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炎热时刻导致农业泥炭地的N2O和CH4排放量极高

更新时间:2024-03-12      点击次数:489

        一、       研究背景

泥炭地是在长期淹水厌氧环境下有机质分解受抑制而导致泥炭层逐渐积累而发育形成的一类湿地生态系统,是地球上最具价值的生态系统类型之一,其在生物多样性保护、水净化和水循环调控、固碳和减缓气候变化等方面发挥着至关重要的作用。然而,过去百年来全球泥炭地受到了人为排水活动和气候变干的广泛影响,据统计,全球大1113%的泥炭地受到了人为排水活动的干扰。泥炭地排水后主要用于农作物种植、家畜放牧、牧草生产、林业经营或泥炭开采。排水活动引起泥炭地水位剧烈下降,导致厌氧环境下上万年才积累生成的泥炭土直接暴露在大气中而被快速氧化分解,释放出大量的温室气体如二氧化碳CO2)和氧化亚氮N2O),造成全球变暖,还引发泥炭地的大规模塌陷显著改变地表形态破坏土壤结构,为其生态恢复带来极大的难度。据估计,农业泥炭地排放的温室气体约占全球农田排放量的三分之一,但人们对这些排放的时间动态和控制知之甚少,尤其是氧化亚氮

已排水的泥炭地仅占农业用地1%但据估计,它们排放的二氧化(CO2)(CO2e)占全球耕地排放量32%随着泥炭地土壤被排干并暴露在大气中,相对于其他生态系统,高有氧分解率导致了大量的二氧化碳呼吸率泥炭的高分解率以及CH4N2O等其他重要温室气体的排放可能导致这些农业生态系统的大量温室气体净排放氮肥和洪水灌溉在泥炭地农业中很常见可能为高反硝化率N2O生产创造最佳条件。排水泥炭地已被证明是重要的N2O来源IPCC平均估计值排水的农业泥炭地8kg N2O-N ha1y1。然而,很少有研究对多年来的氮排放进行连续测量,而且长期的农业泥炭地温室气体预算中往往没有氮通量,部分原因是由于在野外条件下进行连续、长期的N2O通量测量所面临的技术挑战

在农业泥炭地使用传统的手动静态室大多数氮通量测量是间歇性进行的,采样频率通常从每天一次到每月一次然而CH4N2O往往是温室气体排放的热点使用不频繁的人工采样方法难以表征土壤(O2)、温度、湿度和硝酸盐浓度的动态变化可能会影响土N2O通量的热时刻,因此这些事件的空间和时间动态如果没有高频测量就很难预测。手动采样方法很难捕捉到土壤甲烷通量的高峰时刻。尽管排水农业泥炭地的甲烷通量被认为很小,但灌溉等实践措施可以在一定时期内创造理想的厌氧条件,促进甲烷的产生。与恢复湿地中土壤温度、水位波动和植物活动CH4交换的影响相比,灌溉农业土壤CH4通量的时空控制较少被了解。因此,需要使用连续的测量方法来捕捉土壤甲烷通量的高峰时刻,并确定其在年度温室气体预算中的作用。

近几年发展起来的光腔衰荡光谱技术和自动化室测量方法极大地提高了进行连续温室气体通量测量的能力。连续测量可以增加捕捉净温室气体通量高峰时刻的机会,并确定它们在年度温室气体预算中的作用。结合连续土壤传感器数据,可以利用时空密集的测量来探索土壤甲烷和氧化亚氮排放的潜在驱动因素。

二、       研究方法和数据分析

2.1研究方法

该研究在加利福尼亚州的萨克拉门托-圣华金三角洲地区进行,该地区的气候属于地中海气候,夏季炎热干燥,冬季凉爽潮湿。研究的田地连续种植10多年的传统玉米作物,生长季节通过灌溉沟进行定期灌溉,冬季通过洪水灌溉使土壤表面上30厘米,以限制杂草生长并为候鸟提供栖息地。施肥量为118 KgN ha1 y1(农民数据)。该地区的历史平均年温度15.1±6.3,年平均降雨量326±4 mm。研究地点也是一AmeriFlux站点,2017年中期以来一直进行CO2CH4和水蒸气的连续涡度相关测量。

20176302020630日,使用自动系统连续测量了表层土壤N2OCH4CO2通量。该系统由多路进样系统九个不透明自动气体通量室eosAC Eosense组成。多路系统发出信号使自动气体通量室将气体传送至腔衰荡光谱仪Picarro G2508进行测量仪器按照顺序连续测量每个通量室,测试时间10min,吹扫时1.5min自动气体通量室布置在10×10米的网格中,每个通量室5米。为避免洪水事件对样地的影响,在通量室外部署35cm高的项圈。除了田间管理活动(犁地、播种和收)(通常持1),整个田间活动期间,通量室都保持在原来的位置

为了确定通量室的体积,大约每周测量一次圈口高度,并随着时间的推移插入数值,以解释土壤和地下水位高度的差异。使用Eosenseeosanalysis-acv.3.7.7软件进行通量计算和拟合,然后RRStudio, v.1.1.4633, OConnell et al., 2018)中进行数据质量评估和控制。计算过程中删除异常数据,这种数据过滤去掉2.4%的通量测量周期,最终生成的数据集分别包712627033770554CO2N2OCH4的通量测量值。为了计算土壤温室气体通量对站点级全球变暖潜力(GWP)的影响,研究使用了同一站点的净生态系统交换NEE)涡度协方差值

研究人员通过统计学数据分析量CO2CH4N2O热时刻,计算观测到N2OCH4均值排放所需的最小样本量

2018920207月,10厘米30厘米50厘米的深度安装了两套土壤传感器--热敏电阻温度传感器和湿度传感器2套传感器连接CR1000数据记录仪,每15分钟存储数据。农业事件、作物收获期间、断电期间未采集温湿度数据。在传感器测量期(n=665),共58天的农业活动数据丢失或断电。

在农业沼泽地进行了每周的土壤气体采样。研究者10厘米30厘米50厘米深度上与土壤传感器同时采集CO2CH4N2O的两个重复样本。为了采集气体样本,研究者安装了不锈钢管道,并在管道上安装了多个采样孔。采样孔每个月更换一次。他们使30毫升的注射器采集两个气体样本,丢弃第一个样本以清除采样管道中的死体积。采样线201956月从田间移除,进行耕作、种植和翻耕。这些气体样本存储在过20毫升玻璃瓶中,直到Shimadzu GC-34上进行手动样品注射分析。这些采样数据用于研究土壤剖面中温室气体的产生分布情况。

2.2数据分析

使用一元方差分析ANOVA)来比较不同时间段土壤气体浓度、氧气、湿度、矿物质氮pH值之间的差异。还使用线性回归分析探索土壤大气温室气体浓度与净土壤温室气体通量之间的关系。利用小波相干分析Wavelet coherence analysis)和假设性放大计算帮助我们理解温室气体通量与土壤变量之间的关系,揭示其在不同时间尺度上的变化。估计农业玉米沼泽地排放对该地区的潜在影响。

三、       结果

3.1CO2,N2OCH4排放

农业泥炭地的年土壤温室气体排放量CO2的平均排放量9.20±0.04/平方/N2O的平均排放量4.08±0.10/平方/CH4的平均排放量681±157/平方/年。这些排放量分别代表了单位面积和单位产量的年均温室气体排放量N2O的年排放量最高可41.5±1.8千克///年,三年的平均排放量26.0±0.5千克///年,占总温室气体排放量26%CH4的排放量变化较大,从年净消耗-111.0±5.0/平方/年到净排放2220.1±519.7/平方/年不等。这相当于每年最大排放量6.1±1.4千克//公顷,占该生态系统年总温室气体排放量2%。土壤呼吸的变化较小,年值6.61±0.07CO2/平方/10.72±0.09CO2/平方/年之间。

img1 

 

 

 

 1  N2OCH4年平均值

 

 

热点时刻被定义为单个通量测量值与年均值相差超4个标准差的测量值。热点时刻的氧化亚氮通量仅占年度测量值0.64%1.50%,但将平均通量率提高38.5%76.3%。对于甲烷,热点时刻的通量仅占年度测量值0.06%0.8%,但在23年,将年均通量提高132.1%486.4%。在1年,甲烷消耗的热点时刻将净甲烷汇增249.2%。这些热点时刻驱动的甲烷通量变化主要是由于大多数甲烷通量测量值接近或等于零。二氧化碳排放的热点时刻对平均二氧化碳通量的影响显著较低,仅占所有通量的0.5%(年度范围0.3%0.6%)。这将整体平均通量提高5%,年均二氧化碳通量提高2.6%9.2%

3.2  N2O通量CO2通量CH4通量驱动因素

冬季洪水使土壤中的N2O排放呈指数增长,在生长季节进行的灌溉和施肥也显著增加N2O排放。冬季洪水开始后不久,每日平N2O通量增加了两个数量级,同时土壤湿度上升,土O2浓度相应降低。持续的淹没导致土壤NO3浓度下,随N2O通量下降。在非洪水期间,研究者发现,每日平N2O通量与各深度的土N2O浓度显著相关,可能对土-大气界面的净通量有贡献。通过小波相干分析表明,所有深度的土壤湿度、土壤温度和土O2浓度的时间模式与每日时间尺度上的N2O通量模式显着相关。在大100天的季节时间尺度上,N2O通量与不同深度的土O2浓度以及在大300天的年度尺度上的土壤湿度具有显著的一致性。

土壤湿度、土壤温度和土壤氧气浓度驱动了日尺度上净甲烷通量的变化模式。只有土壤不同深度的氧气浓度与甲烷通量在周尺度上具有显著的相干性,而在更长的时间尺度上没有显著的相干性。CO2通量的高度季节性变化可以解释观察到的高年内变异性。土壤呼吸速率在生长季节和收获后79月)较高,而在土壤饱和时123月)通量显著较低。在日尺度上,湿度、温度和氧气浓度与土CO2通量具有显著的相干性。在周尺度和季节尺度上,温度和O2浓度与土CO2通量具有显著的一致性。

img2 

 

 

 

 

 

 


 

 2日平均温室气体通(±SE); (a) CO2通量 (g CO2 m-2d-1)  (b) CH4通量 (mg CH4, m-2 d-1) (c) N2O通量 (mg N2O m-2 d-1),黑圈是每日平均通量测量值((mean n = 81 fluxes per day

 

 



img3 

 

 

 

 

 




3测量期间的日平(±SE) (a) N2O通量(b)土壤NO3-浓度(c)日平均土壤水分(d)日平均土O2浓度。

 



        将
自动化系统通量室测量与通过涡协方差在该现场并行进行的生态系统呼(Reco)测量进行了比较。在整个研究期间,土CO2(9.20±0.04kg CO2m2y1)Reco协方差测量(9.70±0.01kgCO2m2y1)类似,CH4室通(1.2±0.01gCH4m2y1)低于涡流协方CH4(2.2±0.01gCH4m2y1)同样采样频率N2OCH4通量估算的影响较大,减少测量采样间隔会导致显著的低估或高N2OCH4总通量。

四、       讨论

本研究中的农业泥炭地土壤N2O*端排放源,平均排放率比其他非泥炭农N2O排放量4-27令人惊讶的是,冬季洪水,而不是施肥,是氧化亚氮排放的主要驱动因素。冬季洪水过后不久N2O排放量达到峰值。种植期间氮肥的施用也导N2O排放量的短期增加,但这不是年N2O排放量的主要来源。研究结果表明日平均N2O通量与土壤大气氮含量之间存在较强的相关性

长时间的厌氧条件加上土壤温度高10°C似乎会驱动这些系统CH4通量的热时刻。洪水期NH4+浓度短期升高可能会限制产甲烷作用或暂时改变产甲烷途径,并可能导致观察到的相当大的变异性。预计土壤二氧化碳通量的模式与每周和季节尺度的温度和氧气浓度有关。土壤温度O2可用性是有氧土壤呼吸的重要控制因素,特别是在排水农业泥炭地等生态系统中,其中基质可用性不太可能限制异养生物,而自养生物的养分可用性很高。

大型连续数据集使我们能够探N2OCH4排放热点时刻在生态系统温室气体总预算中的重要性。虽然热点时刻分别仅占年N2OCH4通量测量值0.63%1.50%0.06%0.76%,但它们贡献N2O总排放量76%CH4总排放量486%。这相当于N2O热时刻排放就占这些农业泥炭地GWP18%。这凸显出错过热点时刻可能会导致生态系统总温室气体预算的严重低估。

研究结果进一步强调了连续测量的必要性,以准确估计生态系N2OCH4总通量。即使每周采样一次,也可能会低估N2O通量高20%,占GWP的很大一部分,即使来自这些高排放农业泥炭地也是如此。虽然连续自动室或涡流协方差测量是捕获排放热点时刻的理想选择,但在许多地点和生态系统中,长期连续测量的成本仍然过高。如果热点时刻是可预测且明确定义的,则每日通量测量可能可以有效地适当量N2O排放的热点时刻。然而,如果热点时刻的时间安排和控制未知或零星,那么不太频繁的采样可能会大大低N2O排放量。

本研究是迄今为止最大、最长的农业泥炭地土壤通量数据集之一。我们的研究结果提供了证据,证明这些系统是农业温室气体排放的重要贡献者。连续数据集使我们能够探索土壤水分、土壤O2和土N有效性等土地管理变化对土CH4N2O排放的影响。我们发现灌溉时间和持续时间是控制这些农业泥炭地土壤N2OCH4排放的主要因素,而不是施肥 

设备推荐

Picarro G2508 高精度气体浓度分析仪通过同时测量五种气体N2OCH4CO2NH3H2O),从根本上简化了土壤通量研究,且描绘了温室气体土壤排放的全貌。土壤与大气之间的温室气体交换是全球碳循环和氮循环的关键一步G2508易于集成土壤检测腔室,无需组装或同步不同的气体分析仪,就可以实现所有主要温室气体的行为观测。G2508采用精密光腔衰荡光谱CRDS)技术,以达十亿分之一ppb)的灵敏度测量气体浓度,其漂移可忽略不计。而且Picarro的算法可以N2OCH4CO2的浓度自动进行水汽影响校正。

 

 

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