胡保安，贾宏涛,，朱新萍,*，蒋平安,，杨磊，胡毅，王宁宁

1. 新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2. 新疆土壤与植物生态过程实验室，新疆 乌鲁木齐 830052

不同水分条件下巴音布鲁克天鹅湖高寒湿地
夏季N2O日排放特征

胡保安1，贾宏涛1,2，朱新萍1,2*，蒋平安1,2，杨磊1，胡毅1，王宁宁1

1. 新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2. 新疆土壤与植物生态过程实验室，新疆 乌鲁木齐 830052

在气候变暖背景下温室气体排放特征的研究已成为全球变化的研究热点之一，而湿地生态系统与温室气体排放有着密切的关系。湿地N2O排放对水分变化的响应机制研究对干旱区高寒湿地的科学管理具有重要意义。以新疆天山中部巴音布鲁克天鹅湖高寒湿地为研究区，采用静态箱-气相色谱法，对处于不同水分条件下高寒湿地生态系统N2O排放特征进行研究。结果表明：（1）常年积水区、季节性积水区、常年干燥区生态系统N2O的日平均排放通量分别为1.27、0.99、0.98 µg·m-2·h-1。生态系统日N2O累积排放量分别为常年积水区30.61 µg·m-2、季节性积水区23.97 µg·m-2、常年干燥区23.08 µg·m-2。（2）季节性积水区生态系统N2O排放日变化表现为3峰曲线，其峰值分别出现在2:00（1.30 µg·m-2·h-1）、11:00（1.28 µg·m-2·h-1）和21:00（1.66 µg·m-2·h-1），而常年干燥区生态系统N2O排放日变化表现为双峰曲线，峰值分别出现在9:00（1.40 µg·m-2·h-1）和17:00（1.42 µg·m-2·h-1）。（3）环境因素显著影响着湿地生态系统N2O排放，地表植被活体生物量与生态系统N2O累积排放量呈现显著正相关性，在常年积水区地下10 cm土壤温度与生态系统N2O排放通量相关性达到显著水平（F=8.326，P=0.018），在季节性积水区土壤含水量与生态系统N2O排放通量有显著相关性（F=4.787，P=0.043）。

高寒湿地；土壤；N2O

近年来，全球气候的异常变化已引起了人们的广泛重视，温室气体所导致的全球变暖已引起国际社会的广泛关注。N2O是仅次于CO2和CH4的主要温室气体，增温效应显著，2011年，甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O）质量浓度分别达到1803 µg·L-1和324 µg·L-1，分别比工业化前高了150%和20%。目前温室气体的浓度都达到 80万年以来的最高值（IPCC，2013）。从生物圈排放到大气中的 N2O有70%来源于土壤（Ding等，2007，2011），但植物本身的生长代谢活动也能产生N2O，其排放量也不容忽视（Rckaul等，2004）。生态系统N2O排放速率受温度、湿度、微生物、土壤质地、pH、有机质含量、外源氮输入等因素的综合影响（李俊，1995）。湿地作为水生生态系统和陆地生态系统之间的过渡区域，在全球变暖过程中发挥着重要的作用（李英臣等，2008）。当前，关于湿地生态系统土壤N2O排放已展开了许多的研究，研究区域主要集中在东北及沿海地区的自然和人工湿地系统（刘霞等，2104；易琼等，2014；袁俊吉等，2014），对处于我国干旱区典型高寒湿地生态系统 N2O排放过程与特征的研究尚未开展。本研究以巴音布鲁克天鹅湖高寒湿地生态系统为研究对象，研究常年积水区、季节性积水区和常年干燥区3种不同水分条件生态系统N2O的排放特征，并探讨土壤温度、地表植被及土壤含水率等环境因素对N2O排放的影响，为巴音布鲁克天鹅湖高寒湿地的科学管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

巴音布鲁克天鹅湖高寒湿地位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州和静县境内（82°59′～83°31′ E，42°45′～43°00′ N），湿地植被主要类型为苔草（Carex tristachya）和早熟禾（Poa pratensis），面积约770 km2，海拔2300～3042 m，沼泽地貌类型为天山南坡大尤尔斯盆地的山前洪积扇间洼地和河漫滩洼地，属于典型的高寒气候。湿地水源主要来源于冰雪融水和地下潜水，地下水位埋深大约0.5～1.0 m，矿化度为1.54 g·L-1。研究选择具有代表性的常年干燥区、季节性积水区与常年积水区为监测区域。各监测区域主要概况为：（1）常年干燥区（84°22′31" E、42°49′13" N）海拔2390 m，主要植被类型为早熟禾（Poa pratensis）、松草（Ceratopteris pterioides）、苔草（Carex tristachya），土壤水分含量 30%～40%，除冬季降雪覆盖，土壤均处于干燥状态；（2）季节性积水区（84°22′29"E、42°49′4"N）海拔 2391 m，主要植被类型为苔草（Carex tristachya）、冰草（Agropyron cristatum），土壤水分含量 50%～70%，除冬季外，土壤保持湿润状态；（3）常年积水区（84°22′26" E、42°48′34" N）海拔 2389 m，主要植被类型为苔草（Carex tristachya），土壤常年处于淹水状态。

1.2 研究方法

1.2.1 气体的采集和分析方法

于2014年6月中旬进行监测，1周内选取3个典型日进行连续监测，监测频率为白天每隔2 h监测1次，夜间每隔3 h监测1次。每个水分条件监测区域设置3个底座，即3次重复。3个水分条件下同时进行气体样品采集，气体采集采用静态箱法，采样箱由箱盖和底座构成，箱盖是由 PVC材料做成正方体，尺寸为长宽高50 cm，外加隔热材料。箱顶上安装有1个空气搅拌风扇和气体样品采集口。采样时将箱体放在底座边缘四周的凹槽中，加水密封，扣箱后0、5、10、15、20 min时用带有三通阀的50 mL注射器采集气体样品，收集起来的气体迅速转移到已抽真空的气袋中，带回实验室用气相色谱分析。在收集气体的同时，采用水银温度计记录静态箱内空气温度。

用气相色谱仪（Agilent7890A，Agilent，Palo Alto，USA）分析N2O的浓度；N2O检测器为ECD（电子捕获检测器），载气为N2，流量为30 mL·min-1，检测器温度为300 ℃，分离柱温度为55 ℃；通过对测定的5个气样浓度进行线性回归，得出气体排放速率，进而求出N2O的排放通量。

1.2.2 地表植被调查方法

植被采集采用样方法，在干燥区和湿润区各选择具有代表性的地段，按一定方向设置50 m样线，每隔10 m布设1个1 m×1 m的样方，对样方内地表活体植物生物量和凋落物进行采集，用称重法测定。

1.2.3 相关环境因素测定方法

在上述收集气体的同时用地温计记录地下 5 cm(T5)和10 cm(T10)处土壤温度，并采集静态箱周围1 m范围内的原状土，采用经典烘干法测定土壤湿度。

1.3 数据的计算与统计分析

N2O的排放通量计算：

式中，F为N2O排放通量（以N计）（µg·m-2·h-1）；ρ为标准状态下N2O的密度（1.98 kg·m-3）；V为密闭箱内有效的空间体积（m3）；A为密闭箱覆盖的水面面积（m2）；Δc/Δt为在特定时间内的N2O浓度变化速率；T为采样时密闭箱的温度（℃）。

N2O累计排放量计算：

式中：E表示累积土壤 N2O累积排放量（µg·m-2）；F表示土壤N2O排放通量（µg·m-2·h-1）；i表示采样次数；t表示采样时间（h）。

实验数据利用Microsoft Excel 2007软件作图，数据分析在SPSS软件（SPSS19.0 for Windows）中进行，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和LSD多重比较检验不同取样区域对土壤N2O排放量影响的显著性，采用线性回归拟合检验环境因素与土壤 N2O排放速率的相关性，显著水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 水分条件对生态系统N2O排放的影响

2.1.1 不同水分条件下湿地生态系统 N2O 排放日变化特征

从图1可以看出，常年积水区、季节性积水区、常年干燥区湿地生态系统 N2O的日平均排放通量分别为1.27、0.99、0.98 µg·m-2·h-1，日平均排放通量大小表现为常年积水区>季节性积水区和常年干燥区，季节性积水区中土壤N2O排放日变化表现为3峰曲线，其峰值分别出现在2:00（1.30 µg·m-2·h-1）、11:00（1.28 µg·m-2·h-1）、21:00（1.66 µg·m-2·h-1），而在常年干燥区中土壤 N2O排放日变化表现为双峰曲线，峰值分别出现在 9:00（1.40 µg·m-2·h-1）、17:00（1.42 µg·m-2·h-1），且峰值的出现都较季节性积水区提前3 h左右。

2.1.2 高寒湿地N2O日排放通量对水分条件的响应

从表1可以看出，影响高寒湿地生态系统N2O排放通量的主导因素不同，在温度作为影响土壤N2O排放通量主导因素时，其差异性表现不显著，如在11:00、13:00、19:00土壤温度变化幅度较大，温度上升为影响土壤 N2O排放的主导因素，使其N2O排放通量差异性不显著，在温度变化趋于平缓时，土壤N2O排放通量受水分条件的影响差异性显著（表1）。且在2:00、7:00、15:00、17:00、21:00差异性达到极显著水平。

表1 不同水分条件下湿地生态系统N2O排放通量日变化显著性分析Table 1 Significant analysis about the daily emissions characteristics of N2O under different water conditions ecosystems

2.2 不同水分条件对高寒湿地N2O累积排放量的影响

从图2可以看出常年积水区湿地生态系统N2O累积排放量增长速率要大于季节性积水区和常年干旱区，在2:00到9:00之间季节性积水区湿地生态系统N2O累积排放速率要大于常年干燥区，但到9:00以后二者累积排放速率趋于相似。3种不同水分条件下湿地生态系统 N2O累积排放量大小依次为常年积水区>季节性积水区>常年干燥区，其大小分别为30.61、23.97、23.08 µg·m-2。

图1 不同水分条件下湿地生态系统N2O排放日变化特征Fig. 1 The daily emissions characteristics of N2O under different water conditions ecosystems

2.3 不同水分条件下生物量对湿地生态系统 N2O日排放量的影响

图2 不同水分条件下湿地生态系统N2O日排放累积量Fig. 2 The cumulative daily emissions of N2O under different water conditions ecosystems

图3显示出常年积水区、季节性积水区、常年干燥区活体生物量分别为 191.15、50.93、31.58 g·m-2，常年积水区水分充足植物生产茂盛致使其活体生物量要明显大于季节性积水区和常年干燥区。而凋落物生物量则表现为常年干燥区大于季节性积水区，其值分别为17.03、10.50 g·m-2。从图3可以看出，生态系统N2O累积排放量与活体生物量存在正相关趋势。相关分析表明，活体生物量与土壤N2O 累积排放量之间存在显著正相关性（r=0.965）；但在季节性积水区和常年干燥区，生态系统N2O累积排放与凋落物生物量仅呈现一定的负相关趋势。

图3 不同水分条件下生物量与湿地生态系统N2O日排放量的关系Fig. 3 The relationship between biomass and N2O emissions under different water conditions ecosystems

图4 不同水分条件下土壤温度和土壤含水量的日动态Fig. 4 The daily characteristics of soil temperature and soil water content under different water conditions ecosystems

2.4 环境因子与生态系统N2O排放通量的关系

不同水分条件下，5 cm土层地温变化范围在（4.25～19.50 ℃）之间(图 4A)，常年积水区由于常年处于淹水状态，对环境因素的敏感度要明显弱于季节性积水区和常年干燥区，其常年积水区（4.25～15.85 ℃）变化幅度要小于季节性积水区（4.75～19.50 ℃）和常年干燥区（5.10～19.35 ℃），常年干燥区地下 5 cm处土壤平均温度最高（11.30 ℃），季节性积水区次之（10.76 ℃），常年积水区最低（9.74 ℃）。10 cm土层地温变化范围在（5.60～12.90 ℃）之间（图4B），受外界环境干扰要小于5 cm土层土壤，其地温变化幅度要小于5 cm土层土壤。

季节性积水区表层土壤含水量在（42.91%～74.12%）之间（图 4C），平均值为（63.17%），最低值最高值分别出现在7:00、15:00。常年干燥区表层土壤含水量在（30.32%～52.19%）之间（图 4C），平均值为（40.60%），最低值最高值分别出现在9:00、23:00。季节性积水区含水量变化幅度、平均值都要明显大于常年干燥区。

对湿地生态系统N2O排放通量与土壤5、10 cm地温和含水量用 SPSS19.0进行回归分析发现（表2），常年干燥区土壤N2O排放通量与土壤5、10 cm地温和含水量相关性均不显著，而常年积水区土壤N2O排放通量与土壤 10 cm地温呈现显著正相关（F=8.326，P=0.018），季节性积水区土壤N2O排放通量与土壤含水量之间的相关性达到显著水平（F=4.787，P=0.043）。

表2 不同水分条件下生态系统N2O排放通量与土壤温度和土壤含水量的拟合关系Table 2 The fitting relationship between N2O emissions and soil temperature and soil moisture content

3 讨论

3.1 地表水分条件对生态系统N2O排放的影响

水分条件不同将影响土壤的理化性质，湿地土壤N2O排放主要来源于土壤中的硝化-反硝化作用，研究表明湿地的淹水条件，低含氧量和丰富的碳、氮营养物质使反硝化作用被看作是湿地土壤 N2O排放的主要因素，而土壤的硝化-反硝化作用是一个微生物过程，凡是影响土壤微生物活动的因素均影响土壤硝化-反硝化作用（李英臣等，2008）。水分条件通过影响含氧量而间接影响反硝化作用的强度及其 N2O/N2的比率，一般情况下反硝化作用的强度随水分含量的增加而加强（Erich等，1984）。

常年积水区土壤 N2O日平均排放通量和累积排放量均要大于季节性积水区和常年干燥区，这与郑循华、颜晓元等研究结果一致，在土壤水分含量接近100%时，土壤具有最大的N2O排放速率（郑循华等，1996；颜晓元等，2000）。反硝化作用是湿地土壤N2O排放的主要来源，而反硝化作用是由某些嫌气性和兼气性微生物完成的，故反硝化速率与土壤中的含氧量呈负相关，在高含水量时，土壤N2O排放主要来自于反硝化作用（孙文广等，2014）。同时，干湿交替会改变氮循环的过程，湿地季节性积水会刺激反硝化作用，进而促进土壤N2O的排放（Mentzer等，2006），本研究的结果也验证了这一点。

3.2 地表生物量对生态系统N2O排放的影响

湿地地表植被可通过通气组织传递N2O气体，植物通过根系呼吸作用消耗土壤中O2，有利于反硝化作用的进行，植物的根系分泌物还可以为微生物提供可利用性的碳，增加微生物的活性（李英臣等，2008），植物本身的生长代谢活动也能产生 N2O，其排放量还能达到与土壤排放相当的水平（陈冠熊等，1990）。最终导致在高生物量的常年积水区土壤N2O排放量要大于季节性积水区和常年干燥区。

气体从土壤向大气的排放是一个复杂的输送过程，与土壤有较大的相关性，地表植被的覆盖度直接影响土壤结构的变化，特别是对土壤空隙和土壤松紧性有较大的影响（杜睿等，2001），进而影响土壤向大气排放N2O。在本研究中季节性积水区和常年干燥区凋落物生物量分别为 17.03、10.50 g·m-2，对应的土壤N2O累积排放量分别为23.97、23.08 µg·m-2，二者表现出一定的负相关性趋势，但有研究表明土壤微生物能分解植物凋落物，使可利用N增加，提高土壤N2O的排放（Maljanen等，2003），这与本文的研究结果存在差异，这可能是由于植被N2O排放的效应所致。

3.3 相关环境因素对生态系统N2O排放通量的影响

除水分、植被外，土壤温度和湿度是影响生态系统 N2O排放的主要因素（杨兰芳和蔡祖聪，2005）。土壤温度升高能促进土壤呼吸及土壤微生物的活性，从而促进土壤N2O的排放量（Allen等，2010），在土壤湿度适宜的情况下土壤N2O排放与土壤温度呈指数正相关关系（伍延正等，2013），本研究中常年积水区土壤N2O排放通量与土壤10 cm地温呈现显著正相关性（r2=0.481），季节性积水区土壤 N2O排放通量与土壤含水量之间的相关性达到显著水平（r2=0.545）；土壤N2O排放与土壤含水量之间有正相关性（石洪艾等，2013），是因为土壤含水量的升高能创造土壤的厌氧环境，有利于反硝化作用的进行，导致土壤 N2O排放量增加（Smith等，2003）。

本研究发现，土壤温度的变化幅度会影响到N2O排放日变化。当土壤温度变化幅度较大时均出现N2O排放峰值，如9:00到11:00、15:00到19:00土壤温度发生较大波动，此时季节性积水区、常年干燥区都伴随有N2O排放峰值的出现。但常年积水区日变化曲线无明显峰值出现，常年积水区常年处于淹水状态，环境因素较为稳定，致使其土壤N2O排放通量波动幅度要小于季节性积水区和常年干旱区。在常年积水区土壤水分处于过饱和状态，极端厌氧，有利于厌氧微生物的生存，促进土壤进行反硝化作用，最终导致其N2O排放量要大于季节性积水区和常年干燥区；常年积水区10 cm土壤温度与生态系统N2O排放存在显著相关性（r2=0.481），而5 cm土壤温度与生态系统N2O排放相关性很弱（r2=0.279）。在季节性积水区和常年干燥区土壤温度与生态系统N2O排放量的相关性均不显著，可能是地表植被覆盖率低，受外界环境因素影响较大的原因所致（Almagro等，2009）；季节性积水区土壤含水量与生态系统 N2O排放量存在显著正相关（r2=0.545），而常年干燥区土壤含水量与生态系统N2O排放量相关性不显著，这与Hansen等（1993）的研究相符合，土壤含水量在一定范围内（45%～75%）土壤N2O排放速率随含水量的升高而增加，季节性积水区和常年干燥区土壤含水量均值分别为63.17%、40.60%，常年干燥区土壤含水量要明显低于季节性积水区，所以导致常年干燥区生态系统N2O排放对土壤含水量的变化不敏感。

4 结论

水分条件对高寒湿地N2O排放通量影响显著，常年积水区、季节性积水区、常年干燥区生态系统N2O的日平均排放通量分别为 1.27、0.99、0.98 µg·m-2·h-1。生态系统N2O累积排放量表现为常年积水区>季节性积水区>常年干燥区，其值分别为30.61、23.97、23.08 µg·m-2。

除地表水分条件外，其他环境因素对湿地N2O排放也具有一定影响。其中，活体生物量与湿地生态系统N2O累积排放量呈现显著正相关性。

常年积水区地下 10 cm土壤温度与生态系统N2O排放通量相关性达到显著水平（F=8.326，P=0.018），在季节性积水区、常年干燥区土壤温度的大幅度波动会刺激生态系统 N2O的排放使其出现排放通量峰值。在季节性积水区土壤含水量与生态系统 N2O排放通量有显著相关性（F=4.787，P=0.043），而季节性积水区和常年干燥区土壤温度与生态系统 N2O排放量相关性不显著。生态系统N2O排放除受温度影响外还需要考虑土壤含水量和其他环境因素的协同作用。

致谢：感谢项目组野外工作的王宁宁、李典鹏、徐杰、蔡东、张起山同学；感谢中国科学院巴音布鲁克草原生态观测站及巴音布鲁克天鹅湖自然保护区的支持。

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Daily Characteristics of Summer N2O Emission under Different Water Conditions at Bayinbuluke Swan Lake Alpine Wetland

HU Baoan1, JIA Hongtao1,2, ZHU Xinping1,2*, JIANG Pingan1,2, YANG Lei1, HU Yi1, WANG Ningning1
1. College of Grassland and Environment Sciences, Xinjiang Agricultural, University, Urumqi 830052, China；2. Xinjiang Key Laboratory of Soil and Plant Ecological Processes, Urumqi 830052, China

Characteristics of greenhouse gas emission had became the focus of global change study under the background of climate warming, and the wetland ecosystem and greenhouse gas emissions are closely related. Understanding the effect of water change on the dynamics of wetland N2O emissions is important for the scientific management of alpine wetland in arid area.Taking the alpine wetland at Swan Lake of Bayinbuluke in the middle Tianshan Mountain as a study area, the emission characteristics of N2O was measured under different water conditions at alpine wetland ecosystems using the method of static steel chambers and gas chromatography. Results showed that: (1) The average daily emissions of N2O at perennial seeper area, seasonal water area and perennial dry area were 1.27, 0.99, and 0.98 µg·m-2·h-1, respectively, while the cumulative daily emissions of N2O at perennial seeper area, seasonal water area and perennial dry area were 30.61, 23.97 and 23.08 µg·m-2, respectively. (2) The curve of N2O daily emissions in seasonal water area had three peaks, which occurred at 2:00 (1.30 µg·m-2·h-1), 11:00 (1.28 µg·m-2·h-1), and 21:00 (1.66 µg·m-2·h-1), while the curve of N2O daily emissions in perennial dry area peaked at 9:00 (1.40 µg·m-2·h-1) and 17:00 (1.42 µg·m-2·h-1). (3) Environmental factors had significant effect on N2O emissions in wetland ecosystems. There is a significant positive correlation between the soil N2O cumulative emissions and vegetation living biomass at all areas. The significant correlation between N2O emissions and soil temperature of underground 10 cm was only found at perennial seeper area (P=0.018), while the correlation between N2O emissions and soil water content was significant (P=0.043) only at seasonal water area.

alpine wetland; soil; N2O

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.05.014

X142

A

1674-5906（2015）05-0811-07

胡保安，贾宏涛，朱新萍，蒋平安，杨磊，胡毅，王宁宁. 不同水分条件下巴音布鲁克天鹅湖高寒湿地夏季N2O日排放特征[J]. 生态环境学报, 2015, 24(5): 811-817.

HU Baoan, JIA Hongtao, ZHU Xinping, JIANG Pingan, YANG Lei, HU Yi, WANG Ningning. Daily Characteristics of Summer N2O Emission under Different Water Conditions at Bayinbuluke Swan Lake Alpine Wetland [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(5): 811-817.

新疆自然科学基金项目（2013211B17）

胡保安（1989年生），男，硕士研究生，主要从事生态系统碳循环研究。E-mail：529594039@qq.com *通信作者：朱新萍（1978年生），女，副教授，硕士生导师，主要从事干旱区区域环境演变，生态环境质量安全与评价。E-mail：zhuxinping1978@163.com

2015-01-24