研究区位于福建省福州长乐市闽江河口鳝鱼滩湿地，地处闽江入海口(图 1)，地理坐标为119°34′12″~119°41′40″E，26°00′36″~26°03′42″N，面积约3 129 hm². 该湿地位于南亚热带与中亚热带的过渡地带，雨量充沛，多年平均降水量为1 346 mm； 受海陆热力性质差异、 沿海地势特点及台湾海峡的影响，夏季盛行偏南风，冬季则盛行偏北风. 湿地终年受潮汐影响，属正规半日潮. 土壤中含盐量较高，pH值偏酸性. 其临江濒海，水草茂盛，生物多样性较高，区内短叶茳芏(Cyperus malaccensis)、 芦苇(Phragmites australis)、 互花米草(Spartina alterniflora)等维管束植被有较大面积分布^[17].

图 1

Fig. 1

图 1 研究区采样点位置示意 Fig. 1 Location of the sampling site

采样点设置在鳝鱼滩五门闸附近的观鸟台，四周主要以覆盖良好的盐沼植被为主，植被冠层高度1.2~2.8 m，采样高度距地面10 m左右. 在线观测仪器采用意大利LSI公司生产的LSI-LASTEM E-Log全自动数据采集器，数据的测定和校准、 数据记录和存储均由数据采集器完成. 主要监测指标有CO₂浓度(μmol ·mol^-1)、 大气湿度(%)、 大气温度(℃)、 风速(m ·s^-1)、 光合有效辐射(W ·m^-2)、 总辐射(W ·m^-2)、 潮汐水位(m)等，其中CO₂为GMM222系列探头，标定后测量范围在0~3 000 μmol ·mol^-1之间，其浓度精度在3%观测值范围，CO₂平均值浓度的不确定度用标准误差表示.

该观测系统每0.5 h测量一组数据，并自动记录最大值(Max)、 最小值(Min)和平均值(Ave). 将采集的观测数据整理后剔除测量过程中的异常值(仪器故障、人为活动因素、 自然因素等)，对24 h的浓度时均值求取算术平均值得到日浓度均值，同理计算月、 季、 年均值，其中以12、 1、 2月代表冬季； 3、 4、 5月代表春季； 6、 7、 8月代表夏季； 9、 10、 11月代表秋季. 采用的数据时段为2011年12月1日~2012年11月30日. 该仪器于2010年7月安装校准后，于2011、 2013年8月进行原厂校准. 对比各年夏、 冬半年的数据，发现2012夏半年漂移较大，因此根据2010年CO₂浓度和温度的相关关系和线性方程，结合2012年的温度数据，修正插补2012年6~10月的CO₂浓度值^[18]. 考虑同一季节内不同月份之间仍然存在CO₂浓度及气象因子日变化的实际差异，本研究以气温最高、 湿地植物生长旺盛的7月和气温最低、 植物生长休眠季节的1月的日变化数据为例，分析影响CO₂浓度日变化的相关气象因子，对CO₂浓度年变化相关因子则采用每月平均数据进行分析.

采用方差分析(ANOVA)中单因素LSD法检验不同季节、 不同月份CO₂浓度的差异. 用显著性水平P推断处理间的差异程度，P<0.01和P<0.05表示在不同区组间具有极显著和显著差异. 统计分析和图像绘制使用SPSS 13.0及Excel 2003软件.

闽江河口湿地不同月份近地面大气CO₂浓度的日变化规律比较一致，均呈“单峰型”变化(图 2). CO₂浓度在傍晚开始缓慢升高，一般在日出前后达到最大值，之后开始迅速下降，在午后达到最低值，日落后又开始升高. 各个季节每日达到极值的时段略有区别，其中秋冬季节CO₂浓度的最大值出现在06:00~07:00，春夏季节，随着日出时间的提前，最大值的时间也相应提前出现在04:00~06:00； 秋冬季节最小值的时间出现在12:30~14:00，春夏季节则推迟出现在13:30~16:00. 近地面大气CO₂浓度的日变幅在16.96~38.30 μmol ·mol^-1之间，不同月份的日变幅差异较大，其中日变幅最小在1月，最大在4月.

图 2

Fig. 2

图 2 12个月近地面大气CO2浓度的日变化 Fig. 2 Diurnal variations of the mean CO2 concentration in twelve months

闽江河口湿地近地面大气CO₂浓度也呈典型的“单峰型”变化(图 3). 大气CO₂浓度在1月最高，平均值为(398.46±4.26) μmol ·mol^-1； 8月最低，平均值为(319.63±7.43) μmol ·mol^-1. CO₂浓度的季节变化特征为：冬季最高，之后迅速下降，在夏季达到最低值，秋季开始又逐步升高. 在观测时段内，春、 夏、 秋、 冬这4个季节CO₂平均浓度分别为(353.74±18.35)、 (327.28±8.58)、 (354.78±14.76)和(392.82±9.71) μmol ·mol^-1. 同日变幅相比，CO₂浓度的季节变幅较大，夏秋季节的变化比冬春季节也更剧烈，冬夏季的CO₂浓度差异可达65.54 μmol ·mol^-1. 方差分析进一步表明，各个月CO₂浓度的平均值均存在显著差异，1、 2月的CO₂浓度显著较高，7、 8月显著较低(P<0.05).

CO₂浓度受到多种气象条件影响，1月近地面大气CO₂浓度的日变化与湿度、 温度、 风速、 光合有效辐射、 总辐射都有负相关关系，并达到显著性检验水平(P<0.05)，其中与温度、 风速、 光合有效辐射、 总辐射的相关性较强，相关系数分别达到-0.947、 -0.706、 -0.679和-0.659(表 1)； 另外，CO₂浓度的日变化与潮汐水位也呈负相关关系(P<0.01). 7月CO₂浓度的日变化与气象因子关系更为密切，其中与湿度、 温度、 风速、 光合有效辐射、 总辐射都有极显著负相关关系(P<0.01)，相关系数分别达到-0.899、 -0.992、 -0.894、 -0.811和-0.805，相关程度较高(表 2). 与1月不同的是，7月CO₂浓度的日变化与潮汐水位呈正相关关系(P<0.05)，但是相关系数不高. 对月均大气CO₂浓度及主要大气环境因子进行相关关系分析，表明月均CO₂浓度与湿度、 温度、 光合有效辐射、 风速、 总辐射呈负相关关系(表 3)，并且与温度、 光合有效辐射、 风速的相关系数较高(P<0.01).

表 1(Table 1)

表 1 1月大气CO2浓度日变化及主要环境因子相关关系 Table 1 Correlation between main environmental factors and the diurnal CO2 concentration in January 项目 湿度 温度 风速 光合有效辐射 总辐射 潮汐水位 相关系数(R) -0.285 -0.947 -0.760 -0.679 -0.659 -0.417 样本数(n) 48 48 48 48 48 48 显著性水平(P) <0.05 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01

表 1 1月大气CO2浓度日变化及主要环境因子相关关系 Table 1 Correlation between main environmental factors and the diurnal CO2 concentration in January

表 2(Table 2)

表 2 7月大气CO2浓度日变化及主要环境因子相关关系 Table 2 Correlation between main environmental factors and the diurnal CO2 concentration in July 项目 湿度 温度 风速 光合有效辐射 总辐射 潮汐水位 相关系数(R) -0.899 -0.992 -0.894 -0.811 -0.805 0.282 样本数(n) 48 48 48 48 48 48 显著性水平(P) <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.05

表 2 7月大气CO2浓度日变化及主要环境因子相关关系 Table 2 Correlation between main environmental factors and the diurnal CO2 concentration in July

表 3(Table 3)

表 3 月均大气CO2浓度及主要大气环境因子相关关系 Table 3 Correlation between main environmental factors and the monthly CO2 concentration 项目 湿度 温度 风速 光合有效辐射 总辐射 潮汐水位 相关系数(R) -0.043 -0.963 -0.656 -0.901 -0.516 0.219 样本数(n) 12 12 12 12 12 12 显著性水平(P) >0.05 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01

表 3 月均大气CO2浓度及主要大气环境因子相关关系 Table 3 Correlation between main environmental factors and the monthly CO2 concentration

闽江河口湿地近地面大气CO₂浓度的日变化呈典型的“单峰型”规律，表现为“昼低夜高”的趋势，这与温带森林^[18]、 高寒湿地^[15]、 典型草原^[10]、 长江三角洲^[19]等生态系统的比较一致，但是与内陆沙漠生态系统表现为CO₂浓度的高值段出现在光照强烈、 温度较高的白天有明显差异^[12]，同太湖流域CO₂浓度日变化剧烈，呈“双峰态”的变化也有很大不同^[20]. 其主要原因是闽江河口湿地水草丰盛、 盐沼植被覆盖较好，白天植被的光合作用较强，大量吸收空气中的CO₂. 虽然大量的研究认为，亚热带植物光合作用在中午存在“午休”现象^{[21, 22]}，但这种现象并没有使午后CO₂浓度升高，实际观测结果也表明CO₂浓度的日最小值一般都出现在午后，原因是午后强烈的太阳辐射使下垫面受热，易产生不稳定层结的对流、 湍流天气，大气容易扩散使中午边界层最高，CO₂混合相对均匀，导致CO₂浓度降低. 夜间由于观测点离城镇中心较远，受工农业生产和交通运输活动产生CO₂的影响较小，大气CO₂浓度主要受控于土壤、 植被呼吸作用而导致浓度逐渐升高. 夜间大气条件稳定，不利于空气扩散，较低的边界层高度也促进近地面排放的CO₂浓度的积累.

闽江河口湿地近地面大气CO₂浓度在夏季最低，主要是因为夏季是植物生长季节，闽江河口生长茂盛的芦苇和互花米草等大型盐沼植物，光合作用强烈，植物吸收大量CO₂，降低大气CO₂浓度. 这也表明海陆交界的湿地生态系统近地面大气CO₂浓度仍主要受植被生长和光合作用影响. 大气层结稳定性对CO₂浓度变化也有很大影响，研究表明，本区夏季受台风和热带辐合带天气系统影响^[23]； 同时该地区1年中7~8月出现逆温的几率最低，仅为30%左右，因此热湍流效应明显，大气水平输送和垂直交换能力强^[24]，导致CO₂扩散较快，浓度进一步降低. CO₂浓度在冬季最高，是由于植物枯萎，光合作用减弱，减少了大气CO₂的吸收，此时土壤释放的CO₂明显大于植物吸收. 此季节气压高，湿度和温度相对较低，大气层结较为稳定，CO₂的扩散微弱，也是导致CO₂浓度高的原因之一.

本研究还观测到生长季节的最高CO₂浓度值出现时间较非生长季节提前，而生长季节最低CO₂浓度值较非生长季节推后，主要是由于夏季白昼变长、 日出提前和最高温度延迟造成.

闽江河口湿地近地面大气CO₂浓度变化于307.10~407.67 μmol ·mol^-1之间，年平均浓度为(357.16±26.89) μmol ·mol^-1，低于慕士塔格地区(高原山地)^[25]、 北京(森林公园)^[26]、 太湖(湖泊)^[20]、 锡林浩特(草原)^[10]、 帽儿山(温带森林)^[18]、 天津近海(海洋)^[27]、 厦门(城市近郊)^[28]等生态系统的平均值，高于高寒湿地^[15]的平均值. 湿地生态系统排放CO₂较少是因为植被光合作用吸收大量CO₂，另外过湿的环境导致土壤缺氧，不利于微生物的好氧活动； 湿地积水环境也阻止了土壤、 微生物的呼吸作用产生的CO₂排向大气，导致CO₂的释放速率较缓慢； 湿地由于强烈的水分物理运动过程导致微弱的CO₂吸收^[15]，这都可能降低大气CO₂浓度. 相对于生态系统呼吸释放的CO₂，湿地植物通过光合作用能够积累更多的泥炭土壤，表明河口湿地是全球生态系统中CO₂重要的汇，因此河口湿地在生态系统碳循环中起着关键性作用，保护湿地对维持全球环境的稳定性也有重要意义.

通过对影响CO₂浓度主要气象因素的相关分析可知，无论是1月和7月，温度、 风速、 光合有效辐射、 总辐射都是影响CO₂浓度日变化的重要因素，同时温度、 风速、 光合有效辐射还是影响月均大气CO₂浓度的主要因素. 这表明受人类活动影响较小的自然湿地生态系统，温度、 光合有效辐射可以很好地指示绿色植物的生长、 碳代谢活动，以及在生长季和非生长季、 昼和夜的光合作用强度，因此与CO₂浓度呈显著负相关. 大气湿度在7月与大气CO₂浓度日变化有显著负相关关系，但是在1月则相关系数很小，这是由于闽江河口湿地气候类型为亚热带季风湿润气候，7月水热充足，雨热同期，降水增加导致植物生长更为旺盛，光合作用强烈，明显降低CO₂浓度； 1月由于植物枯萎，对水分的需求减少，大气湿度对光合作用不敏感，进而对CO₂的浓度影响下降. 1月和7月风速也显著影响大气CO₂浓度的日变化，风速越大，大气扩散条件较好，利于CO₂浓度的下降. 闽江河口湿地大部分时间以低于8 m ·s^-1的和风、 微风为主，这种风速条件对CO₂浓度变化的影响更加明显^[19]； 此外，闽江河处于亚热带湿润季风区，夏季受海洋性气团影响的东南风为主，并常受台风、 湍流等天气系统影响，风速较大，进一步加剧了夏季的CO₂浓度下降.

潮汐是河口湿地特有的水文过程，其特殊的涨落周期不仅仅影响水位、 盐度等水文特征，还直接影响河口湿地的土壤呼吸和碳循环^[29]. 以往研究表明无论是生长季还是非生长季，小潮从生态系统释放到大气的CO₂均高于大潮期，高水位抑制生态系统呼吸和阻碍CO₂的传输^[30]； 闽江河口湿地也测定出涨落潮过程(潮水水淹过程)CO₂排放通量均显著小于涨潮前和落潮后地表落出阶段CO₂排放通量^[31]. 本研究表明，1月冬季大气CO₂浓度与水位有负相关关系，但是7月夏季大气CO₂浓度与水位却是弱的正相关关系，潮汐仅能解释34.5%的大气CO₂浓度变化规律，说明潮汐影响大气CO₂浓度的因素比较复杂，还受其他条件的制约. 另外，虽然CO₂排放通量并不代表大气CO₂浓度，但可以肯定的是潮汐主要是通过影响土壤、 植物和微生物的好氧呼吸，以及影响CO₂的生成、 传输和释放而导致大气CO₂浓度的产生变化. 不过鉴于潮汐的复杂性，大气CO₂浓度与潮汐的关系有待于进一步研究.