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中国科学技术大学
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[博士论文] 陈清清
环境科学 中国科学技术大学 2014(学位年度)
摘要:北极高纬度地区是全球变化最为敏感的地区之一,也是全球增温剧烈的地区,大面积冻土融化使苔原土壤微区环境发生了很大变化,有利于土壤微生物的活动和温室气体的产生。另外,北极高纬度地区的濒海苔原,是全球重要的海鸟栖息地,海鸟通过捕食活将海洋中的碳氮磷等养分元素转移到陆地苔原,海鸟活动与鸟粪的沉降强烈影响着当地苔原土壤的理化性质,对高纬度北极苔原温室气体的源汇过程产生了重要影响,但是目前关于北极高纬度苔原温室气体通量的研究很少有文献报道,尤其是海鸟活动对北极苔原温室气体通量的影响研究还未开展。因此,在全球变化的背景下,研究海鸟活动与环境因子对高纬度北极苔原温室气体产生与排放过程的影响尤为重要。本文采用密闭箱法对北极高纬度地区的新奥尔松(Ny-(A)lesund)苔原温室气体(CO2、CH4和N2O)通量的时空变化规律进行了观测研究,探讨了海鸟活动和环境因子对这些气体通量的影响;通过模拟实验,详细研究了冻融循环过程对北极苔原土壤温室气体产生速率的影响;此外,还分析了海洋大气中CO2浓度及其稳定同位素值的空间分布规律及其影响因素等。主要研究内容和结果分述如下:
  (1)北极新奥尔松地区近地面温室气体浓度的时空变化规律在2008和2009年夏季,对北极新奥尔松地区(Ny-(A)lesund)不同生态区包括鸟类保护区、普通苔原、废弃的矿区和人类活动考察站等区域的近地面CO2、CH4和N2O浓度进行了监测。结果表明:2008年夏季鸟类保护区苔原CO2和N2O平均浓度比2009年高约30 ppm和25 ppb;而CH4浓度比2009年低约700 ppb。普通苔原CO2平均浓度2009年比2008年高约30 ppm,CH4平均浓度低约700ppb,N2O浓度低约11 ppb。温室气体浓度的年际差异可能是由气象条件和地表覆盖状况的差异所引起的。综合不同苔原区域:新奥尔松地区CO2和CH4浓度高于背景大气浓度,而N2O低于背景大气浓度。从海鸟活动高密度区到海鸟活动边缘区CO2浓度增大;且鸟类保护区苔原CO2浓度低于普通苔原,N2O浓度高于普通苔原。温室气体浓度的空间变化主要是由于海鸟活动和鸟粪增加了土壤营养元素,影响苔藓植被的发育情况并改变上垫面状况。矿区苔原和站区苔原温室气体浓度的变化主要受人类活动的影响。
  (2)北极新奥尔松地区苔原温室气体通量的时空变异规律及其影响因素采用密闭箱法对北极新奥尔松地区(Ny-(A)lesund)不同苔原区域包括鸟类活动区苔原、普通苔原、人类活动区(矿区苔原和站区苔原)的CO2、 N2O和CH4通量进行了观测,发现鸟类活动区苔原CO2、CH4和N2O通量受控于海鸟活动强度的变化。强海鸟活动区CH4和N2O排放高于中等海鸟活动区和弱海鸟活动区。强海鸟活动区CO2净通量(NEE)和光合速率也显著高于中等海鸟活动区和弱海鸟活动区,表明鸟类活动显著增加了苔原生态系统净通量(NEE)和光合速率;而平均呼吸速率差异不明显。普通海滩苔原和矿区苔原整体上表现为CO2排放源。海鸟活动区苔原N2O和CH4平均通量分别为18.3±3.6μgN2Om2h-1和53.5±20.3μgCH4m2h-1;而普通海滩苔原是弱的N2O源(8.3±13.2μgN2Om2h-1)和强的CH4汇(-82.8±22.3μgCH4m-2h-1)。矿区苔原和站区苔原是CH4和N2O的排放源,特别是N2O通量比普通海滩苔原和鸟类活动区苔原高一个数量级。统计分析表明:CO2净通量(NEE)和呼吸速率与土壤温度呈正相关。北极高纬度苔原土壤总碳(TC)和土壤水分含量是影响苔原CH4通量的重要因素。强海鸟活动区土壤总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝氮(NO3--N)、总磷(TP)和总硫(TS)平均含量比非海鸟活动区高约一到两个数量级,说明海鸟活动和海鸟粪便的沉降强烈地影响了此苔原区域土壤的化学性质。鸟类保护区苔原N2O通量与TN、NH4+-N和NO3--N含量显著正相关,表明海鸟的N输入和大气N沉降是控制苔原N2O通量空间变化的主要因素。N2O通量与NH4+-N显著正相关(r=0.66,p<0.001),说明NH4+-N含量是高纬度北极苔原土壤N2O排放率强有力的指示剂。
  (3)冻融循环对北极苔原土壤温室气体产生速率的影响选取南北极普通苔原、北极鸟类活动区、南极企鹅与海豹活动区等苔原的土壤样品以及鸟粪和苔藓样品,开展冻融循环模拟实验,探究冻结温度、冻融频率和水分含量对温室气体产生速率的影响,发现冻结的苔原土壤温室气体产生速率较低,融化阶段产生速率急剧升高。冻融循环过程中,苔原土壤-20℃冻结温室气体的产生速率和累积排放量比-10℃冻结时高,尤其是CH4累积排放量几乎均为-10℃冻结时的2倍;五周期冻融循环中温室气体的累积排放量明显高于三周期,但随着冻融循环次数的增加产生速率和每周期累计排放量几乎均呈减少的趋势。冻融循环实验中,企鹅粪土CH4和CO2累积排放量均比其它土壤样品高约2~3个数量级;海豹活动区和北极鸟类保护区苔原土壤N2O累积排放量均比其它土壤样品高约1个数量级。不同水分含量前处理(0、2、5、10和20ml)的冻融循环实验中:土壤含水率的变化对CH4产生速率的影响很小;CO2累积排放量随着土壤含水率的增加而减小;N2O累积排放量随水量的增加而增加,普通苔原土壤的最大累积排放量是在5ml添水处理后,鸟类保护区土壤最大累积排放量是在10ml添水处理后。
  (4)上海—南极海洋边界层大气CO2稳定同位素空间变化特征在中国第24次南极科学考察期间,采用Tedlar气袋采集了“雪龙号”考察船航线上海洋边界层大气样品以及东南极米洛半岛近地面大气样品。在室内采用Thermo Finnigan MAT-253同位素质谱仪对气体样品中CO2稳定同位素组成进行了测量,并分析了其δ13C与δ18O的空间变化规律,结果表明:上海—南极海洋边界层大气CO2的δ13C(-9.08‰~-7.09‰)与δ18O(-2.24‰~2.65‰)平均值分别为-8.37‰±0.5‰和0.03‰±1.4‰。在33.2°N~69.2°S随纬度的变化,δ13C与δ18O略呈增加趋势,增加率分别为0.002‰和0.005‰/纬度。大气中CO2浓度与δ13C呈显著负相关,与δ18O呈正相关;而δ13C与δ18O呈显著负相关。米洛半岛大气CO2的δ13C和δ18O平均分别为-8.08‰±0.8‰和-0.49‰±0.7‰,接近于海洋边界层大气CO2同位素值。分析讨论了影响海洋边界层大气CO2的δ13C与δ18O空间变化的因素,提出海洋边界层大气CO2稳定同位素组成是海洋CO2源汇强度变化灵敏的指示剂。本文提供了全球大区域海洋边界层大气CO2的同位素资料,有助于定量评估全球与区域海洋大气CO2的净收支。
  
[期刊论文] 陈清清 朱仁斌 徐华
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CSTPCD 北大核心
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摘要:2008和2009年夏在北极新奥尔松地区(Ny-(A)lesund)不同苔原区域(鸟类保护区、海滩苔原、矿区、人类活动区等)监测CO2、CH4和N2O近地面浓度的时空变化并分析其可能的影响因素.2008年7月25日-8月13日和2009年7月13-26日,在不同观测区域设置常规和非常规采样点采集气体样品共239瓶并妥善保存.实验室内使用气相色谱(GC)测定准确真空瓶中温室气体(CO2、CH4和N2O)的浓度.鸟类保护区的日变化中,2008年鸟类保护区CO2和N2O日变化浓度均大于2009年约30 ppm和25 ppb.2008年海滩苔原CO2浓度均高于2009年约30 ppm;N2O浓度低于2009年11 ppb;2008年鸟类保护区CH4浓度低于2009年,而海滩苔原2008年浓度高于2009年,差值均约为0.7 ppm.这些年际变化可能由环境条件(天气变化等)和地表覆盖情况的变化引起.高海鸟活动区(HB) CO2浓度低于海鸟活动较少的区域(MB和LB);鸟类保护区CO2浓度低于海滩苔原,N2O浓度高于海滩苔原,主要原因是海鸟活动和鸟粪增加了土壤营养元素,影响苔藓植被发育并改变苔原土壤上垫面的覆盖状况.综合不同苔原区域:新奥尔松地区CO2和CH4浓度高于ZEP (Zeppelin Station)监测平均浓度,地表向大气输送CO2和CH4;而N2O低于ZEP监测的平均浓度,地表从大气吸收N2O.不同区域影响因素不同:鸟类保护区、海滩苔原和鸟岛主要是受到海鸟活动影响;矿区主要是受水分和土壤基质影响;站区和机场受到人类活动影响但并不明显,总的来说直接原因是由于地表覆盖情况以及地形不同引起....
[期刊论文] 陈清清 朱仁斌 丁玮 徐华
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CSTPCD 北大核心
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摘要:北极高纬度地区是全球重要的海鸟活动区,海鸟粪为苔原土壤带来了丰富的养分,影响了苔原碳循环过程,但目前还未见有文献报道海鸟活动对北极苔原CO2通量的影响.2009年夏笔者采用密闭箱法对北极新奥尔松地区(Ny-(A)lesund)鸟类保护区和非鸟类活动区苔原的CO2夏季通量和日通量进行了对比监测,探讨了海鸟活动对苔原CO2通量的影响.结果表明:鸟类密集区(HB)、鸟类活动较少区(MB)和基本无海鸟活动的边缘区(LB) CO2平均净通量(NEE)分别为(- 107.6±19.2)、(21.7±9.7)和(67.5±12.4) mg·m-2·h-1;光合速率分别为(- 243.6±25.5)、(-105.5±7.6)和(-45.6±12.0)mg· m-2·h-1.HB区NEE和光合速率显著高于MB和LB区,表明鸟类活动显著增加了苔原生态系统NEE和光合速率;而平均呼吸速率为(136.0±16.5)、(127.2±15.6)和(113.0±6.8)mg·m-2·h-1,差异不明显,表明海鸟活动对呼吸速率影响较小.非鸟类活动区苔原(海边苔原和煤矿区苔原)夏季整体上表现为CO2排放源,平均NEE分别为(6.91±4.8)和(17.5 ±41.6) mg·m-2·h-1.综合分析表明:NEE和呼吸速率与土壤温度呈正相关.综合3类不同苔原区域23个观测点CO2通量的结果表明:海鸟活动及其粪便增加了苔原土壤养分,从而促进了苔原植被发育,显著增强了北极高纬度地区苔原的碳汇功能....
摘要:北极高纬度地区是全球重要的海鸟活动区,海鸟粪为苔原土壤带来了丰富的养分,影响了苔原碳循环过程,但目前还未见有文献报道海鸟活动对北极苔原CO2通量的影响.2008和2009年夏笔者采用密闭箱法对北极新奥尔松地区(Ny-(A)lesund)鸟类保护区、海滩苔原、矿区、站区、伦敦岛、王湾洋面以及机场等区域的CO2、 CH4和N2O的近地面浓度时空变化进行了对比监测,判断这些区域对大气温室气体源汇的影响,并探讨影响温室气体排放的因素.在鸟类保护区和海滩苔原设置了常规观测点和非常规观测点来进行时空变化监测.08、09年在鸟类保护区设置鸟类密集区(HB)、鸟类活动较少区(MB)和基本无海鸟活动的边缘区(LB)这三类常规采样点进行了日和夏季变化监测.09年在鸟类保护区设置HB、MB和LB和在海滩苔根据水分和地表植被的变化设置了SC1、SC2和SC3等常规采样点进行了夏季变化监测.鸟类保护区和海滩苔原设置非常规采样点以及在冰川、矿区、站区、伦敦岛、王湾洋面以及机场设置采样点进行了空间变化监测.08年与09年日变化测得CO2和N2O的近地面浓度值存在很大的差异,主要是受到天气情况和地温的影响.HB、MB和LB点CO2、CH4和N2O浓度变化也存在差异主要受到鸟类活动的影响.09年在鸟类保护区和海滩苔原CO2、CH4和N2O浓度的夏季变化存在较大的差异主要是受到海鸟活动的影响.CO2和CH4浓度略低于全球平均浓度是碳汇.SC1、SC2和SC3CO2、CH4和N2O浓度变化的差异主要是由水分变化引起的.综合不同苔原区域CO2、CH4和N2O的近地面浓度空间变化:新奥尔松地区CO2和CH4浓度高于平均浓度是碳源,而N2O低于全球平均浓度是N2O的弱汇.不同区域的影响因素不完全相同:鸟类保护区、海滩苔原和鸟岛主要是受到海鸟活动影响增强了北极高纬度地区苔原的碳汇功能.矿区主要是受水分影响促使地表植被发育,影响温室气体排放.另外这些区域还受到人类活动影响.此外分析了气温、地温、土壤温度以及湿度等环境条件与苔原区域CO2、CH4和N2O的近地面浓度的相关性,北极新奥尔松区域苔原温室气体排放受到环境条件的影响.
摘要:土壤冻融交替是中、高纬度和高海拔地区常见的自然现象,主要是由于季节或昼夜温度的变化使得土壤出现反复冻结鄄融化过程。冻融过程不仅改变了土壤的水热条件,而且影响土壤的理化性质和微生物活性,导致土壤的生物地球化学过程速率发生变化。冻融区土壤是温室气体的重要排放源,冻融期土壤温室气体的排放量在全年总排放量中占有重要的份额。特别是N2O,冻融期的排放量可占全年排放量的80%以上。全年总排放量相比,冻融期CO2排放量所占的比重不大。冻融交替次数和冻融持续时间,都会影响温室气体排放通量的变化。
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