北極高緯度苔原溫室氣體源匯研究.pdf

1、北極高緯度地區(qū)是全球變化最為敏感的地區(qū)之一，也是全球增溫劇烈的地區(qū)，大面積凍土融化使苔原土壤微區(qū)環(huán)境發(fā)生了很大變化，有利于土壤微生物的活動和溫室氣體的產(chǎn)生。另外，北極高緯度地區(qū)的瀕海苔原，是全球重要的海鳥棲息地，海鳥通過捕食活將海洋中的碳氮磷等養(yǎng)分元素轉(zhuǎn)移到陸地苔原，海鳥活動與鳥糞的沉降強烈影響著當?shù)靥υ寥赖睦砘再|(zhì)，對高緯度北極苔原溫室氣體的源匯過程產(chǎn)生了重要影響，但是目前關(guān)于北極高緯度苔原溫室氣體通量的研究很少有文獻報道，尤其是海

2、鳥活動對北極苔原溫室氣體通量的影響研究還未開展。因此，在全球變化的背景下，研究海鳥活動與環(huán)境因子對高緯度北極苔原溫室氣體產(chǎn)生與排放過程的影響尤為重要。本文采用密閉箱法對北極高緯度地區(qū)的新奧爾松(Ny-(A)lesund)苔原溫室氣體（CO2、CH4和N2O）通量的時空變化規(guī)律進行了觀測研究，探討了海鳥活動和環(huán)境因子對這些氣體通量的影響;通過模擬實驗，詳細研究了凍融循環(huán)過程對北極苔原土壤溫室氣體產(chǎn)生速率的影響;此外，還分析了海洋大氣中CO

3、2濃度及其穩(wěn)定同位素值的空間分布規(guī)律及其影響因素等。主要研究內(nèi)容和結(jié)果分述如下:
　　(1)北極新奧爾松地區(qū)近地面溫室氣體濃度的時空變化規(guī)律在2008和2009年夏季，對北極新奧爾松地區(qū)(Ny-(A)lesund)不同生態(tài)區(qū)包括鳥類保護區(qū)、普通苔原、廢棄的礦區(qū)和人類活動考察站等區(qū)域的近地面CO2、CH4和N2O濃度進行了監(jiān)測。結(jié)果表明:2008年夏季鳥類保護區(qū)苔原CO2和N2O平均濃度比2009年高約30 ppm和25 ppb;而

4、CH4濃度比2009年低約700 ppb。普通苔原CO2平均濃度2009年比2008年高約30 ppm，CH4平均濃度低約700ppb，N2O濃度低約11 ppb。溫室氣體濃度的年際差異可能是由氣象條件和地表覆蓋狀況的差異所引起的。綜合不同苔原區(qū)域:新奧爾松地區(qū)CO2和CH4濃度高于背景大氣濃度，而N2O低于背景大氣濃度。從海鳥活動高密度區(qū)到海鳥活動邊緣區(qū)CO2濃度增大;且鳥類保護區(qū)苔原CO2濃度低于普通苔原，N2O濃度高于普通苔原。溫

5、室氣體濃度的空間變化主要是由于海鳥活動和鳥糞增加了土壤營養(yǎng)元素，影響苔蘚植被的發(fā)育情況并改變上墊面狀況。礦區(qū)苔原和站區(qū)苔原溫室氣體濃度的變化主要受人類活動的影響。
　　(2)北極新奧爾松地區(qū)苔原溫室氣體通量的時空變異規(guī)律及其影響因素采用密閉箱法對北極新奧爾松地區(qū)(Ny-(A)lesund)不同苔原區(qū)域包括鳥類活動區(qū)苔原、普通苔原、人類活動區(qū)（礦區(qū)苔原和站區(qū)苔原）的CO2、 N2O和CH4通量進行了觀測，發(fā)現(xiàn)鳥類活動區(qū)苔原CO2、C

6、H4和N2O通量受控于海鳥活動強度的變化。強海鳥活動區(qū)CH4和N2O排放高于中等海鳥活動區(qū)和弱海鳥活動區(qū)。強海鳥活動區(qū)CO2凈通量(NEE)和光合速率也顯著高于中等海鳥活動區(qū)和弱海鳥活動區(qū)，表明鳥類活動顯著增加了苔原生態(tài)系統(tǒng)凈通量(NEE)和光合速率;而平均呼吸速率差異不明顯。普通海灘苔原和礦區(qū)苔原整體上表現(xiàn)為CO2排放源。海鳥活動區(qū)苔原N2O和CH4平均通量分別為18.3±3.6μgN2Om2h-1和53.5±20.3μgCH4m2h

7、-1;而普通海灘苔原是弱的N2O源（8.3±13.2μgN2Om2h-1）和強的CH4匯（-82.8±22.3μgCH4m-2h-1）。礦區(qū)苔原和站區(qū)苔原是CH4和N2O的排放源，特別是N2O通量比普通海灘苔原和鳥類活動區(qū)苔原高一個數(shù)量級。統(tǒng)計分析表明:CO2凈通量(NEE)和呼吸速率與土壤溫度呈正相關(guān)。北極高緯度苔原土壤總碳(TC)和土壤水分含量是影響苔原CH4通量的重要因素。強海鳥活動區(qū)土壤總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝氮(

8、NO3--N)、總磷(TP)和總硫(TS)平均含量比非海鳥活動區(qū)高約一到兩個數(shù)量級，說明海鳥活動和海鳥糞便的沉降強烈地影響了此苔原區(qū)域土壤的化學性質(zhì)。鳥類保護區(qū)苔原N2O通量與TN、NH4+-N和NO3--N含量顯著正相關(guān)，表明海鳥的N輸入和大氣N沉降是控制苔原N2O通量空間變化的主要因素。N2O通量與NH4+-N顯著正相關(guān)(r=0.66，p＜0.001)，說明NH4+-N含量是高緯度北極苔原土壤N2O排放率強有力的指示劑。
　　

9、(3)凍融循環(huán)對北極苔原土壤溫室氣體產(chǎn)生速率的影響選取南北極普通苔原、北極鳥類活動區(qū)、南極企鵝與海豹活動區(qū)等苔原的土壤樣品以及鳥糞和苔蘚樣品，開展凍融循環(huán)模擬實驗，探究凍結(jié)溫度、凍融頻率和水分含量對溫室氣體產(chǎn)生速率的影響，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)的苔原土壤溫室氣體產(chǎn)生速率較低，融化階段產(chǎn)生速率急劇升高。凍融循環(huán)過程中，苔原土壤-20℃凍結(jié)溫室氣體的產(chǎn)生速率和累積排放量比-10℃凍結(jié)時高，尤其是CH4累積排放量幾乎均為-10℃凍結(jié)時的2倍;五周期凍融循環(huán)

10、中溫室氣體的累積排放量明顯高于三周期，但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加產(chǎn)生速率和每周期累計排放量幾乎均呈減少的趨勢。凍融循環(huán)實驗中，企鵝糞土CH4和CO2累積排放量均比其它土壤樣品高約2～3個數(shù)量級;海豹活動區(qū)和北極鳥類保護區(qū)苔原土壤N2O累積排放量均比其它土壤樣品高約1個數(shù)量級。不同水分含量前處理（0、2、5、10和20ml）的凍融循環(huán)實驗中:土壤含水率的變化對CH4產(chǎn)生速率的影響很小;CO2累積排放量隨著土壤含水率的增加而減小;N2O累積排

11、放量隨水量的增加而增加，普通苔原土壤的最大累積排放量是在5ml添水處理后，鳥類保護區(qū)土壤最大累積排放量是在10ml添水處理后。
　　(4)上?！蠘O海洋邊界層大氣CO2穩(wěn)定同位素空間變化特征在中國第24次南極科學考察期間，采用Tedlar氣袋采集了“雪龍?zhí)枴笨疾齑骄€上海洋邊界層大氣樣品以及東南極米洛半島近地面大氣樣品。在室內(nèi)采用Thermo Finnigan MAT-253同位素質(zhì)譜儀對氣體樣品中CO2穩(wěn)定同位素組成進行了測量，

12、并分析了其δ13C與δ18O的空間變化規(guī)律，結(jié)果表明:上海—南極海洋邊界層大氣CO2的δ13C(-9.08‰～-7.09‰)與δ18O(-2.24‰～2.65‰)平均值分別為-8.37‰±0.5‰和0.03‰±1.4‰。在33.2°N～69.2°S隨緯度的變化，δ13C與δ18O略呈增加趨勢，增加率分別為0.002‰和0.005‰/緯度。大氣中CO2濃度與δ13C呈顯著負相關(guān)，與δ18O呈正相關(guān);而δ13C與δ18O呈顯著負相關(guān)。米洛半