火干扰对小兴安岭森林沼泽湿地温室气体排放时空动态的影响

摘要

大小兴安岭及长白山是我国森林沼泽湿地最集中分布的区域，林火是该区域最常见的人为及自然干扰之一，故研究火烧干扰对沼泽湿地温室气体排放的影响规律，对全面认识我国温带、寒温带湿地碳汇作用及经营管理湿地资源具有重要意义。
　　本研究以我国温带小兴安岭沿草丛沼泽至森林沼泽方向的过渡带水分环境梯度依次分布的7种典型沼泽湿地类型苔草沼泽（Carex schmidtii）、灌丛沼泽（Betula ovalifolia-Carexschmidtii）、毛赤杨沼泽（Alnus sibirica-Carex schmidtii、白桦沼泽（Betula platypHylla-Carex schmidtii）、落叶松苔草沼泽(Larix gmelinii-Carex schmidtii)、落叶松藓类沼泽(Larixgmelinii-moss)和落叶松泥炭藓沼泽（Larix gmelinii-SpHagnum spp.））为研究对象（以下简称C、G、M、B、LT、LX、LN），利用静态箱-气象色谱法，原位同步测定了未火烧、火烧干扰（轻度-地面火、重度-林冠火）森林沼泽湿地生长季节3种主要温室气体（甲烷CH4、二氧化碳CO2、氧化亚氮N2O）排放通量及其相关环境因子（温度、水位），研究了火烧干扰对温室气体排放季节动态、主控因子、空间分布格局的影响。结果表明:
　　(1)火干扰改变了沼泽湿地CH4排放季节动态、主控因子及空间分布格局。
　　①未火烧与火烧样地生长季CH4平均排放通量分布在-0.004±0.019～14.345±2.265、-0.001±0.012～22.373±3.650 mg·m-Lh-1，轻度火烧干扰使草丛沼泽、灌丛沼泽、毛赤杨沼泽、白桦沼泽CH4排放通量显著提高56.0％～524.7％(P＜0.05)，使落叶松藓类沼泽由CH4弱吸收汇转化为其弱排放源;重度火烧干扰使白桦沼泽由CH4弱排放源转化为弱吸收汇。
　　②温度是多数天然森林沼泽湿地甲烷排放通量的主控因子。水位较高的沼泽类型与温度和水位的相关性显著。反之，与温度的相关相性也较低。经火烧干扰后，温度对水位低的沼泽类型影响显著，其甲烷排放通量与温度的相关程度显著提高。
　　③森林沼泽各类型未火烧与火烧沼泽CH4排放峰值出现在夏季或秋季，而火烧后各类型沼泽甲烷夏季排放最大，秋季次之，未火烧与火烧沼泽湿地甲烷排放春季多呈现弱吸收。未火烧湿地过渡带CH4排放通量沿过渡带水分环境梯度呈锐减型空间分布格局（草丛沼泽为CH4强排放源、灌丛沼泽为CH4中等排放源、5种森林沼泽为CH4弱排放源或弱吸收汇），而火烧干扰后则呈递减型空间分布格局（草丛沼泽与灌丛沼泽为CH4强排放源且前者高于后者、毛赤杨沼泽为CH4中等排放源、其他4种森林沼泽为CH4弱排放源）。温度是引起火烧干扰后小兴安岭湿地过渡带CH4排放空间分布格局变化的主要因子。
　　(2)火干扰改变了沼泽湿地CO2排放季节动态、主控制因子及空间分布格局。
　　①未火烧、火烧样地生长季CO2平均排放通量分布在270.70±85.31～541.64±22.17和212.86±27.43～529.95±58.75 mg·m-2·h-1，火烧干扰使草丛沼泽、毛赤杨沼泽、白桦沼泽CO2排放通量显著降低21.3％～57.4％(P＜0.05)，而使落叶松苔草沼泽与落叶松泥炭藓沼泽CO2排放通量显著提高24.9％～63.7％(P＜0.05)。
　　②天然草丛、灌丛及落叶松沼泽湿地CO2排放通量的主控因子是温度，其他类型沼泽湿地CO2排放通量与温度、水位相关性弱或不相关。火烧干扰后，温度和水位转化为白桦沼泽、落叶松苔草沼泽CO2排放通量的主控因子，而草丛、灌丛、灌丛沼泽湿地CO2排放通量与温度的相关性降低或不相关。火烧未改变落叶松藓类与落叶松泥炭沼泽湿地CO2排放通量的主控因子，温度和水位共同影响其CO2的排放。
　　③火干扰与未干扰各类型沼泽CO2排放通量的峰值均出现在夏季（落叶松苔草沼泽CO2排放通量的峰值为秋季），火烧干扰后，春秋季二氧化碳排放通量发生改变。未火烧湿地过渡带生长季节CO2排放通量沿过渡带水分环境梯度草丛沼泽相对较高，其他6种沼泽呈先增后降趋势，中部白桦沼泽最高，上部落叶松泥炭藓沼泽最低，呈现出类似于小r型空间分布格局。火烧干扰过渡带上部落叶松泥炭藓沼泽相对较高，其他6种沼泽呈先增后降趋势，中部落叶松苔草沼泽最高，下部草丛沼泽降最低，呈现出类似于反r型的空间分布格局。火烧干扰后，地表温度与土壤5cm温度共同影响过渡带沼泽CO2排放通量，温度是其空间分布格局的主控因子。
　　(3)火干扰改变了沼泽湿地N2O排放季节动态、主控制因子及空间分布格局。
　　①未火烧与火烧样地生长季N2O平均排放通量分布在0.017±0.076～0.087±0.013、-0.003±0.035～0.063±0.007 mg·m-2·h-1，轻度火烧干扰使草丛沼泽、灌丛沼泽、毛赤杨沼泽、白桦沼泽、落叶松苔草沼泽、落叶松泥炭藓沼泽N2O排放通量显著降低26.7％～99.8％(P＜0.05)，使落叶松藓类沼泽由N2O排放源转化为吸收汇;重度火烧干扰使白桦沼泽、落叶松苔草沼泽N2O排放通量显著降低65.7％和67.7％(P＜0.05)。
　　②通常情况下，温度对森林沼泽湿地N2O排放通量的影响高于水位，除未火烧灌丛沼泽N2O排放通量与水位具有显著相关关系外，其余各类型未火烧与火烧样地N2O排放通量与水位均无显著相关关系。未火烧草丛沼泽和白桦沼泽N2O排放通量与温度的相关性高，与落叶松苔草相关性较低，与毛赤杨、落叶松泥炭沼泽无显著相关性。经火烧干扰后，多数类型森林沼泽湿地N2O排放通量与温度的显著相关相关减弱（落叶松泥炭沼泽提高）。
　　③天然森林各类型沼泽湿地N2O强排放都集中在春季，夏秋季通常呈弱排放或弱吸收;火烧干扰后多数沼泽类型N2O排放通量仍集中在春季（白桦和落叶松藓类沼泽分别转化为秋季和夏季），呈春季弱排放，夏秋季弱吸收的季节格局。天然森林沼泽湿地N2O排放通量沿过渡带水分环境梯度呈现出先降低后升高、再降低再升高的波动型空间分布格局（即草丛沼泽、落叶松苔草沼泽、落叶松泥炭藓沼泽N2O排放通量相对较高，灌丛沼泽、毛赤杨沼泽、白桦沼泽居于中等，落叶松藓类沼泽则最低）;火烧干扰后呈现过渡带中下部各沼泽类型相对较高、中上部各沼泽类型相对较低的空间分布格局。即草丛沼泽、灌丛沼泽、毛赤杨沼泽相对较高，而白桦沼泽、落叶松苔草沼泽、落叶松藓类沼泽、落叶松泥炭藓沼泽相对较低。
　　(4)火干扰对沼泽湿地生长季CH4、CO2、N2O排放总量及空间分布格局具有影响。
　　①未火烧、火烧样地生长季CH4排放总量分布在-0.15±0.66～447.53±76.69、3.01±0.42～698.03±135.47 kg.hm-2.yr-1，火干扰使CH4排放量沿湿地过渡带环境梯度的空间分布格局由锐减型变为递减型。
　　②未火烧、火烧样地生长季CO2排放总量分布在8.47±2.66～16.90±0.70、6.64±0.86～15.85±2.09 t.hm2.yr-1，过渡带最下部的草丛沼泽的CO2排放量相对较高，其他沼泽类型沿沼泽至森林方向过渡带水分环境梯度呈现出单峰型分布。火烧干扰后，使CO2排放总量沿湿地过渡带环境梯度的空间分布格局由小r型转化为大N型。
　　③未火烧、火烧样地生长季节N2O排放总量分布在0.31±0.52～2.70±0.21、0.09±0.13～1.95±0.23 kg.hm2.yr-l，火烧干扰使得N2O排放量沿湿地过渡带环境梯度的空间分布格局，由先降低、后升高、再降低的波动型分布转化为两端高中部低近似U型分布。
　　(5)火干扰对沼泽湿地全球变暖潜势值(GWP)及其空间分布格局具有影响。其未火烧、火烧样地生长季GWP值分布在8.75±2.92～26.65±3.25、8.96±3.13～23.28±4.04 t CO2.hm--2.yr-1，并改变了其沿过渡带环境梯度的空间分布格局（由类似于小r型分布转化为类似于W型分布）。重度火烧干扰显著降低了白桦沼泽GWP值（22.9％，P＜0.05），但降低幅度不及轻度火烧干扰(36.6％)，显著提高了落叶松苔草沼泽GWP值(39.0％，P＜0.05)，且提高幅度大于轻度火烧干扰(17.3％)。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 国内外湿地温室气体排放的研究进展

1．2．1 湿地科学的研究概况

1．2．2 湿地温室气体排放机理研究进展

1．2．3 湿地温室气体排放的影响因素

1．2．4 湿地温室气体排放源汇研究

1．2．5 湿地生态系统碳通量的研究进展

1．2．6 火干扰对温室气体排放的影响

1．2．7 我国湿地火干扰方面的研究

1．2．8 问题及趋势

1．3 研究的目的和意义

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究意义

1．4 主要研究内容

2 研究区域概况与研究方法

2．1 研究区域概况

2．2 研究方法

2．2．1 样地设置

2．2．2 气体采集与分析

2．2．3 环境因子测定

2．2．4 数据处理

3 火干扰对森林沼泽湿地甲烷排放时空动态的影响

3．1 火干扰对草丛沼泽甲烷排放动态及主控因子的影响

3．1．1 火干扰对草丛沼泽甲烷排放季节动态影响

3．1．2 火干扰对草丛沼泽甲烷排放主控因子的影响

3．2 火干扰对灌丛沼泽甲烷排放季节动态及主控因子的影响

3．2．1 火干扰对灌丛沼泽甲烷排放季节动态的影响

3．2．2 火干扰对灌丛沼泽甲烷排放主控因子的影响

3．3 火干扰对毛赤杨沼泽甲烷排放季节动态及主控因子的影响

3．3．1 火干扰对毛赤杨沼泽甲烷排放季节动态的影响

3．3．2 火干扰对毛赤杨沼泽甲烷排放主控因子的影响

3．4 火干扰对白桦沼泽甲烷排放季节动态的影响

3．4．1 火干扰对白桦沼泽甲烷排放季节动态的影响

3．4．2 火干扰对白桦沼泽甲烷排放主控因子的影响

3．5 火干扰对落叶松苔草沼泽甲烷排放季节动态及主控因子的影响

3．5．1 火干扰对落叶松苔草沼泽甲烷排放季节动态的影响

3．5．2 火干扰对落叶松苔草沼泽甲烷排放主控因子的影响

3．6 火干扰对落叶松藓类沼泽甲烷排放季节动态及主控因子的影响

3．6．1 火干扰对落叶松藓类沼泽甲烷排放季节动态的影响

3．6．2 火干扰对落叶松藓类沼泽甲烷排放主控因子的影响

3．7 火干扰对落叶松泥炭藓沼泽甲烷排放季节动态及主控因子的影响

3．7．1 火干扰对落叶松泥炭藓沼泽甲烷排放季节动态的影响

3．7．2 火干扰对落叶松泥炭藓沼泽甲烷排放主控因子的影响

3．8 火干扰对湿地过渡带甲烷排放通量空间分布格局的影响

3．8．1 火干扰对湿地过渡带春季甲烷排放通量空间格局的影响

3．8．2 火干扰对湿地过渡带夏季甲烷排放通量空间格局的影响

3．8．3 火干扰对湿地过渡带秋季甲烷排放通量空间格局的影响

3．9 讨论

3．9．1 火干扰对沼泽湿地甲烷排放季节动态的影响

3．9．2 火干扰对沼泽湿地甲烷排放主控因子的影响

3．9．3 火干扰对沼泽湿地过渡带甲烷排放空间分布格局的影响

3．10 本章小结

4 火干扰对森林沼泽湿地二氧化碳排放时空动态的影响

4．1 火干扰对草丛沼泽二氧化碳排放季节动态及主控因子的影响

4．1．1 火干扰对草丛沼泽二氧化碳排放季节动态的影响

4．1．2 火干扰对草丛沼泽二氧化碳排放主控因子的影响

4．2 火干扰对灌丛沼泽二氧化碳排放季节动态及主控因子的影响

4．2．1 火干扰对灌丛沼泽二氧化碳排放季节动态的影响

4．2．2 火干扰对灌丛沼泽二氧化碳排放主控因子的影响

4．3 火干扰对毛赤杨沼泽二氧化碳排放季节动态及主控因子的影响

4．3．1 火干扰对毛赤杨沼泽二氧化碳排放季节动的影响

4．3．2 火干扰对毛赤杨沼泽二氧化碳排放主控因子的影响

4．4 火干扰对白桦沼泽二氧化碳排放季节动态及主控因子的影响

4．4．1 火干扰对白桦沼泽二氧化碳排放季节动态的影响

4．4．2 火干扰对白桦沼泽二氧化碳排放主控因子的影响

4．5 火干扰对落叶松苔草沼泽二氧化碳排放季节动态及主控因子的影响

4．5．1 火干扰对落叶松苔草沼泽二氧化碳排放季节动态的影响

4．5．2 火干扰对落叶松苔草沼泽二氧化碳排放主控因子的影响

4．6 火干扰对落叶松藓类沼泽二氧化碳排放季节动态及主控因子的影响

4．6．1 火干扰对落叶松藓类沼泽二氧化碳排放季节动态的影响

4．6．2 火干扰对落叶松藓类沼泽二氧化碳排放主控因子的影响

4．7 火干扰对落叶松泥炭藓沼泽二氧化碳排放季节动态及主控因子的影响

4．7．1 火干扰对落叶松泥炭藓沼泽二氧化碳排放季节动态的影响

4．7．2 火干扰对落叶松泥炭藓沼泽二氧化碳排放主控因子的影响

4．8 火干扰对湿地过渡带二氧化碳排放通量空间分布格局的影响

4．8．1 火干扰对湿地过渡带春季二氧化碳排放通量空间格局的影响

4．8．2 火干扰对湿地过渡带夏季二氧化碳排放通量空间格局的影响

4．8．3 火干扰对湿地过渡带秋季二氧化碳排放通量空间格局的影响

4．9 讨论

4．9．1 火干扰对沼泽湿地二氧化碳排放季节动态的影响

4．9．2 火干扰对沼泽湿地二氧化碳排放主控因子的影响

6．9．3 火干扰对沼泽湿地过渡带二氧化碳排放空间分布格局的影响

4．10 本章小结

5 火干扰对森林沼泽湿地氧化亚氮排放时空动态的影响

5．1 火干扰对草丛沼泽氧化亚氮排放季节动态及主控因子的影响

5．1．1 火干扰对草丛沼泽氧化亚氮排放季节动态的影响

5．1．2 火干扰对草丛沼泽湿地氧化亚氮排放主控因子的影响

5．2 火干扰对灌丛沼泽湿地氧化亚氮排放季节动态及主控因子的影响

5．2．1 火干扰对灌丛沼泽湿地氧化亚氮排放季节动态的影响

5．2．2 火干扰对灌丛沼泽湿地氧化亚氮排放主控因子的影响

5．3 火干扰对毛赤杨沼泽湿地氧化亚氮排放季节动态及主控因子的影响

5．3．1 火干扰对毛赤杨沼泽湿地氧化亚氮排放季节动态的影响

5．3．2 火干扰对毛赤杨沼泽湿地氧化亚氮排放主控因子的影响

5．4 火干扰对白桦沼泽湿地氧化亚氮排放季节动态的影响

5．4．1 火干扰对白桦沼泽湿地氧化亚氮排放季节动态的影响

5．4．2 火干扰对白桦沼泽湿地氧化亚氮排放主控因子的影响

5．5 火干扰对落叶松苔草沼泽氧化亚氮排放季节动态及主控因子的影响

5．5．1 火干扰对落叶松苔草沼泽氧化亚氮排放季节动态的影响

5．5．2 火干扰对落叶松苔草沼泽湿地氧化亚氮排放主控因子的影响

5．6 火干扰对落叶松藓类沼泽湿地氧化亚氮排放季节动态及主控因子的影响

5．6．1 火干扰对落叶松藓类沼泽湿地氧化亚氮排放季节动态的影响

5．6．2 火干扰对落叶松藓类沼泽湿地氧化亚氮排放主控因子的影响

5．7 火干扰对落叶松泥炭藓沼泽湿地氧化亚氮排放季节动态及主控因子的影响

5．7．1 火干扰对落叶松泥炭藓沼泽湿地氧化亚氮排放季节动态的影响

5．7．2 火干扰对落叶松泥炭藓沼泽湿地氧化亚氮排放主控因子的影响

5．8 火干扰对沼泽湿地氧化亚氮排放通量空间分布格局的影响

5．8．1 火干扰对沼泽湿地春季氧化亚氮排放通量空间格局

5．8．2 火干扰对沼泽湿地夏季氧化亚氮排放通量空间格局的影响

5．8．3 火干扰对沼泽湿地秋季氧化亚氮排放通量空间格局的影响

5．9 讨论

5．9．1 火干扰对湿地氧化亚氮排放季节动态的影响

5．9．2 火干扰对湿地氧化亚氮排放的主控因子的影响

5．9．3 火干扰对湿地氧化亚氮排放通量空间分布格局的影响

5．10 本章小结

6 火干扰对森林沼泽温室气体排量及全球变暖潜势的影响

6．1 火干扰对森林沼泽温室气体排量的影响

6．1．1 火干扰对森林沼泽生长季甲烷排量的影响

6．1．2 火干扰对森林沼泽二氧化碳排量的影响

6．1．3 火干扰对森林沼泽氧化亚氮排量的影响

6．2 火干扰对森林沼泽全球变暖潜势的影响

6．3 讨论

6．3．1 火干扰对沼泽湿地CH4排放量及其空间分布格局的影响

6．3．2 火干扰对沼泽湿地CO2排放量及其空间分布格局的影响

6．3．3 火干扰对沼泽湿地N2O排放量及其空间分布格局的影响

6．3．4 火干扰对沼泽湿地GWP值及其空间分布格局的影响

6．4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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