2. 福建师范大学地理研究所, 湿润亚热带生态-地理过程教育部重点实验室, 福州 350007;
3. 中科院烟台海岸带研究所, 烟台 264003
2. Institute of Geography, Key Laboratory of Humid Sub-tropical Eco-geographical Process of Ministry of Education, Fujian Normal University, Fuzhou 350007;
3. Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003
二甲基硫(dimethylsulfide,DMS)是全球硫循环中的一种重要硫化物,其在大气中的氧化产物以气溶胶形式存在,对大气环境和全球温室效应均具有显著影响(Andreae and Crutzen, 1997).研究表明DMS是海洋中最主要的挥发性硫化物,由海洋向大气所排放的DMS约占全球天然硫释放量的2/3以上(Andreae and Barnard, 1984; Andreae,1990),由于DMS在全球硫循环和环境中的重要作用,自20世纪80年代以来,国内外学者对全球许多海域中DMS 的浓度分布、时空变化、海-气通量、影响因素等进行了广泛、系统研究(Kettle et al., 1990; Shenoy et al., 2006; Hu et al., 2003; Ma et al., 2005; Del Valle et al., 2007; Asher et al., 2011; 李江萍等,2015),而对于受海洋和陆地双重影响的海岸带盐沼含硫气体排放的研究并不多见,尤其缺乏对全球生态系统中占据重要地位和对全球生源硫气体排放具有重要贡献的中国海岸带盐沼的深入研究,这将会严重限制全球硫生源气体排放预算的准确性(王进欣等,2014).滨海湿地受海水潮汐作用的影响,造成土壤中硫酸盐含量很高,硫酸盐及其还原产物的动态平衡构成了海岸盐沼湿地特殊的硫循环体系(幸颖等,2007).研究表明,海岸带盐沼、沼泽、河口及潮间带也是DMS的重要自然释放源,在生源气体的全球预算上具有重要贡献(Morrison and Hines, 1990; Delaune et al., 2002; 王进欣等,2014).
中国拥有广阔的滨岸潮滩,是我国自然湿地的重要组成部分,而对其进行DMS排放的研究主要集中在苏北盐沼区域(王进欣等, 2009,2014; 周长芳等,2009).黄河三角洲湿地是由黄河不断冲积、淤积和海岸水动力共同作用形成的退海地,黄河平均每年输入到河口区1.0×109 t的泥沙,约有45%淤积在滨海地带,成为河口地区潮滩发育的物质基础,黄河尾闾的频繁摆动和海洋动力的重新塑造形成了黄河三角洲沿岸宽广的潮滩湿地,总面积约964.8 km2,约占整个黄河三角洲河口总面积的63.06%(Cui et al., 2009),是黄河三角洲重要的生态类型之一.同时黄河口潮滩湿地还承接着来自黄河中上游带来的大量污染物.据统计,黄河2013年排放入海的氨氮、硝态氮、总磷、亚硝酸氮等营养盐和CODCr 分别高达15535万t和348635万t(国家海洋总局,2014).大量的陆源污染物随地表径流进入海域,引起海水中化学成分和物理条件的变化,改变了浮游植物的种类与组成(张继民等,2010),同时也使黄河入海口的生态环境发生了很大变化,进而影响潮滩湿地生源要素的循环过程.目前在黄河三角洲潮滩湿地对生源要素(C、N、P、S等)进行了大量的研究,主要集中在植物元素(C、N、P、S及微量元素)累积与分布特征(牟晓杰等,2012;宋红丽等,2012)、土壤元素分布特征(于君宝等,2012;董洪芳等,2013)和温室气体排放等方面(姜欢欢等,2012;Sun et al., 2013),而关于生源含硫气体排放的研究还不多见,仅李新华等报道了翅碱蓬湿地硫化氢和羰基硫的排放动态(李新华等,2014).鉴于此,本研究选择黄河三角洲典型潮滩湿地为研究对象,沿群落演替系列开展DMS排放通量监测,并探讨影响DMS排放的主要因素,以期为进一步研究黄河三角洲湿地硫循环和评估全球含硫气体排放量及其对大气环境的影响提供基础数据.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区概况研究区位于黄河三角洲国家级自然保护区内(37°35′N~38°12′N,118°33′E~119°20′E),黄河三角洲国家级自然保护区于1992年经国家林业局批准建立,是全国最大的河口三角洲自然保护区,在世界范围内河口湿地生态系统中具有较强的代表性,主要保护黄河口新生湿地生态系统和濒危珍稀鸟类.保护区总面积15.3万hm2,属暖温带季风气候区,具有明显的大陆性季风气候特点,雨热同期,四季分明,冷热干湿界限极为明显.春季干旱多风,常有春旱,夏季炎热多雨,高温高湿,时有台风侵袭.该区年平均气温12.1 ℃,无霜期196 d,≥10 ℃的年积温约为4300 ℃,年均蒸发量1962 mm,年均降水量551.6 mm,70%的降水集中于7月和8月.在黄河三角洲,潮滩湿地受潮流、余流等海洋动力与河口来水、来沙等陆上营力的相互作用,由于各营力作用的强度差异,淹没时间长短不一,黄河三角洲沿岸潮滩具有明显的水平分带性,自陆向海形成了高潮滩-中潮滩-低潮滩3个平行带,并且伴有典型的自然生物群落演替系列.高潮滩位于大潮高潮位于小潮高潮位之间,宽度1~9 km不等,主要分布着翅碱篷-芦苇(Suaeda salsa-Phragmites australis)群落;中潮滩位于小潮高潮位与小潮低潮位之间,宽度可达1~4 km,主要分布着翅碱篷-柽柳(Suaeda salsa-Tamarix chinensis)群落,该群落是由翅碱篷群落演替到柽柳群落或者芦苇群落的过渡阶段;低潮滩位于小潮低潮位与大潮低潮位之间,低潮滩较窄,平均0.5~2 km,主要分布着翅碱篷群落(Suaeda salsa),翅碱篷是黄河三角洲湿地演替的先锋群落(李元芳等,1991;邢尚军等,2003).土壤类型主要为隐域性潮土和盐土.
在现黄河入海口北部滨海潮滩湿地选择典型试验区,由黄河口滨岸至潮滩布设高潮滩(HTM)(37°46′7.25″N,119°09′55.54″E)、中潮滩(MTM)(37°46′11.62″N,119°09′56.09″E)、和低潮滩(LTM)(37°46′15.95″N,119°09′57.44″E)3个典型研究样点,其植被具有带状连续分布特点,且高潮滩植被类型为翅碱篷-芦苇群落、中潮滩为翅碱篷-柽柳群落、低潮滩为翅碱篷群落,每个样点设3个重复监测点,共9个监测点.试验于2012-04—2012-12月进行,每月采样1次,冬季受天气条件和野外实验条件限制,为隔月采样1次,每次观测在上午08:00—10:00.具体采样时间为4-20、5-17、6-20、7-18、8-16、9-6、10-10、11-13和12-9号.研究区基本土壤理化性质(平均值±SD)见表 1.
| 表1 不同监测点土壤理化性质 Table 1 Comparison of environmental conditions of soils at different sampling sites |
气体样品的采集采用密闭箱法(Kanda and Minami, 1991),采样箱由0.4 mm厚的铁皮制成,箱体四周及顶部用白色泡沫包裹以确保采样时箱内温度变化不大,箱体内壁贴有聚四氟乙烯薄膜,防止含硫气体的吸附.采样箱由箱体和底座两部分组成,箱体规格50 cm×50 cm×100 cm,底座规格为50 cm×50 cm×20 cm.底座上端有宽2cm、深3cm的密封水槽,采样时将箱体罩在底座上,各部分之间均以水密封,以防止箱体和底座的接触处漏气.采样箱内装有搅气小风扇、温度传感器,采气三通阀及气压平衡管.放上采样箱后,立即采集第一个样品,然后每隔15 min采集1个样品,每个监测点共采集4个样品,每个样品采集1 L,采集的样品放在聚四氟乙烯袋里,立即带回实验室分析.采集样品时同步观测土壤含水量、电导率、气温、箱温等环境因子,其中土壤含水量采用高精度土壤水分测量仪AZS-2测定,电导率采用Field Scout 土壤&溶液EC计测定,气温和箱温分别用气温计、箱体温度传感器测定.同时在每个监测点采集0~20 cm的土壤样品,测定有机质,TOC、TN和SO42-,土壤样品送到青岛农业大学进行统一测试,其中土壤有机质采用K2Cr2O7热容量法,硫酸根测试采用Ca(H2PO4)2浸提,BaSO4比浊法(李酉开,1983),TOC和TN含量采用元素分析仪(Elementar Vario Macro)测定.
含硫气体样品的分析采用低温浓缩富集、热解吸-气相色谱法测定(李新华等,2006;Wang et al., 2006).利用下面的公式计算DMS的通量:
运用Origin7.5对数据进行绘图,SPSS13.0进行数据统计分析.
3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 黄河三角洲潮滩湿地环境因子变化分析采样期间,在高潮滩、中潮滩和低潮滩湿地系统监测的环境、土壤因子的变化见图 1,其中折线图表示季节变化,柱状图表示均值的变化,由图 1可知高潮滩、中潮滩和低潮滩湿地系统的环境、土壤因子均具有明显的季节和空间变化,其中温度包括气温、地温(0 cm地温、5 cm地温、10 cm地温)的变化趋势较为一致(图 1a),均随着季节的变化先升高又降低,7到8月间气温较高,12月气温较低.不同潮滩湿地间气温、地温的均值均表现为高潮滩>中潮滩>低潮滩,但差异都不明显(p>0.05).不同潮滩湿地间土壤EC值均表现为随着土壤深度的增加而降低,同一土壤层的EC值则呈波动性变化(图 1b),方差分析表明,不同潮滩湿地间土壤的EC值差异显著(p<0.001),表现为高潮滩>中潮滩>低潮滩.不同土壤体积含水量则呈波动性变化(图 1c),不同潮滩湿地间土壤含水量差异显著(p<0.01),均值表现为中潮滩>低潮滩>高潮滩.从年际来看,土壤有机质、硫酸根含量和C ∶ N均呈波动性变化(图 1d,e,f),不同潮滩湿地间土壤有机质和硫酸根含量差异显著(p<0.01),C ∶ N差异不显著(p>0.05)其中土壤有机质表现为高潮滩>中潮滩>低潮滩,而硫酸根含量则与之相反,表现为低潮滩>中潮滩>高潮滩,C ∶ N表现为中潮滩>低潮滩>高潮滩.
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| 图1 黄河三角洲潮滩不同湿地温度、土壤体积含水量、EC值、土壤有机质和SO42-含量及C ∶ N的变化 Fig.1 Variations of environmental temperatures(a),electrical conductivity(EC)(b),soil volumetric water content(c),soil organic matter content(d),soil SO42- content(e) and C ∶ N(f)in HTM,MTM and LTM in the Yellow River estuary |
黄河三角洲潮滩湿地系统DMS通量具有明显的季节变化(图 2).高潮滩DMS排放通量的范围为0.043~0.59 μg · m-2 · h-1,年际排放均值为0.33 μg · m-2 · h-1,变异系数为52.0%,4到5月份DMS排放通量增加,至5月份排放通量达到最大(0.59 μg · m-2 · h-1),之后呈波动性变化,于12月份排放通量出现最小值(0.043 μg · m-2 · h-1).中潮滩DMS排放通量的范围为0.18~1.90 μg · m-2 · h-1,年际排放均值为0.95 μg · m-2 · h-1,变异系数为70.8%.在整个采样期间,DMS的排放通量呈波动性变化,比较而言,5月份和8月份排放量较大,在8月份出现排放峰值(1.90 μg · m-2 · h-1),9月份排放通量最小(0.18 μg · m-2 · h-1).低潮滩DMS排放通量的范围为0.88~5.80 μg · m-2 · h-1,年际排放均值为2.18 μg · m-2 · h-1,变异系数为73.3%.低潮滩DMS排放通量的变化和中潮滩具有相似性,也表现为5月份和8月份排放通量较大,5月份出现第1次排放高峰(3.28 μg · m-2 · h-1),8月份出现排放峰值(5.79 μg · m-2 · h-1),8至12月份,排放通量又显著降低,12月份达到最小值(0.88 μg · m-2 · h-1).
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| 图2 黄河三角洲潮滩湿地系统DMS释放通量的时空变化 Fig.2 The Spatial and temporal variations of DMS emission fluxes from HTM,MTM and LTM in the Yellow River estuary |
从空间来看,黄河三角洲潮滩湿地为DMS的排放源,且不同潮滩类型湿地间DMS的排放通量差异显著(p<0.05),表现为低潮滩(2.18 μg · m-2 · h-1)>中 潮滩(0.95 μg · m-2 · h-1)>高潮滩(0.33 μg · m-2 · h-1).
3.3 黄河三角洲潮滩湿地系统DMS排放通量与环境因子的关系潮滩湿地系统DMS排放通量与环境、土壤因子之间的相关分析见表 2,由表 2可知,不同环境、土壤因子对不同潮滩湿地系统DMS排放通量的影响不同.在高潮滩,DMS排放通量与气温、地温(0 cm、5 cm、10 cm)、EC值(0~5 cm和5~10 cm)、土壤体积含水量(0~5 cm和5~10 cm)、土壤有机质、SO42-含量和C ∶ N均呈正相关,并且与0 cm地温和土壤SO42-含量达到了显著相关水平(p<0.05),说明DMS的排放与0 cm地温和土壤SO42-含量关系密切.在中潮滩,DMS排放通量与气温、地温(0 cm、5 cm、10 cm)、EC值(0~5 cm和5~10 cm)、土壤SO42-含量、C ∶ N均呈正相关,但未达到显著水平;与土壤体积含水量(0~5 cm和5~10 cm)和有机质含量呈负相关,也未达到显著水平,这表明DMS的排放可能是多种因素共同作用的结果,也可能有更为重要的因素影响DMS的排放,已有的研究表明植被类型是影响DMS排放的主要因素(周长芳等,2009).在低潮滩,DMS排放通量与气温、地温(0 cm、5 cm、10 cm)、5~10 cm EC值、土壤有机质含量、SO42-含量和C ∶ N均呈正相关,但未达到显著水平;与0~5 cm土壤EC值、土壤体积含水量(0~5 cm和5~10 cm)呈负相关,且与0~5 cm土壤体积含水量达到了极显著水平,说明DMS的排放与表层土壤体积含水量关系密切.
| 表2 潮滩湿地DMS释放通量与环境、土壤因子的相关分析 Table 2 Pearson correlation analysis between DMS emission fluxes and environmental and soil factors |
以DMS排放通量为因变量,以气温、地温(0 cm、5 cm、10 cm)、EC值(0~5 cm和5~10 cm)、土壤体积含水量(0~5 cm和5~10 cm)、土壤有机质、SO42-含量和C ∶ N作为自变量,在SPSS13.0中利用逐步引入-剔除法(stepwise)对变量进行引入和剔除,计算结果表明,在高潮滩,仅0 cm地温进入回归方程(Y1=0.00879X1+0.122,R2=0.510,p=0.031),说明在高潮滩,0 cm地温的变化对DMS的排放影响显著;在中潮滩,未得出达到显著水平的回归方程,原因可能与中潮滩的环境因素变化较为复杂,DMS的排放可能受多重因素控制有关;在低潮滩,0~5 cm土壤体积含水量进入回归方程(Y2=-95.182X2+38.029,R2=0.787,p<0.001),说明土壤体积含水量的变化对DMS的排放影响显著.回归分析也进一步验证了相关分析的结果.
4 讨论(Discussion) 4.1 DMS排放通量的季节变化已有的研究表明季节变化是控制湿地含硫气体释放的一个重要因素(Delaune et al., 2002),在本研究中也得到了类似结论.从全年来看,在黄河三角洲5到10月份,气温相对较高,也是植物生长的季节,而11月到次年4月,气温相对较低,是植物死亡时间,为植物非生长季.根据此划分,计算了植物生长季和非生长季DMS的平均排放通量(表 3),由表 3可知,在植物生长季,高潮滩、中潮滩和低潮滩DMS的平均释放通量均高于植物非生长季,其均值依次为非生长季均值的5.1、1.7和2.6倍.已有的研究表明在黄河三角洲湿地中,植被生长和土壤微生物的数量均具有明显的季节变化动态,从四月中下旬开始,气温逐渐升高,随着气温的升高,植被开始生长,土壤微生物数量迅速增加,但不同植被类型湿地土壤中各类微生物数量差别明显(陈为峰和史衍玺,2010),而硫酸盐还原和厌氧发酵反应是DMS的主要厌氧生产过程,该过程主要受土壤微生物的控制(Banwart and Bremner, 1975),在植物生长季微生物数量的增加可能是引起DMS排放量较大的原因,且植被类型不同排放量不同(周长芳等,2009).在本研究中还发现,在不同潮滩湿地中,DMS的排放通量在5月至8月间排放量波动性较大,可能与以下因素有关,在黄河三角洲,8月黄河处于丰水期,大量黄河水携带丰富的营养盐补充到河口附近海域,同时受淡水影响,海水盐度下降,由此造成浮游植物的大量繁殖.受潮汐作用的影响,导致潮滩湿地的浮游植物和藻类也较多,而DMS主要来自海洋浮游植物和藻类、硫酸盐还原和厌氧发酵反应(Banwart and Bremner, 1975; 李江萍等,2015),由此可能引起DMS在此期间排放量较高.而在7月较低的DMS排放通量可能与黄河在此期间调水调沙有关,调水调沙对水体有较大扰动,径流的扰动影响浮游植物利用营养盐的时间,不利于浮游植物的大量聚集,再加上水体透明度低,由此导致浮游植物丰富度低(刘晓彤和刘光兴,2012).
| 表3 黄河三角洲潮滩湿地植物生长季(5—10月)和非生长季(11—4月)DMS释放通量 Table 3 DMS emission fluxes in plant growing season(May-October) and non growing season(November-next April)from the tidal wetl and ecosystem in the Yellow River estuary |
王进欣等在研究苏北盐沼DMS排放中发现DMS排放通量与高程有关,植被区DMS的排放明显高于光滩(王进欣等,2009).周长芳的研究也发现DMS的排放具有明显的空间变化,互花米草滩DMS的排放明显高于芦苇滩、光滩和盐蒿滩(周长芳等,2009).Delaune等的研究也表明含硫气体的排放沿着盐度增加而增加(Delaune et al., 2002).在本研究中,不同潮滩湿地间DMS排放通量也具有显著的空间变化(p<0.05),表现为低潮滩>中潮滩>高潮滩.这种空间分布可能与以下因素有关,一是硫酸盐还原和厌氧发酵反应是主要的DMS 厌氧生产过程,控制该反应过程的微生物主要是硫酸盐还原菌(sulfate-reducing bacteria,SRB),SRB属于厌氧菌(Banwart and Bremner, 1975).从高潮滩到低潮滩,经受潮水淹没的时间逐渐延长,土壤中氧气的含量逐渐减少,而SO42-含量逐渐增多,厌氧条件的增强和丰富的硫酸盐含量有利于SRB的生长,从而增加DMS的排放;二是可能和潮滩湿地植被类型的空间分布有关.从低潮滩-中潮滩-高潮滩,依次主要分布有翅碱蓬(Suaeda salsa)群落、翅碱蓬-柽柳(Suaeda salsa -Tamarix chinensis)群落和翅碱蓬-芦苇(Suaeda salsa -Phragmites australis)群落,植被不仅是含硫气体的排放源,也是气体的传输通道,(Fall et al., 1988),另外含硫气体的排放速率与植物种类和生物量也有直接关系(王进欣等,2014),并且SRB 对有机质成分敏感,不同植被的有机质成分不同,可能对SRB 生长的作用不同(陈庆强等,2012),由此导致不同植被类型湿地的DMS释放量不同.已有的研究也表明植被类型对DMS的排放影响显著,在互花米草区DMS的排放速率均较高(Delaune et al., 2002; 周长芳等,2009; 王进欣等,2014).三是可能和黄河三角洲潮滩湿地环境因子、土壤基质的空间分布有关.在采样期间,黄河三角洲潮滩不同湿地土壤有机质含量、EC值、土壤体积含水量、SO42-含量和C ∶ N均具有明显的空间变化(图 1),进而造成DMS排放通量的差异.王进欣等也报道了含硫气体的排放与环境因子的空间分布有关(王进欣等,2014).
4.3 国内外DMS排放通量对比表 4为近年来国内外不同湿地DMS排放通量相关研究结果的对比.据表 4可知,DMS的通量范围为0.029~511.4 g · m-2 · h-1,本研究的结果在已报道的DMS排放通量范围内,但明显低于美国路易斯安州密西西比河三角洲盐沼、苏北沿海和苏北米草滩DMS的排放通量,但高于美国路易斯安州密西西比河三角洲淡水沼泽DMS的排放通量.产生这种差异的原因可能主要有以下几个方面:一是不同研究地点土壤理化性质(包括土壤质地、水分含量、有机碳含量、土壤微生物和土壤盐分等)差异较大.Delaune等的研究表明,含硫气体的释放随着土壤盐度和距海的远近而不同(Delaune et al., 2002),王进欣的研究也表明DMS的排放沿着高程变化不同(王进欣等,2009).第二,可能与研究点植被类型不同也有关.在已报道的研究中,在DMS的高释放区域,其植被类型均为互花米草,互花米草是一种特殊的盐生植物,不仅能够合成二甲巯基丙酸(DMSP),DMSP是DMS的主要前提物质,而且互花米草具有丰富的通气组织,有利于气体向大气有效扩散(丁维新和蔡祖聪,2002).第三,与测定时间有关.不同的监测时间,生境因子差异很大,即使在同一研究区域,不同测定时间的湿地水文及气候条件也有较大差异,如温度,土壤含水量、Eh等(Sun et al., 2003),可见要比较不同区域DMS排放通量特征差异,还需要开展长时间尺度的深入对比研究.
| 表4 国内外相关研究结果的对比 Table 4 Comparison of the results in different studies |
1)从全年来看,黄河三角洲潮滩湿地是DMS的释放源,高潮滩、中潮滩和低潮滩释放DMS通量范围依次为0.043~0.59 μg · m-2 · h-1、0.18~1.90 μg · m-2 · h-1和0.88~5.80 μg · m-2 · h-1,均值依次为 0.33 μg · m-2 · h-1、0.95 μg · m-2 · h-1和2.18 μg · m-2 · h-1.
2)黄河三角洲不同潮滩湿地DMS的排放均具有明显的时空变化.黄河三角洲潮滩湿地系统DMS的排放显著受到季节变化的影响,其排放主要集中在植物生长季;不同潮滩类型湿地间DMS的排放通量差异显著(p<0.05),表现为低潮滩>中潮滩>高潮滩,造成各潮滩湿地DMS通量差异的原因可能与不同研究样点的植被类型、环境因子、土壤基质等不同有关.
黄河三角洲潮滩湿地系统DMS的排放受到多种因素的影响,不同环境因子对DMS的排放通量影响不同,在高潮滩,0 cm地温对DMS排放通量影响显著;在低潮滩,0~5 cm土壤体积含水量对DMS排放通量影响显著.而在中潮滩则没有发现显著的影响因子.
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2015, Vol. 35



