温度和水位对滨海围垦湿地碳过程的影响

【摘要】天然滨海湿地植被的生产力高,土壤有机质分解速率低,碳封存速度快,是非常显著的碳汇(至少在区域尺度上)。滨海湿地的碳汇功能会受到多种环境因子的影响,其中温度和水文因子是控制滨海湿地碳过程的两个最重要的环境因子。近几十年以来,海岸带地区经济发展和人口增长对土地资源的需求使大量天然滨海湿地被人工建设的堤坝围垦。围垦区土地在没有开展农业生产的区域往往会形成独特的受损滨海湿地类型——滨海围垦湿地。与天然滨海湿地相比,围垦阻止了潮汐对滨海围垦湿地的影响,切断了其与近岸海域的水、热及物质交换,改变了其水热条件及养分状况。滨海围垦湿地的地下水位下降,土壤盐分动态发生改变,土壤厌氧环境减弱。围垦导致滨海湿地一系列环境因子(特别是水文因子)的改变均可能会影响湿地土壤碳排放和植物群落碳固定。在气候变暖的条件下,围垦对滨海湿地的人为干扰还可能会潜在的影响湿地土壤碳排放和植物群落碳固定对气温升高的响应。另外,在滨海围垦湿地中,温度和水分等重要环境因子对生态系统碳通量的控制机制也可能会和天然滨海湿地存在差异。为在气候变化条件下对滨海围垦湿地碳汇功能的可持续管理与利用提供科学依据,本论文以长江口崇明东滩滨海围垦湿地为研究对象,利用开顶式生长箱(OTC)模拟升温研究了气温升高对滨海围垦湿地土壤碳排放和植物群落碳固定的影响；通过3个不同地下水位梯度间的比较研究了水位对滨海围垦湿地植物土壤碳排放和植物群落碳固定的影响；借助基于涡度协方差技术的碳通量原位监测研究了温度和水分等重要环境因子对滨海围垦湿地生态系统碳通量的影响。在陆地生态系统中,土壤碳排放可以由土壤呼吸直观反映,土壤呼吸代表绝大部分土壤碳库释放到大气中的C02通量；植物群落的碳固定能力往往由其生产力的大小直接决定,而植物群落生产力对环境因子变化的响应在很大程度上由群落优势种介导；生态系统碳通量一般是指生态系统和大气之间的C02通量(净生态系统生产力)。本论文重点探讨了以下几个科学问题：1)气温升高对滨海围垦湿地土壤呼吸的影响；2)气温升高对滨海围垦湿地植物群落不同功能型优势草本植物光合、形态和生长的影响；3)水位对滨海围垦湿地土壤呼吸的影响；4)水位对滨海围垦湿地植物群落不同水分适应能力优势草本植物光合、形态和生长的影响；5)温度和水分等重要环境要素对滨海围垦湿地和大气之间的CO2通量的影响。本论文得到的主要结果如下：1)在两年研究期间,OTC将平均气温显著升高了1.53±0.17℃。在两年研究期间,大约1.5℃的气温升高幅度没有显著增加平均土壤呼吸速率；在生长季,升温对平均土壤呼吸速率的影响也不显著；但在非生长季,升温却显著将平均土壤呼吸速率降低了16%。在两年研究期间,气温升高没有显著影响0-5cm层的土壤温度或土壤体积含水量,但是却将土壤孔隙水盐度显著提高了119%。在两年研究期间,气温升高没有显著影响0～10cm土层的总有机碳含量、总氮含量和摩尔碳氮比。在土壤呼吸测定的第二年,气温升高没有显著影响植物群落地上生物量和活细根(Φ<2mm)密度,但却显著增高了植物群落的叶面积指数。0～5cm层土壤温度和土壤呼吸呈显著正相关；0～5cm层土壤体积含水量和土壤呼吸没有显著相关性；在处理样方,0～5cm层土壤孔隙水盐度与土壤呼吸呈显著正相关,但是这种正相关在升温样方中不存在。气温升高也没有显著改变土壤呼吸的Q10值。土壤孔隙水盐度是控制滨海围垦湿地中气温升高对土壤呼吸影响的关键环境因子。2)植物生长季旺期,气温升高显著降低了芦苇Phragmitesaustralis(Cav.)Trin.exSteud,C3禾草)叶片的光合能力,但对白茅(Imperatacylindrica(Linn.)Beauv.,C4禾草)叶片的光合能力却没有显著影响。整个植物生长季内,在单株水平上,气温升高显著降低了芦苇地上部分的形态和生长指标,而对白茅地上部分的形态和生长指标却没有显著影响；在种群水平上,气温升高显著提高了芦苇的植株密度、叶面积指数和地上生物量,但却显著降低了白茅的这3个指标。植物生长季初期,气温升高对0～20cm土层芦苇根状茎生物量没有显著影响,但却显著降低了同一土层白茅根状茎生物量。植物生长季内,气温升高对0～10cm土层无机氮含量没有显著性影响,暗示气温升高不能显著改变表层土壤的可用性营养物质含量。在气温升高及由升温潜在导致土壤盐度增加的滨海围垦湿地中,尽管芦苇叶片水平的光合能力和单株水平的生长特征有所下降,但其仍然可以通过增加植株密度和比叶面积而显著提高地上生物量,而白茅的克隆繁殖则会受到升高的土壤盐度和来自芦苇更强的种间竞争作用的抑制。3)在一年研究期间,三个水位梯度下平均土壤呼吸速率大小依次为：中水位>低水位>高水位。高水位的土壤呼吸速率年平均值分别比低水位和中水位低18.3%和27.5%。0～5cm层土壤温度是驱动滨海围垦湿地土壤呼吸季节变异的关键微气象因子,拟合指数模型可以解释其70%以上的季节变异。水位对土壤呼吸的Q10值无显著影响。高水位的平均土壤呼吸速率最低,可能与这一梯度下土壤温度较低和土壤体积含水量较高有关,中水位平均土壤呼吸速率高于低水位,可能是这一梯度下土壤电导率和容重较低,地上生物量和细根密度较高的结果。4)植物生长季旺期,湿生植物芦苇叶片的光合能力在高水位显著低于低水位和中水位,而中生植物白茅叶片的光合能力在3个水位梯度间无显著差异。整个植物生长季内,在单株水平,芦苇形态和生长指标总体上在中水位为最优,而大多数白茅形态和生长指标在3个水位梯度间差异不明显；在种群水平,芦苇的植株密度、叶面积指数和总地上生物量在高水位最高,而白茅的这3个指标在低水位最高。植物生长季初期,0-20cm土层芦苇根状茎生物量在3个水位梯度间差异不显著,而同一土层白茅根状茎生物量在高水位显著低于低水位和中水位；植物生长季内,高水位0～10cm土层无机氮含量显著低于低水位和中水位,暗示提高水位会显著降低表层土壤的可用性营养物质含量。芦苇在3个水位梯度下表现的差异可能是由于这些梯度下土壤环境因子的差异及来自白茅种间竞争强度的不同共同导致的。5)崇明东滩滨海围垦湿地和大气之间的CO2通量呈现出显著的日变化和季节变化规律；在日尺度上,光合有效辐射和气温分别决定了白天和夜晚CO2通量的波动规律及变化幅度；在季节尺度上,光合有效辐射和温度同时是驱动C02通量季节变化的主要环境因子,叶面积指数和活地上生物量也是潜在影响CO2通量季节变化的生物因子。在滨海围垦湿地,温度的季节性增加会导致生态系统C02通量的显著增加。土壤含水量的季节性变化不能对生态系统C02通量造成显著抑制或促进,但却会影响湿地植被光合能力对光合有效辐射变化,及生态系统呼吸对温度变化的响应。在全年尺度上,崇明东滩滨海围垦湿地表现为固定C02的汇,年净生态系统生产力为558.4gC·m-2·yr-1,其中总生态系统生产力和生态系统呼吸分别为1297.9和739.4gC·m-2·yr-1。崇明东滩滨海围垦湿地年净C02固定能力总体上高于位于中高纬度地区的内陆淡水湿地和比研究区域纬度更高的河口／滨海湿地,而低于同一地区崇明东滩天然盐沼和热带红树林沼泽；河口／滨海湿地生态系统净固定CO2能力随着其所处纬度的降低而呈显著升高趋势。尽管围垦使这个受损滨海湿地净固定CO2的能力有所下降,但位于长江口崇明东滩的滨海围垦湿地仍然是非常重要的C02的汇。基于以上研究结果,本论文可以进一步凝练出几条面向气候变化条件下滨海围垦湿地碳汇功能可持续管理与利用的重要结论：1)在滨海围垦湿地中,在气温升高的条件下,较高土壤含水量导致的蒸发散增加和气温升高导致的叶面积指数增加会耗散或阻碍大部分用于土壤温度增加的能量。因此中度的气温升高可能不会导致土壤温度的升高,从而不会显著促进土壤呼吸速率。2)在滨海围垦湿地中,由于地下水含盐量较高,气温升高会通过增加蒸发散而使盐分在根区积累,而植物根系对根区水的选择性吸收会增加土壤盐度。气温升高导致土壤盐度的增加不仅会影响土壤呼吸对气温升高的响应,而且还会通过限制非盐沼优势草本植物(本研究中为白茅)的生长和繁殖而提高原生的盐沼优势草本植物(本研究中为芦苇)在群落中的优势度,并进而对植被生产力造成影响。3)在滨海围垦湿地中,提高水位可以通过降低土壤温度和增加土壤含水量而减弱土壤呼吸速率,从而减缓围垦导致的滨海湿地土壤有机碳损失速率；提高水位还可以通过限制中生优势草本植物(本研究中为白茅)的生长和繁殖而提高原生的湿生优势草本植物(本研究中为芦苇)在群落中的优势度,并进而增加植被生产力。因此,合理的水位调控可以有效地增强滨海围垦湿地的碳汇功能。4)在滨海围垦湿地中,过高的土壤含水量会通过降低湿地植被光合能力对光合有效辐射变化的响应而对生态系统固定C02的能力产生间接限制；过高的土壤含水量不能显著改变生态系统呼吸的温度敏感性,但却能在一定程度上降低基础生态系统呼吸速率。因此,为增加滨海围垦湿地的净生态系统生产力,管理者可以采取措施对湿地土壤含水量进行调控,一方面降低生态系统呼吸速率,另一方面保持湿地植被光合能力对光合有效辐射的合理响应。
【作者】仲启铖；
【导师】王开运；
【作者基本信息】华东师范大学，生态学，2014，博士
【副题名】以崇明东滩为例
【关键词】崇明岛；滨海围垦湿地；气温升高；水位梯度；碳汇；土壤呼吸；植被生产力；碳通量；可持续管理和利用；

【参考文献】
[1]陈昊坚.海关大监管体系下的查验管理中心运作模式研究[D].厦门大学,工商管理,2014,硕士.
[2]李明.基于精益六西格玛A公司售后物流系统研究[D].北京交通大学,2014.
[3]刘焕军.灌装自动化生产线上视觉检测机器人研究[D].湖南大学,2008.
[4]张翔.RANKL-三氯乙烯致大鼠毒性损伤的关键因子[D].吉林大学,药理学,2013,硕士.
[5]王斌.基于WEB管理的分布式网络设备监测系统的设计与实现[D].内蒙古大学,2004.
[6]杨国敏.SWAT模型在赵王河流域面源污染控制中的应用[D].山东师范大学,环境科学,2013,硕士.
[7].书法高考专题访谈[J].书法,2014,05:32-39.
[8]蔡蓓.基于用户体验的微波炉的可用性研究[D].北京服装学院,设计艺术学,2012,硕士.
[9]吴婧,徐平,毛祖法,王岳飞.茶园晚霜冻害及其防治[J].茶叶,2014,04:212-215.
[10]朱颖.武汉市南湖大道南侧PM_(10)、PM_(2.5)及其重金属污染特征[D].华中农业大学,环境工程,2014,硕士.
[11]林于新.数字无线通信系统电磁敏感性的量化分析与研究[D].北京交通大学,2015.
[12]曾亚鑫.信息技术在企业技术型员工培训中的应用实践探究[D].河北师范大学,现代教育技术,2014,硕士.
[13]袁成,邰能灵.纵向零序电压保护新方案及其应用[J].电力系统自动化,2007,24:47-51.
[14]金保召.Android平台下流媒体播放器的设计与应用[D].兰州理工大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[15]裘文慧.环境雌激素双酚A对红鲤鱼（Cyprinus carpio）的免疫毒性及毒理机制研究[D].上海大学,环境工程,2013,硕士.
[16]李樊.橡实淀粉凝沉特性与晶体特性研究[D].中南林业科技大学,林业,2013,硕士.
[17]谭杰.中医内外结合治疗抑郁发作伴颈椎病临床疗效观察[D].山西医科大学,中西医结合（专业学位）,2013,硕士.
[18]刘倩.绘画作品多维空间表现的研究[D].河北师范大学,美术学,2012,硕士.
[19]王星.非常规突发事件现场应急指挥信息通信体系研究[D].南京邮电大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[20]韩京清.非线性PID控制器[J].自动化学报,1994,04:487-490.
[21]颜红.多孔硅表面增强亲和捕获蛋白及激光解析电离质谱检测[D].南京大学,2011.
[22]章涵.EPA实时可靠通信协同调度与优化研究[D].浙江大学,2010.
[23]李建涛.宝硕管材公司战略导向绩效管理体系设计研究[D].大连理工大学,工商管理,2004,硕士.
[24]韩烨.WCDMA协议呼叫流程形式化模型的建立与分析[D].内蒙古大学,计算机科学与技术,2013,硕士.
[25]马辉猛.纺织厂粉尘分布的数值模拟与检测方法的研究[D].武汉纺织大学,环境工程,2014,硕士.
[26]王承曙.双边预测反褶积理论与算法[J].石油地球物理勘探,1991,01:10-18+128.
[27]邱少华.安徽省资源型城市可持续发展研究[D].安徽大学,政治经济学,2013,硕士.
[28]张大为.盗窃罪既遂标准个案研究[D].黑龙江大学,法律,2013,硕士.
[29]何承云.《战国策》士人研究[D].湖北大学,古代文学,2011,硕士.
[30]程垭君.东西部小学生综合素质现状的比较研究[D].苏州大学,课程与教学论,2014,硕士.
[31]王猛.大峰矿火区无线监测预警系统的设计与应用[D].西安科技大学,安全工程,2013,硕士.
[32]殷晋尧,周锦帆.电化学分析[J].分析试验室.1991(04)
[33]王佳.我国沿海地区旅游环境承载力预警研究[D].中国海洋大学,旅游管理,2014,博士.
[34]吕俊栋.等摩尔掺杂Y_2O_3和Er_2O_3对La_2Zr_2O_7体系陶瓷材料结和性能的影响[D].内蒙古科技大学,材料工程,2014,硕士.
[35]黄佳.二维自组装刚性杆模型相变的Monte Carlo研究[D].南京师范大学,凝聚态物理,2012,硕士.
[36]边文波.十九种植物精油对茶丽纹象甲的生物活性及茶树多酚氧化酶基因的克隆[D].南京农业大学,农业昆虫与害虫防治,2012,硕士.
[37]李娇.玉米苗期干旱胁迫下可变剪接及其调控因子的研究[D].郑州大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[38]胡弦.遮挡效应及Si、Cu改性的TiAlN涂层性能研究[D].南昌航空大学,材料物理与化学,2013,硕士.
[39]李青.7号信令监测系统中建立数据仓库的研究[D].重庆大学,2004.
[40]马泽清,王辉民,王绍强,李庆康,王义东,汪宏清.雨雪冰冻灾害对中亚热带人工林的影响——以江西省千烟洲为例[J].植物生态学报,2010,02:204-212.
[41]刘春娜.基于B/S的个人电脑网上销售系统的开发与设计[D].吉林大学,软件工程,2014,硕士.
[42]程伟.论WTO体制下我国绿色贸易壁垒制度的完善[D].中南民族大学,法律,2013,硕士.
[43]苏婧.警具管理系统设计与实现[D].山东大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[44]蔡银强.战国策派翻译文学研究[D].西南大学,比较文学与世界文学,2014,硕士.
[45]张卿汇.两类平行机排序问题的算法设计与分析[D].浙江理工大学,基础数学,2014,硕士.
[46]方纯洁.安徽省对外文化贸易现状及发展对策研究[D].安徽大学,政治经济学,2014,硕士.
[47]陈俊.金银花提取物的物质基础和制备工艺研究[D].浙江大学,2010.
[48]艾书超.单变量时间序列建模与预测研究[D].武汉理工大学,2005.
[49]吴昊.旅游度假型新农村住区生态化发展模式研究[D].长安大学,建筑设计及其理论,2014,硕士.
[50]施小英.中国区域气候经向与纬向特征及其变化[D].中国气象科学研究院,气象学,2004,硕士.