陳清清包韜朱仁斌 徐華

研究論文

北極高緯度苔原CO2凈通量的空間變異規(guī)律及影響因素

陳清清1,2包韜3朱仁斌2徐華4

(1宜春學(xué)院生命科學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院, 江西 宜春 336000;2中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院極地環(huán)境與全球變化安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 合肥 230026;3中國(guó)科學(xué)院東亞區(qū)域氣候-環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所, 北京 100029;4中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210091)

北極夏季無(wú)冰區(qū)苔原CO2的釋放對(duì)全球碳循環(huán)起著重要的作用。在第4次北極科學(xué)考察(2008年7月26日—8月5日)期間, 采用密閉箱法在北極新奧爾松(Ny-?lesund)黃河站區(qū)附近的鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原(Tundra in Seabird Sanctuary, TSB)、普通海灘苔原(Tundra in Non-seabird Colony, TNS)和兩者間的過(guò)渡苔原(Tundra in Transition Zone, TTR)監(jiān)測(cè)CO2凈通量(Net CO2Fluxes, NEE)空間變異規(guī)律及其影響因素。結(jié)果表明: 鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原TSB的平均 NEE為(–39.0±6.0)mg·m–2·h–1, 為CO2吸收匯, 且對(duì)CO2的吸收隨著植被覆蓋度和海鳥(niǎo)活動(dòng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而顯著增強(qiáng); 普通海灘苔原TNS和過(guò)渡苔原TTR的平均NEE分別為 (12.0± 6.3)mg·m–2·h–1和(40.5±29.3)mg·m–2·h–1, 均為CO2凈排放源。普通海灘苔原TNS的CO2排放強(qiáng)度隨土壤水分的減少和地勢(shì)增高而增強(qiáng); 過(guò)渡苔原TTR中高地苔原區(qū)的平均NEE為(106.4±23.1)mg·m–2·h–1, 為CO2強(qiáng)排放源; 而泥炭苔原區(qū)的平均NEE為(–58.3±9.5)mg·m–2·h–1, 為CO2強(qiáng)吸收匯。苔原土壤的理化性質(zhì)對(duì)苔原NEE有重要影響, 鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原TSB和普通海灘苔原TNS的NEE與土壤含水率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(= –0.44,=0.003)。鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原TSB的NEE與土壤溫度弱正相關(guān)(=0.32,=0.06), 與NH4+-N(<0.05)和NO3–-N(<0.05)含量均顯著負(fù)相關(guān)。在全球變暖的驅(qū)使下, 不同地形地貌和海鳥(niǎo)活動(dòng)特征的北極苔原區(qū)域CO2排放的復(fù)雜性將顯著增強(qiáng), 對(duì)全球碳循環(huán)產(chǎn)生較大的影響, 本研究也將為此提供科研資料。

CO2凈通量北極新奧爾松高緯度苔原

0 引言

北極和亞北極生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)碳主要儲(chǔ)存在上層凍土中, 且儲(chǔ)量巨大, 約占全球土壤有機(jī)碳的50%[1-3]。氣候變暖導(dǎo)致凍土融化, 表層土壤微生物活動(dòng)增強(qiáng), 北極和亞北極苔原生態(tài)系統(tǒng)具有強(qiáng)大的CO2排放潛力[4], 但從已有研究來(lái)看, 北極和亞北極是CO2的排放源還是吸收匯尚不明確。亞北極的俄羅斯?jié)駶?rùn)苔原區(qū)域的CO2凈通量(NEE)波動(dòng)范圍為–79～–41g·m–2·a–1, 為CO2吸收匯[5]。北極泥炭地和沼澤的年平均CO2凈通量(NEE)波動(dòng)范圍為–170～–458 mg·m–2·h–1, 平均值為–218 kg·ha–1·a–1, 為CO2強(qiáng)吸收匯[6]。而干旱苔原區(qū)域的NEE監(jiān)測(cè)結(jié)果為275 kg·ha–1·a–1, 為CO2凈排放源[7]。除南極外, 北極高緯度苔原是海鳥(niǎo)主要棲息地, 格陵蘭和斯瓦爾巴群島聚居大量的海鳥(niǎo)[8-9]。海鳥(niǎo)活動(dòng)是極地苔原外源碳(C)、氮(N)、磷(P)、硫(S)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入的主要途徑, 并能夠在長(zhǎng)時(shí)間尺度下改變影響苔原土壤和植被的發(fā)育[10], 促進(jìn)海鳥(niǎo)聚居區(qū)及附屬區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育[11-12], 最終影響溫室氣體的排放。海洋動(dòng)物聚居區(qū)的溫室氣體通量比普通苔原區(qū)的顯著增高, 尤其是南極企鵝聚居區(qū)和海豹聚居區(qū)[13-16], 對(duì)北極高緯度苔原區(qū)域的CO2排放及其影響的研究較少。Wüthrich等[17]和Lloyd[18]研究發(fā)現(xiàn)艾登布克塔(Eidembukta)和新奧爾松(Ny-?lesund)苔原在1995年為CO2凈吸收匯, 而在1996年轉(zhuǎn)變?yōu)閮襞欧旁础?/p>

苔原CO2的排放取決于光合作用和呼吸作用強(qiáng)度的差異, 是由苔原植被變化特征和土壤理化性質(zhì)等決定的[19-20], 受到土壤溫度、土壤水分、植被群落和動(dòng)物干擾的影響[19-21]。海洋動(dòng)物活動(dòng)強(qiáng)度的區(qū)域差異性也會(huì)造成極地苔原系統(tǒng)土壤和植被的發(fā)育的差異; 對(duì)于大部分不受海洋動(dòng)物糞便影響的區(qū)域, 地形地貌造成的土壤和植被發(fā)育也是CO2排放的重要因素。全球變暖的趨勢(shì)下, 海鳥(niǎo)活動(dòng)增強(qiáng)、夏季無(wú)冰區(qū)的擴(kuò)張和生長(zhǎng)季延長(zhǎng)都能增加苔原匯的強(qiáng)度[22-24], 而鳥(niǎo)糞營(yíng)養(yǎng)增加, 土壤呼吸作用增強(qiáng)等則會(huì)增加苔原CO2的排放[25-26], 因此, 影響北極高緯度苔原生態(tài)系統(tǒng)CO2排放的因素更多也更復(fù)雜, 但尚未開(kāi)展系統(tǒng)科學(xué)的研究。

本文在第4次北極科學(xué)考察(2008年7月26日—8月5日)期間, 選取了北極高緯度的斯瓦爾巴德群島新奧爾松(Ny-?lesund)的鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原(TSB)、普通海灘苔原(TNS)和兩者之間的過(guò)渡苔原(TTR)為研究區(qū)域, 觀測(cè)北極高緯度苔原不同空間尺度CO2凈通量(NEE)變化規(guī)律并分析其影響因素。本文的研究目標(biāo)是: (1)鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原TSB、普通海灘苔原TNS和過(guò)渡苔原TTR的CO2凈通量(NEE)的空間變化規(guī)律; (2)苔原土壤理化性質(zhì)的差異; (3)苔原土壤CO2凈通量(NEE)的影響因素。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

本文的研究區(qū)域?yàn)楸睒O挪威群島西部的斯瓦爾巴德半島的新奧爾松(Ny-?lesund)的苔原區(qū)域, (圖1a)。北大西洋的高爾夫暖流流向斯瓦爾巴德群島西部, 其支流西斯匹次卑爾根環(huán)流流向北極最北部的開(kāi)闊海域[24,27], 與氣旋共同作用下, 斯瓦爾巴德半島西部呈海洋性氣候, 夏天較涼爽, 冬天較溫和, 年平均氣溫–5.8 ℃, 比同緯度的格陵蘭高6～7 ℃[28]。全年以東南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向, 1～2 m·s–1風(fēng)速的出現(xiàn)頻率最高[29]。年平均降水量約400 mm, 且往內(nèi)陸逐漸減少, 新奧爾松降水量為每年200～300 mm。植物種類較少, 以北部極地苔原植物區(qū)系和極地沙漠植物區(qū)系為主, 包括、、、和等[30]。野生動(dòng)物主要包括北極狐、北極馴鹿、北極鵝及30余種海鳥(niǎo)[31-32]。新奧爾松典型的無(wú)冰期是從6月持續(xù)到9月[33]。6月初凍土開(kāi)始融化, 9月初最大融化深度為1.6～2.0 m, 活躍層厚度也達(dá)到最大, 并持續(xù)到9月中旬[34]。夏季有80%的時(shí)間為多云天氣, 導(dǎo)致太陽(yáng)輻照強(qiáng)度較低(http://www.yr.no/place/ Norway/Svalbard/)。新奧爾松區(qū)域整體為淤泥黏性土壤和沙質(zhì)發(fā)育土壤覆蓋, 有機(jī)質(zhì)含量較低。采樣期間平均溫度為(2.1±0.9) ℃, 平均降水量大約是400 mm。

本文在第4次北極科學(xué)考察期間, 在3個(gè)苔原區(qū)域監(jiān)測(cè)CO2凈通量(NEE)的空間變異規(guī)律(圖1b)。

區(qū)域Ⅰ為鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原(TSB), 位于新奧爾松(Ny-?lesund)的西北部。海鳥(niǎo)活動(dòng)的重點(diǎn)區(qū)域面積為0.5 km2, 海拔為5～20 m。鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原的海鳥(niǎo)種類較多, 主要品種有: razor-billed auk ()Arctic duck ()kittiwake()Arctic Tern()fulmar()和 albatross()。苔原植被覆蓋區(qū)域面積>98%, 裸露的土壤和石頭區(qū)域面積約占2 %。主要植被類型是苔蘚(和)、地衣()和莎草(和)。土壤有機(jī)層厚度約為15～20 cm。

區(qū)域Ⅱ?yàn)槠胀ê┨υ?TNS), 位于新奧爾松(Ny-?lesund)的東南。此苔原基本沒(méi)有海鳥(niǎo)活動(dòng), 但有北極兔和馴鹿活動(dòng)蹤跡。普通海灘苔原的 48%為苔蘚或者地衣覆蓋, 20 %生長(zhǎng)著維管植物, 28 %是裸露的土壤, 4 %是石頭。土壤有機(jī)層厚約為10～20 cm。

圖1 北極斯瓦爾巴(Svalbard)群島、新奧爾松(Ny-?lesund)地區(qū)的地理位置、研究區(qū)域分布圖和鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)采樣點(diǎn)分布圖.a)北極斯瓦爾巴(Svalbard)群島和新奧爾松(Ny-?lesund)地區(qū)的地理位置; b)研究區(qū)域分布圖(Ⅰ為鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原TSB, Ⅱ?yàn)檎緟^(qū)附近的普通海灘苔原TNS, Ⅲ為過(guò)渡苔原TTR); c)鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)采樣點(diǎn)分布圖

Fig.1.The location of Ny-?lesund, Svalbard in Arctic and the distribution map for the study during the net CO2fluxes observation period.a) the location of Ny-?lesund, Svalbard; b) the study area (Ⅰ-TSB, Ⅱ-TNS, Ⅲ-TTR); c) observation sites in the bird sanctuary

區(qū)域Ⅲ為過(guò)渡苔原區(qū)域(TTR), 位于黃河站區(qū)鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原(TSB)和普通海灘苔原(TNS)之間的過(guò)渡區(qū)域, 離黃河站很近, 土壤情況較復(fù)雜, 地表植被稀疏。

1.2 野外CO2凈通量(NEE)的觀測(cè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原(TSB)

在鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原(TSB)采用靜態(tài)箱法監(jiān)測(cè)CO2凈通量(NEE)的空間規(guī)律。根據(jù)植被覆蓋度、水文條件以及海鳥(niǎo)活動(dòng)等的差異將鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原TSB分成3類觀測(cè)區(qū): 植被覆蓋度最高、強(qiáng)烈的海鳥(niǎo)活動(dòng)區(qū)HB(High Seabird-activity Area)觀測(cè)點(diǎn)HB1～HB9, 植被覆蓋度較高、中等強(qiáng)度的海鳥(niǎo)活動(dòng)區(qū)MB (Medium Seabird-activity Area)觀測(cè)點(diǎn)MB1～MB6, 以及植被覆蓋度低、海鳥(niǎo)活動(dòng)邊緣區(qū)LB (Low Seabird-activity Area)測(cè)點(diǎn)LB1～LB4。共隨機(jī)設(shè)置19組采樣點(diǎn), 探討苔原TSB的CO2凈通量(NEE)的空間變化。這19組采樣點(diǎn)覆蓋了苔原TSB的典型海鳥(niǎo)活動(dòng)和植被變化區(qū), 且每組內(nèi)設(shè)置兩個(gè)采樣點(diǎn)互為對(duì)照。

為使鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原的CO2凈通量(NEE)具有可對(duì)比性, 綜合考慮植被情況、水文條件和海鳥(niǎo)活動(dòng)情況等, 本研究也選取了普通海灘苔原(TNS)和過(guò)渡苔原(TTR)為研究區(qū)域并進(jìn)行NEE空間變化規(guī)律觀測(cè)。

1.2.2 非海鳥(niǎo)聚居地的普通海灘苔原(TNS)

依據(jù)地形地貌特征, 在普通海灘苔原(TNS)區(qū)域從地勢(shì)低的濕潤(rùn)苔原區(qū)到地勢(shì)高的干旱苔原區(qū)隨機(jī)設(shè)置5大類43組觀測(cè)點(diǎn), 采用靜態(tài)箱法, 觀測(cè)苔原TNS的CO2凈通量(NEE)的空間變化規(guī)律。5大類觀測(cè)點(diǎn)的設(shè)置為: 地勢(shì)低的濕地苔原觀測(cè)區(qū)Wet Sites(SW)的8組觀測(cè)點(diǎn)(SW1～SW8)、地勢(shì)略高的半干旱苔原觀測(cè)區(qū)Mesic Sites(SM)的8組觀測(cè)點(diǎn)(SM1～SM8)、地勢(shì)更高的干旱斜坡苔原觀測(cè)區(qū)Dry Slope Sites(SD)的8組觀測(cè)點(diǎn)(SD1～ SD8)、地勢(shì)高的高地苔原觀測(cè)區(qū)Upland Sites(UD)的9組觀測(cè)點(diǎn)(UD1～UD9)和地勢(shì)最高的頂部苔原觀測(cè)區(qū)Higher Upland Sites(UL)的10組觀測(cè)點(diǎn)(UL1～UL10), 囊括了普通海灘苔原TNS的代表性區(qū)域, 每組觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置兩個(gè)重復(fù)。

1.2.3 過(guò)渡苔原(TTR)

過(guò)渡苔原(TTR)在黃河站附近, 充分考慮了苔原地勢(shì)等表觀特征, 設(shè)置高地苔原HT觀測(cè)區(qū)3組采樣點(diǎn)(HT1～HT3)和泥炭地苔原NM觀測(cè)區(qū)2組采樣點(diǎn)(NM1和NM2), 采用靜態(tài)箱法, 觀測(cè)苔原TTR的CO2凈通量(NEE)的空間變化規(guī)律。

1.3 CO2凈通量(NEE)的測(cè)定

本文采用靜態(tài)箱法監(jiān)測(cè)北極高緯度苔原生態(tài)系統(tǒng)的CO2凈通量(NEE)[35]。CO2采樣系統(tǒng)即靜態(tài)箱系統(tǒng)由一個(gè)一端開(kāi)口的丙烯酸樹(shù)脂的透明箱體和一個(gè)底座構(gòu)成。本次采樣共用兩組規(guī)格的采樣箱, 一組箱體外徑的長(zhǎng)×寬×高是50cm×50cm× 50 cm, 另一組箱體外徑的長(zhǎng)×寬×高為50cm× 50cm×30 cm。為取樣后不改變箱內(nèi)氣壓, 不影響氣體擴(kuò)散, 箱子露出土壤的高度至少為25 cm[36]。將PVC底座插入土壤約5 cm, 放置透明箱子后, 向底座注水密封, 密封面積0.25 m2。采集CO2氣體, 將兩通針的一端插入透明箱上方, 另一端連接帶橡膠塞的真空瓶, 每隔15 min采一次氣體樣品, 共三次。測(cè)定順序不會(huì)影響采樣結(jié)果, 同步記錄箱內(nèi)溫度和采樣時(shí)的氣象條件。真空瓶體積為17.5 mL, 采樣前抽成高真空。在第4次北極科學(xué)考察期間, 采用靜態(tài)箱法, 兩組不同尺寸采樣箱進(jìn)行流動(dòng)采樣[37], 觀測(cè)鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原(TSB)、普通海灘苔原(TNS)和過(guò)渡苔原(TTR)的CO2凈通量(NEE)的空間變化規(guī)律。

1.4 CO2濃度測(cè)定和凈通量計(jì)算

氣體樣品CO2濃度在中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室用氣相色譜分析儀(Shimadzu GC-14B)檢測(cè)。檢測(cè)條件: 檢測(cè)器為熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD), 色譜柱為80/100目Chromosorb 102填充柱, 進(jìn)樣器、檢測(cè)器和填充柱的溫度分別為100 ℃、60 ℃和60 ℃, 高純H2作載氣, 載氣流速為80 mL·min–1[38]。標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度為641 ppm, 由南京特種氣體廠生產(chǎn), 并經(jīng)日本國(guó)立農(nóng)業(yè)食品產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究機(jī)構(gòu)農(nóng)業(yè)環(huán)境技術(shù)研究所(原國(guó)立農(nóng)業(yè)環(huán)境技術(shù)研究所)校正, 平均值為(640.9±1.43) ppm (=15)。

CO2凈通量(NEE)的計(jì)算公式為=ρ×× (d/ d)×273/(273+)。式中:為CO2凈通量(NEE), 單位時(shí)間單位面積交換CO2的質(zhì)量, 單位為mg·m–2·h–1; ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CO2的密度1.964 kg·m–3;為箱子有效高度(高出地表的高度), 單位為m; d/d為濃度隨時(shí)間的變化率, 單位為ppm·h–1; t為箱內(nèi)氣溫, 單位為℃。文中CO2凈通量(NEE)的正值表示排放CO2即為CO2的排放源, 負(fù)值表示苔原吸收CO2即為CO2的吸收匯。

1.5 氣象資料、土壤采樣及其理化性質(zhì)檢測(cè)

采樣氣體樣品時(shí), 同時(shí)記錄新奧爾松地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)。在CO2凈通量觀測(cè)點(diǎn)插入溫度計(jì)到地表以及地表以下5、10和15 cm, 檢測(cè)0 cm、–5 cm、–10 cm和–15 cm的土壤溫度。在對(duì)應(yīng)氣體樣品點(diǎn)旁邊采集表層0～20 cm處的土壤作為土壤樣品, 冷凍保存至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)。土壤含水率(Wc)是將新鮮土壤樣品在105 ℃條件下烘至恒重, 根據(jù)公式Wc=(水分重量/干土重) ×100%計(jì)算。pH測(cè)定方法: 用天平稱取4 g室溫下風(fēng)干的土壤樣品, 放入小燒杯中, 按照質(zhì)量體積比 1∶2.5, 量取10 mL超純水倒入小燒杯, 加磁力振子在磁力攪拌器上高速旋轉(zhuǎn)2 min后, 靜置至上層液澄清, 測(cè)量上清液pH?？傆袡C(jī)碳(TOC)用重鉻酸鉀體積法測(cè)定, 測(cè)量方法的分析誤差為2.5%。土壤NH4+-N 和 NO3–-N含量分別用靛酚藍(lán)比色法和格里斯分光光度法測(cè)定[39]。土壤總磷(TP)含量采用鉬酸銨分光光度法檢測(cè)。土壤C、N、S、H含量是將土壤在室溫下晾干, 然后用德國(guó)Vario·EL元素分析儀(Elementar Vario EL, Hanau, Germany)測(cè)定, 相對(duì)誤差小于1 %[30]。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)主要是利用微軟Excel 2016、 SPSS以及OriginPro7.5計(jì)算、分析數(shù)據(jù), 繪制圖和表。微軟Excel 2016計(jì)算CO2凈通量(NEE), 使用標(biāo)準(zhǔn)誤差()來(lái)衡量NEE的不確定性。使用OriginPro7.5繪制NEE空間變化圖。用OriginPro7.5和SPSS分析不同觀測(cè)點(diǎn)和不同苔原NEE的顯著性差異, 并分析NEE與土壤化學(xué)性質(zhì)(土壤溫度、土壤含水率、土壤碳氮比(C/N), 及土壤中的TC、TN、NH4+-N、NO3–-N和TP含量)的相關(guān)性及繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 苔原土壤理化性質(zhì)

苔原TSB和苔原TNS的土壤理化性質(zhì)如表1所示。植被覆蓋度高、海鳥(niǎo)活動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)HB的平均TC和TN含量(9.1 %和1.1 %)最高。P和S是海鳥(niǎo)糞便的典型的基本元素[40], 海鳥(niǎo)會(huì)增加苔原土壤C、N、P和S等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入, 會(huì)顯著地增加苔原土壤TN、NH4+-N和NO3–-N含量[14,41]。因此, 在鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原(TSB)和普通海灘苔原(TNS)的所有觀測(cè)區(qū)中, 植被覆蓋度高、海鳥(niǎo)活動(dòng)強(qiáng)烈的觀測(cè)區(qū)HB土壤的TP和TS含量極高, 比植被覆蓋和海鳥(niǎo)活動(dòng)中等強(qiáng)度觀測(cè)區(qū)MB及植被覆蓋度低和海鳥(niǎo)活動(dòng)邊緣區(qū)觀測(cè)區(qū)LB以及苔原TNS土壤高一個(gè)數(shù)量級(jí); NH4+-N和NO3–-N的平均含量比觀測(cè)區(qū)MB、LB和苔原TNS土壤高1到2個(gè)數(shù)量級(jí); 而C/N值則低于這些區(qū)域。觀測(cè)區(qū)HB和MB土壤的pH值略微高于觀測(cè)區(qū)LB。苔原TSB的pH值與苔原TNS的相近, 苔原TNS土壤的pH從地勢(shì)低的濕潤(rùn)苔原到地勢(shì)高的高地干旱苔原呈減小趨勢(shì)。由于海鳥(niǎo)糞便增加了苔原土壤有機(jī)物的輸入以及海鳥(niǎo)踩踏等海鳥(niǎo)活動(dòng)的干擾, 所以苔原TSB土壤的TN、NH4+-N、NO3–-N、TC、TP、TS和土壤含水率(Wc)高于苔原TNS土壤, 其中NH4+-N含量約為苔原TNS土壤的3倍, NO3–-N含量比苔原TNS土壤高約2個(gè)數(shù)量級(jí), TS含量比苔原TNS土壤高約1個(gè)數(shù)量級(jí)。

表1 新奧爾松苔原土壤的理化性質(zhì)

續(xù)表

2.2 鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原(TSB)CO2凈通量(NEE)的空間變化

鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原(TSB)的CO2凈通量(NEE)的空間結(jié)果如表2和圖2a所示。在植被覆蓋度最高、海鳥(niǎo)活動(dòng)最強(qiáng)烈觀測(cè)區(qū)HB(HB1～HB9), 采樣點(diǎn)的所有NEE數(shù)據(jù)中約有35 %均小于零, 變化范圍為–188.0～84.5 mg·m–2·h–1, 平均值為(–76.4±10.6)mg·m–2·h–1, 強(qiáng)烈吸收CO2。在植被覆蓋度較高、海鳥(niǎo)活動(dòng)強(qiáng)度中等的觀測(cè)區(qū)MB(MB1～ MB6), 超過(guò)65 %的NEE數(shù)據(jù)為負(fù)值, 變化范圍為–145.3～86.9 mg·m–2·h–1, 均值為(–29.9±8.3) mg·m–2·h–1, 為CO2吸收匯, 但吸收強(qiáng)度顯著(≤0.05)低于觀測(cè)區(qū)HB。在植被覆蓋度低、海鳥(niǎo)活動(dòng)邊緣觀測(cè)區(qū)LB(LB1～LB4), 超過(guò)80 %的NEE數(shù)據(jù)為負(fù)值, 變化范圍–98.7～175.9 mg·m–2·h–1, 平均NEE為(–1.7±7.4)mg·m–2·h–1, 弱吸收CO2, 吸收強(qiáng)度顯著(≤0.05)低于觀測(cè)區(qū)HB和MB。

表2 鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原(TSB)、普通海灘苔原(TNS)和過(guò)渡苔原(TTR)CO2凈通量(NEE)在夏季(2008年7月26—8月5日)的空間變化

注: 不同字母a, b, c表示具有顯著性差異(≤0.05); 不同字母A, B,C表示在≤0.1水平上存在差異。

圖2 新奧爾松地區(qū)研究區(qū)域CO2凈通量(NEE)的空間變化.Ⅰ為鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原(TSB), Ⅱ?yàn)檎緟^(qū)附近的普通海灘苔原(TNS), Ⅲ為過(guò)渡苔原(TTR)

Fig.2.Spatial variation of net CO2fluxes (NEE) in the study area of Ny-?lesund.Ⅰ-TSB, Ⅱ-TNS, Ⅲ-TTR

就苔原TSB整體而言, NEE的波動(dòng)范圍為–188.0～175.9 mg·m–2·h–1, 均值為(–39.0±6.0) mg·m–2·h–1, 為CO2強(qiáng)吸收匯。海鳥(niǎo)活動(dòng)也增加了苔原TSB的外源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(C、N、P等)的輸入, 土壤營(yíng)養(yǎng)豐富, 促進(jìn)了苔蘚的發(fā)育, 植被覆蓋度大, CO2吸收強(qiáng)烈。同時(shí)由于土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和海鳥(niǎo)活動(dòng)的差異, 苔原TSB的植被分布也呈現(xiàn)明顯的差異, 導(dǎo)致NEE的空間變異顯著(為173.0%)[35]。

2.3 普通海灘苔原(TNS)CO2凈通量(NEE)的空間變化

本研究設(shè)置了觀測(cè)點(diǎn)地勢(shì)低的濕地苔原觀測(cè)區(qū)SW對(duì)應(yīng)點(diǎn)位SW1～SW8、地勢(shì)略高的半干旱苔原觀測(cè)區(qū)SM對(duì)應(yīng)點(diǎn)位SM1～SM8地勢(shì)更高的干旱斜坡苔原觀測(cè)區(qū)SD對(duì)應(yīng)點(diǎn)位SD1～SD8、地勢(shì)高的高地苔原觀測(cè)區(qū)UD對(duì)應(yīng)點(diǎn)位UD1～UD9和地勢(shì)最高的頂部苔原觀測(cè)區(qū)UL對(duì)應(yīng)點(diǎn)位UL1～UL10, 觀測(cè)苔原TNS的CO2凈通量(NEE)空間變化情況, 結(jié)果如表2和圖2b所示。地勢(shì)低的濕地苔原觀測(cè)區(qū)SW的所有NEE數(shù)據(jù)中約有60 %小于零, 整體波動(dòng)范圍為–142.2～39.2 mg·m–2·h–1, 均值為(–23.8±13.4) mg·m–2·h–1, 為CO2吸收匯。地勢(shì)略高的半干旱苔原觀測(cè)區(qū)SM的所有NEE數(shù)據(jù)中小于零的超過(guò)75 %, 變化范圍在–113.2～ 117.9 mg·m–2·h–1, 平均值為(–15.8±13.9) mg·m–2·h–1,為CO2吸收匯, 但其吸收強(qiáng)度在0.1水平上弱于觀測(cè)區(qū)SW。地勢(shì)更高的干旱斜坡苔原觀測(cè)區(qū)SD的所有NEE數(shù)據(jù)中約有70 %小于零, 整體波動(dòng)范圍為–58.4～79.6 mg·m–2·h–1, 平均NEE為(–0.2±9.8) mg·m–2·h–1, 為CO2弱吸收匯, 吸收強(qiáng)度在0.1水平上弱于觀測(cè)區(qū)SW。地勢(shì)高的高地苔原觀測(cè)區(qū)UD的所有NEE數(shù)據(jù)中約有25 %小于零, 整體變化范圍為–64.2～161.8 mg·m–2·h–1, 平均NEE為(43.5±10.7) mg·m–2·h–1, 為CO2強(qiáng)排放源, 在0.1水平上與觀測(cè)區(qū)SW和SD具有差異性。地勢(shì)最高的頂部苔原觀測(cè)區(qū)UL所有NEE數(shù)據(jù)中小于零的少于25%, 變化范圍在–25.4～194.7 mgCO2·m–2·h–1之間, 平均NEE為44.2±12.4 mg·m–2·h–1, 為CO2強(qiáng)排放源, 在0.1水平上與觀測(cè)區(qū)SW和SD具有差異性, 在0.05水平上與觀測(cè)區(qū)UD具有顯著差異性。

綜合來(lái)說(shuō), 苔原TNS的NEE為(12.0± 5.7) mg·m–2·h–1, 整體表現(xiàn)為CO2排放源;為438.1 %, 苔原TNS的CO2排放具有很大的空間變異性。苔原TNS的NEEs的空間監(jiān)測(cè)結(jié)果表明, 地勢(shì)低的濕地苔原觀測(cè)區(qū)SW和地勢(shì)略高半干旱苔原觀測(cè)區(qū)SM均為CO2強(qiáng)吸收匯, 地勢(shì)更高的干旱斜坡苔原觀測(cè)區(qū)SD為CO2弱吸收匯, 地勢(shì)高的高地苔原觀測(cè)區(qū)UD和地勢(shì)最高的頂部苔原觀測(cè)區(qū)UL為CO2強(qiáng)排放源(圖2b); 不同苔原觀測(cè)區(qū)CO2的排放隨土壤水量的增加而降低, 隨地勢(shì)的升高而升高。苔原TNS受海鳥(niǎo)活動(dòng)影響極為微小, 以砂石和早期土壤發(fā)育特征為主, 地形和地貌的差別導(dǎo)致了植被分布的差異, 最終導(dǎo)致了不同苔原觀測(cè)區(qū)NEE的空間差異[42]。

2.4 過(guò)渡苔原(TTR)CO2凈通量(NEE)的空間變化

在過(guò)渡苔原(TTR)設(shè)置的高地苔原觀測(cè)區(qū)HT(HT1～HT3)和泥炭地觀測(cè)區(qū)NM(NM1～ NM2), 其CO2凈通量(NEE)結(jié)果如表2和圖2c所示。高地苔原觀測(cè)區(qū)HT的所有NEE數(shù)據(jù)均高于30 mg·m–2·h–1, 變化范圍為36.7～165.4 mg·m–2·h–1之間, 平均值為(106.4±23.1) mg·m–2·h–1, 是苔原TSB、苔原TNS和苔原TTR所有觀測(cè)區(qū)中的最強(qiáng)CO2排放源。而泥炭地觀測(cè)區(qū)NM的所有NEE數(shù)據(jù)均低于–40 mg·m–2·h–1, 波動(dòng)范圍為–71.9～ –44.1 mg·m–2·h–1, 平均NEE為(–58.3±9.5) mg·m–2·h–1, 是苔原TSB、苔原TNS和苔原TTR所有觀測(cè)區(qū)中的強(qiáng)吸收匯。

苔原TTR的NEE為(40.5±29.3) mg·m–2·h–1, 為CO2強(qiáng)排放源;為228.4 %, 苔原TTR的CO2排放具有很大的空間變異性。苔原TTR受海鳥(niǎo)活動(dòng)影響微弱, 地形、地貌特征和植被分布情況是影響苔原CO2排放的主要因素[42]。

2.5 新奧爾松(Ny–?lesund)苔原CO2凈通量(NEE)的分析與討論

總體而言, 苔原TSB的整體NEE為(–19.1±9.6) mg·m–2·h–1, 為CO2吸收匯; 苔原TNS的平均NEE為(12.0±5.7) mg·m–2·h–1, 為CO2排放源; 苔原TTR中高地苔原的平均NEE為(106.4±23.1) mg·m–2·h–1, 為CO2強(qiáng)排放源, 而泥炭地的平均NEE為 (–58.3± 9.5) mg·m–2·h–1, 為CO2強(qiáng)吸收匯。苔原TSB、苔原TNS和苔原TTR這3類不同苔原NEE的空間差異原因?yàn)楹ｘB(niǎo)活動(dòng)強(qiáng)度、植被覆蓋程度和地勢(shì)的差異[42-43]。苔原TSB的海鳥(niǎo)活動(dòng)密集, 為此區(qū)域輸入了C、N、P和S等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 促進(jìn)了苔原植被的發(fā)育, 強(qiáng)烈吸收CO2[35, 43]。苔原TNS和苔原TTR的海鳥(niǎo)活動(dòng)較少, 影響微弱。其中, 地勢(shì)較低的苔原區(qū)域, 水量豐沛, 植被發(fā)育較好, 為CO2吸收匯; 地勢(shì)較高的區(qū)域, 土壤含水率較低, 植被稀疏, 對(duì)CO2的排放大于吸收, 為CO2排放源[42]。

此后, 不同學(xué)者在新奧爾松(Ny-?lesund)不同苔原區(qū)域也開(kāi)展了溫室氣體的相關(guān)研究。2009年, 陳清清等[44]再次在新奧爾松苔原的鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原(TSB)開(kāi)展了CO2凈通量的相關(guān)研究。發(fā)現(xiàn)海鳥(niǎo)活動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)的CO2凈通量(NEE)為(–88.2±8.8) mg·m–2·h–1, 海鳥(niǎo)活動(dòng)中等的苔原區(qū)NEE為(14.6±9.1) mg·m–2·h–1, 海鳥(niǎo)活動(dòng)邊緣區(qū)的NEE為(42.2±13.3) mg·m–2·h–1, 苔原TSB的整體平均值(–5.1±8.3) mg·m–2·h–1, 為CO2吸收匯, 與本文研究結(jié)果一致。同時(shí), 陳清清等[44]也在與本研究的普通海灘苔原類似的苔原區(qū)域開(kāi)展了CO2凈通量(NEE)研究, 其平均NEE為(12.1±6.2) mg·m–2·h–1, 為CO2排放源, 與本文研究中結(jié)果極為相近。2014年和2015年, 李芳芳[45]也在普通海灘苔原TNS開(kāi)展了監(jiān)測(cè)CO2凈通量(NEE)的變化規(guī)律相關(guān)研究, 2014年NEE的波動(dòng)范圍為–131.5～ 73.2 mg·m–2·h–1, 平均值為(7.92±7.3) mg·m–2·h–1,為CO2排放源; 2015年NEE 的波動(dòng)范圍為–90.9～ 30.4 mg·m–2·h–1, 平均值為(8.9±5.1) mg·m–2·h–1, 為CO2排放源。誤差范圍內(nèi)與本文研究結(jié)果基本相同。

將本研究結(jié)果與其他極地區(qū)域苔原研究結(jié)果進(jìn)行相比。鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原TSB的觀測(cè)區(qū)中, 植被覆蓋度最高、強(qiáng)烈的海鳥(niǎo)活動(dòng)區(qū)HB和植被覆蓋度較高、中等強(qiáng)度的海鳥(niǎo)活動(dòng)區(qū)MB的CO2凈通量(NEE)處于低緯度北極的阿拉斯加和西伯利亞苔原區(qū)域已報(bào)告的數(shù)據(jù)范圍–63.8～–38.5 mg·m–2·h–1內(nèi)[22,46-47]。觀測(cè)區(qū)HB的NEE與南極海洋動(dòng)物聚集區(qū)苔原如企鵝和海豹聚居區(qū)(NEE為–37.2～ 5.2 mg·m–2·h–1)的結(jié)果相近, 且均為CO2強(qiáng)吸收匯[48]。鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原TSB的整體NEE均處于格陵蘭不同植被區(qū)域的平均NEE通量范圍(–200～30 mg·m–2·h–1)[23, 49]。

2.6 土壤理化性質(zhì)對(duì)新奧爾松(Ny-?lesund)苔原CO2凈通量(NEE)的影響

CO2凈通量受氣溫、土壤溫度、光照強(qiáng)度、降水、植被覆蓋程度、植被類型等因素的綜合影響[40, 50-52]。土壤基質(zhì)含量決定了土壤CO2產(chǎn)生和同化的速率, 控制了CO2凈通量[53-57]。海鳥(niǎo)糞便能增加苔原土壤C、N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入, 增強(qiáng)植被的發(fā)育, 加強(qiáng)了苔原碳匯作用。同時(shí), 海鳥(niǎo)活動(dòng)增加了苔原植被N輸入, 能夠促進(jìn)該區(qū)域?qū)O2的吸收, 增強(qiáng)其碳匯功能[56-57]。鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原TSB的CO2凈通量(NEE)與TN、TP、TC含量和C/N值有一定的相關(guān)性, 但比較微弱; 而與土壤NH4+-N(<0.05)和NO3–-N(<0.05)含量顯著負(fù)相關(guān)(圖3)。苔原TNS的NEE與土壤TC、TN、TP、NH4+-N、NO3–-N含量及C/N沒(méi)有明顯的相關(guān)關(guān)系。土壤的水分條件會(huì)影響土壤物質(zhì)的形態(tài)和轉(zhuǎn)化率及微生物活性等[50, 57]。土壤水分孔隙率(WFPS)≥60 %, 高于厭氧呼吸作用范圍, 降水和土壤水分會(huì)增加CO2同化作用增強(qiáng), CO2排放減弱或吸收增強(qiáng)[50, 57]。土壤水分含量較低, 呼吸作用可能超過(guò)光合作用, CO2同化作用增強(qiáng), 增加CO2的排放[50, 57], 因此水分含量的高低對(duì)土壤CO2的排放起著重要作用。鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原(TSB)和普通海灘苔原(TNS)的CO2凈通量(NEE)與土壤含水率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.01) (圖3)。

土壤溫度是影響生態(tài)系統(tǒng)CO2排放的重要因素[35]。植被覆蓋度高、海鳥(niǎo)活動(dòng)強(qiáng)烈的觀測(cè)區(qū)HB的CO2凈通量(NEE) 與0～15 cm平均土壤溫度顯著正相關(guān)(=0.32,=0.06)(圖4)。在普通海灘苔原(TNS)區(qū)域, 地勢(shì)低的濕地苔原觀測(cè)區(qū)SW的CO2凈通量(NEE)與0～15 cm土壤平均溫度呈顯著極負(fù)相關(guān)關(guān)系(≤0.01), 地勢(shì)略高的半干旱苔原觀測(cè)區(qū)SM的CO2凈通量(NEE)與0～15 cm土壤平均溫度呈極顯著正相關(guān)(≤0.01), 地勢(shì)更高的干旱苔原觀測(cè)區(qū)SD的CO2凈通量(NEE)與0～15 cm土壤平均溫度呈顯著正相關(guān)(≤0.05), 而與地勢(shì)高的高地苔原觀測(cè)區(qū)UD的NEE與0～15 cm土壤平均溫度也具有弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系(=–0.41,= 0.09)。

3 本研究的不確定性分析

極地生長(zhǎng)季溫室氣體的排放, 尤其高密度海鳥(niǎo)活動(dòng)的7—8月份, 對(duì)全年溫室氣體排放及碳循環(huán)起著重要的作用。本研究選取了新奧爾松夏季無(wú)冰區(qū)的鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原(TSB)、普通海灘苔原(TNS)和過(guò)渡苔原(TTR), 監(jiān)測(cè)CO2凈通量(NEE)的空間變化規(guī)律, 整個(gè)觀測(cè)期持續(xù)10天左右, 本研究的不確定性分析也聚焦于此。本研究?jī)H關(guān)注北極高緯度新奧爾松苔原的生長(zhǎng)期短暫的夏季CO2凈通量的空間規(guī)律, 采用密閉箱法監(jiān)測(cè)體系, 觀測(cè)時(shí)間均在9:00—11:00(當(dāng)?shù)貢r(shí)間), 與Oechel 等[58]以及Lafleur 和Humphreys[24]的監(jiān)測(cè)方法體系一致。本研究結(jié)果與其他在北極苔原7月和8月的研究結(jié)果具有可比較性, 如前述的格陵蘭、阿拉斯加、西伯利亞和南極苔原區(qū)域[22-23, 46-48, 59-61]。

圖3 鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原(TSB, n=16)和普通海灘苔原(TNS, n=29)NEE與土壤理化學(xué)性質(zhì)(土壤中NH4+-N、NO3–-N、TN、TC、TP、C∶N及土壤含水率)的相關(guān)性

Fig.3.The correlation between NEE and soil chemical properties (NH4+-N, NO3–-N, TN, TC, TP, C∶N ratio and soil moisture) at the different observation sites in seabird sanctuary tundra TSB (=16) and beach tundra TNS (=29)

4 結(jié)論

1.鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原TSB整體為CO2吸收匯, 植被覆蓋度高、海鳥(niǎo)活動(dòng)強(qiáng)烈的觀測(cè)區(qū)HB對(duì)CO2的吸收顯著高于植被覆蓋度和海鳥(niǎo)活動(dòng)中等觀測(cè)區(qū)MB, 觀測(cè)區(qū)HB和MB的NEE均顯著低于植被覆蓋度低、海鳥(niǎo)活動(dòng)邊緣觀測(cè)區(qū)LB。苔原植被發(fā)育越好, 海鳥(niǎo)活動(dòng)越密集, 對(duì)CO2吸收越強(qiáng)烈。

2.非海鳥(niǎo)聚居區(qū)的普通海灘苔原TNS和過(guò)渡苔原TTR均為CO2排放源。苔原TNS中, 地勢(shì)越低越濕潤(rùn)的苔原區(qū)域?qū)O2吸收越強(qiáng), 如從地勢(shì)略高的半干旱苔原觀測(cè)區(qū)SM到地勢(shì)低的濕地苔原觀測(cè)區(qū)SW; 地勢(shì)越高越干旱的苔原觀測(cè)區(qū)的CO2排放越強(qiáng)烈, 如從地勢(shì)高的高地苔原觀測(cè)區(qū)UD到地勢(shì)最高的頂部苔原觀測(cè)區(qū)UL。苔原TTR中泥炭區(qū)為強(qiáng)吸收匯, 而高地苔原區(qū)域?yàn)閺?qiáng)排放源。

圖4 鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原(TSB)和普通海灘苔原(TNS)的NEE與土壤溫度的相關(guān)性.*表示P≤0.05, **表示P≤0.01顯著相關(guān)

Fig.4.The correlation between NEE and soil temperature at the different observation sites in tundra TSB and tundra TNS.Significant correlations were indicated by *(≤0.05) and ** (≤0.01)

3.土壤理化性質(zhì)會(huì)對(duì)新奧爾松(Ny-?lesund)苔原CO2凈通量(NEE)產(chǎn)生重要影響。鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原TSB和普通海灘苔原TNS的NEE與土壤水分顯著負(fù)相關(guān)(<0.01); 鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū)苔原TSB的NEE與土壤溫度顯著正相關(guān), 與NH4+- N(<0.05)、NO3–-N(<0.05)含量顯著負(fù)相關(guān)。

致謝感謝賈楠博士在第4次北極科學(xué)考察中采集溫室氣體和土壤樣品, 感謝梁有慶高級(jí)工程師在實(shí)驗(yàn)上的指導(dǎo)。

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The spatial variation of net CO2fluxes (NEE) and their influence factors in tundra in high Arctic

Chen Qingqing1,2, Bao Tao3, Zhu Renbin2, Xu Hua4

(1College of Life Science, Resources and Environment, Yichun University, Yichun 336000, China;2Anhui Province Key Laboratory of Polar Environment and Global Change, School of Earth and Space Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China;3Key Laboratory of Regional Climate-Environment for Temperate East Asia, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;4State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210091, China)

The release of CO2from summer ice-free tundra of the high Arctic plays an important role in the global carbon cycle.These net ecosystem exchanges (NEEs) and their influence factors from Seabird Sanctuary Tundra (TSB), Tundra in Non-Seabird Colony (TNS) and Tundra in Transition Zone (TTR) were measured using the closed chamber method during the Fourth Arctic Scientific Exploration (26 July–5 August 2008) in the High Arctic.The spatial variations of NEE show that TSB was a sink for CO2, with an average NEE of (?39.0±6.0) mg·m?2·h?1.Typically, absorption of CO2in areas with high vegetation cover and strong seabird usage was greater than in areas with lower vegetation cover and seabird usage.In contrast, TNS and TTR were emission sources for CO2, with average NEEs of (12.0±6.3) mg·m?2·h?1and (40.5±29.3) mg·m?2·h?1, respectively.Highland TTR ((106.4±23.1) mg·m?2·h?1) was the strongest emission source, while peatland TTR [(?58.3±9.5) mg·m?2·h?1] was a strong sink.Spatial variation of NEEs was linked to differences in vegetation cover and hydrological conditions related to seabird activity in all tundra types.Physical and chemical properties of tundra soils also affected NEE values, showing negative correlations with soil moisture (=?0.44,=0.003) in TSB and TNS, but a positive correlation with soil temperature (=0.32,=0.06) and negative correlations with NH4+-N (<0.05) and NO3–-N (<0.05) concentrations in TSB.

CO2,net CO2fluxes, Arctic, Ny-?lesund, high Arctic tundra

2020年11月收到來(lái)稿, 2021年1月收到修改稿

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)(2020YFA0608500)、國(guó)家自然科學(xué)基金(41776190,41976220)資助

陳清清, 女, 1984年生。博士, 主要從事元素生物地球化學(xué)循環(huán)研究。E-mail: chenqq@nju.edu.cn

朱仁斌, E-mail: zhurb@ustc.edu.cn

10.13679/j.jdyj.20200073