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1、中国科学院亚热带农业生态研究所硕士学位论文三江平原湿地生态系统有机碳积累及其分解转化过程研究姓名：杨钙仁申请学位级别：硕士专业：生态学指导教师：吴金水;苏以荣20040416三江平原湿地生态系统有机碳积累及其分解转化过程研究 i 摘摘 要要 三江平原是我国最大的沼泽分布区之一 研究三江平原湿地沉积物剖面有机碳分布特征准确估算这一区域土壤碳储量对于湿地碳循环研究具有重要意义湿地生态系统有机碳分解转化与环境因子如温度水分氧化还原电位冻融过程等密切相关 探讨环境因子与有机碳分解转化之间的定量关系是湿地碳循环机理以及模型研究必不可少的一部分本文以三江平原 3 类沉积物土壤为对象研究了有机碳的剖面分布特
2、征以及三江平原碳储量并对三江平原 3 类典型湿地泥炭沼泽腐殖质沼泽和沼泽化草甸沉积物有机碳分解转化进行室内模拟探讨湿地沉积物有机碳分解与温度冻融水分氧化还原电位Eh等因子之间的定量关系主要研究进展如下 三江平原三类典型湿地沉积物剖面均有明显的储碳层和淀积层 储碳层厚度与水文条件密切相关常年积水的泥炭沼泽和腐殖质沼泽储碳层最厚分别为 110 cm 和60 cm季节性积水的沼泽化草甸储碳层厚度较薄为 36 cm三类典型湿地的发育和演替可能是以沼泽化草甸腐殖质沼泽泥炭沼泽方向进行三江平原湿地土壤深度 1 m有机碳储量为 0.791.20 Pg C平均为 0.99 Pg C其有机碳密度是中国陆地土壤有
3、机碳平均密度的 2.23.8 倍 三类典型湿地 泥炭沼泽 腐殖质沼泽 沼泽化草甸 沉积物有机碳的矿化率 忽略 CH4释放的影响都随温度1030的升高而递增温度每升高 5泥炭沼泽腐殖质沼泽和沼泽化草甸沉积物在 260 d 培养期内有机 C 矿化量分别增加3.1%3.3%和 1.6%在较低温度1015 和 20下三类湿地沉积物的有机 C 矿化速率基本处于稳定状态但在较高温度25 和 30下前期0110 d的矿化速率明显高于后期3 类湿地沉积物有机 C 矿化温度系数Q10在前期较大2.93.6并出现明显的波动后期逐渐趋于稳定2.0到培养结束时泥炭沼泽和腐殖质沼泽沉积物的轻组 C比重100年其碳汇效应
4、还是占主导地位 1.3 湿地有机碳积累与转化机制 1.3 湿地有机碳积累与转化机制 1.3.1 湿地有机碳的积累 1.3.1 湿地有机碳的积累 湿地积累的有机物来源有两大类型一是湿地大型植物台藓和微生物把 CO2合成为有机体这些生物死亡后的植物体半分解的有机残体被保存下来这类有机物为本土有机物质另一类是外来有机物质这类有机物质以大颗粒或微小颗粒或可溶物质进入湿地系统许多湿地尤其是北欧和北美靠近湖泊或在流域盆地中的泥炭沼泽包含了大量重要的外源有机物质当有机物的输入量大于输出有机物的分解转化和流出等量时湿地有机碳就得到积累湿地由于其积水和厌氧环境有机物分解缓慢在自然状态下它是一个巨大的碳汇Mits
5、ch 等(1993)在考虑了微生物富集表层的一些氧化作用和外流等因素之后估计还有 43 g C m-2 yr-1保存在湿地相当于每年积累 0.86 mm; Moore (1984)估计欧洲沼泽的积累量为 0.20.8 mm yr-1Joosten 等2002估计泥炭地碳的蓄积速率为 2030 g C m-2 yr-1 Brix 等2001的研究认为湿地植物净同化的碳仅仅有 15%再释放到大气中 1.3.2 湿地有机碳的分解转化 1.3.2 湿地有机碳的分解转化 有机碳的分解转化是湿地碳返还大气的主要途径 湿地有机碳主要通过有氧降解和厌氧降解以 CO2和 CH4的形式返还大气中 1 1有氧降解
6、有氧降解 当存在某种外在电子受体时全部底物分子可氧化成CO2此时对能源的氧化称三江平原湿地生态系统有机碳积累及其分解转化过程研究 5 为呼吸作用有机物有氧降解比较彻底前人的研究结果表明在氧气充足时有氧降解是土壤有机碳转化的主要途径 植物残体分解后的矿化率 转化为CO2-C的比例一般为4060%其余转化为微生物生物量腐殖质或其它形态的代谢产物吴金水1994 2厌氧降解厌氧降解 有机质的发酵就是有机质本身是电子最终受体的微生物厌氧呼吸的分解过程它主要生成各种低分子有机酸和酒精同时释放CO2发酵可在人工厌氧或自然厌氧条件下进行尽管关于湿地发酵的实地研究较少但研究人员还是认为在渍水土壤的沉积物中发酵在
7、为其它厌氧生物提供底物方面扮演着中心角色发酵是高分子碳水化合物降解为低分子有机物的主要途径之一在分解有机碳的同时也为其它微生物提供底物 氧化还原电位低于-150 mv (Hou et al., 2000)时有明显的甲烷化甲烷化是产甲烷细菌把 CO2或有机质转化为低分子有机化合物和甲烷的过程如 OHCHHCO24228+或 OHCHHCOOCH2423224+咸水和淡水湿地的甲烷产生率各不相同且差异很大要比较不同研究的甲烷产率是困难的一是不同的研究所用的方法不同二是甲烷的生成的速率与温度和水文条件有关在温带湿地甲烷的发生具有季节性Harriss等(1992)发现在一个未受干扰的淡水沼泽甲烷的发生
8、高峰期在四五月而Wiebe等(1981)发现乔治亚州盐水沼泽甲烷的发生高峰期在夏末 研究人员还发现在北方湿地海狸池塘的甲烷通量要比其它湿地的高Roulet et al., 1992 1.4 气候变暖对湿地碳循环的影响研究 1.4 气候变暖对湿地碳循环的影响研究 气候变暖已是一个不争的事实 全球 150 年来的平均气温都呈现出明显的上升趋势Jone, 19991998 年是有记录的 100 多年来最热的一年据美国宇航局戈达德航天研究所的数据 1998 年地球表面大气平均温度达到 14.57的新记录 比 1997 年上升了 0.17气候在两方面影响土壤碳循环一是气候通过影响植被生产力改变凋落物的归
9、还量一般地讲CO2浓度升高气温变暖降水增加均会有利于植物生长第一生产力将提高湿地有机物的输入量也就会增加许多研究表明CO2浓度增加会促进植物叶及叶面积较早并迅速生长发育提高植物水分利用效率 3060%李吉跃, 1997另一方面由于气候变暖气温升高湿地土壤有机质分解速度加快寒第一章 文献综述 6 带地区的土壤可能是大气 CO2的源而不是汇Batjes1996估算温度每升高 1 全球陆地土壤将分解释放以 1134 Pg 碳计的 CO2到大气中Wieder 等1999利用物质平衡簿记模型book keeping model模拟了不同气候条件下 NPP 和 k物质分解指数衰减系数变化时湿地碳累积情况模
10、拟结果表明NPP 的微量减少和分解率微量增加就足以使北部泥炭地从大气碳汇转变为碳源而且气候变化会造成全球湿地面积及其时空分布的变化许多模拟研究表明CO2浓度增加气候变暖导致海平面上升 致使世界湿地面积大幅度减少 Titus, 1991; Poiani et al, 1993; 张冀, 1993; Mitsch et al, 1995湿地面积的减少会使其碳汇功能减弱 1.5 湿地开垦与湿地碳循环1.5 湿地开垦与湿地碳循环 由人类活动引起的土地利用和土地覆盖变化是土壤碳库和碳循环最直接的影响因子湿地开垦使自然植被转变为耕地一方面减少了土壤有机质的输入量另一方面开垦使湿地土壤有机质失去保护暴露于空
11、气加上土壤孔性湿度和温度等条件得到改善提高土壤微生物活性加快了有机质的降解从而降低了湿地土壤碳存储量高俊琴等 2003 研究表明 沼泽湿地开垦为农田 会使湿地的冷湿效应减弱甚至丧失土壤环境由厌氧向好氧转变土壤好氧微生物活性增高导致湿地由碳汇转变为碳源湿地的自然植被的农牧业利用转变后其土壤有机碳将迅速下降有机碳含量会在4050 年内降低 20%50% 其中土壤表层碳损失最多 达 40% Davidson et al., 1993刘汝海等2003的研究表明三江平原湿地开垦 7 年后耕作层有机质从开垦前的30%左右降低到 10%以下损失达 70%以上由此可见大面积清理湿地自然植被开垦耕地实际上会导致
12、湿地土壤有机碳蓄积量的减少和土壤 CO2排放量的增加 随着社会和经济的发展湿地面临日益严重的威胁Scott 等人收集的资料显示中国 71%的湿地都已经受到人类活动的威胁39%的湿地将受到严重的威胁(见马敬能等, 1998)农业开垦是中国湿地减少的主要原因之一近 50 年来三江平原的天然湿地减少了 85%其中 90%是因农业开发造成的(刘兴土等, 2002)苏北里下河地区通过工程措施降低地下水位大片沼泽地已改造成农田在美国从殖民时期以来有 50%的湿地已经消失20 世纪末湿地仍然以每年 0.81.6103 km2的速度消失 由于湿地是陆地生态系统中一个巨大的碳库 而且这个碳库对气候变化和人类的干
13、扰很敏感在没有人为干扰的情况下它是一个巨大的碳汇但如果被开垦为耕地它将是一个巨大的碳源所以在全球气候变暖日趋严重的今天保护湿地就显得十分重要 三江平原湿地生态系统有机碳积累及其分解转化过程研究 7 1.6 土壤有机碳周转的研究方法 1.6 土壤有机碳周转的研究方法 目前针对土壤有机碳动态的研究方法可分为以下几类普通方法非示踪方法示踪方法模型与模拟以及近年来一些新方法 1.6.1 普通方法 1.6.1 普通方法 最初的方法是应用常规测定处理区和对照区土壤碳含量之间的差异 以及这些小区中各种有机质组分的碳含量之间的差异由于自然条件的复杂多变常规方法不能正确地检测出短期内土壤有机碳的变化人们开始在室
14、内模拟自然水热状况研究有机物的分解情况即培养法包括实验室和盆钵培养法借助于这种方法阐明了植物物质分解的一些规律主要是各种因素对植物物质的影响但室内的试验条件与野外条件有差异不能完全说明其转化过程于是人们开始用塑料网袋等方法在田间条件下进行研究塑料网袋法只适用于森林凋落物分解的研究对于耕地土壤来说由于受作物根系和土壤动物等的严重干扰误差较大有时甚至得不到可靠的结果国内许多研究者采用砂滤管法测定植物残体在土壤中的分解率张丽娟等, 2001; 砂滤管法的优点是分解的水热条件与田间实际情况很接近 能避免活的植物根系的干扰所需设备简单操作容易快速砂滤管法适用于水田条件和降水较多的旱地不适用于没有灌溉条件
15、的旱地和草地土壤在后两种土壤中用尼龙袋法代替砂滤管法可以获得较好的效果网袋法砂滤管法和尼龙袋法称为非示踪法它的缺点是当测定较长时间内的 CO2释放量时分析误差较大特别是当植物残体的加入量小于供试土壤中的有机质含量时更是如此 非示踪法的前提是假设加入土壤中的植物残体对土壤固有有机质的分解速率无影响而实际上是有影响的此外由于腐解过程中供试物料与植物根系和土壤动物隔绝 以及植物残体的加入量大大超过了自然条件下的加入量这都可能影响测定结果的真实性 1.6.2 同位素示踪法 1.6.2 同位素示踪法 同位素示踪法解决了以上方法的不足 同位素示踪法包括放射性同位素示踪法和稳定性同位素示踪法两种 1放射性同
16、位素示踪法放射性同位素示踪法 该方法一般是用同位素14C 标记植物物质作为供试物料 新碳以导管型植物碎屑形式加入到土壤其14C/12C 比接近当时那年的大气 CO2的这一比值土壤有机质与它来源的导管型植物碎屑的14C/12C 比的差异程度反映了土壤碳的平均年龄通常被用来计算平均驻留时间MRT该方法克服了非示踪法的不足不受植物物质分解时的水热条件植物物质的加入等因素的影响几乎与实际情况一致该方法不受根系和小型动物的干扰Trumbore(1993)就是利用14C 示踪法研究了热带和温带土第一章 文献综述 8 壤的碳动态其结果很好地阐明了这两个地区土壤剖面各层碳驻留时间的差异该方法也有几个缺点一是由于技术原因所标记的植物不是均匀的也会导致作出错误的解释同时仅利用由14C 分析得出的土壤有机质 MRT 解释土壤碳的动态尚存在几个问题Trumbore, 1993因为 60 年代中期以来所取的土壤中含有未知数量的弹14C这会造成低估现代土壤有机质的 MRT有14C 分析得出的 MRT 不能用来直接确定自土壤有机质向大气的 CO2总通量因为还有其它损失
