CO2摩爾分數倍增對桐花樹濕地碳、氮質量濃度影響的模擬

劉 珺,周培國

(1.江蘇聯合職業技術學院南京分院，江蘇 南京 210037；2.南京林業大學 生物與環境學院，江蘇 南京 210000)

紅樹林在凈化海水、綠化環境以及維持大氣碳氧平衡有著其他森林類型所不及的生態和經濟效益[1-5]。目前，關于大氣CO2摩爾分數升高對其濕地生態系統造成影響的研究，主要在物種演化、植物生理變化以及根系分泌物等方面[5-9]?，F有研究表明，CO2摩爾分數提升能夠對紅樹林生態系統造成顯著影響，有助于其生物量的增加，不過持續高CO2摩爾分數也會導致植物功能和生理結構受到不良影響。此外，這種影響也造成土壤C(碳)、N(氮)循環的變化，不利于C的固定，從而會影響到整個生態系統[10-14]。研究紅樹林典型植物桐花樹(Aegiceras corniculatum)濕地系統在CO2摩爾分數倍增狀態下碳、氮質量濃度的變化，將為紅樹植株中碳和氮儲量分析以及提升紅樹林濕地固碳功能提供重要的數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取一年生桐花樹(Aegiceras corniculatum)為研究對象，從中選取株種較高的樹種并控制各重量及基徑大致相等，培養在試驗培養池中10 d后取出待用。試驗使用的底泥取海南東寨港桐花樹的樹種下約30 cm的底泥，10個采樣點通過棋盤式法布點選取，取后均勻混合統一放入緩沖池里，濾水之后充分攪拌，盡量均勻混合營養鹽，靜置后備用。

1.2 試驗設計

本試驗采用開頂箱法[15]進行(圖1)，采用控制變量法分別控制1號2號開頂箱中CO2摩爾分數為700和350 μmol·mol-1(以下分別用高、低摩爾分數CO2表示)。采用TES1370紅外線CO2測定儀對CO2進行測定。1和4、2和3、5和8、6和7號水槽之間分別通過抽水泵連接，以此來進行潮汐的模擬(圖2)。漲潮時間通過定時器控制，槽內人工海水的深度和鹽度分別為0.42 m和10%。本試驗模擬半日潮，循環水淹半日潮每兩個小時循環1次，第1次水淹時間從10點到14點，第2次水淹時間從22點到次日兩點，每天24 h內實現兩次漲潮和退潮模擬。

圖1 開頂箱裝置圖Fig.1 The OTC experiment installing

圖2 試驗組編號Fig.2 The test group numbers

1.3 樣品采集與分析方法

TC(水+土壤)=C濃度×1 000+C分數×200，C濃度表示表示濕地水，C分數表示濕地土壤；TN(水+土壤)=N濃度×1 000+N分數×200，N濃度表示表示濕地水，N分數表示濕地土壤。以上等式是把該系統當做封閉的系統，V水=1 000 L，V泥=1 200 kg×1/6(只取地下5 cm)。

2 結果與分析

2.1 CO2摩爾分數升高對無植物對照培養池水中TC、TN質量濃度的影響

通過測定5號和6號培養箱內無植物對照池水里的TN和TC質量濃度，可以發現在120 d內，無論是高CO2摩爾分數還是低CO2摩爾分數培養，水里的TC和TN質量濃度都未出現明顯變化(圖3)。由此可見，CO2摩爾分數倍增很難通過物理溶解實現C、N質量濃度的增加，因此，在本研究中，主要分析系統中水和底泥C、N質量質量濃度的變化。

2.2 CO2摩爾分數升高對桐花樹(Aegiceras corniculatum)濕地模擬系統內碳質量濃度的影響

在120 d內，隨著CO2摩爾分數倍增，桐花樹濕地系統里TC、TOC以及IC質量濃度出現了較為明顯的變化(圖4)，其水中TC質量濃度提升約6.6%，TOC質量濃度也提升了13.8%，桐花樹濕地系統水中的IC質量濃度降低2.1%差異顯著(表1)。由此可知，CO2摩爾分數倍增可以有效提升TOC在水里的溶解速度，IC質量濃度降低。不過，TOC在溶解于水中的C占比較大，所以桐花樹濕地系統里的TC質量濃度仍有一定的提升。

圖3 CO2摩爾分數倍增對空白對照培養池水中的TC和TN的影響Fig.3 The effect of doubled CO2 concentration on TC and TN in water of the control pool

表1 CO2摩爾分數升高對紅樹植物-桐花樹濕地系統水中C的影響Tab.1 The effect of doubled CO2 concentration on carbon of Aegiceras corniculatum wetland system

圖4 CO2摩爾分數倍增對桐花樹濕地水中C質量濃度的影響Fig.4 The effect of doubled CO2 concentration on C in water of Aegiceras corniculatum wetland system

圖5 CO2摩爾分數倍增對桐花樹濕地土壤中C質量濃度的影響Fig.5 The effect of doubled CO2 concentration on C in soil of Aegiceras corniculatum wetland system

在120 d內，兩種CO2摩爾分數處理下土壤里TC和TOC質量濃度都有一定的下降趨勢(圖5)。除了在45 d時，整個試驗過程里高CO2摩爾分數處理下的TC質量濃度都比低CO2摩爾分數處理下要高約2.8%。此外，TOC質量濃度受影響情況與TC相似，高CO2摩爾分數處理下其質量分數比低CO2摩爾分數處理下高約3.9%，差異顯著，這意味著土壤中TOC對高CO2摩爾分數有著更好的響應。而IC在兩種CO2摩爾分數處理下均呈現為先降低后提升，桐花樹濕地中土壤的IC質量濃度在高CO2摩爾分數處理下平均低1.24%，差異顯著(表1)。100 d后，高CO2摩爾分數處理下IC質量濃度比低CO2摩爾分數處理下的高，這意味著土壤里IC質量濃度對CO2摩爾分數的響應較為遲緩。根據上述結果，可以發現桐花樹濕地系統在CO2摩爾分數倍增的情況下，其土壤中TC與TOC質量濃度提升，而IC質量濃度的響應則相反。

2.3 CO2摩爾分數升高對桐花樹濕地模擬系統內氮質量濃度的影響

表2 CO2摩爾分數升高對紅樹植物-桐花樹濕地系統中N的影響Tab.2 The effect of doubled CO2 concentration on N of Aegiceras corniculatum wetland system

圖6 CO2摩爾分數倍增對桐花樹濕地水中和的影響Fig.6 The effect of doubled CO2 concentration on in water of Aegiceras corniculatum wetland system

隨著CO2摩爾分數倍增，桐花樹濕地系統中水的TN質量分數在高CO2摩爾分數處理下比低狀態下高出約11.71%(表2)；在120 d內，該系統中水里的TN濃度都有較為明顯的提升，在高CO2摩爾分數處理下，其濃度由最初的0.82 mg/L提高到了2.5 mg/L左右，而在低CO2摩爾分數處理下其濃度提高到了2.22 mg/L左右(圖7)。

圖7 CO2摩爾分數倍增對桐花樹濕地模擬系統水中、土壤中TN的影響Fig.7 The effect of doubled CO2 concentration on TN in water and soil of Aegiceras corniculatum wetland system

2.4 CO2摩爾分數升高對桐花樹濕地模擬系統碳、氮收支的影響

在120 d內，隨著CO2摩爾分數倍增，桐花樹的TC質量增加了2.9%，TN的質量下降了10.9%，差異顯著(表3)。隨著CO2摩爾分數倍增，桐花樹模擬生態系統的TC質量有著較為明顯的提升(圖7)。本研究數據表明，隨著CO2摩爾分數倍增，碳元素的及時補充也使濕地中的微生物活性進一步增強，植物中的生物量也隨著CO2摩爾分數的提高而有所增加，這有助于增加桐花樹濕地系統土壤中的TOC。因此，濕地微生物有分解有機氮的能力，使土壤中氮素礦化的速度進一步提升，在降低土壤TN含量的同時使大量的無機N釋放于水中。提高水中TN濃度，TN質量總體呈下降趨勢。

表3 CO2摩爾分數升高對紅樹植物-桐花樹濕地系統中TC、TN質量的影響Tab.3 The effect of doubled CO2 concentration on TC and TN of Aegiceras corniculatum wetland system

3 結論

在短期試驗中桐花樹濕地系統中土壤及水體中C濃度受CO2摩爾分數倍增影響較小，但系統中TC質量濃度卻隨CO2摩爾分數倍增而明顯上升，且土壤中C積累過程明顯，整個系統由此而被作為C累積的“庫”?？梢缘贸?，CO2摩爾分數倍增，該濕地系統中N質量濃度也隨之提升，與此同時，系統中水體的硝化作用也有一定程度的增強；桐花樹濕地系統里總氮質量分數逐漸下降，這意味著氮素難以在系統中累積，這便是氮素釋放的“源”。

在本文的研究中，并沒有特別清楚地將系統中碳、氮循環的組分轉變展示出來，碳、氮組分轉變規律及其代謝途徑可以通過同位素示蹤的方式進行研究。氣候受碳氮耦合影響而產生的變化需要進一步的試驗研究。