植物枯落物对长江口潮间带湿地二氧化碳和甲烷产生的贡献和影响

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河口潮间带湿地是地球生态系统中一个重要的碳(C)库,具有较高的碳密度,其碳库容量变化反映了陆地生态系统碳输入和输出之间的平衡关系。湿地土壤中有机碳通过矿化分解成小的碳分子,如二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4),排放到大气中,导致大气层中温室气体浓度升高,对全球气候变化产生重要影响。枯落物是湿地生态系统中物质沟通、能量输入与输出的桥梁,是土壤有机质的外部输入来源,其数量和质量的变化不仅直接影响湿地土壤碳循环,还可能加剧温室效应从而间接影响全球气候变化。因此,研究枯落物输入下湿地土壤有机碳的分解特征与机制,有助于科学地评价湿地生态系统的碳汇功能和土壤质量,进而提高对全球碳循环机制的认识。本文以国家自然科学基金面上项目(41473094)“河口湿地植被对甲烷和氧化亚氮产生与排放的影响及其控制机制”为依托,选取长江口潮间带湿地为研究对象,通过两个阶段的室内模拟培养实验,分析枯落物添加对土壤有机碳(SOC)库组分及SOC矿化、CO2和CH4气体排放通量等的影响和作用,以及枯落物和外源不稳定碳同时添加下的相互影响和共同作用,探讨新鲜碳输入对湿地土壤有机碳分解的影响特征与机制。主要研究结果与结论如下:(1)使用自主设计制作的培养装置和在线气体同位素分析仪,建立了气体浓度与碳同位素特征及变化的培养-在线分析系统,实现了湿地土壤培养实验中产生的微量CO2和痕量CH4气体通量和碳同位素值变化的在线分析。(2)湿地土壤在枯落物添加下有机碳分解产生CO2和CH4气体通量变化总体呈现两个阶段:前期通量迅速上升,达到峰值后以递减的速率逐渐减小,后期通量较小且保持平稳;添加枯落物对土壤有机碳的分解,CO2(P<0.01)和CH4(P<0.05)的产生具有显著的促进作用;不同植物由于自身组分性质、分解特征等差异,对土壤气体排放作用不尽相同,海三棱藨草对土壤有机碳分解的影响作用较互花米草和芦苇植物大;芦苇茎和叶枯落物添加下,土壤CO2和CH4排放都显著增加(P<0.05),总体而言,叶枯落物比茎枯落物的影响更大。(3)植物枯落物添加使CO2-C和CH4-C累积释放量分别增加到无添加对照土壤的4-11倍和51-1391倍;叶添加和茎添加处理下,土壤中的CO2-C累积释放量分别是无添加土壤的3-13倍和2-10倍,CH4-C累积释放量分别是无添加土壤的13-87倍和5-76倍。各组植物枯落物投加下,CO2-C和CH4-C产生的增量占总排放量的比例均高于植物枯落物输入碳占总碳比例,植物输入的新鲜有机碳分解速率高于原土壤中有机碳分解速率,因此土壤CO2和CH4气体的产生主要来源于枯落物分解。(4)土壤有机碳分解过程中,无枯落物添加的土壤除溶解性有机碳(DOC)含量总体呈增加趋势外,总有机碳(TOC)、微生物量碳(MBC)、易氧化碳(EOC)总体变化趋势均为减少;枯落物添加后,其分解对土壤有机碳及活性有机碳含量具有显著的增加作用(P<0.05);不同植物对土壤有机碳影响不同,东滩三种典型植物中,海三棱藨草>互花米草>芦苇;植物不同器官的影响程度也存在差异,芦苇叶>芦苇茎。(5)湿地土壤各有机碳组分之间,TOC与EOC呈显著正相关(P<0.01),MBC与DOC呈显著负相关(P<0.05),活性有机碳(LOC)与DOC呈显著负相关(P<0.05),与EOC呈显著正相关(P<0.01),且EOC与LOC相关系数最大,二者在土壤分解过程中的变化具有一致性;土壤理化性质影响有机碳组分变化情况,TOC和EOC与中值粒径呈显著负相关(P<0.05),TOC、EOC和MBC含量均与含水率呈显著正相关(P<0.05),TOC和EOC含量均与pH呈显著负相关(P<0.05)。(6)在有机碳分解过程中,湿地土壤δ13C总体呈略微减小(偏负)的趋势;植物在分解过程中13C的分馏影响土壤有机碳δ13C的变化;植物不同器官的δ13C值也存在差异,但这些差异与不同光合途径引起的差异相比要小的多。土壤在有机碳分解过程中产生的δ13CO2逐渐偏正,植物在分解过程中δ13CO2逐渐偏负,可能与土壤有机碳分解过程中的分馏与有机质的选择性分解相关。(7)葡萄糖添加可使土壤CO2-C累积释放量增加20.80%38.19%,CH4-C累积释放量增加3.50%;芦苇枯落物(茎/叶)和葡萄糖共同添加的情况下,土壤CO2-C累积释放量分别比仅添加芦苇茎或叶枯落物的土壤CO2-C累积释放量高1.19%和61.17%;同时,葡萄糖促使芦苇叶分解增加了67.23%,茎增加了1.29%。(8)本研究中,在植物枯落物以及葡萄糖添加下,土壤CO2-C排放增量占CO2-C总排放量比例(枯落物57.18%92.12%,葡萄糖17.22%27.64%),CH4-C排放增量占CH4-C总排放量的比例(枯落物79.92%98.85%,葡萄糖3.39%)均高于各投加碳占总碳比例(枯落物32.55%48.17%,葡萄糖1.72%)。由此得出结论,外源活性碳输入促使土壤微生物优先利用易利用态碳源,湿地土壤中CO2和CH4的排放大多来源于枯落物或外界环境向土壤输入的新鲜有机碳。
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