淹水高度增加对短叶茳芏潮汐湿地净生态系统CO₂交换量的影响 植物生态学报    2025, 49 (4): 526-539.   DOI: 10.17521/cjpe.2024.0253

图6 3种淹水处理下闽江河口短叶茳芏沼泽湿地月尺度生态系统呼吸(ER)、总初级生产力(GPP)和净生态系统CO₂交换量(NEE)的差异(平均值±标准差)。不同大写字母表示不同淹水处理间差异显著(p < 0.05为显著, p < 0.01为高度显著, p < 0.001为极显著)。CK, 对照。

正文中引用本图/表的段落

3种不同淹水高度处理下月平均ER、GPP和NEE的比较结果如图6所示。随着淹水高度增加, 月尺度ER逐渐增强(图6A)。较于CK处理, 在CK + 20 cm、CK + 40 cm处理下月尺度ER分别增加20.2%和58%, 月尺度GPP分别降低27%和32% (图6B)。同样, 淹水高度增加对月尺度NEE也有显著影响(图6C), 在CK和CK + 20 cm处理下月尺度NEE分别为(-44.98 ± 59.73)和(-8.56 ± 45.61) g C·m-2·month-1, 而在CK + 40 cm处理下, 月尺度NEE转变为正值: (15.47 ± 40.16) g C·m-2·month-1。

与假设(1)不一致, 研究结果表明淹水高度增加20和40 cm会增加ER (图6)。以往的研究结果表明淹水高度增加可通过增加厌氧条件抑制土壤呼吸, 或减少CO₂在沉积物-水界面的扩散, 使得生态系统呼吸减弱(Neubauer, 2013; Han et al., 2015)。造成本研究结果与以往研究结果不一致的原因, 可能是以往研究未考虑沼泽植物根际过程对ER的影响。本研究发现ER与土壤ORP和DOC浓度呈显著正相关关系(图5), 说明淹水条件下短叶茳芏可通过增加土壤ORP来增强ER。潮汐湿地的土壤长期处于水分饱和的状态, 空气很难进入深层土壤。因此, 深层土壤的ORP与沼泽植物的根系泌氧有密切关系(Wolf et al., 2007)。根系泌氧是沼泽植物为了适应淹水胁迫, 将光合作用释放的一部分O₂传输到根部的一种生理现象(Armstrong et al., 2000)。淹水高度增加后, 植物为保证根部正常呼吸从而促进根系泌氧增加, 加速根际胞外酶活性和土壤铁异化还原, 促进土壤有机碳矿化, 而增强ER (Khan et al., 2016; Hu et al., 2023)。其次, 淹水条件下短叶茳芏可通过增加土壤DOC浓度来增强ER。一方面, 淹水高度增加可促进土壤有机质的淋溶过程, 使得部分土壤中复杂的有机质被水解成为DOC (Luo et al., 2018)。另一方面, 淹水高度增加后, 短叶茳芏趋向于将光合固定的碳由地上转移至地下, 从而促进短叶茳芏向根际分泌有机碳, 促进土壤DOC累积。DOC是土壤有机碳的活性组分, 可被土壤中的微生物直接利用, 可以促进ER的增加(Setia et al., 2011; 韩广轩等, 2017)。综上, 当淹水高度增加后, 短叶茳芏为了更好地适应水淹胁迫, 可通过调节根际过程来增强ER, 增加短叶茳芏沼泽湿地生态系统碳排放。

与假设(2)一致, 淹水高度增加会降低滨海湿地GPP (图6)。在森林、草地和内陆湿地等生态系统的研究表明GPP与植物的光照条件、光合器官的功能性状和光合碳的分配相关(Jia et al., 2021; 廖靓等, 2023)。因此, GPP增加的原因可能和光照条件的改变有关。在本研究中, 和对照相比, CK + 20 cm和CK + 40 cm处理的浸没时间大约增加2.3和4.6 h。由于涨潮过程中, 潮水携带的泥沙浑浊度很高, 当短叶茳芏根茎和叶片部分或完全被淹没时光照条件受限, 有效光合辐射降低, 从而显著降低净光合速率(表1)。因此, 淹水高度增加将减少有效光合辐射, 降低短叶茳芏净光合速率(Schedlbauer et al., 2010; Jimenez et al., 2012)。其次, 随着淹水高度增加, 短叶茳芏的光合功能性状被破坏, 表现在g_s和C_i下降(表1)。该结果表明: 淹水高度增加会破坏短叶茳芏光合器官的功能性状(王军强等, 2022; 王文伟等, 2023), 从而干扰光合作用产物的运输(Li et al., 2018; Xia et al., 2018), 降低短叶茳芏沼泽湿地生态系统GPP。第三, 淹水胁迫改变短叶茳芏光合碳在地上器官和地下器官的分配。研究结果表明随着淹水高度增加短叶茳芏的地下生物量增加37%, 而地上生物量下降32% (表1), 说明淹水高度增加后, 短叶茳芏将光合作用产物从地上部分转移至地下部分。这可能是由于淹水高度增加后, 短叶茳芏根系为了更好地适应淹水胁迫带来的厌氧条件和毒性物质积累, 从而加强植物根系的生物量(Maurel & Nacry, 2020)。然而, 植物的地上部分在光合过程中起着关键作用(Schile et al., 2011; Marín-mu?iz et al., 2015)。因此, 短叶茳芏地上部分减少, 导致参与光合作用的植物有效光合面积减少, 从而使短叶茳芏光能利用效率下降。综上, 淹水高度增加后, 光照条件受限, 光合器官的功能性状受损及参与光合作用的植物有效面积减少, 植物光合固碳能力减弱, 降低了短叶茳芏沼泽湿地GPP和生态系统碳吸收能力。

本文的其它图/表

• 图1 闽江河口鳝鱼滩潮汐湿地碳通量研究位置图和沼泽管实验平台。A, 闽江河口位置图。B, 闽江河口鳝鱼滩潮汐湿地研究区(红色方框)位置图。C, “沼泽管”模拟实验示意图。CK, 对照。
  
• 图2 闽江河口短叶茳芏沼泽湿地日平均气温和光合有效辐射(PAR)日均值和日最大值的月动态变化。
  
• 表1 不同淹水处理对闽江河口短叶茳芏沼泽湿地植物性状特征的影响(平均值±标准差)
  
• 表2 不同淹水处理对闽江河口短叶茳芏沼泽湿地土壤理化指标的影响(平均值±标准差)
  
• 图3 3种淹水处理下闽江河口短叶茳芏沼泽湿地土壤溶解性有机碳(DOC)浓度和氧化还原电位(ORP)的月动态变化(平均值±标准差)。p < 0.05为显著差异, p < 0.01为高度显著差异, p < 0.001为极显著差异。CK, 对照。
  
• 图4 3种淹水处理下闽江河口短叶茳芏沼泽湿地瞬时生态系统呼吸(ER)、总初级生产力(GPP)和净生态系统CO₂交换量(NEE)的月变化(平均值±标准差)。p < 0.05为显著差异, p < 0.01为高度显著差异, p < 0.001为极显著差异。CK, 对照。
  
• 图5 3种淹水处理下闽江河口短叶茳芏潮汐湿地生态系统呼吸(ER)与土壤理化特征的相关性。p < 0.05为显著相关, p < 0.01为高度显著相关, p < 0.001为极显著相关。CK, 对照。
  
• 图7 全球不同类型湿地净生态系统CO₂交换量(NEE)、生态系统呼吸(ER)和总初级生产力(GPP)情况。
  
• 图8 闽江河口短叶茳芏沼泽湿地生态系统碳收支过程对淹水高度增加的响应。AGB, 地上生物量; BGB, 地下生物量; C_i, 胞间CO₂浓度; DOC, 溶解性有机碳浓度; ER, 生态系统呼吸; GPP, 总初级生产力; g_s, 气孔导度; NEE, 净生态系统CO₂交换量; ORP, 氧化还原电位; P_n, 净光合速率。