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 2* 1. 广东商学院旅游与环境学院， 广东 广州 510320； 2. 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 Pinus massoniana； 果园 ：龙眼 Dimocarpus longan Lour） 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 -0.093 0.066 mgm-2h -1，果园为 -0.098 0.146 mgm-2h -1。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： 1672-2175（ 2008） 03-1112-04CH4 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 20%2,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， 11254 E， 2241 N，距广州市以南 80 km。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 1 700 mm；年蒸发量 1 600 mm。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 Pinus elliottii 和 Pinus massoni-ana）于 1983 年种植，坡向西北，坡度 25，林分高 7.2 m，株行距 3 m2.5 m，郁闭度 70%，叶面积指数 2.5，有 3 5 cm 厚的半腐解枯落物层。林下植物主要有九节（ Psychotria rubra）、鬼灯笼（ Clerodendrum fortunatum ）、木姜子（ Litsea cu-beba）、扇叶铁线蕨（ Adiantum flabellulatum）等 7；果园 (Dimocarpus longan)， 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（ S+L）和土壤（清除凋落物）（ S） 2 个处理配。 处理时间为 21 个月 （ 2003-03-21 到2004-12-23） ,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 2003-03-11 以后移动箱基座，在同一林内变换测定点 ,在 2004-02-02 增加一采样箱， 为 4 个重复采样箱 ； 果园 在 2004-03-31后移动箱基座，在同一果园内变换测定点 ， 在2004-02-03 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 3-11月进行了昼夜观测，白天每 2 h 观测一次（ 8:0018:00），晚上每 3 h 观测一次（ 21:0006:00） ； 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、30 min，每次抽样 100 ml 将气体样品带回实验室，24 h 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 30 mlmin-1，氢气为燃气，流速为 30 mlmin-1，空气为助燃气，流速为 400 mlmin-1。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 5 cm 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. 1 Diurnal variations of CH4 flux in pine plantation and orchard BS: Bare soil. SL: Soil with litter 针叶林 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)针叶林 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)针叶林 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月针叶林 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)针叶林 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月针叶林 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果园 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)果园 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果园 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月果园 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)果园 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月果园 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亿牌地板陈晨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 -150 mV13，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 -0.093 0.066 mgm-2h -1，果园为 -0.098 0.146 mgm-2h -1。 日 平均最低值一般出现在 6 9 月，最高值出现在 10 11 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（ Two-Sample Kolmogorov-Smirnov Test）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（ Two-Sample Kolmogorov-Smirnov Test）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 ： 1 WUEBBLES D J, HAYHOE K. 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South China Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China Abstract: Diurnal variation of CH4 flu