華南丘陵區(qū)針葉林和果園地表CH4 通量的日變化

億牌地板陳晨黃家湖地板 烽火地板 紅霞地板江夏地板南湖地板長江子都 華南丘陵區(qū) 針葉林 和果園 地表 CH4通量的 日變化 劉惠 1,2， 趙平 2* 1. 廣東商學院旅游與環(huán)境學院， 廣東 廣州 510320； 2. 中國科學院華南植物園， 廣東 廣州 510650 摘要： 利用靜態(tài)箱 -氣相色譜法對 華南 丘陵區(qū) 典型土地利用類型 （針葉林 ：馬尾松 Pinus massoniana； 果園 ：龍眼 Dimocarpus longan Lour） 地表 CH4 通量 日變化 進行了原位觀測 。 結果表明 , 針葉林和果園土壤總體來說為大氣 CH4 的吸收匯。地表 CH4通量日變化波動較大，規(guī)律不明顯。吸收較強的月份為 1011 月， 較弱的月份為 69 月。 針葉林地表 CH4 吸收通量 日 平均值變化幅度為 -0.093 0.066 mgm-2h -1，果園為 -0.098 0.146 mgm-2h -1。地溫和氣溫 對地表 CH4 通量無明顯影響。降雨對地表 CH4 通量有較大的影響，旱季 (103 月 ) 地表 CH4 吸收通量大于雨季 （ 49 月） 。 凋落物和植被類型對 CH4 通量沒有明顯影響 。 關鍵詞： 土地利用； CH4 通量； 凋落物；日變化 中圖分類號： X511 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-2175（ 2008） 03-1112-04CH4 是大氣中豐富的有機痕量氣體，自工業(yè)化以來成倍的增加 1。 CH4 對溫室效應的貢獻僅次于CO2,占溫室氣體對全球變暖貢獻總份額的 20%2,每分子 CH4溫室增溫潛力是 CO2的 21倍 3, 因此確定全球大氣 CH4 的源 與 匯，并對其進行估算和預測已成為全球環(huán)境變化及溫室效應研究的熱點。 相關試驗 研究 表明土壤中好氣微生物消耗大氣中的 CH4是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的 CH4 匯 4。許多研究都證明 ， 就土壤氧化大氣 CH4 的能力而言 ， 森林土壤 草原土壤 旱田地 5,6。 農(nóng)業(yè)活動、土地利用方式的改變對土壤 CH4 氧化有很大的影響 。 基于此， 本試驗 選取了華南丘陵區(qū)具有較強代表性和典型性的土地利用類型人工林（針葉林）和果園（龍眼）為樣地， 進行了 CH4 通量的原位測定，以期為估算我國 南方丘陵區(qū) CH4 源匯強度提供基礎數(shù)據(jù)。 1 研究地區(qū)與研究方法 1.2 研究地概況 中國科學院鶴山丘陵綜合開放試驗站位于廣東省中部的鶴山市， 11254 E， 2241 N，距廣州市以南 80 km。試驗站地處粵中丘陵地區(qū)，屬南亞熱帶季風常綠闊葉林氣候。典型的土壤類型是 赤紅壤。年均溫 21.7 ，年均降雨量 1 700 mm；年蒸發(fā)量 1 600 mm。試驗區(qū)為 “七山一水兩分地 ”的平原丘陵農(nóng)業(yè)地區(qū)，丘陵山地面積占 78.6，農(nóng)耕地面積占 17.1，水面面積占 4.3。實驗樣地針葉林（主要樹種是 Pinus elliottii 和 Pinus massoni-ana）于 1983 年種植，坡向西北，坡度 25，林分高 7.2 m，株行距 3 m2.5 m，郁閉度 70%，葉面積指數(shù) 2.5，有 3 5 cm 厚的半腐解枯落物層。林下植物主要有九節(jié)（ Psychotria rubra）、鬼燈籠（ Clerodendrum fortunatum ）、木姜子（ Litsea cu-beba）、扇葉鐵線蕨（ Adiantum flabellulatum）等 7；果園 (Dimocarpus longan)， 1991 年種植 8。 土壤特性 參 見 文獻 劉惠 等 9。 1.2 研究方法 試驗分別在針葉林和果園各土壤上進行，設土壤 +凋落物（ S+L）和土壤（清除凋落物）（ S） 2 個處理配。 處理時間為 21 個月 （ 2003-03-21 到2004-12-23） ,每周及時清除觀測表面新生長的植物，隨機設置 3 個重復 。 針葉林 在 2003-03-11 以后移動箱基座，在同一林內(nèi)變換測定點 ,在 2004-02-02 增加一采樣箱， 為 4 個重復采樣箱 ； 果園 在 2004-03-31后移動箱基座，在同一果園內(nèi)變換測定點 ， 在2004-02-03 增加一采樣箱，為 4 個重復采樣箱 。 每月月底隨機選擇一天進行日變化觀測， 2003 年 3-11月進行了晝夜觀測，白天每 2 h 觀測一次（ 8:0018:00），晚上每 3 h 觀測一次（ 21:0006:00） ； 2003年 12 月開始只在白天進行觀測。 采樣箱參照國際標準，采用組合式不銹鋼采樣箱。采樣箱由底座、頂箱兩部分組成，均為不銹鋼板制成 9。采樣時間分別為關箱后的 0、 10、 20、30 min，每次抽樣 100 ml 將氣體樣品帶回實驗室，24 h 內(nèi)用改裝后的 HP5890II 型氣相色譜儀分析氣樣中 CH4。 CH4 檢測器為 FID（氫焰離子化檢測器），載氣為氮氣，流速是 30 mlmin-1，氫氣為燃氣，流速為 30 mlmin-1，空氣為助燃氣，流速為 400 mlmin-1。檢測器溫度為 200 ，分離柱溫度為55 。氣體排放速率由 4 個氣樣濃度值經(jīng)線性回歸分析得出 9，以上實驗方法參見文獻 Wang 和Wang10。 億牌地板陳晨黃家湖地板烽火地板 紅霞地板江夏地板南湖地板長江子都 在每次采樣同時，對于各箱地下 5 cm 的土壤溫度用 JM624 型便攜式數(shù)字溫度計（天津立文電子有限公司生產(chǎn)）測量，溫度計的測量范圍：-3050 ，測量準確度為 0.5 ，讀數(shù)分辨率為0.1 。 2 結果與分析 2.1 地表 CH4 通量 的 日變化特征 圖 1 為針葉林和果園 地表 CH4 通量 晝夜或 日變化曲線。 與稻田 CH4 通量不同 11，針葉林和果園 地表 CH4 通量無論是 晝夜變化 還是日變化 波動較大 ， 無明顯規(guī)律 ，這與前人結果一致 12。 如果以每月 底 測定的 地表 CH4 通量 日平均值作為該月 圖 1 針葉林和果園 土壤 CH4 通量日變化 Fig. 1 Diurnal variations of CH4 flux in pine plantation and orchard BS: Bare soil. SL: Soil with litter 針葉林 S L ( 2 0 0 3 )-0.20-0.15-0.10-0.050.000.050.100.150.200.258:00 16:00 3:00t /hCH4通量/(mgm-2h-1)針葉林 S L ( 2 0 0 3 - 2 0 0 4 )-0.20-0.15-0.10-0.050.008:00 16:00 3:00t /h)針葉林 S L ( 2 0 0 4 )-0.14-0.12-0.10-0.08-0.06-0.04-0.020.008:00 12:00 16:00t /h4月6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月針葉林 B S ( 2 0 0 3 )-0.15-0.10-0.050.000.050.100.158:00 16:00 3:00t /hCH4通量/(mgm-2h-1)針葉林 B S ( 2 0 0 4 ) )-0.20-0.15-0.10-0.050.008:00 12:00 16:00t /h4月6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月針葉林 B S ( 2 0 0 3 - 2 0 0 4 )-0.30-0.25-0.20-0.15-0.10-0.050.008:00 16:00 3:00t /h果園 S L ( 2 0 0 3 )-0.40-0.30-0.20-0.100.000.100.200.308:00 16:00 3:00t /hCH4通量/(mgm-2h-1)果園 SL(2003-2004)-0.18-0.16-0.14-0.12-0.10-0.08-0.06-0.04-0.020.008:00 16:00 3:00t /h果園 S L ( 2 0 0 4 )-0.20-0.15-0.10-0.050.000.050.100.158 : 0 0 1 2 : 0 0 1 6 : 0 0t /h4月5月6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月果園 B S ( 2 0 0 3 )-0.25-0.20-0.15-0.10-0.050.000.050.100.150.200.258:00 16:00 3:00t /hCH4通量/(mgm-2h-1)果園 B S ( 2 0 0 4 )-0.15-0.10-0.050.000.050.108:00 12:00 16:00t /h4月5月6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月果園 BS(2003-2004)-0.45-0.40-0.35-0.30-0.25-0.20-0.15-0.10-0.050.008:00 16:00 3:00t /h億牌地板陳晨黃家湖地板烽火地板 紅霞地板江夏地板南湖地板長江子都 地表 CH4 通量 平均值 ，從圖 1 可以看出 地表 CH4通量為負值，說明針葉林和果園土壤對 CH4 有一定的吸收作用 ，且旱季（ 10 月 3 月）地表 CH4吸收通量明顯大于雨季（ 4 月 9 月）。但 在整個觀測期內(nèi)， 第 1年 8月份有凋落物覆蓋下針葉林地表、第 1 年 6 月份果園有、無凋落物地表及次年果園無凋落物覆蓋地表 CH4 通量 為正值，即排放 CH4，這主要是測定之前或測定之日一直下雨 。 CH4 是在嚴格厭氧條件下由產(chǎn)甲烷菌作用于產(chǎn) CH4 前體的結果。 CH4 大量產(chǎn)生時環(huán)境的氧化還原電位（ Eh）一般要求低于 -150 mV13，而通常土壤淹水后能夠達到這種還原環(huán)境。而馬尾松林和果園土壤，一年四季中除降雨后沒有這種絕對無氧的條件，因此除降雨后一般沒有 CH4 的產(chǎn)生過程。相反，好氣的土壤條件有利于 CH4 氧化菌的活動，因此土壤對CH4 有一定的吸收作用。 針葉林 地表 CH4 吸收 通量日 平均 值 變化幅度為 -0.093 0.066 mgm-2h -1，果園為 -0.098 0.146 mgm-2h -1。 日 平均最低值一般出現(xiàn)在 6 9 月，最高值出現(xiàn)在 10 11 月 （圖 1） 。實驗每個月取一天，特別是連續(xù)下雨幾天以后測量的數(shù)據(jù)來代表整個月有一定的偏差，以后應該 注意增加測定的天數(shù)。 2.2 環(huán)境因子對 地表 CH4通量 的影響 相關分析表明 CH4通量日變化與地溫和氣溫均無明顯相關關系，這與齊玉春等 12的結果一致。 關于土壤溫度對土壤氧化（吸收） CH4 的影響的研究存在不同的觀點。一種觀點認為，溫度對土壤氧化（吸收） CH4 的影響很小 14,15。另一種觀點認為，溫度對土壤氧化（吸 收） CH4 影響很大，因為絕大多數(shù) CH4 氧化細菌都是中溫型微生物，因而土壤氧化（吸收） CH4 的能力與溫度密切相關，過高或過低的溫度條件都會抑制 CH4 氧化 16。 丁維新和蔡祖聰 13認為溫度對 CH4 氧化作用的影響較產(chǎn) CH4 作用弱，甲烷氧化菌不易受溫度變化的影響，即便在低溫條件下土壤也具有一定的氧化大氣 CH4 的能力。這也是 12 月份針葉林和果園地表 CH4 吸收通量仍較高的原因。 針葉林和果園地表 CH4吸收通量旱季高而 雨季低， 是由 于鶴山丘陵區(qū)受季風影響，降水量的季節(jié)分配極不平均，雨季降雨頻繁 9，降雨導致土壤濕度 相應發(fā)生變化，而 土壤 CH4 吸收率與土壤濕度通常呈負相關關系，土壤濕度過高，大氣 CH4 和O2 向土壤中擴散受阻。 2.3 植被類型 和凋落物 對 地表 CH4通量 的影響 不同的土壤類型和植被類型對 CH4 通量有影響 17。從山毛櫸林到山毛櫸 -云杉林混交林和純云杉林的轉(zhuǎn)變使 CH4 吸收下降 18。 植物可以通過凋落物質(zhì)量、有機層形態(tài)和根系統(tǒng)影響土壤對大氣 CH4的源匯強度，有機層的厚度和結構影響 CH4 和 O2向土壤的擴散 18。 在本 8 實驗中，非參數(shù)檢驗（ Two-Sample Kolmogorov-Smirnov Test）表明針葉林和果園地表 CH4 通量沒有明顯差異，其原因有待進一步探討。 非參數(shù)檢驗（ Two-Sample Kolmogorov-Smirnov Test）還表明，無論針葉林還是果園，有 、 無凋落物地表 CH4 通量差異不明顯 ， 這可能是由于針葉林和果園地表 凋落物層較薄 或 空間異質(zhì)性 即微環(huán)境的差異 超過了凋落物對 地表 CH4 通量 的影響造成 的。 3 結論 （ 1） 針葉林和果園 土壤總體來說為大氣 CH4 的吸收匯。 地表 CH4 通量日變化波動較大 ， 規(guī)律不明顯。 吸收較強的月份為 1011 月，較弱的月份為69 月。 （ 2） 溫度對地表 CH4 通量無明顯影響 。 降雨對地表 CH4 通量有較大的影響，旱季地表 CH4 吸收通量 大于雨季。 （ 3） 由于凋落物層較薄 ， 各采樣點的微環(huán)境存在一定差異 ， 所以 實驗 沒有發(fā)現(xiàn)凋落物對 地表 CH4通量 有明顯影響。 針葉林和果園地表 CH4 通量沒有明顯差異，原因有待進一步探討。 致謝 ： 鶴山站林永標和饒興權等老師及其他同學對本實驗付出了很大的幫助，特此致謝！ 參考文獻 ： 1 WUEBBLES D J, HAYHOE K. 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