整個監(jiān)測過程表現(xiàn)的特征說明，在濕地土壤由干變濕后，CO2釋放速率會表現(xiàn)出急劇降低—波動滯后—波動同步的規(guī)律，排放總量會降低，釋放速率減小的持續(xù)時間大于7 d。

3.3 蘆葦濕地土壤CO2釋放速率的晝夜變化規(guī)律

土溫和水位變化造成了CO2釋放速率的晝夜差異，由于晝夜各因素變化情況復雜性，目前相關研究結論也存在差異：歐強等[22]對崇明東灘濱河濕地的研究發(fā)現(xiàn)，中低水位CO2通量最高值在12：00左右，最低值在凌晨04：00；黃文敏等[23]對香溪河秋季濕地CO2排放研究也發(fā)現(xiàn)晝高夜低的規(guī)律。然而，盛宣才等[14]發(fā)現(xiàn)杭州灣CO2通量表現(xiàn)為晝低夜高，白天為匯，夜間為源；張發(fā)兵等[24]發(fā)現(xiàn)太湖春季碳通量也表現(xiàn)為晝低夜高的規(guī)律。7日監(jiān)測過程中蘆葦濕地CO2排放晝高夜低居多，但仍存在相反的現(xiàn)象（Lf在第2、3、7 d），一般而言，白天氣溫升高造成有機質腐解速度增加，同時白天生物活動活躍，植物根系呼吸及微生物腐解活動加強，CO2排放量增加。但另一方面，白天尤其是高溫季節(jié)濕地水體溫度較高，CO2溶水量增加，生物活動受高溫抑制，排放量減少。高溫季節(jié)夜晚因氣溫較適宜，生物活動旺盛，CO2排放量增加。因此本研究以晝高夜低為主，而晝低夜高并存的現(xiàn)象主要是高溫季節(jié)造成的。

3.4 黃河中游水位升降造成的影響

監(jiān)測時段內(nèi)，各處理造成的CO2總量為自然樣＞半注水樣＞全注水樣，表明盡管各處理都能造成CO2排放的減小，半注水后造成的影響明顯不如全注水。土壤有機質可溶型成分屬于活性、能夠被根系和微生物吸收分解的一類物質[25]，好氧條件下，可溶性成分的增加能夠造成CO2排放的增加，但厭氧條件下有機質逐漸厭氧分解，放出CH4，根系由于土壤含O2量減少，呼吸作用降低，放出CO2量多由CH4氧化而成，其含量較少[26]；半注水時可溶性有機質量增加，土表有機質及生物群落豐富，CO2排放增加，下層土保持飽和水狀態(tài)，主要為厭氧分解，CO2較少，全注水時整個土壤層都為厭氧環(huán)境，因而排放量小于半注水。

本研究發(fā)現(xiàn)，7 d內(nèi)未見明顯反彈。胡保安等[27]發(fā)現(xiàn)巴音布魯克高寒濕地CO2通量為常年積水區(qū)<季節(jié)性積水<常年干燥區(qū)，而本研究CO2總排放量為自然（o）>半注水（h）>全注水（f），二者結果類似。在監(jiān)測中以60 cm和30 cm水位變化幅度進行，根據(jù)2003與2011年水位變化數(shù)據(jù)，研究區(qū)7—9月水位平均變化幅度為1.11 m[9]，自然水位的變化完全能夠造成黃河邊灘濕地半淹水、全淹水的狀況，對研究區(qū)域進行進一步研究將有十分重要的意義。

4 結論

1）蘆葦CO2釋放速率受水位、土溫顯著影響。低溫水平下，蘆葦濕地隨水位上升，呈先升后降趨勢，最適水位為0 cm，土溫>24 ℃時則為逐漸降低。

2）水位上升后CO2釋放速率都有減小趨勢，7日監(jiān)測過程中表現(xiàn)為急劇降低-波動滯后-波動同步的規(guī)律，注水造成的影響在監(jiān)測過程中未見反彈，大部分時間釋放規(guī)律最高值多出現(xiàn)于白晝，與自然樣地相比半注水和全注水分別造成了43.4%和50.4%的減少。黃河中游頻繁的水位波動對蘆葦濕地CO2排放造成明顯的影響，一般情況下，水位上升，CO2釋放速率減弱，但其影響規(guī)律受到溫度干擾。水位變化造成的影響周期較長，CO2釋放速率的變化滯后于水位變化。

3）氣候變化造成的水位升降，水位上升造成CO2釋放速率明顯降低，隨后水位下降后短期內(nèi)并未出現(xiàn)反彈，CO2釋放的“呼吸”現(xiàn)象存在明顯的滯后效應，要分析其“呼吸”周期及響應機理，還需更長時間的監(jiān)測研究。

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The Effect of Water Level Fluctuation in Yellow River on CO2Emission from an Adjacent Wetland is Modulated by Soil Temperature

LYU Haibo1,2

(1.College of Environment and life science, Weinan Normal University, Weinan 714000, China; 2. Weinan Normal University, Key Laboratory for Eco-Environment of Multi-river Wetlands in Shaanxi Province, Weinan 714000, China)

【】Change in groundwater and soil moisture alters soil redox thereby shifting microbial activity and affecting soil emission. The objective of this paper is to experimentally elucidate how water level fluctuation in river could affect CO2emission from adjacent wetland.【】The study area was a wetland with reed (Trin. ex Steud) adjacent the Longmen-Tongguan section of the Yellow River. We did field survey on CO2emission from the wetland and conducted water-injecting monitoring experiments to measure CO2emission at different water level fluctuation patterns. 【】The impact of water level fluctuation in the river on CO2emission was modulated by soil temperature. When soil temperature was in 13~23℃, with the water level in the river rising, CO2emission from the soil increased first followed by a fall with the maximum reaching when the water level was 0 cm. In contrast, when soil temperature rose to 24~30℃ or higher than 30 ℃, CO2emission from the soil decreased as the water level in the river was rising. Regression analysis found that2of the regression varied with soil temperature, and the results from both half water injection (Lh, injected to -30 cm water level) and full water injection (Lf, injected to 0 cm water level) suggested that CO2emission decreased sharply, followed by a fluctuation which lagged behind the water level fluctuation, before oscillated under the same frequency as the water-level in the river. Calculation from all data revealed that the average emission in daytime and night was 3.05 and 2.74 μmol/(m2?s) respectively. In the seven days of experiment, the total CO2emission rate were 2.47, 1.22, 1.39 mol/m2for the control (undisturbed soil sample), Lhand Lf, respectively.【】The influence of water level fluctuation in the Yellow River on CO2emission from an adjacent wetland was impacted by soil temperature and diurnal temperature. In most cases, a rise in water level led to a decrease in CO2emission, and CO2emission in daytime was higher than that in night. The impact of one water level fluctuation in the river on CO2emission could last for more than a week.

water level fluctuation; soil respiration; reed wetland; Yellow River

X144；X16

A

10.13522/j.cnki.ggps.20180674

1672 - 3317（2020）01 - 0138 - 07

2018-06-74

渭南師范學院自然科學基金項目（15ZRRC12）；陜西省水利廳專項計劃項目（2015slkj-26）

呂海波（1980-），男。博士，主要從事氣候變化研究。E-mail:lhboboo@163.com

呂海波. 黃河龍門-潼關段水位變化對蘆葦濕地土壤CO2釋放速率的影響研究[J].灌溉排水學報, 2020, 39(1):138-144.

LYU Haibo. The Effect of water level fluctuation in yellow river on CO2emission from an adjacent wetland is modulated by soil temperature [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(1): 138-144.

責任編輯：韓 洋