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华南丘陵区针叶林和果园地表CH4 通量的日变化

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华南丘陵区针叶林和果园地表CH4 通量的日变化

亿牌地板陈晨15172411677黄家湖地板烽火地板红霞地板江夏地板南湖地板长江子都华南丘陵区针叶林和果园地表CH4通量的日变化刘惠1,2,赵平21.广东商学院旅游与环境学院,广东广州5103202.中国科学院华南植物园,广东广州510650摘要利用静态箱气相色谱法对华南丘陵区典型土地利用类型(针叶林马尾松Pinusmassoniana果园龙眼DimocarpuslonganLour)地表CH4通量日变化进行了原位观测。结果表明,针叶林和果园土壤总体来说为大气CH4的吸收汇。地表CH4通量日变化波动较大,规律不明显。吸收较强的月份为1011月,较弱的月份为69月。针叶林地表CH4吸收通量日平均值变化幅度为0.0930.066mgm2h1,果园为0.0980.146mgm2h1。地温和气温对地表CH4通量无明显影响。降雨对地表CH4通量有较大的影响,旱季103月地表CH4吸收通量大于雨季(49月)。凋落物和植被类型对CH4通量没有明显影响。关键词土地利用CH4通量凋落物日变化中图分类号X511文献标识码A文章编号16722175(2008)03111204CH4是大气中丰富的有机痕量气体,自工业化以来成倍的增加1。CH4对温室效应的贡献仅次于CO2,占温室气体对全球变暖贡献总份额的202,每分子CH4温室增温潜力是CO2的21倍3,因此确定全球大气CH4的源与汇,并对其进行估算和预测已成为全球环境变化及温室效应研究的热点。相关试验研究表明土壤中好气微生物消耗大气中的CH4是陆地生态系统中最大的CH4汇4。许多研究都证明,就土壤氧化大气CH4的能力而言,森林土壤草原土壤旱田地5,6。农业活动、土地利用方式的改变对土壤CH4氧化有很大的影响。基于此,本试验选取了华南丘陵区具有较强代表性和典型性的土地利用类型人工林(针叶林)和果园(龙眼)为样地,进行了CH4通量的原位测定,以期为估算我国南方丘陵区CH4源汇强度提供基础数据。1研究地区与研究方法1.2研究地概况中国科学院鹤山丘陵综合开放试验站位于广东省中部的鹤山市,112°54′E,22°41′N,距广州市以南80km。试验站地处粤中丘陵地区,属南亚热带季风常绿阔叶林气候。典型的土壤类型是赤红壤。年均温21.7℃,年均降雨量1700mm年蒸发量1600mm。试验区为七山一水两分地的平原丘陵农业地区,丘陵山地面积占78.6%,农耕地面积占17.1%,水面面积占4.3%。实验样地针叶林(主要树种是Pinuselliottii和Pinusmassoniana)于1983年种植,坡向西北,坡度25°,林分高7.2m,株行距3m2.5m,郁闭度70,叶面积指数2.5,有3~5cm厚的半腐解枯落物层。林下植物主要有九节(Psychotriarubra)、鬼灯笼(Clerodendrumfortunatum)、木姜子(Litseacubeba)、扇叶铁线蕨(Adiantumflabellulatum)等7果园Dimocarpuslongan,1991年种植8。土壤特性参见文献刘惠等9。1.2研究方法试验分别在针叶林和果园各土壤上进行,设土壤凋落物(SL)和土壤(清除凋落物)(S)2个处理配。处理时间为21个月(20030321到20041223),每周及时清除观测表面新生长的植物,随机设置3个重复。针叶林在20030311以后移动箱基座,在同一林内变换测定点,在20040202增加一采样箱,为4个重复采样箱果园在20040331后移动箱基座,在同一果园内变换测定点,在20040203增加一采样箱,为4个重复采样箱。每月月底随机选择一天进行日变化观测,2003年311月进行了昼夜观测,白天每2h观测一次(8001800),晚上每3h观测一次(21000600)2003年12月开始只在白天进行观测。采样箱参照国际标准,采用组合式不锈钢采样箱。采样箱由底座、顶箱两部分组成,均为不锈钢板制成9。采样时间分别为关箱后的0、10、20、30min,每次抽样100ml将气体样品带回实验室,24h内用改装后的HP5890II型气相色谱仪分析气样中CH4。CH4检测器为FID(氢焰离子化检测器),载气为氮气,流速是30mlmin1,氢气为燃气,流速为30mlmin1,空气为助燃气,流速为400mlmin1。检测器温度为200℃,分离柱温度为55℃。气体排放速率由4个气样浓度值经线性回归分析得出9,以上实验方法参见文献Wang和Wang10。亿牌地板陈晨15172411677黄家湖地板烽火地板红霞地板江夏地板南湖地板长江子都在每次采样同时,对于各箱地下5cm的土壤温度用JM624型便携式数字温度计(天津立文电子有限公司生产)测量,温度计的测量范围3050℃,测量准确度为0.5℃,读数分辨率为0.1℃。2结果与分析2.1地表CH4通量的日变化特征图1为针叶林和果园地表CH4通量昼夜或日变化曲线。与稻田CH4通量不同11,针叶林和果园地表CH4通量无论是昼夜变化还是日变化波动较大,无明显规律,这与前人结果一致12。如果以每月底测定的地表CH4通量日平均值作为该月图1针叶林和果园土壤CH4通量日变化Fig.1DiurnalvariationsofCH4fluxinpineplantationandorchardBSBaresoil.SLSoilwithlitter针叶林SL20030.200.150.100.050.000.050.100.150.200.258001600300t/hCH4通量/mgm2h1针叶林SL200320040.200.150.100.050.008001600300t/h针叶林SL20040.140.120.100.080.060.040.020.0080012001600t/h4月6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月针叶林BS20030.150.100.050.000.050.100.158001600300t/hCH4通量/mgm2h1针叶林BS20040.200.150.100.050.0080012001600t/h4月6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月针叶林BS200320040.300.250.200.150.100.050.008001600300t/h果园SL20030.400.300.200.100.000.100.200.308001600300t/hCH4通量/mgm2h1果园SL200320040.180.160.140.120.100.080.060.040.020.008001600300t/h果园SL20040.200.150.100.050.000.050.100.1580012001600t/h4月5月6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月果园BS20030.250.200.150.100.050.000.050.100.150.200.258001600300t/hCH4通量/mgm2h1果园BS20040.150.100.050.000.050.1080012001600t/h4月5月6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月果园BS200320040.450.400.350.300.250.200.150.100.050.008001600300t/h亿牌地板陈晨15172411677黄家湖地板烽火地板红霞地板江夏地板南湖地板长江子都地表CH4通量平均值,从图1可以看出地表CH4通量为负值,说明针叶林和果园土壤对CH4有一定的吸收作用,且旱季(10月3月)地表CH4吸收通量明显大于雨季(4月9月)。但在整个观测期内,第1年8月份有凋落物覆盖下针叶林地表、第1年6月份果园有、无凋落物地表及次年果园无凋落物覆盖地表CH4通量为正值,即排放CH4,这主要是测定之前或测定之日一直下雨。CH4是在严格厌氧条件下由产甲烷菌作用于产CH4前体的结果。CH4大量产生时环境的氧化还原电位(Eh)一般要求低于150mV13,而通常土壤淹水后能够达到这种还原环境。而马尾松林和果园土壤,一年四季中除降雨后没有这种绝对无氧的条件,因此除降雨后一般没有CH4的产生过程。相反,好气的土壤条件有利于CH4氧化菌的活动,因此土壤对CH4有一定的吸收作用。针叶林地表CH4吸收通量日平均值变化幅度为0.0930.066mgm2h1,果园为0.0980.146mgm2h1。日平均最低值一般出现在69月,最高值出现在1011月(图1)。实验每个月取一天,特别是连续下雨几天以后测量的数据来代表整个月有一定的偏差,以后应该注意增加测定的天数。2.2环境因子对地表CH4通量的影响相关分析表明CH4通量日变化与地温和气温均无明显相关关系,这与齐玉春等12的结果一致。关于土壤温度对土壤氧化(吸收)CH4的影响的研究存在不同的观点。一种观点认为,温度对土壤氧化(吸收)CH4的影响很小14,15。另一种观点认为,温度对土壤氧化(吸收)CH4影响很大,因为绝大多数CH4氧化细菌都是中温型微生物,因而土壤氧化(吸收)CH4的能力与温度密切相关,过高或过低的温度条件都会抑制CH4氧化16。丁维新和蔡祖聪13认为温度对CH4氧化作用的影响较产CH4作用弱,甲烷氧化菌不易受温度变化的影响,即便在低温条件下土壤也具有一定的氧化大气CH4的能力。这也是12月份针叶林和果园地表CH4吸收通量仍较高的原因。针叶林和果园地表CH4吸收通量旱季高而雨季低,是由于鹤山丘陵区受季风影响,降水量的季节分配极不平均,雨季降雨频繁9,降雨导致土壤湿度相应发生变化,而土壤CH4吸收率与土壤湿度通常呈负相关关系,土壤湿度过高,大气CH4和O2向土壤中扩散受阻。2.3植被类型和凋落物对地表CH4通量的影响不同的土壤类型和植被类型对CH4通量有影响17。从山毛榉林到山毛榉云杉林混交林和纯云杉林的转变使CH4吸收下降18。植物可以通过凋落物质量、有机层形态和根系统影响土壤对大气CH4的源汇强度,有机层的厚度和结构影响CH4和O2向土壤的扩散18。在本8实验中,非参数检验(TwoSampleKolmogorovSmirnovTest)表明针叶林和果园地表CH4通量没有明显差异,其原因有待进一步探讨。非参数检验(TwoSampleKolmogorovSmirnovTest)还表明,无论针叶林还是果园,有、无凋落物地表CH4通量差异不明显,这可能是由于针叶林和果园地表凋落物层较薄或空间异质性即微环境的差异超过了凋落物对地表CH4通量的影响造成的。3结论(1)针叶林和果园土壤总体来说为大气CH4的吸收汇。地表CH4通量日变化波动较大,规律不明显。吸收较强的月份为1011月,较弱的月份为69月。(2)温度对地表CH4通量无明显影响。降雨对地表CH4通量有较大的影响,旱季地表CH4吸收通量大于雨季。(3)由于凋落物层较薄,各采样点的微环境存在一定差异,所以实验没有发现凋落物对地表CH4通量有明显影响。针叶林和果园地表CH4通量没有明显差异,原因有待进一步探讨。致谢鹤山站林永标和饶兴权等老师及其他同学对本实验付出了很大的帮助,特此致谢参考文献1WUEBBLESDJ,HAYHOEK.AtmosphericmethaneandglobalchangeJ.EarthScienceReviews,2002,57177210.2HOUGHTONJT,DINGY,GRIGGSDJ.ClimateChange2001TheScientificBasisContributionofWorkingGroupItotheThirdAssessmentReportofIntergovernmentalPanelofClimateChangeIPCCM.CambridgeCambridgeUniversityPress,2001.3HOUGHTONJT,JENKINSGJ,EPHRAUMSJJ.ClimateChangeTheIntergovernmentalPanelonClimateChangeIPCCScientificAssessmentM.CambridgeCambridgeUniversityPress,1990.4DUENASC,FERNANDEZMC,CARRETEROJ,etal.MethaneuptakeinsoilsofsouthernSpainestimatedbytwodifferenttechniquesstaticchamberandradonfluxandsoilairconcentrationprofilesJ.AtmosphericEnvironment,1996,304545552.5WILLISONTW,WEBSTERCP,GROULDINGKWT,etal.MethaneoxidationintemperatesoilsEffectsoflanduseandthechemicalformofnitrogenfertilizerJ.Chemosphere,1995,303539546.6DOBBIEKE,SMITHKA,PRIEMEA,etal.EffectoflanduseontherateofmethaneuptakebysurfacesoilsinnorthernEuropeJ.AtmosphericEnvironment,1996,30710051011.亿牌地板陈晨15172411677黄家湖地板烽火地板红霞地板江夏地板南湖地板长江子都7申卫军,彭少麟,周国逸,等.马占相思Acaciamangium与湿地松Pinuselliotii人工林枯落物层的水文生态功能J.生态学报,2001,215846850.ShenWeijun,PengShaolin,ZhouG.uoyi,etal.EcohydrologicalfunctionsoflitterinmanmadeAcaciaMangiumandPinuselliotiiplantationsJ.AcatEcologicaSinica,2001,215846850.8赵平,曾小平,彭少麟.南亚热带丘陵区龙眼和象草的叶片气孔气体交换的研究J.广西植物,2001,2118186.ZhaoPing,ZengXiaoping,PengShaolin.StomatalgasexchangeinleavesofDimocarpuslonganandPennisetumpurpureuminsouthernsubtropicalhillylandJ.Guihaia,2001,2118186.9刘惠,赵平.华南丘陵区典型土地利用类型土壤呼吸日变化J.生态环境,20081249255.LiuHui,ZhaoPing.DiurnalvariationsofsoilrespirationoftypicallandusetypesinaHillyAreaofSouthChinaJ.EcologyandEnvironment,20081249225.10WANGYS,WANGYH.QuickmeasurementofCH4,CO2andN2OemissionsfromashortplantecosystemJ.AdvancesinAtmosphericSciences,2003,205842844.11刘惠,赵平,林永标,等.华南丘陵区农林复合生态系统早稻田CH4和N2O排放通量的时间变异J.生态环境,200615864.LiuHui,ZhaoPing,LinYongbiao,etal.FluxesofCH4andN2OfrompaddyfieldofagroforestryecosysteminhillyareaofSouthChinainthefirstcropseasonJ.EcologyandEnvironment,200615864.12齐玉春,罗辑,董云社,等.贡嘎山山地暗针叶林带森林土壤N2O和CH4排放研究J.中国科学D辑,2002,3211934941.QiYuchun,LuoJi,DongYunshe,etal.ExperimentalstudyonN2OandCH4fluxesfromthedarkconiferousforestzonesoiloftheGonggamountain,ChinaJ.ScienceinChinaseriesD,2002,3211934941.13丁维新,蔡祖聪.温度对甲烷产生和氧化的影响J.应用生态学报,2003,144604608.DinWeixing,CaiZucong.EffectoftemperatureonmethaneproductionandoxidationinsoilsJ.ChineseJournalofAppliedEcology,2003,144604608.14DÖRRH,KATRUFFL,LEVINI.SoiltextureparameterizationofthemethaneuptakeinaeratedsoilsJ.Chemosphere,1993,26697713.15SHIGEHIROI,TADASHIS,KAZUHIROI.MethaneoxidationinJapaneseforestsoilsJ.SoilBiologyandBiochemistry,2000,32769777.16STEINKAMPR,BUTTERBACHBAHLK,PAPENH.MethaneoxidationbysoilofanNlimitedandNfertilizedspruceforestintheBlackForest,GermanyJ.SoilBiologyandBiochemistry,2001,33145153.17PRICESJ,SHERLOCKRR,KELLIHERFM,etal.PristineNewZealandforestsoilisastrongmethanesinkJ.GlobalChangeBiology,2003,10162618BORKENW,BEESEF.MethaneandnitrousoxidefluxesofsoilsinpureandmixedstandsofEuropeanbeechandNorwayspruceJ.EuropeanJournalofSoilScience,2006,57617625.DiurnalvariationsofCH4fluxesfromsoilsurfaceofplantationandorchardinahillyareaofsouthChinaLiuHui1,2,ZhaoPing21.SchoolofTourismandEnvironment,GuangdongUniversityofBusinessStudies,Guangzhou510320,China2.SouthChinaBotanicalGarden,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou510650,ChinaAbstractDiurnalvariationofCH4fluxwasmeasuredusingdarkstaticchambersfor21monthintwotypicallandusetypesinahillyareaofSouthChinaplantationdominatedbyPinusmassonianaandorcharddominatedbyDimocarpuslonganLour.Thereweretwoplotsatbothsitesrespectivelyonewascoveredwithlittersonthesurfacesoilandtheotherhadnolitters.TheresultshowedthatthesetwolandusetypesweresinksofCH4totheatmosphereasawhole,butwerethesourcesofCH4occasionallyinrainyseason.DiurnalvariationsofCH4fluctuatedwithnorule.StrongCH4sinkappearedinOctoberandNovemberandweakfromJunetoSeptember.TheaveragediurnalCH4fluxrangedfrom0.0930.066mgm2h1inthepineplantationand0.0980.146mgm2h1intheorchard.CH4fluxhadnoclearcorrelationwithtemperature.PrecipitationaffectedCH4fluxgreatlywithhigherfluxindryseasonOctoberMarchandlowerinrainyseasonAprilSeptember.LitterlayerandvegetationtypeshadnodistinctimpactonCH4uptakebysoil.KeywordsLanduseCH4fluxLitterDiurnalvariation

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