湿地土壤气体排放对水位变化响应的持续性动态特征

吕海波

（1.渭南师范学院环境与生命科学学院，陕西 渭南 714000；2.陕西省河流湿地生态与环境重点实验室，陕西 渭南 714000）

全球气候变化与湿地生态功能存在复杂的相互作用关系。由于湿地生态对全球气候变化具有重要的调控作用，尤其是其对环境变化的响应问题，现已成为相关领域的研究热点之一［1-2］。湿地气体排放是发挥生态效应的重要输出项之一，受湿地局部气候（如土壤温度、水环境）的直接影响，气体排放变化最终影响了湿地的生态功能［3-4］。目前土壤温度对湿地气体排放的研究较多，且基本达成随土壤温度上升排放速率增加的研究结果［5-7］，而水分对其的影响较为复杂，目前未呈现线性相关的研究结论［8-10］。在自然条件下，河流水位存在静态水平和动态变化2 种过程，水位变化后湿地气体存在应激、适应和稳定过程。气体排放的影响程度和持续时间等变化过程关系着河流水位变化对湿地生态功能影响水平的评价工作，这一研究方向因涉及到复杂的环境变化和较长的监测周期而较为缺乏。

对河流湿地来说，水位变化是气温大环境影响下的区域变化，是影响湿地气体排放的不确定因素。水位变化涉及到上游流域的降水量和气温影响下的冰雪融水2 个自然因素，因此全球气候变化是水位变化的自然主因，其区域性的差异会造成局部性河流水位变化的大幅度变化。黄河中游自龙门至潼关段河道变宽，创造了湿地发育的良好条件，我国西北地区降水及气温的变化造成的流量变化直接影响本地区湿地水环境。目前黄河流域年际水量变化显著，加上黄河流域水量年内变化明显，使得本区水位变化明显［11-13］。本文立足于黄河龙门至潼关黄河淤积段的典型芦苇（Phragmites australis）湿地，研究气体排放对水位变化的响应，根据水位变化造成的气体排放动态特征来研究其内在机理，为湿地生态功能评价提供基础数据和理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黄河中游经内蒙古托克托县以下进入峡谷段，河流下切，水流湍急，但在龙门至潼关段，河面展宽，水流和缓，两岸滩涂有大面积滨河湿地（图1）。本段纵切汾渭平原，汾河、渭河两大支流汇入黄河，潼关段15 a 年均流量为574.16 m3·s-1［12］。研究区地带性土壤为褐土和黄绵土，全年平均气温12.7～15.6 ℃，全年降水量390.7～592.2 mm，属暖温带半湿润半干旱季风气候，落叶阔叶林发育。由于本河段受全球气候变化影响，上游来水变化幅度大，水位升降频繁，因而水位升降对湿地生态功能的影响成为新的研究命题。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Sketch map of the study area

1.2 研究方法

为研究水位变化后气体排放的动态变化，对野外样地与人为注水试验进行监测对比。选择韩城市黄河边滩（35°25.82′N，110°28.03′E）典型芦苇湿地进行人工设置。芦苇群落距河边约21 m，宽1～8 m，长100～150 m。样地平整，距河水面垂直距离50～60 cm。芦苇整体株高150～170 cm，茎秆直径1～3 mm占70%、4～6 mm占30%，密度约为650株·m-2。河水位在监测期间变幅约18 cm。

2017年7月16日布设培养坑，具体尺寸见图2，坑内铺设内壁开孔的塑料阻渗膜。培养坑沿河面一字排开，间距大于6 m。共设置6 个培养坑，其中3 个注水至地表（满注水），3 个注水至-30 cm（半注水），另设置不处理的3 个自然样地。经观测，满注水和半注水2 类培养坑水位在监测35.31±3 h、46.71±3 h后回到原始位置。注水前进行第1次监测分析，初期每隔3～4 h采集一次数据，后期时段适当放长，监测持续160.85 h（约7 d），共采集19组数据，每组数据包括3个类型，每个类型重复3次。

图2 人工设置结构Fig.2 Artificial set structure

1.3 气体排放数据采集

H2O、CO2、H2S气体排放速率采用WEST Systems便携式土壤CO2/H2O 通量系统，系统叶室直径200 mm，高200 mm。选择丛间空地进行采样，干旱样地采样时应压实以保证边缘与地面紧密接触。以5 cm土壤深度代表土壤温度。

1.4 数据处理和统计方法

对19 次采集数据进行分类汇总。采用双因素方差分析方法分析自然样地、半注水和满注水样地的差异显著度，利用Excel 做3 类型H2O、CO2和H2S排放速率对比图。

2 结果与分析

从差异度分析结果发现，注水后造成CO2排放速率显著变化，但对H2O 和H2S 排放速率的影响没有达到显著差异（表1）。尽管如此，从显著性程度看，半注水和满注水样地对H2O 和H2S 排放速率的影响存在差异，半注水对H2O 排放速率的影响大于满注水，而对H2S排放速率的影响却小于满注水。3种气体半注水和满注水差异度相对较小。

表1 注水造成的差异度分析Tab.1 Analysis of difference caused by water injection

监测过程中19 个序列数据与土壤温度作回归图（图3）。除了满注水下的H2O 排放速率之外，各类型随着土壤温度上升都有不同程度的上升趋势，3 种气体排放速率的增加幅度都表现为H2O＞CO2＞H2S。与自然样地相比，半注水和满注水都造成了CO2和H2S的增速出现不同程度的降低。注水后，土壤温度与气体排放速率的规律受到干扰，3 种气体线性回归方程的斜率及拟合度有明显不同。监测过程中注水造成各类气体排放总量的明显变化，半注水和满注水分别造成H2O 排放总量76.3%和31.3%的增加、CO2排放总量50.1%和43.2%的减少、H2S排放总量42.3%和32.3%的增加。满注水对3种气体的影响弱于半注水（图4）。

图3 土壤温度变化与气体排放的关系Fig.3 Relationship between soil temperature change and gas emission rate

图4 H2O、CO2、H2S排放总量对比Fig.4 Comparison of total emissions of H2O,CO2 and H2S

监测过程中，半注水和满注水造成的影响（与自然样地的差值）呈以日为周期的波动，一次注水对H2O 排放速率的影响大约持续125.64 h，前期63.73 h两者影响有一定的趋同性，夜晚影响大于白天，在63.73～125.64 h 之间半注水和满注水影响差异较大，后期两者差异都不明显，半注水和满注水造成的影响呈现趋同-异步-消失的趋势（图5）。

图5 注水对3种气体排放速率的影响过程Fig.5 Influence process of water injection on emission rate of the three kinds of gas

注水后CO2排放速率总体表现出波动性降低的特征。半注水和满注水在监测中后期（68.66～125.64 h）与自然样地的差异基本一致，注水后37.69～68.66 h 差异较大，整体表现出异步-趋同的特征。

H2S 排放速率在注水后波动频繁，总体上有变快的趋势。注水初期H2S排放速率未表现出显著变化，但在46.71 h 时出现显著升高，后期半注水和满注水呈相对一致的波动变化。H2S排放速率总体呈现无变化-异步-无变化的特征。

3 讨论

3.1 注水后土壤H2O排放速率变化特征

注水造成土壤环境的变化，从而引发土壤气体排放的变化。经观察注水后土壤水位升高仅能保持1～2 d，而土壤因物理注水发生了生物化学适应到延续影响的过程。由于黄河沙地的高渗透性以及注水造成的土壤温度变化迟缓，注水并未能造成H2O 排放速率的显著升高，在注水前期（63.73 h）半注水和满注水差异基本一致，后期尽管水位已经恢复自然水平，由于土壤持水性导致的土壤含水量差异，二者差异明显不同，直至125.64 h后注水的影响才消失。因此，注水后土壤H2O排放速率呈现趋同-异步-消失的趋势。注水虽然提高了土壤含水量，但降低了对土壤温度的敏感度，再加上注水样地水位在监测过程中的下降，最终导致注水样地H2O 排放速率与土壤温度拟合程度不好。

3.2 注水后土壤CO2排放速率变化特征

土壤CO2排放来源于微生物对有机物的降解、有机质及矿质的氧化还原过程、动物及植物根系的呼吸作用等方面［14-15］，较高的土壤温度能够促进湿地土壤内生物、物理化学过程，因而能够提高土壤CO2的排放速率，因此土壤温度上升后3类样地CO2排放速率都有所上升。本研究中注水样地与自然样地的CO2排放速率达到显著差异，说明注水对土壤CO2排放造成了显著影响。本研究发现土壤H2O含量与CO2排放的关系具有复杂性：（1）注水虽然能导致CO2排放速率的减少，但与注水量没有直接的相关性，监测过程中CO2排放总量表现为自然＞满注水＞半注水，半注水造成的影响大于满注水。（2）满注水和半注水造成的CO2排放速率的差异，在监测过程中表现为趋异与趋同共存，说明其影响过程的复杂性。（3）注水的影响具有长期性，虽然一次注水后2～3 d水位已恢复至自然水平，但7 d监测后未见恢复。本研究认为，注水后土壤经历了饱水-持水-恢复过程，引发土壤环境发生了一系列变化：土壤空气由厌氧状态到好氧状态、土壤生命体从拮抗到适应以及关联的土壤物理化学过程的变化。注水初期环境的改变造成CO2排放速率的一致减少，但由于满注水和半注水样地水位恢复时间差异，造成了37.69～68.66 h 的差异；68.66～125.64 h 满注水和半注水样地水位都恢复到自然水平，但土壤H2O排放速率说明了土壤湿度仍高于自然样地，这阶段土壤为饱水后的持水过程，CO2排放源异于自然样地，排放速率呈昼夜周期性变化；125.64 h后注水样点与自然样地H2O 排放速率差异变小，但CO2排放差异仍然存在，可能是由于注水干扰了土壤CO2各类源的组成和数量，水溶性有机碳（DOC）、微生物、根系呼吸及矿质理化过程经历激发后没有恢复到自然水平，造成了注水影响的持续性。有研究发现，水位上升后，CO2排放速率出现了后期反弹现象，被称为“Birch 效应”［16］，Moffett 等［17］发现潮间带对湿地CO2排放速率产生明显影响，这些研究支持了本文的判断。

3.3 注水后土壤H2S排放速率变化特征

土壤含硫气体的排放主要来自微生物作用下硫酸盐的异化还原和含硫氨基酸的降解，降解过程中产生的水溶态（H2O-S）和结合态（Adsorbed-S）硫是土壤中的H2S的来源［18-19］。土壤含水量直接影响O2的可利用率、气体扩散速率和微生物活性，并间接影响到土壤的pH 值和氧化还原电位变化［20］，从而对含硫气体的产生和扩散产生影响。因此，在含硫物质相同的背景下，土壤湿度变化直接或间接影响到H2S 排放速率［21］。在稳定的高湿环境下，土壤中的微生物对土壤中的含硫物质产生厌氧分解，有助于H2S排放速率的增加，土壤温度越高速度越快，因此注水造成了总量的升高［22］。但是注水初期，土壤环境改变造成的微生物活性及水溶态硫不增反降，监测初期H2S排放速率降低，随着土壤厌氧环境的稳定，H2S 排放速率升高。因半注水和满注水水位下降速率不一样，造成的影响出现差异，后期随着恢复两者的影响趋于相同。监测末期H2S排放速率与自然样地类似。

4 结论

本文以人工注水的方法模拟了水位上升对湿地土壤气体排放的影响过程，证明水位上升能显著影响湿地土壤气体排放，得出如下主要结论：

（1）半注水和满注水对3种气体的影响存在差异，注水造成了CO2排放速率显著变化。

（2）除了满注水下的H2O 排放速率之外，各类型随着土壤温度上升都有不同程度的上升趋势，3种气体排放速率的增加幅度都表现为H2O＞CO2＞H2S。

（3）注水能造成H2O、H2S 排放速率的升高和CO2排放速率的降低，监测过程中半注水和满注水分别造成H2O 排放总量76.3%和31.3%的增加、CO2排放总量50.1%和43.2%的减少、H2S 排放总量42.3%和32.3%的增加。

（4）水位由升高到下降的快速变化会对气体排放造成动态的、持续的影响，H2O 排放速率呈趋同-异步-消失、CO2排放速率呈异步-趋同、H2S 排放速率呈无变化-异步-无变化的趋势，水位短时变化对CO2排放速率的影响在7 d内未见消失。

黄河水位的变化对湿地土壤气体排放的影响是动态的，其影响与静态水位水平有很大差异，这为湿地空气排放的评价提供较大困难，为达成这一目的，一是应进行室内培养的长时间监测，以去除土壤温度等干扰因素；二是澄清气体排放与土壤源各因素的关系，以建立各类湿地水位变化对气体排放影响的回归关系。