發(fā)布時(shí)間：2020-04-04 23:43

【摘要】：南極是全球氣候變化的敏感區(qū),氣候變暖對(duì)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(cè),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(cè)研究。這些研究主要側(cè)重于宏觀上的通量觀測(cè)與碳氮循環(huán)的研究,對(duì)南極苔原溫室氣體排放的微觀機(jī)理層次上的研究相對(duì)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(duì)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(qiáng)度、光照條件和微地形等對(duì)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(diǎn)研究區(qū)域,采用靜態(tài)箱室和Li-8100碳通量分析儀對(duì)南極苔原溫室氣體通量進(jìn)行了多年的野外觀測(cè),并結(jié)合室內(nèi)模擬培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)探索紫外輻射強(qiáng)度、光照條件和微地形因子,并結(jié)合土壤、氣候、植被、動(dòng)物活動(dòng)和積雪覆蓋等多環(huán)境變量對(duì)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(bǔ)充和對(duì)比研究,還選取了國內(nèi)升金湖自然保護(hù)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(dòng)、家禽飼養(yǎng)和土地利用等多環(huán)境因子對(duì)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(qiáng)度減弱對(duì)南極苔原溫室氣體通量的影響自《蒙特利爾議定書》實(shí)施以來,南極平流層臭氧開始逐漸恢復(fù)。然而極地地區(qū)很少有報(bào)道紫外輻射對(duì)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(shè)計(jì)紫外輻射強(qiáng)度減弱的野外模擬實(shí)驗(yàn),對(duì)苔原溫室氣體通量進(jìn)行了 3年的夏季觀測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn):紫外輻射強(qiáng)度減弱顯著增加苔原N_2O、CH_4和NEE通量。相對(duì)于對(duì)照觀測(cè)點(diǎn),紫外輻射強(qiáng)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(jì)學(xué)相關(guān)性(P0.05)。研究結(jié)果證實(shí):紫外輻射強(qiáng)度變化對(duì)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(fù)的環(huán)境背景下,忽略紫外輻射強(qiáng)度變化的影響,可能會(huì)低估極地苔原溫室氣體排放量。(2)光照對(duì)南極苔原溫室氣體通量的影響通過在南極苔原設(shè)計(jì)光照與黑暗對(duì)比原位觀測(cè)實(shí)驗(yàn),對(duì)南極苔原N_2O和CH_4通量開展了三年的野外觀測(cè)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(cè)點(diǎn)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(jī)碳、總氮、硝氮和氨氮含量之間無統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著相關(guān)性(P0.05)。相對(duì)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(duì)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(huì)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(duì)南極法爾茲半島普通苔原進(jìn)行了夏季生態(tài)系統(tǒng)呼吸(ER)速率的測(cè)定,研究了微地形梯度、植被類型、積雪覆蓋、氣候因素及動(dòng)物活動(dòng)對(duì)苔原土壤呼吸的影響�？傮w而言,在高地苔原頂部平臺(tái)觀測(cè)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(cè)到日最高ER速率,而最低值出現(xiàn)在早上6點(diǎn)。苔原ER速率與0-10cm平均土壤溫度呈顯著正相關(guān)(P0.05),而與土壤濕度呈顯著負(fù)相關(guān)(P0.01)。綜合所有碳通量觀測(cè)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(qiáng)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(cè)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(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)(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(dòng)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(xué)活性的溫室氣體。對(duì)土壤源CH_4的同位素組成的測(cè)定有助于了解其產(chǎn)生機(jī)理。目前CH_4同位素測(cè)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(guān)注。然而南極苔原土壤源CH_4同位素?cái)?shù)據(jù)未見到相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。本文選取了四個(gè)不同類型的企鵝聚集區(qū)采集的企鵝糞土剖面,通過實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),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�？傮w上企鵝糞土 CH_4產(chǎn)生速率與δ~(13)C-CH_4呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)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(guān),而δ~(13)C-CH_4與這些環(huán)境因子呈顯著負(fù)相關(guān),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(dòng),可能導(dǎo)致濕地溫室氣體(GHG)排放的空間變異性。然而,對(duì)MLYP濕地仍然缺乏GHG通量及其影響因素的觀測(cè)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(duì)象,開展了溫室氣體(CH_4,N_2O,CO_2)通量的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)研究,探討了土壤水分、水鳥活動(dòng)、家禽飼養(yǎng)和土地利用等多環(huán)境因子對(duì)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(gè)數(shù)量級(jí),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(jì)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(fù)雜(包括土壤濕度、總有機(jī)碳、總碳、總氮、氨氮、硝氮等因素)。水鳥和家禽活動(dòng)區(qū)平均CH_4通量與未受干擾區(qū)無顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,但它們的活動(dòng)顯著增加了濕地N_2O排放,降低了 CO_2匯;此外家禽活動(dòng)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(dòng)物活動(dòng)和動(dòng)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(chǎng)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(duì)SLM和其他類似的溫帶濕地的GHG總量準(zhǔn)確評(píng)估,應(yīng)考慮土壤水分狀況、水鳥的活動(dòng)和人為活動(dòng)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(rèn)識(shí)當(dāng)?shù)兀危玻霸磪R規(guī)律對(duì)研宄溫逡逑室效應(yīng)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(gè)微生物參與的途徑（圖１．１）邋：邋（１）硝化作用逡逑（Ｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ），這個(gè)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(gè)途徑是反硝化細(xì)逡逑５逡逑

象法逡逑氣象法是基于微氣象學(xué)原理的渦度相關(guān)法，應(yīng)用于觀測(cè)整個(gè)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(yùn)動(dòng)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(kuò)散途ｏｓｉｅｒｅｔａｌ．，１９９１）。微氣象法就是通過檢測(cè)湍流成分的流動(dòng)速率和濃氣體排放通量。該方法非常適合長時(shí)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(cè)塔和設(shè)置相關(guān)的采樣儀器設(shè)備，，并且需護(hù)和管理，人力和財(cái)力花費(fèi)較大，因此在實(shí)際應(yīng)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(cè)所測(cè)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(duì)于＜：０２氣體來說，它的凈個(gè)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(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：X16

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 LIU Yashu;ZHANG Wanying;ZHU Renbin;XU Hua;;Potential methane and nitrous oxide production and respiration rates from penguin and seal colony tundra soils during freezing thawing cycles under different water contents in coastal Antarctica[J];Advances in Polar Science;2017年01期

2 Wenjuan Ye;Lingen Bian;Can Wang;Renbin Zhu;Xiangdong Zheng;Minghu Ding;;Monitoring atmospheric nitrous oxide background concentrations at Zhongshan Station,east Antarctica[J];Journal of Environmental Sciences;2016年09期

3 BAO Tao;ZHU Renbin;BAI Bo;XU Hua;;Potential methane production rates and its carbon isotopic composition from ornithogenic tundra soils in coastal Antarctic[J];Advances in Polar Science;2016年01期

4 林茂;;土壤溫室氣體通量測(cè)定方法的比較和評(píng)價(jià)[J];湖南農(nóng)業(yè)科學(xué);2012年09期

5 胡正華;凌慧;陳書濤;李琪;蔣靜艷;牛傳坡;;UV-B增強(qiáng)對(duì)稻田呼吸速率、CH_4和N_2O排放的影響[J];環(huán)境科學(xué);2011年10期

6 沙晨燕;王敏;王卿;陸健健;;濕地碳排放及其影響因素[J];生態(tài)學(xué)雜志;2011年09期

7 陸志敏;劉瀏;;升金湖濕地生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查與研究[J];池州學(xué)院學(xué)報(bào);2010年06期

8 牟長城;劉霞;孫曉新;石蘭英;馮登軍;程偉;吳云霞;;小興安嶺闊葉林沼澤土壤CO_2、CH_4和N_2O排放規(guī)律及其影響因子[J];生態(tài)學(xué)報(bào);2010年17期

9 楊紅露;秦紀(jì)洪;孫輝;;凍融交替對(duì)土壤CO_2及N_2O釋放效應(yīng)的研究進(jìn)展[J];土壤;2010年04期

10 劉實(shí);王傳寬;許飛;;4種溫帶森林非生長季土壤二氧化碳、甲烷和氧化亞氮通量[J];生態(tài)學(xué)報(bào);2010年15期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前6條

1 王薇;溫室氣體及其穩(wěn)定同位素排放通量測(cè)量技術(shù)和方法研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

2 黃佳芳;閩江河口短葉茳芏濕地甲烷產(chǎn)生、氧化、傳輸與排放研究[D];福建師范大學(xué);2013年

3 劉雅淑;南極苔原溫室氣體通量時(shí)空變化規(guī)律與產(chǎn)生機(jī)理研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

4 郭海強(qiáng);長江河口濕地碳通量的地面監(jiān)測(cè)及遙感模擬研究[D];復(fù)旦大學(xué);2010年

5 王東啟;長江口濱岸潮灘沉積物反硝化作用及N_2O的排放和吸收[D];華東師范大學(xué);2006年

6 郝慶菊;三江平原沼澤土地利用變化對(duì)溫室氣體排放影響的研究[D];中國科學(xué)院研究生院（大氣物理研究所）;2005年

本文編號(hào)：2614216