三江平原沼澤土壤的有機(jī)碳儲(chǔ)量和凈初級(jí)生產(chǎn)力

三江平原沼澤土壤的有機(jī)碳儲(chǔ)量和凈初級(jí)生產(chǎn)力

1有機(jī)碳量及碳量三江平原沼澤土壤是重要的碳儲(chǔ)量。全區(qū)沼澤土壤面積為11189km2,已積累的有機(jī)碳量約為2.6518×108t,其中泥炭地每年還以0.4mm的速率在堆積泥炭。1.1泥炭土有機(jī)碳量三江平原泥炭沼澤面積約326km2,占全區(qū)沼澤土壤總面積的3.0%。根據(jù)已有的工作和資料統(tǒng)計(jì),泥炭土有機(jī)質(zhì)含量為50%～60%,其有機(jī)碳含量介于17.73%～36.48%之間,有機(jī)碳儲(chǔ)量為1.539×107t(表1)。本區(qū)泥炭土分布較廣,幾乎縣縣均有泥炭土的分布。1.2土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量三江平原地區(qū)泥炭沼澤土、腐殖質(zhì)沼澤土和草甸沼澤土的面積約10863km2,占沼澤土壤總面積97%。上述三種沼澤土的有機(jī)質(zhì)含量高者達(dá)50%,低者只有10%。土壤中有機(jī)碳含量差異很大,為5.8%～29%。三種沼澤土有機(jī)碳儲(chǔ)量為2.4979×108t,高于泥炭土有機(jī)碳儲(chǔ)量的16倍多(表2)。全區(qū)沼澤土壤有機(jī)碳總儲(chǔ)量為2.6518×108t?？梢娙皆貐^(qū)的沼澤土壤是一個(gè)重要的碳儲(chǔ)庫。2江平原生態(tài)種生態(tài)綠色植物同化大氣中CO2變成有機(jī)碳化物,實(shí)現(xiàn)大氣圈向生物圈的碳素流動(dòng)。植物固定碳的能力可以從生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力得到反映。沼澤地是陸地生態(tài)系統(tǒng)中固碳能力較強(qiáng)的一種生態(tài)類型,它的凈初級(jí)生產(chǎn)力達(dá)800～4000g/m2·a)。由于世界上沼澤分布廣泛,從寒帶到熱帶均有發(fā)育,因而其凈初級(jí)生產(chǎn)力變化幅度很大。三江平原處于溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),雨熱同季,比較有利于沼澤植物的生長(zhǎng)發(fā)育。本區(qū)多為富營(yíng)養(yǎng)草本沼澤,沼澤植物的生物生產(chǎn)量(地上部分)為465.9～1280.9g/(m2·a),與北半球一些國(guó)家沼澤植物年生產(chǎn)量相仿。2.1有機(jī)物質(zhì)總量測(cè)定結(jié)果地上生物量是指在一定時(shí)間內(nèi)地表單位面積所存在的有機(jī)物質(zhì)總量。由于三江平原沼澤地區(qū)陸地動(dòng)物的生物量所占比例很小,因此生物量主要指植物量。2.1.1沼澤植物生長(zhǎng)特性三江平原沼澤植物地上部分每年從4月末開始生長(zhǎng),植物地上部分生物量便從零開始,7～8月份達(dá)到極大值,9月末、10月初停止生長(zhǎng),最后沼澤植物地上部分全部死亡,一次歸還于土壤。次年春季又從零開始。沼澤植物在一個(gè)生活周期內(nèi)生物量變化曲線呈單峰型(圖1)。2.1.2健全植被生物量pn植物凈初級(jí)生產(chǎn)量計(jì)算公式:式中Pn為凈初級(jí)生產(chǎn)量;Δβ為生物生產(chǎn)量;L為枯枝落葉量;G為被動(dòng)物采食的生物量。在無放牧條件下,沼澤植物被家畜采食的生物量為零。在生長(zhǎng)季節(jié)里,我們對(duì)甜茅、毛果苔草、漂筏苔草進(jìn)行測(cè)定,認(rèn)為三種植物脫落物在地表的枯枝落葉量甚少,可忽略不計(jì),因此Pn=Δβ,即取地上最高生物量為地上凈初級(jí)生產(chǎn)量。計(jì)算結(jié)果表明,甜茅地上年凈初級(jí)生產(chǎn)量最高,(602.2g/m2),毛果苔草次之(426.8g/m2),漂筏苔草最低(418.5g/m2)。2.2地下生物量的測(cè)定沼澤植物大部分是多年生的植物,全年地下部分的生物量很大。地下生物量在養(yǎng)分循環(huán)和能量輸送過程中起著重要作用,大部分有效養(yǎng)分儲(chǔ)存在地下部分,待死亡后,全部歸還土壤中。我們采用挖掘法測(cè)定植物地下的生物量。通過5月和8月兩次生物量之差,推求年生產(chǎn)量。測(cè)定結(jié)果表明,毛果苔草年地下生物生產(chǎn)量最大,為854.1g/m2,漂筏苔草最小,為47.4g/m2,狹葉甜茅居中,為391.1g/m2。2.3沼澤植物凈初級(jí)生產(chǎn)根據(jù)幾年來的定位觀測(cè)及多年實(shí)地調(diào)查資料,確定本區(qū)沼澤植物的凈初級(jí)生產(chǎn)量。從表3中看出,本區(qū)沼澤植物凈初級(jí)生產(chǎn)量以毛果苔草為最高,每年達(dá)1280.9g/m2,而漂筏苔草最低,僅465.9g/m2。凈初級(jí)生產(chǎn)是碳生物地球化學(xué)循環(huán)的重要環(huán)節(jié),是碳進(jìn)入生物界的主要途徑。在沼澤生態(tài)系統(tǒng)中,沼澤植物凈初級(jí)生產(chǎn)量反映了沼澤植物固定大氣CO2的能力。通過對(duì)沼澤植物全碳含量測(cè)定,本區(qū)沼澤植物地上部分所占比例變化在36.45%～41.48%之間,地下部分變化在40.80%～44.33%之間。根據(jù)植物含碳量和年凈初級(jí)生產(chǎn)量,可以估算本區(qū)一年中沼澤植物固定大氣中CO2的總量(表4)。計(jì)算結(jié)果表明,三江平原每年通過沼澤植物可以固定大氣中的碳量為4.67×105t。3低影響土壤能力在天然沼澤系統(tǒng),沼澤植物死亡后,其枯枝落葉一次全部歸還沼澤體內(nèi)(無放牧、割草情況下)。堆積在沼澤地表的有機(jī)殘?bào)w在多水的嫌氣環(huán)境中,經(jīng)過微生物分解和轉(zhuǎn)化,最后以CO2形式從土壤釋放到大氣。研究表明,從土壤中釋放的CO2主要來源于土壤微生物的生命活動(dòng)(占85%～90%),其次是植物根的呼吸(占15%)。3.1微生物指標(biāo)觀測(cè)方法:將觀測(cè)樣地除去表層植物,罩上氣室,氣室為帶有進(jìn)出口的玻璃罩,用GXH—305型紅外CO2測(cè)定器分別測(cè)出進(jìn)出口CO2濃度。計(jì)算方法:采用下列公式計(jì)算土壤呼吸速率(Sr)。式中Sr為土壤呼吸速率[g/(m2·h)];A為氣室占地面積(m2);C1和C2分別為進(jìn)、出口測(cè)定的CO2濃度(mg/kg);F為氣體流量(1/min);P為氣壓訂正值;K是經(jīng)過校正的CO2氣體每升重量(g)。3.2夏季沼澤植物呼吸強(qiáng)度調(diào)查沼澤土壤呼吸有明顯的日變化和季節(jié)變化。春季沼澤植物剛開始萌動(dòng)(4月26日),測(cè)定表明,CO2日釋放量為8.57g/m2,日間小于夜間土壤呼吸速率,最高值出現(xiàn)在22h,最低值出現(xiàn)在16h;5月16日觀測(cè)表明,CO2日釋放量上升為12.94g/m2,出現(xiàn)日間大于夜間土壤呼吸速率,最高值出現(xiàn)在13h,最低值出現(xiàn)在日出之后,夏季植物生長(zhǎng)旺盛,沼澤植物已步入成熟期,8月19日測(cè)定,CO2日釋放量為16.66g/m2,日間大于夜間的土壤呼吸速率,日最高值出現(xiàn)在19h,最低值出現(xiàn)在22h(圖2)。從上述觀測(cè)結(jié)果看出,在沼澤植物生長(zhǎng)季節(jié)里,夏季沼澤土壤CO2釋放量大于春季釋放量;土壤日間呼吸速率一般大于夜間呼吸速率;最大值一般出現(xiàn)在午后,最小值出現(xiàn)在午夜或日出前后。從土壤中釋放的CO2主要來源于土壤微生物的生命活動(dòng)。因此,一切影響土壤微生物活動(dòng)的因子均能影響土壤的呼吸強(qiáng)度。土壤溫度、濕度與土壤呼吸關(guān)系十分密切。根據(jù)M.M科諾諾娃的試驗(yàn),在土壤溫度20～30℃,土壤含水量60%～80%時(shí),土壤微生物活動(dòng)能力最強(qiáng),土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率最快,CO2產(chǎn)率最高,因此土壤呼吸速率也最大。通過在三江平原沼澤土壤溫度觀測(cè)表明,4月沼澤土壤溫度低,5月開始升溫,8月達(dá)到最高值,因而沼澤土壤呼吸也隨之增強(qiáng),9月后土壤呼吸逐漸減弱。另外,土壤呼吸還受控于土壤化學(xué)特性,如有機(jī)質(zhì)含量、pH、氮及代換性,等等。3.3沼澤土碳釋放總量將三江平原沼澤土壤劃分為3大類,對(duì)其碳的年釋放量進(jìn)行估算(表5)。結(jié)果表明,三江平原沼澤土壤每年碳釋放總量約3.951Gkg。其中,泥炭沼澤土和腐殖質(zhì)沼澤土占全區(qū)沼澤土壤總面積的58.60%,年碳釋放量為2.55Gkg;草甸沼澤土占38.09%,年碳釋放量為1.244Gkg;泥炭土占2.91%,年碳釋放量為1.57×108kg。4沼澤覆蓋層2c濃度與2c流程根據(jù)1992～1994年在三江平原洪河沼澤生態(tài)站進(jìn)行定位觀測(cè),沼澤生態(tài)系統(tǒng)貼地氣層CO2濃度和CO2流的變化規(guī)律十分明顯。4.1外來氣流擴(kuò)散模型選擇三江平原最有代表性的毛果苔草沼澤(占全區(qū)沼澤面積40%)-泥炭沼澤土為基本觀測(cè)點(diǎn),同時(shí)選擇小葉樟沼澤化草甸-草甸白漿土進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)。使用儀器是GXH-305型紅外CO2分析器(北京分析儀器廠制造),標(biāo)準(zhǔn)氣體也由廠家提供。沼澤貼地層CO2主要依靠大氣和土壤通過湍流輸送獲得。因此,可以從湍流擴(kuò)散角度來了解沼澤貼地氣層CO2的鉛直輸送。計(jì)算CO2經(jīng)驗(yàn)公式:式中FC為CO2通量[(kg/m2·s)];f是把(CO2叢ppm變成kg/(m2·s)的換算系數(shù),它等于1.67×105kg/(m2·s);Kc為CO2的湍流交換系數(shù);為CO2的鉛直梯度。4.2通量和速度指標(biāo)將所觀測(cè)的風(fēng)、溫度梯度和CO2濃度等數(shù)據(jù)經(jīng)式(3)計(jì)算,得到1992～1994年毛果苔草沼澤不同發(fā)育期的CO2通量和日變化(圖3)。設(shè)CO2通量方向由大氣指向毛果苔草沼澤為正,反之為負(fù)。5月份在毛果苔草沼澤開花期,一天中CO2通量速度均很小,白天,CO2通量處于平衡狀態(tài),夜間只是在日落后和日出前一段時(shí)間CO2通量由毛果苔草指向大氣。6月份在毛果苔草沼澤的結(jié)果期,白天CO2通量方向都是由大氣指向毛果苔草沼澤,為正值;日出后,CO2通量逐漸增大,在正午前后達(dá)到較高的數(shù)值,此后CO2通量即達(dá)到平衡;從日落到午夜前后,CO2通量方向開始轉(zhuǎn)由毛果苔草沼澤指向大氣,但CO2通量的絕對(duì)值很小,CO2通量接近或處于平衡狀態(tài)。7月末在毛果苔草沼澤的成熟期,(CO2通量減弱,日出一段時(shí)間后至日落前,CO2通量方向?yàn)檎?正午前CO2通量達(dá)到較大數(shù)值,以后逐漸減小;日落后,CO2通量方向?yàn)樨?fù),開始時(shí)CO2通量處于平衡狀態(tài),午夜后,CO2通量由毛果苔草沼澤向大氣輸送,隨后又達(dá)到平衡。在毛果苔草沼澤的黃熟期,8月末,CO2通量已經(jīng)很弱,白天,CO2通量方向?yàn)檎?夜間CO2通量方向?yàn)樨?fù)。9月初,CO2通量只是在日落前向大氣略有輸送,日落后CO2通量達(dá)到平衡,CO2通量全天都幾乎處于平衡狀態(tài)。圖3顯示,從毛果苔草的結(jié)果期到成熟期,白天日出一段時(shí)間后,CO2通量方向由大氣指向毛果苔草沼澤,CO2通量速度在10～13h時(shí)達(dá)到最大值。最大CO2通量速度從6月22～23日的1.679×10-5kg/(m2·s),到7月20～21日的1.186×10-5kg/(m2·s),至8月25～27日已減小到2.13×10-6kg/(m2·s)。9月5～6日,白天CO2通量方向由毛果苔草指向大氣,其最大CO2通量速度為-1.63×10-6kg/(m2·s)。從6月開始,在夜間或日出、日落前后,CO2通量方向已開始由毛果苔草指向大氣,最小CO2通量速度在6月20～21日是-0.03×10-6kg/(m2·s),在7月20～21日是-3.7×10-6kg/(m2·s),在8月25～26日是-0.29×10-6kg/(m2·s)。很明顯,隨著毛果苔草的逐漸成熟,CO2通量方向發(fā)生顯著變化,CO2通量速度的最大值和最小值的絕對(duì)值都逐漸減小,即CO2通量速度波的日振幅隨著毛果苔草的發(fā)育在不斷衰減。一般認(rèn)為植物光合作用固定的太陽光能量與從大氣到植物的CO2通量成正比。表明植物層在太陽輻射能流作用下,植物光合作用旺盛時(shí),植物層CO2濃度降低,成為強(qiáng)大的CO2庫,從大氣到植物的CO2通量也增大;當(dāng)光合作用減弱甚至停止時(shí),CO2通量也隨之減小或達(dá)到平衡,這時(shí)植物層又成為CO2源。從毛果苔草沼澤不同發(fā)育期CO2濃度和CO2通量的變化中也證明了這一觀點(diǎn)。5沼澤生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和碳積累量生物地球化學(xué)循環(huán)是指陸地生物和土壤以及大氣之間的碳素流動(dòng)或交換。三江平原沼澤面積1.12萬km2,在沼澤生態(tài)系統(tǒng)中,沼澤植物同化大氣中CO2形成有機(jī)碳化物,每年在沼澤地上部分的生物生產(chǎn)量為4.7185Mt,轉(zhuǎn)換成碳素量是1.8874Mt,沼澤植物的地下生物生產(chǎn)量約為6.3807Mt,轉(zhuǎn)換成碳素量是2.7819Mt。這些含碳的有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)移到土壤系統(tǒng)后,經(jīng)“消費(fèi)者”分解,以CO2形式返回大氣。由沼澤土壤釋