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[博士论文] 包韬
环境科学与工程 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:南极是全球气候变化的敏感区,气候变暖对南极苔原温室气体的源汇过程产生了重要影响。在中国第15次南极科考期间,中科大极地环境研究室首次开展了南极苔原温室气体通量的观测,随后美国、巴西、加拿大和意大利等国也相继在南极苔原展开了温室气体的观测研究。这些研究主要侧重于宏观上的通量观测与碳氮循环的研究,对南极苔原温室气体排放的微观机理层次上的研究相对较少;另外,南极苔原温室气体通量的变化过程受多环境变量的影响,目前对南极苔原温室气体通量影响因素的研究多注重土壤和植被因子的影响,尤其忽略了紫外辐射强度、光照条件和微地形等对苔原温室气体源汇通量的影响。鉴于此,本文以南极法尔兹半岛地区作为重点研究区域,采用静态箱室和Li-8100碳通量分析仪对南极苔原温室气体通量进行了多年的野外观测,并结合室内模拟培养实验和稳定同位素分析手段,在宏观和微观层次上揭示南极苔原温室气体产生与排放特征;重点探索紫外辐射强度、光照条件和微地形因子,并结合土壤、气候、植被、动物活动和积雪覆盖等多环境变量对南极苔原温室气体通量的影响。此外,作为本文研究内容的补充和对比研究,还选取了国内升金湖自然保护区湿地作为研究区域,开展了湿地温室气体通量的空间变化规律的研究,探讨了土壤水分、水鸟活动、家禽饲养和土地利用等多环境因子对湿地温室气体通量的综合影响。主要研究内容和研究结果概括如下:
  (1)紫外辐射强度减弱对南极苔原温室气体通量的影响
  自《蒙特利尔议定书》实施以来,南极平流层臭氧开始逐渐恢复。然而极地地区很少有报道紫外辐射对苔原温室气体通量的影响。本文通过在南极法尔兹半岛苔原设计紫外辐射强度减弱的野外模拟实验,对苔原温室气体通量进行了3年的夏季观测。结果发现:紫外辐射强度减弱显著增加苔原N2O、CH4和NEE通量。相对于对照观测点,紫外辐射强度减弱20%平均增加N2O、CH4和NEE通量分别为8μg N2O m-2h-1、93μg CH4m-2h-1和76mg CO2m-2h-1,减弱50%平均增加它们的通量分别为17μg N2Om-2h-1、128μg CH4m-2h-1和118mg CO2m-2h-1。三种温室气体通量与土壤温度、土壤水分、总碳、总氮、硝氮和氨氮含量之间均无显著的统计学相关性(P>0.05)。研究结果证实:紫外辐射强度变化对南极苔原温室气体通量有重要影响。在未来南极臭氧洞缩小、极区臭氧层恢复的环境背景下,忽略紫外辐射强度变化的影响,可能会低估极地苔原温室气体排放量。
  (2)光照对南极苔原温室气体通量的影响
  通过在南极苔原设计光照与黑暗对比原位观测实验,对南极苔原N2O和CH4通量开展了三年的野外观测研究。结果表明:在光照完全缺失条件下,N2O和CH4平均通量分别为-4.6±1.2μg N2O m-2h-1和119.8±24.5μg CH4m-2h-1,而在光照条件下,苔原观测点N2O排放速率和CH4吸收速率显著增加。N2O和CH4通量与土壤温度、土壤水分、总有机碳、总氮、硝氮和氨氮含量之间无统计学上显著相关性(P>0.05)。相对于黑暗环境,光照平均增加苔原N2O排放通量10.3μg N2O m-2h-1和CH4吸收通量160.3μg N2O m-2h-1。因此,光照是影响南极苔原N2O和CH4通量的重要因素。光照可能对苔原N2O和CH4净收支估算产生重要影响,排除光照的影响可能低估南极苔原N2O排放量,但会高估CH4排放量,该结论也适合北极苔原。
  (3)南极法尔兹半岛普通苔原夏季碳通量变化特征
  通过对南极法尔兹半岛普通苔原进行了夏季生态系统呼吸(ER)速率的测定,研究了微地形梯度、植被类型、积雪覆盖、气候因素及动物活动对苔原土壤呼吸的影响。总体而言,在高地苔原顶部平台观测到最高的ER速率(平均为91.2-10.6mg CO2m-2h-1),其次是中间的斜坡(平均为76.9±11.4mg CO2m-2h-1),最低值出现在较低的斜坡苔原(平均为67.3±9.5mg CO2m-2h-1)。每天中午观测到日最高ER速率,而最低值出现在早上6点。苔原ER速率与0-10cm平均土壤温度呈显著正相关(P<0.05),而与土壤湿度呈显著负相关(P<0.01)。综合所有碳通量观测数据,获得了值较高的Q10(Q10=2.69),表明南极苔原土壤呼吸具有较强的温度敏感性。苔藓覆盖的苔原ER速率(72.2±4.4mg CO2m-2h-1)显著高于(P<0.01)地衣覆盖的苔原区域(46.8±8.7mg CO2m-2h-1)。没有积雪覆盖的苔原区观测到显著的CO2释放(67.2±11.1mg CO2m-2h-1),而积雪覆盖的苔原区ER速率很低(5.7±1.3mg CO2m-2h-1)。此外,企鹅聚集区观测点ER速率(201.3±31.4mg CO2m-2h-1)显著高于(P<0.01)非企鹅聚集区苔原观测点(64.0~87.1mg CO2m-2h-1)。研究结果表明,苔原土壤呼吸受地形梯度、土壤温度、土壤湿度、植被类型、积雪覆盖和企鹅活动等多环境变量的综合影响。
  (4)南极企鹅粪土CH4产生速率及碳同位素特征
  甲烷(CH4)是一种重要的具有化学活性的温室气体。对土壤源CH4的同位素组成的测定有助于了解其产生机理。目前CH4同位素测量已经在全球不同类型的陆地生态系统中获得了广泛的关注。然而南极苔原土壤源CH4同位素数据未见到相关文献报道。本文选取了四个不同类型的企鹅聚集区采集的企鹅粪土剖面,通过实验室培养实验,调查企鹅粪土潜在的CH4产生速率及其δ13C值。结果表明:企鹅粪土CH4平均产生速率存在较大差异,变化范围为0.7~20.3μgCH4-C kg-1h-1。在有氧或厌氧培养条件下,企鹅粪土都具有较高的CH4产生速率,表明了企鹅聚集区是潜在的CH4排放源。大部分企鹅粪土在厌氧培养下有较高的δ13C-CH4值(-39.28%~-43.53%),而在有氧培养下δ13C-CH4值较低(-42.81%~-57.19%)。高度厌氧条件下产生的甲烷富集13C,表明厌氧条件下乙酸发酵途径可能是粪土源CH4产生的主要途径。总体上企鹅粪土CH4产生速率与δ13C-CH4呈显著负相关关系(厌氧培养:R2=0.41,p<0.01;有氧培养:R2=0.50,p<0.01)。企鹅粪土CH4产生速率与土壤总磷(TP)、氨氮(NH4+-N)含量、pH和土壤含水率(Mc)呈显著正相关,而δ13C-CH4与这些环境因子呈显著负相关,表明企鹅粪的沉积增加了苔原土壤CH4产生速率,但是降低了δ13C-CH4值,企鹅粪土CH4排放影响了南极沿海区域大气CH4的碳同位素组成。
  (5)升金湖湿地温室气体通量空间变化规律
  长江中下游平原(MLYP)湿地长期受人为和自然的扰动,可能导致湿地温室气体(GHG)排放的空间变异性。然而,对MLYP湿地仍然缺乏GHG通量及其影响因素的观测研究。本文以MLYP典型的温带淡水湿地-升金湖湿地(SLM)作为研究对象,开展了温室气体(CH4,N2O,CO2)通量的现场观测研究,探讨了土壤水分、水鸟活动、家禽饲养和土地利用等多环境因子对湿地GHG通量
摘要:南极是全球变化最为敏感的地区,是全球增温最为剧烈的地区之一。另外,环南极大陆沿岸以及亚南极岛屿是全球最大的海洋动物聚集地。海洋动物、苔原植被以及二者的相互作用,形成了地球上特殊的陆地生态系统。在这样的生态系统中,海陆相互作用强烈,海洋动物将大量的C、N、P等从海洋转移到陆地环境,在南极苔原元素循环过程中起着十分重要的作用。
摘要:CH4是一种具有化学活性的重要温室气体,土壤是全球CH4的重要的源和汇。通过测定土壤源CH4中C、H同位素值,有助于了解土壤中CH4的产生和排放机理。本文采集了东南极阿德雷企鹅粪土(MI和GI)、帝企鹅粪土(DQ)、阿德雷鸟成土(AF),在实验室内对所采集的样品进行冻融和恒温培养实验。结果表明:除了厌氧恒温培养,新鲜阿德雷企鹅粪MI在有氧恒温、有氧冻融、厌氧冻融培养条件下CH4排放浓度随时间均呈现逐渐增加的趋势。其中MI在厌氧冻融培养下的CH4排放量最高,而在厌氧恒温培养下CH4排放量最低。
摘要:CH4是一种具有化学活性的重要温室气体,土壤是全球CH4的重要的源和汇。通过测定土壤源CH4中C、H同位素值,有助于了解土壤中CH4的产生和排放机理。本文采集了东南极阿德雷企鹅粪土(MI和GI)、帝企鹅粪土(DQ)、阿德雷鸟成土(AF),在实验室内对所采集的样品进行冻融和恒温培养实验。结果表明:除了厌氧恒温培养,新鲜阿德雷企鹅粪MI在有氧恒温、有氧冻融、厌氧冻融培养条件下CH4排放浓度随时间均呈现逐渐增加的趋势。其中MI在厌氧冻融培养下的CH4排放量最高,而在厌氧恒温培养下CH4排放量最低。和阿德雷企鹅粪MI和GI不同,帝企鹅粪DQ在有氧冻融培养下表现出更大的CH4排放浓度,而在厌氧冻融培养下的CH4排放浓度很低。阿德雷鸟成土AF在有氧冻融培养下的δ13C值明显高于厌氧冻融培养下的δ13C值,这说明厌氧培养有利于13C的富集。四种培养条件下,δ13C值与CH4浓度之间均呈现负相关关系,说明δ13C值与CH4的排放浓度有关,且随CH4浓度的增加而减小。除了阿德雷岛鸟成土AF,其它三种企鹅粪土均是在厌氧条件下比有氧条件下排放的CH4的δ13C值高。这种差异在MI和DQ两种企鹅粪上表现得尤为明显。
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