【摘要】：南極是全球氣候變化的敏感區(qū),氣候變暖對南極苔原溫室氣體的源匯過程產(chǎn)生了重要影響。在中國第15次南極科考期間,中科大極地環(huán)境研究室首次開展了南極苔原溫室氣體通量的觀測,隨后美國、巴西、加拿大和意大利等國也相繼在南極苔原展開了溫室氣體的觀測研究。這些研究主要側(cè)重于宏觀上的通量觀測與碳氮循環(huán)的研究,對南極苔原溫室氣體排放的微觀機理層次上的研究相對較少;另外,南極苔原溫室氣體通量的變化過程受多環(huán)境變量的影響,目前對南極苔原溫室氣體通量影響因素的研究多注重土壤和植被因子的影響,尤其忽略了紫外輻射強度、光照條件和微地形等對苔原溫室氣體源匯通量的影響。鑒于此,本文以南極法爾茲半島地區(qū)作為重點研究區(qū)域,采用靜態(tài)箱室和Li-8100碳通量分析儀對南極苔原溫室氣體通量進行了多年的野外觀測,并結(jié)合室內(nèi)模擬培養(yǎng)實驗和穩(wěn)定同位素分析手段,在宏觀和微觀層次上揭示南極苔原溫室氣體產(chǎn)生與排放特征;重點探索紫外輻射強度、光照條件和微地形因子,并結(jié)合土壤、氣候、植被、動物活動和積雪覆蓋等多環(huán)境變量對南極苔原溫室氣體通量的影響。此外,作為本文研究內(nèi)容的補充和對比研究,還選取了國內(nèi)升金湖自然保護區(qū)濕地作為研究區(qū)域,開展了濕地溫室氣體通量的空間變化規(guī)律的研究,探討了土壤水分、水鳥活動、家禽飼養(yǎng)和土地利用等多環(huán)境因子對濕地溫室氣體通量的綜合影響。主要研究內(nèi)容和研究結(jié)果概括如下:(1)紫外輻射強度減弱對南極苔原溫室氣體通量的影響自《蒙特利爾議定書》實施以來,南極平流層臭氧開始逐漸恢復。然而極地地區(qū)很少有報道紫外輻射對苔原溫室氣體通量的影響。本文通過在南極法爾茲半島苔原設計紫外輻射強度減弱的野外模擬實驗,對苔原溫室氣體通量進行了 3年的夏季觀測。結(jié)果發(fā)現(xiàn):紫外輻射強度減弱顯著增加苔原N_2O、CH_4和NEE通量。相對于對照觀測點,紫外輻射強度減弱20%平均增加N_2O、CH_4和NEE 通量分別為 8 μg N_2O m~(-2) h~(-1)、93 μg CH_4 m~(-2) h~(-1) 和 76 mg CO_2 m~(-2) h~(-1),減弱50%平均增加它們的通量分別為17μgN_2O m~(-2) h~(-1)、128μgCH_4m~(-2) h~(-1)和118mg CO_2 m~(-2) h~(-1)。三種溫室氣體通量與土壤溫度、土壤水分、總碳、總氮、硝氮和氨氮含量之間均無顯著的統(tǒng)計學相關性(P0.05)。研究結(jié)果證實:紫外輻射強度變化對南極苔原溫室氣體通量有重要影響。在未來南極臭氧洞縮小、極區(qū)臭氧層恢復的環(huán)境背景下,忽略紫外輻射強度變化的影響,可能會低估極地苔原溫室氣體排放量。(2)光照對南極苔原溫室氣體通量的影響通過在南極苔原設計光照與黑暗對比原位觀測實驗,對南極苔原N_2O和CH_4通量開展了三年的野外觀測研究。結(jié)果表明:在光照完全缺失條件下,N_2O和 CH_4 平均通量分別為-4.6±1.2 μg N_2Om~(-2) h~(-1)和 119.8±24.5 μg CH_4m~(-2) h~(-1),而在光照條件下,苔原觀測點N_2O排放速率和CH_4吸收速率顯著增加。N_2O和CH_4通量與土壤溫度、土壤水分、總有機碳、總氮、硝氮和氨氮含量之間無統(tǒng)計學上顯著相關性(P0.05)。相對于黑暗環(huán)境,光照平均增加苔原N_2O排放通量10.3μg N_2O m~(-2) h~(-1)和CH_4吸收通量160.3μgN_2O m~(-2) h~(-1)。因此,光照是影響南極苔原N_2O和CH_4通量的重要因素。光照可能對苔原N_2O和CH_4凈收支估算產(chǎn)生重要影響,排除光照的影響可能低估南極苔原N_2O排放量,但會高估CH_4排放量,該結(jié)論也適合北極苔原。(3)南極法爾茲半島普通苔原夏季碳通量變化特征通過對南極法爾茲半島普通苔原進行了夏季生態(tài)系統(tǒng)呼吸(ER)速率的測定,研究了微地形梯度、植被類型、積雪覆蓋、氣候因素及動物活動對苔原土壤呼吸的影響。總體而言,在高地苔原頂部平臺觀測到最高的ER速率(平均為91.2±10.6 mg CO_2 m~(-2) h~(-1)),其次是中間的斜坡(平均為76.9±11.4mg CO_2m~(-2) h~(-1)),最低值出現(xiàn)在較低的斜坡苔原(平均為67.3±9.5 mg CO_2 m~(-2) h~(-1))。每天中午觀測到日最高ER速率,而最低值出現(xiàn)在早上6點。苔原ER速率與0-10cm平均土壤溫度呈顯著正相關(P0.05),而與土壤濕度呈顯著負相關(P0.01)。綜合所有碳通量觀測數(shù)據(jù),獲得了值較高的Q10(Q10=2.69),表明南極苔原土壤呼吸具有較強的溫度敏感性。苔蘚覆蓋的苔原ER速率(72.2±4.4 mg CO_2 m~(-2) h~(-1))顯著高于(P0.01)地衣覆蓋的苔原區(qū)域(46.8±8.7mg CO_2 m~(-2) h~(-1))。沒有積雪覆蓋的苔原區(qū)觀測到顯著的CO_2釋放(67.2±11.1mg CO_2 m~(-2) h~(-1)),而積雪覆蓋的苔原區(qū)ER速率很低(5.7±1.3 mg CO_2 m~(-2) h~(-1))。此外,企鵝聚集區(qū)觀測點ER速率(201.3±31.4mgCO_2m~(-2) h~(-1))顯著高于(P0.01)非企鵝聚集區(qū)苔原觀測點(64.0～87.1 mg CO_2 m~(-2) h~(-1))。研究結(jié)果表明,苔原土壤呼吸受地形梯度、土壤溫度、土壤濕度、植被類型、積雪覆蓋和企鵝活動等多環(huán)境變量的綜合影響。(4)南極企鵝糞土 CH_4產(chǎn)生速率及碳同位素特征甲烷(CH_4)是一種重要的具有化學活性的溫室氣體。對土壤源CH_4的同位素組成的測定有助于了解其產(chǎn)生機理。目前CH_4同位素測量已經(jīng)在全球不同類型的陸地生態(tài)系統(tǒng)中獲得了廣泛的關注。然而南極苔原土壤源CH_4同位素數(shù)據(jù)未見到相關文獻報道。本文選取了四個不同類型的企鵝聚集區(qū)采集的企鵝糞土剖面,通過實驗室培養(yǎng)實驗,調(diào)查企鵝糞土潛在的CH_4產(chǎn)生速率及其δ~(13)C值。結(jié)果表明:企鵝糞土 CH_4平均產(chǎn)生速率存在較大差異,變化范圍為0.7～20.3 μg CH_4-Ckg~(-1)h~(-1)。在有氧或厭氧培養(yǎng)條件下,企鵝糞土都具有較高的CH_4產(chǎn)生速率,表明了企鵝聚集區(qū)是潛在的CH_4排放源。大部分企鵝糞土在厭氧培養(yǎng)下有較高的δ~(13)C-CH_4值(-39.28%～-43.53%),而在有氧培養(yǎng)下δ~(13)C-CH_4值較低(-42.81%～-57.19%)。高度厭氧條件下產(chǎn)生的甲烷富集13C,表明厭氧條件下乙酸發(fā)酵途徑可能是糞土源CH_4產(chǎn)生的主要途徑。總體上企鵝糞土 CH_4產(chǎn)生速率與δ~(13)C-CH_4呈顯著負相關關系(厭氧培養(yǎng):R2=0.41,p0.01;有氧培養(yǎng):R2=0.50,p0.01)。企鵝糞土 CH_4產(chǎn)生速率與土壤總磷(TP)、氨氮(NH4+-N)含量、pH和土壤含水率(Mc)呈顯著正相關,而δ~(13)C-CH_4與這些環(huán)境因子呈顯著負相關,表明企鵝糞的沉積增加了苔原土壤CH_4產(chǎn)生速率,但是降低了δ~(13)C-CH_4值,企鵝糞土 CH_4排放影響了南極沿海區(qū)域大氣CH_4的碳同位素組成。(5)升金湖濕地溫室氣體通量空間變化規(guī)律長江中下游平原(MLYP)濕地長期受人為和自然的擾動,可能導致濕地溫室氣體(GHG)排放的空間變異性。然而,對MLYP濕地仍然缺乏GHG通量及其影響因素的觀測研究。本文以MLYP典型的溫帶淡水濕地-升金湖濕地(SLM)作為研究對象,開展了溫室氣體(CH_4,N_2O,CO_2)通量的現(xiàn)場觀測研究,探討了土壤水分、水鳥活動、家禽飼養(yǎng)和土地利用等多環(huán)境因子對濕地GHG通量的影響。結(jié)果表明,淹水濕地區(qū)CH_4排放速率比半干旱、干旱區(qū)高一個數(shù)量級,而干旱區(qū)N_2O排放和凈CO_2吸收通量比淹水濕地和半干旱區(qū)高。土壤濕度是控制濕地未受干擾區(qū)CH_4、N_2O和NEE空間變異性的主要因素。多因素分析統(tǒng)計分析表明,與未受干擾區(qū)相比,受干擾的濕地區(qū)GHG通量的環(huán)境因素更復雜(包括土壤濕度、總有機碳、總碳、總氮、氨氮、硝氮等因素)。水鳥和家禽活動區(qū)平均CH_4通量與未受干擾區(qū)無顯著統(tǒng)計學差異,但它們的活動顯著增加了濕地N_2O排放,降低了 CO_2匯;此外家禽活動區(qū)N_2O通量最高(平均49.5±11.9 μg N_2O m~(-2) h~(-1))。在SLM中動物活動和動物源NO_3--N的輸入顯著增加濕地N_2O排放(R=0.75,P0.001)。自然濕地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田和垃圾填埋場并沒有顯著改變CH_4和N_2O的通量,但顯著降低了 CO_2匯。對SLM和其他類似的溫帶濕地的GHG總量準確評估,應考慮土壤水分狀況、水鳥的活動和人為活動等多因素的綜合影響。
【圖文】：

節(jié)的變化而表現(xiàn)出源匯功能的轉(zhuǎn)換兩類。正確認識當?shù)兀危玻霸磪R規(guī)律對研宄溫逡逑室效應以及氪循環(huán)有十分重要的意義。逡逑濕地土壤Ｎ２０產(chǎn)生有３個微生物參與的途徑（圖１．１）邋：邋（１）硝化作用逡逑（Ｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ），這個途徑是通過利用亞硝酸鹽作為中間媒介（電子受體）還原逡逑Ｎ２0；邋（２）反硝化作用（Ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ），也叫脫氮作用。這個途徑是反硝化細逡逑５逡逑

象法逡逑氣象法是基于微氣象學原理的渦度相關法，應用于觀測整個采樣區(qū)域的凈溫室氣體排放通量。其基本原理為：大氣的渦流運動將氣體從一到另一層次，在距另一層次表面ｌｍｍ范圍內(nèi)的傳輸是靠湍流擴散途ｏｓｉｅｒｅｔａｌ．，１９９１）。微氣象法就是通過檢測湍流成分的流動速率和濃氣體排放通量。該方法非常適合長時間跨度且大范圍空間變化的觀于需要在采樣區(qū)域建立觀測塔和設置相關的采樣儀器設備，，并且需護和管理，人力和財力花費較大，因此在實際應用中并不是很廣泛。逡逑．２同位素分析法逡逑來說，任何生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體觀測所測量的通量都是凈通量，然僅只能用于比較不同氣體之間的差異。對于＜：０２氣體來說，它的凈個不同途徑?jīng)Q定的，即：呼吸作用的排放通量和光合作用的吸收通ｈ２，６ｏ邐，３ｃｏ２？｜Ｊｃｏ２逡逑
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：X16

【參考文獻】

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本文編號：2614216