【doc】 湿地土壤碳循环研究进展

【doc】 湿地土壤碳循环研究进展 湿地土壤碳循环研究进展 长江大学(自科版)2005年8月第2卷第8期/农学卷第25卷第3期 Jow-.~ofY柚薄 zeUniversity(NatSciEdit)Aug.2005Vo1.2No.8/AgriSciV,V01.25N..3 湿地土壤碳循环研究进展 田应兵(长江大学农学院,湖北荆州434025) [摘要]湿地是地球上碳储量最大的陆地生态系统,其碳储量约占陆地生态圈总碳量的20.湿地碳的90 以上储存在湿地土壤中.湿地土壤碳的循环对全球大气碳的收支平衡以及全球气候变化可能产生重大影 响.概述了湿地土壤碳素变化与温室气体排放的关系,湿地土壤碳素循环过程及其影响因素等方面的研究 进展,提出了进一步研究的问题. [关键词]湿地;土壤;碳循环 [中图分类号]P595[文献标识码]A[文章编号]1673—1409(2005)08—0001—04 当今世界广泛关注的全球气候变化尤其是气温升高问题与陆地生态系统的碳素循环有着密切联系. 湿地是地球4大陆地生态系统之一,尽管全球湿地面积只占陆地总面积的4,5|]j,与其它陆地生态 系统(森林,草地与农田)的面积相比相对较少,但其碳储量却是最高的,达450Gt,相当于陆地生态圈总 碳量的20I2],是一个名符其实的”碳汇”.近半个世纪以来,人类对天然湿地的干预不断增强,导致湿地 面积锐减,湿地旱化严重,其储藏的有机碳大量降解,成为一个向大气层释放温室气体的”碳源”l.因 此,湿地生态系统的碳素循环尤其是其储量变化对陆地生态系统碳循环和全球气候变化具有不可忽视的 重要影响. 湿地土壤是湿地的基质,也是湿地生态系统碳素的主要储积场所.毫无疑问,湿地土壤碳素的变化在 湿地生态系统碳循环以及由此产生的环境效应(如大气CO.含量升高)中起着关键性作用. l湿地土壤的碳储量 湿地中的碳主要储存在土壤 和植物体内.同其它陆地生态系 统相比,湿地的生物生产量较高. 例如,泥炭沼泽和沼泽等湿地生 态系统的净初级生产量(NPP)一 般为300,1000g?ITI?a,?, 生长在我国三江平原沼泽湿地的 毛果苔草的NPP每年高达1300 g?m._9].由于植物残体在湿 地多水,厌氧的环境下分解缓慢, 形成富含有机质的湿地土壤和泥 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1陆地生态系统植被和土壤(<1rl1)碳储量 Table1Carbonstorageinvegetationandsoil(<1m)interrestrialecosystem s [收稿日期]2005—05—16 [基金项目]湖北省教育厅国际合作项目资助(2001G03002) [作者简介]田应兵(1962一),男,湖北公安县人,农学博士,长江大学农学院副教授 ? 2?长江大学(自科版)2005年8月 碳.如果气候稳定且没有人类干扰,湿地相对于其他生态系统能够更长期地储存碳. 2湿地土壤碳素变化与温室气体排放 研究表明,在没有人类扰动的情况下,天然湿地植物净同化的碳仅有15再释放到大气中,说明天然 湿地能够作为一个抑制大气COz升高的”碳汇”‘1?.湿地一旦受到人类活动的干预(如农用开垦,资源开 发等)后,随着水分减少和土壤氧化性能增强,植物残体及泥炭的分解速率将会大大提高,碳的释放量增 加,结果导致湿地土壤有机碳的损失.据估计,在过去近200年中,由于湿地转为农田和林地造成的碳素 损失约为4.1Gtl】.湿地碳素损失的主要途径是土壤有机碳经微生物的作用分解转化为简单的气态产 物(主要是C02,CH等)释放到大气中.据IPCC(1995) 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 ,天然湿地的CH排放量为1×10H,2× 10Hg?a_.,平均占全球CH排放总量的22.目前关于湿地CO2排放对大气COz的贡献方面尚无定 论.一般认为未受干扰的湿地生态系统由于较高的植被净初级生产力而成为大气CO的”汇”.例如, Smish等l】..对路易斯安娜Barataria盆地的海滨湿地CO2通量的调查发现,盐质,淡水和海水淡水混合沼 泽每年有机碳收支为净积累.但改变天然湿地的用途会导致湿地COz排放量的显着增加.天然湿地改为 草地和农用地后,COz净释放量增加了5,23倍【_】.Burkett[]也发现湿地在排干或半排干状态下是C02 的”源”.湿地开垦后,厌氧条件减弱,有氧分解作用增强,CO2排放的增加量有一部分来源于CH排放量 的减少u.而在不考虑通量差异的前提下,CH所引起的温室效应是等量CO2的21倍.因此,在短期 (几十年)内,湿地生态系统是温室气体的”源”.但是,CH在大气中的滞留时间较CO2短,在一个相当的 时间尺度(100年),其”汇”效应还是占主导地位l】.Roulet等口]以100年作为时间尺度对加拿大泥炭湿 地的COz和CH收支进行估算,也得出了同样的结论. 3湿地土壤有机碳的循环过程 3.1湿地土壤有机碳的积累 生态系统有机碳的积累取决于系统植被净初级生产力(NPP)与有机碳分解和净排放之间的差异.湿 地植物残体因受湿地多水和还原性强的限制,其分解,转化速度比较缓慢,通常以泥炭或有机质的形式表 现为有机碳的积累?】.Sevensson等l3]的研究结果表明,泥炭湿地的植被净初级生产力约有30,40 贮存在泥炭层中.泥炭湿地长期的碳累积速率为20~30g?m?a-I[].此外,湿地生态系统的环境特 征对系统有机碳的积累也产生重要影响.对于开放或半开放的湿地生态系统,由水体带人或带出的有机 物和可溶性碳(DOC)在其总有机碳的收支上都占有一定的比例.据Lee[珀报道,香港西北部港湾的红树 林,每年由流人的水体带人的有机残体,碎屑干物质达4.42g?m_..Fraser等对加拿大Ontario的泥 炭沼泽研究也发现,通过降水截获的DOC约为(1.5?0.7)g?m…?a,但每年的DOC输出量达(8.3 ?3.7)g?m,. 3.2湿地土壤有机碳的分解转化及影响因素 湿地土壤有机碳的主要形态包括半分解的植物残体,半分解产物,可溶性碳与腐植化碳等.在特殊的 水文状况和供氧条件下,湿地土壤有机碳的分解转化包括有氧降解和厌氧发酵两种途径,COz是这两条途 径的最终产物,只有当土壤处于极度还原环境时(氧化一还原电位E『z<一150mY)才会形成还原产物 CH.一般认为,湿地有机碳的周转时间可长达数十年至数百年.即使在淡水流域的森林湿地中,周转较 快的可溶性碳(DOC)也约需40年左右.全球范围内,气候因子与植被类型,底物性质以及养分有效性 对湿地有机碳分解转化过程都有不同程度的影响.对于某一特定区域,有机碳分解机制主要受三方面因 素的制约:?待分解底物的性质l2;?影响分解微环境的理化性状,如温度,水文状况,pH,Eh等.;? 待分解底物与分解微环境共存的时间.Lockaby等l251认为凋落物输人分解微环境的时间对其分解过程 能产生持续影响. (1)水文状况由于湿地生态系统处于高地和深水系统之间,对于水文变化(水的滞留和运动)特别敏 感.水文条件不仅能直接改变湿地的理化性状,如养分的有效性,基质的缺氧程度,基质盐度,沉淀性质和 农学卷第25卷第3期田应兵:湿地土壤碳循环研究进展 pH值等,而且也是最终选择系统生物群落的主要因素之一_2.].湿地土壤微生物活性较同一气温下的旱 地低,湿地比相邻旱地的土壤酶活性也要低得多[2.湿地生态系统的干湿交替会引起土壤微生物活性及 种群的改变,并对有机碳的分解转化过程产生影响. (2)温度温度是影响有机碳分解过程的一个至关重要的因子.温度对基质呼吸速率的影响一般用 Q.函数关系来表示,即温度每升高10?时呼吸速率增加的倍数.不同的生态系统中Q.值有所差异,通 常情况下的Q.一2.寒冷地区的Q.值往往大于2l2.在水分条件为非限制因子时,基质的呼吸强度与 温度呈正相关关系趵].但在沼泽,积水冻原等湿地生态系统中,湿度和供氧强度成为限制因子时,基质的 呼吸速率与温度的关系是非线性的. (3)通气状况与氧化一还原电位(Eh)基质供氧不足时微生物的活性将受到抑制.湿地在淹水时, 沉积物表层中的氧只需几小时到几天就耗尽,因为氧在溶液中的扩散比在多孔介质中慢99.99,这种低 扩散能导致厌氧或还原条件.长期渍水的沉积物基质,其低,厌氧性强.HC标记的有机物料的腐解试 验表明,腐解速率随着Eh的降低而降低,释放的?COz量也随着Eh值的降低而减少L31】. (4)pH值pH值与氧化还原电位联合作用,通过控制分解过程中微生物的种类,数量及其活性来 影响有机碳的分解.1)elaune等1j研究发现,一定的氧化一还原电位(一150,500mV)范围内,HC标记 的有机物料在pH6.5时的分解率(HCOz计)最高.高于或低于pH6.5,其分解速率都显着降低.Jen— kinsonJ也曾指出,在酸性土壤(pH3.7)中,植物残体分解初期的分解速率较慢,直至腐解5年后才看到 土壤酸度的这种影响.由此可见,适度的中性环境条件利于有机碳分解. (5)底物的性质研究表明底物性质是控制湿地有机碳分解的主要因素之一【.引.不同种类凋落物分 解速率不同,原因在于凋落物所含的易分解,难分解物质以及C/N比的差异.待分解底物的C/N,C/P以 及C/N/P比通过对微生物同化作用的影响,来控制有机碳的分解速率. 湿地其它养分如N,P,S等元素的有效性,DOC和电子受体如O.,Fe抖,Mn,NO,S(,CO.等的 含量对有机碳的分解转化也有重要影响【..引.有研究发现,养分贫瘠的盐湖沼泽沉积物中施人N,P后, 沉积物呼吸加速,施肥点成为大气”温室气体”的”源”l3,12年后,沉积物上层的半分解有机碳与对照相比 减少了475g?m,相当于每年损失约40g?m..这说明增加N,P养分容量能加速沉积物中有机碳周 转,导致湿地生态系统有机碳损失的增加. 4湿地土壤碳循环研究展望 湿地生态系统是陆地生态系统的重要组成部分,在维护区域生态平衡和生物多样性保护等方面具有 重要作用.关于湿地生态系统碳素研究国内外已开展了大量的工作,特别是在泥炭湿地碳循环方面已取 得了许多重要的研究成果,为湿地在全球气候变化中的作用定量化研究奠定了基础.根据已有的研究资 料,今后湿地土壤碳循环在以下方面的研究仍需加强:一是湿地土壤碳循环的机理研究.目前国内外对于 湿地土壤碳循环过程的机理研究较薄弱,特别是对于不同类型湿地的碳储量,碳的累积历史与沉积年代, 碳的输人与输出通量,有机碳的组成及分解转化的动力学特征与参数,水文地质条件对湿地土壤有机碳积 累与分解的影响等方面的研究需要进一步深人;二是湿地土壤碳循环与全球气候变化研究.目前湿地生 态环境变化和人类活动对湿地的影响已受到广泛关注,但对由此引起的湿地碳储量和碳排放通量的变化 及其对全球气候变化的影响仍缺乏充分的认识,有关湿地土壤碳循 环过程对全球气候变化响应与反馈的 研究也有待加强. [参考文献] L1]MatthewSE,FungIY.Methaneemissionsfromnaturalwetlands:globaldistribution,area,andenvironmentalcharacteristicsof sourcesEJ].GlobalBiogeochemicalCycle,l987,l:6l,86. 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