同位素--濕地土壤CO2和CH4排放及其碳同位素特征

CO2和CH4排放增加是全球變暖的主要原因（IPCC，2013），人類活動(dòng)導(dǎo)致大約44%和60%的CO2和CH4排放到大氣中。人類活動(dòng)如攔河筑壩干擾濕地的結(jié)構(gòu)和功能，引發(fā)大量土壤CO2和CH4排放。然而，目前對濕地水庫CO2和CH4排放及其碳同位素特征的影響機(jī)制知之甚少。
 

 

基于此，為了填補(bǔ)研究空白，在本研究中，來自云南大學(xué)和中科院武漢植物園的研究團(tuán)隊(duì)在三峽消落區(qū)原位條件下調(diào)查了4個(gè)海拔梯度（即不同淹水狀態(tài)）（>175 m，160–175 m，145–160 m和＜147 m）飽和和排干狀態(tài)下CO2和CH4排放模式及其碳同位素特征，以及相關(guān)的控制因子。他們作出了如下假設(shè)：1）由于淹水下優(yōu)勢植物種的轉(zhuǎn)變，土壤條件（例如土壤基質(zhì)質(zhì)量，土壤水分和溫度）的變化將會改變CO2排放以及CO2的δ13C值；2）CH4排放模式及其同位素特征對淹水更敏感，反映了土壤厭氧環(huán)境的增加；3）不同淹水狀態(tài)下（例如飽和和排干狀態(tài)下）將會導(dǎo)致酶表達(dá)和微生物屬性的改變，進(jìn)而極大影響CO2和CH4排放。
 

圖1 重慶忠縣研究區(qū)位置（a）；三峽消落區(qū)采樣地衛(wèi)星圖像及沿海拔梯度詳細(xì)的靜態(tài)通量室放置圖（b）。

作者于2017年6-8月測量了土壤/水大氣界面CO2和CH4的交換率。利用ABB LGR CO2同位素分析儀分析CO2的濃度及δ13C，并利用ABB LGR甲烷碳同位素分析儀分析CH4的濃度及δ13C。

【結(jié)果】

高海拔地區(qū)CO2排放明顯較高，飽和狀態(tài)和排干狀態(tài)之間差異顯著。相比之下，在整個(gè)觀測期，高海拔地區(qū)（41.97 μg CH4 m-2 h-1）平均CH4排放量高于低海拔地區(qū)（22.73 μg CH4 m-2 h-1）。從飽和狀態(tài)到排干狀態(tài)，低海拔CH4排放降低了90%，在高海拔增加了153%。與低海拔和高地相比，高海拔CH4的δ13C更富集，飽和狀態(tài)比排干狀態(tài)更貧化。作者發(fā)現(xiàn)土壤CO2和CH4排放與土壤基質(zhì)質(zhì)量（例如，C:N）和酶活性密切相關(guān)，而CO2和CH4的δ13C值分別主要與根呼吸和產(chǎn)甲烷細(xì)菌活性有關(guān)。具體而言，飽和和排干狀態(tài)對土壤CO2和CH4排放的影響強(qiáng)于水庫海拔的影響，從而為評估人類活動(dòng)對碳中和的影響提供了重要依據(jù)。

不同海拔下土壤CO2排放的周平均值以及整個(gè)非淹水期土壤CO2排放量。

不同海拔下CH4排放的周平均值以及整個(gè)非淹水期土壤CH4排放量。

非淹水期不同海拔土壤呼吸CO2的δ13C（a）和CH4的δ13C（b）。

土壤飽和和排干狀態(tài)下不同海拔CO2（a）和CH4平均排放量（b）。
 

土壤飽和和排干狀態(tài)下不同海拔土壤呼吸CO2的δ13C（a）和CH4的δ13C（b）平均值。
 

【結(jié)論】

三峽水庫消落區(qū)土壤CO2和CH4排放及其碳同位素特征的變化受周期性淹水的強(qiáng)烈影響，可以確定其CO2和CH4的源/匯強(qiáng)度。與高地相比，消落區(qū)土壤環(huán)境適宜，酶活性較高，土壤基質(zhì)質(zhì)量較低，因此CO2排放量較高。土壤呼吸CO2的δ13C值進(jìn)一步證實(shí)了，基質(zhì)質(zhì)量和酶活性變化是CO2排放的主要貢獻(xiàn)者。隨著高地CH4吸收，消落區(qū)CH4累積排放量從低海拔到高海拔地區(qū)增加�；�于CH4的δ13C值，作者得到的初步結(jié)論是飽和狀態(tài)下較高的CH4排放以較強(qiáng)的厭氧環(huán)境中乙酸鹽裂解過程為特征。因此，結(jié)果強(qiáng)調(diào)了攔河筑壩引發(fā)了周期性淹水，導(dǎo)致土壤質(zhì)量、酶表達(dá)和微生物利用C的策略，以及甲烷氧化過程的轉(zhuǎn)變，潛在的改變了CO2和CH4排放及其碳同位素特征。
 

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