科研成果
作者：三亚站 更新时间：2007-05-18
试验站运转以来，围绕其学科目标，承担国家科技攻关、国家自然科学基金、院重大、院重点和基础研究特别支持、UNDP／GEF项目等18项，并取得多项重要成果。在湿地水文过程及环境效应、湿地营养物质循环、泥炭地碳循环、古地理环境演变与湿地形成演化、湿地农田水分循环、土地利用方式变化对区域环境的影响等方面取得许多重要研究成果，并积累了大量的数据和资料。
试验站已培养硕士研究生16名，博士研究生6名，4人次曾赴英国、美国、澳大利亚等国进修和高访，大大提高了试验站监测与研究人员的素质与水平。
科学贡献
1）沼泽湿地系统界面水通量与水平衡研究
通对长期定位观测，揭示了沼泽湿地植物群落蒸散发量及界面通量变化规律，建立了沼泽蒸发模型及沼泽性河流降雨径流模型。明确了维持沼泽湿地生态系统平衡的水分消耗特征，发现沼泽湿地蒸发量是水面蒸发量的1~2倍，稻田蒸发量比沼泽湿地高10%~28%，得出沼泽湿地生长季总蒸散发量为420~430mm，为沼泽湿地生态保育的水调节提供了科学依据。
2）三江平原沼泽湿地演变过程与生物多样性变化研究
研究认为近50年来三江平原景观结构发生了重大改变,流域湿地纵向景观梯度特征趋于单一化,横向景观梯度特征基本丧失,景观隔离度由80年代的49％上升到目前的98％；景观多样性指数降低，物种丰富度减少。
指出湿地景观破碎化是50余种高等植物濒危的主要原因，沼泽湿地植物群落已发生逆向演替，由毛果苔草群落为主（密度29%~58%），向小叶章草甸群落为主（密度45%~65%）演变,研究成果为三江平原湿地保护与管理提供了依据。
明确了积水水位是影响沼泽湿地植物物种密度与多样性指数变化的关键因素，沼泽湿地水位条件是影响植物优势群落变化的关键因子；物种密度随积水深度增大而降低；较浅积水条件下（0~20cm）生物多样性指数增加，积水深度增大则生物多样性指数明显降低。外源氮、磷输入对沼泽湿地植物生产力及物种多样性产生显著影响，一定氮输入条件下，植物生物量明显增加，植物的碳积累量增加，但过多的氮输入则不利于碳的生物累积，且不同湿地植物对氮输入的生理响应存在一定的差异。
外源磷输入后物种密度呈减少趋势，植物多样性指数降低，而氮输入后表现为一定的氮素输入植物多样性指数有所增加，但浓度过度植物多样性指数又减小的规律。
3）人类活动影响下沼泽湿环境变化及生态效应研究
通过对三江平原地区50年来下垫面变化产生的环境影响研究，揭示了三江平原沼泽湿地经历4次大规模开垦后（由534.5万hm2减少到104.1万hm2，耕地由78.6万hm2增加到508万hm2），下垫面性质发生巨大变化前提下的气候变化规律与幅度，潜热通量和感热通量的变化规律及其与辐射平衡的关系。
明确提出三江平原沼泽湿地大面积被垦为农田后，感热通量由原来占辐射平衡的20％增加到65％，局地气温平均升高1.2～2.3℃，降水量平均减少2.0 mm／a以上，使区域水热平衡规律发生明显改变。
通过研究三江平原主要河流-挠力河流域上、中、下游沼泽率与最大洪峰流量时间序列关系，发现沼泽率高的下游区最大洪峰流量时间序列比上游低50％，证明了沼泽湿地具有显著的水文调节功能和均化洪水的重要作用。上世纪70年代以前，挠力河流域沼泽湿地基本为自然状态，旱、涝灾害发生频率分别为23.8%和33.3%，当流域内96%的低湿草甸被垦殖为农田、45％的沼泽湿地转化为低湿草甸后，旱、涝灾害发生频率分别增至33.3% 和47.9%，灾频率增加10％～15％。明确了沼泽湿地具有较强的水质净化功能，研究表明，三江平原毛果苔草和乌拉苔草沼泽对农田水中的氮、磷净化率分别为39.5％和42.0％；芦苇沼泽对氮、磷的净化率分别达59.7％和66.6％。沼泽土壤对水中的总氮、硝态氮和铵态氮的截留效率均达到90％以上。但沼泽湿地对外源氮、磷的净化能力有一定的阈值，沼泽湿地对其净化能力是有限的，只具有一定限度的净化作用，是湿地生态系统管理中参照的关键参数。
4）沼泽湿地碳、氮生物地球化学过程研究
明确了三江平原沼泽湿地碳的生物累积特征与分配模式，即沼泽湿地生物碳累积率与植物生长率有关，植物碳的分配模式为初期累积于地上部分，随植物的生长逐渐向地下部分积累，地下部分碳累积量大于地上部分，根际土壤活性有机碳的含量峰值与植物成熟期一致，与根层土壤有机碳的季节性变化规律相同。
研究认为三江平原沼泽湿地土壤有机碳季节性动态与土壤纤维素酶、淀粉酶、ß-葡萄糖苷酶酶活性密切相关，较高生产力、过饱和水分条件、较低年均土壤温度、有机质低分解速率和较长的分解周期是导致沼泽湿地土壤碳的累积主要原因。沼泽湿地枯落物分解速率的主要影响因素为近地面气温、近地表空气湿度，分解速率随时间呈指数递减趋势，但不同类型湿地枯落物的分解速率存在差异。土壤有机物碳矿化的主要控制因素为根层土壤温度及土壤水分条件，60%田间持水条件下有机物的分解速率最高，不同土壤层有机物的分解速率不同，表层土壤（0~10cm）有机物分解速率最大。估算出三江平原泥炭平均沉积速率约0.028cm.yr-1～0.043cm.yr-1。
人类活动造成的外源氮输入对三江平原沼泽湿地生态系统碳过程有重要影响。氮输入会导致沼泽湿地有机质分解速率发生变化，表现为过多的外源氮输入对常年积水沼泽湿地有机物质的分解有抑制作用，而非淹水条件下，氮的输入后有机物质的分解速率明显大于淹水条件。
5）沼泽湿地垦殖与退耕还湿过程中土壤质量变化研究
研究发现沼泽湿地垦殖后，生长季根层土壤平均温度高于天然沼泽湿地3℃~4℃，冻土层融通时间提前55~62天，土壤温度的升高和土壤水分条件的变化对土壤有机碳及氮矿化产生较大影响。湿地开垦导致土壤有机碳、氮含量下降。垦殖初期（5~7 年）农田表层土壤有机碳损失较快，15~20 年后趋于平缓，相对稳定在25g/kg 左右。开垦后5 年土壤有机碳含量减少60%左右，年均减少12%；开垦后5~15 年减少15%，年均减少1.5%；15~35 年减少5%，年均减少0.25%，主要表现为重组有机碳组分所占比例增大，土壤游离态轻组有机碳及水溶性有机碳含量明显降低。在垦殖初期DOC/TOC比值有降低趋势。然而，随着垦殖时间的增长，DOC/TOC比值缓慢的增大，长期垦殖导致水溶性有机碳在土壤有机碳中的分配比例增加，这样更容易造成土壤有机碳的损失。在湿地开垦初期的1~3 a，土壤微生物量碳含量迅速下降，下降率高于总有机碳，3a 之后下降率开始低于总有机碳。沼泽湿地垦殖后，土壤微生物商、基础呼吸迅速降低，qCO2值明显增加。从目前的分析结果来看，湿地开垦后无论是种植水稻还是旱地作物并不影响土壤有机碳的相对变化量。
沼泽湿地垦殖后，土壤物理性质发生较大变化，表现为表层土壤水稳性大团聚体数量迅速减少。在垦殖初期的5~7a，下降速度最为迅速。垦殖3年后，表层土壤水稳性大团聚体数量由垦殖前的55%下降到25%，垦殖5年后减少到15%；15~20a之后，稳定在4~6%。然而，垦殖后，53～250μm粒级的水稳性微团聚体数量却迅速增加，在垦殖初期的5~7a增长最快。垦殖3年后，表层土壤水稳性微团聚体数量由垦殖前的26%增加到47%，垦殖5年后增加到55%；15~20 a之后，稳定在55~60%。土壤容重由垦殖前的0.48 g/cm3增加到0.81 g/cm3，垦殖5年后增加到1.04g/cm3；之后，土壤容重稳定在1~1.2g/cm3。表层土壤孔隙度的变化正好相反，垦殖初期的5~7a，表层土壤(0~10cm) 孔隙度迅速下降，垦殖3年后，下降了近14%，垦殖5年后，下降了近27%；15~20a后表土田间持水量变化平缓，趋于一个相对的稳定值，开垦35年后下降了近28%。表层土壤（0~10 cm）田间持水量的变化与土壤容重相似，垦殖初期迅速下降，垦殖3年后，下降了近16%，垦殖5年后，下降了近32%；15~20 a后表土田间持水量变化平缓，趋于一个相对的稳定值。
垦殖湿地农田退耕后，表层土壤有机碳有明显的增长趋势，表层土壤有机碳含量要恢复到未开垦小叶章湿地水平，大约需要17年左右时间。垦殖农田退耕3-9年间，土壤微生物量碳的增长速度显著高于总有机碳，能有效地指示该阶段土壤有机碳的动态。但是，水溶性有机碳增长速度始终低于土壤总有机碳。
6）沼泽湿地与湿地农田生态系统地-气间碳、水交换研究
明确了沼泽湿地为大气CO2的汇，CH4的源，季节性冻融作用对沼泽湿地碳收支的关键影响因素（影响沼泽湿地水文条件、水通量及土壤活性碳组分等变化），冻融作用过程及所造成的湿地水文条件变化共同影响着沼泽湿地碳过程。不同类型沼泽湿地CH4排放具有明显的时、空分异特征，三江平原沼泽湿地CH4排放通量是若尔盖高原沼泽湿地排放通量的4.7~5.4倍，土壤呼吸通量是其的近2.5倍。研究发现春季融雪积水对年度CH4排放量起决定作用，冻融期CH4排放在全年CH4排放量中占有重要份额（15%~23%），冻融期温室气体排放量明显增加，但冬季冰雪覆盖期沼泽湿地表现为N2O的吸收。水位波动、表层土壤温度、植物生长状况及Eh条件是决定沼泽湿地含碳气体排放通量季节性变化的主要环境因子，降水条件变化是决定含碳气体排放通量年际变化的主要因素，且与土壤水溶性有机碳和氮素含量密切相关。
沼泽湿地、稻田和大豆田碳通量具有基本一致的季节变化模态，但强度有明显差异。湿地开垦种植水稻使得碳固定强度增加，但种植大豆导致强度减弱。从整个植物生长季来看，湿地的碳汇效应主要出现在6 月上旬至9 月上旬、稻田在6 月上旬至9 月中旬、大豆田在7 月上旬至8 月下旬，其余时段表现为净的碳排放。 沼泽湿地CH4 排放明显高于开垦后的水稻田，这种差异在植物生长旺季（7~8 月份）尤为明显。7~8 月份稻田平均CH4 排放通量为7.8 mg.m2.h-1，沼泽湿地则高达22.9 mg.m2.h-1，是稻田的近3倍。
外源氮输入后植物-土壤系统CO2排放量增大，硝化和反硝化作用增强，另外，外源氮输入导致含碳气体排放量增大，而土壤活性有机碳如溶解有机碳含量明显降低，同时，过高的外源氮输入也引起沼泽湿地生态系统CO2净交换量降低，但氮输入没有改变沼泽湿地碳“汇”的功能，只是减弱了其作为碳“汇”的功能。外源氮输入也导致沼泽湿地全球增温潜势（GWP）明显提高，在长、短时间尺度上都将增强CH4和N2O的温室效应。
研究发现沼泽湿地水汽通量对碳收支有重要的影响，表现为水汽通量较小时(水汽通量＜100 W.m-2，水汽通量的增加对沼泽湿地净碳吸收量的增加影响显著，而且这种影响程度随着植物发育阶段的不同而存在一定的差异。水汽通量较大时(水汽通量＞100 W.m-2)，尽管水汽通量有较大幅度的增加，但是净碳吸收量的增加幅度却明显减小，而且水汽通量越大这种趋势越明显。