南极苔原温室气体通量时空变化规律与产生机理研究

论文摘要

目前,全球变暖导致南极冰川融化退缩,南极沿海无冰区苔原面积日益扩大;同时,南极海岸也是重要的海洋动物聚居地,每年夏季大量海洋动物排泄物为苔原土壤提供了丰富的养分,从而为土壤中CO2、CH4、N2O等温室气体的产生与排放创造了有利条件。在中国第15次南极科学考察期间,孙立广教授首次开拓了西南极法尔兹半岛苔原N2O、CH4通量的观测,之后美国、韩国、意大利和巴西等国的学者也在南极苔原区开展了相关观测研究。但前期的研究在区域上比较单一,难以准确获得南极苔原温室气体通量的时空变化规律及其影响因素;另一方面,已有的研究多侧重于宏观温室气体排放通量的观测,而在南极苔原土壤温室气体产生的微观机理层次上的研究严重欠缺。鉴于以上两点考虑,本文以西南极法尔兹半岛和东南极米洛半岛地区为研究区域,采用静态箱法对南极苔原不同生态区（包括:普通苔原、海洋动物聚居地以及湖泊湿地等）温室气体通量进行了较为系统的现场观测,结合大量模拟实验研究了南极苔原土壤温室气体产生与排放的过程;并首次应用稳定同位素手段来研究南极苔原土壤源温室气体的产生机理,获得大量科学数据,在微观与宏观层次上拓展和深化了南极苔原温室气体的研究领域。主要研究内容及研究结果如下:（1）西南极法尔兹半岛苔原不同生态区温室气体通量时空变化规律对西南极法尔兹半岛苔原不同生态区温室气体排放通量进行了对比观测研究,发现海洋动物聚居地是南极大气N2O的强排放点源,是全球N2O的新来源,同时也是南极大气CH4的重要排放源;而普通苔原土壤是弱的N2O和CH4排放源。相关分析表明:土壤中海洋动物粪来源的TOC、TN含量和土壤水位控制着南极苔原N2O和CH4排放通量的空间变化,冻融过程影响N2O和CH4通量的季节变化。另外,对阿德雷岛和生物湾的苔原植被区进行了连续两年夏季的现场观测,发现靠近企鹅、海豹聚居地的苔原植被区是大气CO2较强的吸收汇和N2O的排放源。（2）东南极米洛半岛湿地湖泊系统温室气体通量时空变化规律对东南极米洛半岛苔原湿地和富藻湖泊近岸水体的温室气体通量进行了观测,结果表明:苔原湿地是较强的N2O排放源和弱的CH4排放源。苔原湿地N2O通量随地下水位的增长而降低,水位是控制N2O通量空间变化的主要因素;CH4通量则受到水位和地温的共同影响。此外,观测结果表明米洛半岛富藻湖泊是南极夏季强烈的CO2吸收汇和重要的N2O、CH4排放源,且温室气体通量受到多种因素的影响:湖泊近岸水体N2O通量和气温、NO3--N浓度显著正相关,与水位呈负相关关系;CO2通量和日辐射量（DTR）、水温呈负相关关系;CH4通量受到湖泊温度、水位和总溶解性固体（TDS）含量的综合影响。（3）南极苔原土壤温室气体产生与排放过程实验模拟研究恒温条件下,企鹅粪、鸟成土和海豹粪土在有氧条件下的CO2、CH4排放通量高于厌氧培育,通量与TOC含量显著相关;企鹅粪在有氧条件下的N2O通量较高,但粪土样品则是在厌氧条件下排放出更多的N2O,表明反硝化是粪土N2O的主要产生过程。同时,冻融交替过程能促进土壤温室气体的迸发排放,其中企鹅粪是强的CH4和CO2排放源而粪土是强的N2O排放源。此外,土壤水分变化对温室气体通量影响显著:CH4排放通量在77%Mc含水率时达到最大;N2O通量在29%49%Mc范围内随土壤水分含量的增加而增加;CO2排放通量与土壤水分含量呈对数相关关系。不同培育条件的室内模拟实验结果表明:在南极夏季,海洋动物新鲜粪、鸟成土和海豹粪土有较强的温室气体排放潜力。（4）南极地区和海洋大气温室气体稳定同位素时空变化特征在野外获得了海洋动物聚居地土壤N2O同位素自然丰度,与当地背景大气相比,海洋动物聚居地排放的N2O显著富集轻同位素。野外同位素数据与室内厌氧培育条件下得到粪土N2O同位素值相近,表明反硝化是粪土N2O的主要产生过程。对近地面大气的研究发现,南极近地面大气N2O浓度低于全球大气N2O平均值,但其同位素值偏高,且N2O的δ15N和δ18O与气温、大气N2O浓度负相关,表明南极大气N2O可能受到了平流层低浓度、富15N与18O的N2O向对流层反向注入的影响。同时,南极近地面大气CH4浓度略高于全球大气CH4平均浓度,且δ13C值较大气背景值略高,可能受到了南极地区富13C的人为源的影响。此外,采集了上海至南极航线上（30°N69°S）的洋面大气样品,发现洋面大气N2O浓度由北向南逐渐降低,N2O的15N与18O的空间变化规律不一致,可能受到局部洋区复杂因素的影响。而航线上北半球海洋边界层大气的CH4浓度明显高于南半球,δ13C平均值也高于大气背景值,表明海洋边界层大气CH4受到富13C的人为源的影响。

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第一章绪论

1.1 研究概况

2）研究概况'>1.1.1 全球二氧化碳（C0₂）研究概况

4）研究概况'>1.1.2 全球甲烷（CH₄）研究概况

20）研究概况'>1.1.3 全球氧化亚氧（N₂0）研究概况

1.2 极区温室气体研究进展

1.2.1 北极温室气体研究概况

1.2.2 南极温室气体研究概况

1.3 土壤温室气体的研究方法

1.3.1 土壤温室气体的野外观测方法

1.3.2 土壤温室气体的同位素分析方法

第二章研究意义和研究内容

2.1 研究意义

2.2 研究目标

2.3 研究内容

第三章研究区域和研究方法

3.1 研究区域

3.1.1 西南极法尔兹半岛研究区域概况

3.1.2 东南极米洛半岛研究区域概况

3.2 野外温室气体通量观测

3.2.1 西南极地区苔原温室气体通量观测与采样点设计

3.2.2 东南极苔原湿地温室气体通量观测与采样点设计

3.2.3 东南极湖泊系统温室气体通量观测与采样点设计

3.3 南极苔原土壤温室气体产生与排放模拟实验研究设计

3.3.1 恒温4℃下土壤温室气体产生状况模拟实验设计

3.3.2 冻融交替过程中土壤温室气体产生状况模拟实验设计

3.3.3 水分状况对土壤温室气体产生的影响模拟实验设计

3.4 样品分析与检测

3.4.1 温室气体浓度测定

3.4.2 温室气体稳定同位素测试

3.4.3 土壤理化性质分析

3.4.4 数据处理与通量计算

3.5 技术路线

第四章西南极法尔兹半岛地区苔原温室气体通量时空变化特征

20 通量时空变化特征'>4.1 法尔兹半岛苔原不同生态区N₂0 通量时空变化特征

4 通量时空变化特征'>4.2 法尔兹半岛苔原不同生态区CH₄通量时空变化特征

4.3 阿德雷岛苔原断面温室气体通量时空变化特征

4.4 生物湾苔原断面温室气体通量时空变化特征

第五章东南极米洛半岛湖泊湿地温室气体通量时空变化特征

20 通量时空变化特征'>5.1 米洛半岛苔原湿地N₂0 通量时空变化特征

4 通量时空变化特征'>5.2 米洛半岛苔原湿地CH₄通量时空变化特征

20 通量时空变化特征'>5.3 米洛半岛湖泊N₂0 通量时空变化特征

2 和CH4 通量时空变化特征'>5.4 米洛半岛湖泊C0₂ 和CH4 通量时空变化特征

第六章南极苔原土壤温室气体产生与排放实验模拟研究

6.1 恒温4℃下土壤温室气体产生状况

6.2 冻融交替过程对土壤温室气体产生与排放的影响

6.3 不同水分对冻融过程中苔原土壤温室气体产生与排放的影响

第七章南极苔原和海洋大气温室气体稳定同位素时空变化特征

20 稳定同位素特征'>7.1 西南极苔原土壤源N₂0 稳定同位素特征

20 同位素特征'>7.2 东南极米洛半岛近地面大气N₂0 同位素特征

4 浓度及其δ13C 时空变化特征'>7.3 东南极米洛半岛近地面大气CH₄ 浓度及其δ13C 时空变化特征

20 浓度及同位素空间分布特征'>7.4 上海—南极海洋边界层大气N₂0 浓度及同位素空间分布特征

4 浓度及其δ13C 空间分布特征'>7.5 上海—南极海洋边界层大气CH₄ 浓度及其δ13C 空间分布特征

结论

参考文献

致谢

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