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(xué)院旅游與環(huán)境學(xué)院， 廣東 廣州 510320； 2. 中國科學(xué)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(jìn)行了原位觀測 。 結(jié)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(qiáng)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(guān)鍵詞： 土地利用； CH4 通量； 凋落物；日變化 中圖分類號： X511 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1672-2175（ 2008） 03-1112-04CH4 是大氣中豐富的有機(jī)痕量氣體，自工業(yè)化以來成倍的增加 1。 CH4 對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)僅次于CO2,占溫室氣體對全球變暖貢獻(xiàn)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(jìn)行估算和預(yù)測已成為全球環(huán)境變化及溫室效應(yīng)研究的熱點(diǎn)。 相關(guān)試驗(yàn) 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(yàn) 選取了華南丘陵區(qū)具有較強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)度提供基礎(chǔ)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(xué)院鶴山丘陵綜合開放試驗(yàn)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(yàn)站地處粵中丘陵地區(qū)，屬南亞熱帶季風(fēng)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(yàn)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(shí)驗(yàn)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(xiàn) 劉惠 等 9。 1.2 研究方法 試驗(yàn)分別在針葉林和果園各土壤上進(jìn)行，設(shè)土壤 +凋落物（ S+L）和土壤（清除凋落物）（ S） 2 個(gè)處理配。 處理時(shí)間為 21 個(gè)月 （ 2003-03-21 到2004-12-23） ,每周及時(shí)清除觀測表面新生長的植物，隨機(jī)設(shè)置 3 個(gè)重復(fù) 。 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(diǎn) ,在 2004-02-02 增加一采樣箱， 為 4 個(gè)重復(fù)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(diǎn) ， 在2004-02-03 增加一采樣箱，為 4 個(gè)重復(fù)采樣箱 。 每月月底隨機(jī)選擇一天進(jìn)行日變化觀測， 2003 年 3-11月進(jìn)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(jìn)行觀測。 采樣箱參照國際標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)間分別為關(guān)箱后的 0、 10、 20、30 min，每次抽樣 100 ml 將氣體樣品帶回實(shí)驗(yàn)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?dú)猓魉偈?30 mlmin-1，氫氣為燃?xì)猓魉贋?30 mlmin-1，空氣為助燃?xì)?，流速?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(gè)氣樣濃度值經(jīng)線性回歸分析得出 9，以上實(shí)驗(yàn)方法參見文獻(xiàn) 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(shí)，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(jì)（天津立文電子有限公司生產(chǎn)）測量，溫度計(jì)的測量范圍：-3050 ，測量準(zhǔn)確度為 0.5 ，讀數(shù)分辨率為0.1 。 2 結(jié)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(jié)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(fù)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(gè)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(yán)格厭氧條件下由產(chǎn)甲烷菌作用于產(chǎn) CH4 前體的結(jié)果。 CH4 大量產(chǎn)生時(shí)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(dá)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(shí)驗(yàn)每個(gè)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(gè)月有一定的偏差，以后應(yīng)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(guān)分析表明 CH4通量日變化與地溫和氣溫均無明顯相關(guān)關(guān)系，這與齊玉春等 12的結(jié)果一致。 關(guān)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(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，溫度對土壤氧化（吸收） CH4 的影響很小 14,15。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，溫度對土壤氧化（吸 收） CH4 影響很大，因?yàn)榻^大多數(shù) CH4 氧化細(xì)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(guān)，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(rèn)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(fēng)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(dǎo)致土壤濕度 相應(yīng)發(fā)生變化，而 土壤 CH4 吸收率與土壤濕度通常呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤濕度過高，大氣 CH4 和O2 向土壤中擴(kuò)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(jī)層形態(tài)和根系統(tǒng)影響土壤對大氣 CH4的源匯強(qiáng)度，有機(jī)層的厚度和結(jié)構(gòu)影響 CH4 和 O2向土壤的擴(kuò)散 18。 在本 8 實(shí)驗(yàn)中，非參數(shù)檢驗(yàn)（ 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(jìn)一步探討。 非參數(shù)檢驗(yàn)（ 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(jié)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(qiáng)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(diǎn)的微環(huán)境存在一定差異 ， 所以 實(shí)驗(yàn) 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(jìn)一步探討。 致謝 ： 鶴山站林永標(biāo)和饒興權(quán)等老師及其他同學(xué)對本實(shí)驗(yàn)付出了很大的幫助，特此致謝！ 參考文獻(xiàn) ： 1 WUEBBLES D J, HAYHOE K. Atmospheric methane and global changeJ. Earth-Science Reviews, 2002, 57:177-210. 2 HOUGHTON J T, DING Y, GRIGGS D J. Climate Change 2001: The Scientific Basis Contribution of Working Group I to the Third Assess-ment Report of Intergovernmental Panel of Climate Change (IPCC)M. Cambridge: Cambridge University Press, 2001. 3 HOUGHTON J T, JENKINS G J, EPHRAUMS J J. Climate Change: The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Scientific AssessmentM. Cambridge: Cambridge University Press, 1990. 4 DUENAS C, FERNANDEZ M C, CARRETERO J, et al. Methane uptake in soils of southern Spain estimated by two different techniques: static chamber and radon flux and soil air concentration profilesJ. Atmospheric Environment, 1996, 30(4):545-552. 5 WILLISON T W, WEBSTER C P, GROULDING K W T, et al. Me-thane oxidation in temperate soils: Effects of land use and the chemical form of nitrogen fertilizerJ. Chemosphere, 1995, 30(3):539-546. 6 DOBBIE K E, SMITH K A, PRIEME A, et al. Effect of land use on the rate of methane uptake by surface soils in northern EuropeJ. At-mospheric Environment, 1996, 30(7):1005-1011. 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 7 申衛(wèi)軍 , 彭少麟 , 周國逸 , 等 . 馬占相思 (Acacia mangium ) 與濕地松 (Pinus elliotii) 人工林枯落物層的水文生態(tài)功能 J. 生態(tài)學(xué)報(bào) , 2001, 21(5): 846-850. Shen Weijun, Peng Shaolin, Zhou G.uoyi, et al. Ecohydrological func-tions of litter in man-made Acacia Mangium and Pinus elliotii planta-tionsJ. Acat Ecologica Sinica, 2001, 21(5): 846-850. 8 趙平 , 曾小平 , 彭少麟 . 南亞熱帶丘陵區(qū)龍眼和象草的葉片氣孔氣體交換的研究 J. 廣西植物 , 2001, 21(1):81-86. Zhao Ping, Zeng Xiaoping, Peng Shaolin. Stomatal gas exchange in leaves of Dimocarpus longan and Pennisetum pur pureum in southern subtropical hilly landJ. Guihaia, 2001, 21(1):81-86. 9 劉惠 , 趙平 . 華南丘陵區(qū)典型土地利用類型土壤呼吸日變化 J. 生態(tài)環(huán)境 , 2008(1): 249-255. Liu Hui, Zhao Ping. Diurnal variations of soil respiration of typical land-use types in a Hilly Area of South ChinaJ. Ecology and Envi-ronment, 2008(1): 249-225. 10 WANG Y S, WANG Y H. Quick measurement of CH4, CO2 and N2O emissions from a short-plant ecosystemJ. Advances in Atmospheric Sciences, 2003, 20(5):842-844. 11 劉惠 , 趙平 , 林永標(biāo) , 等 . 華南丘陵區(qū)農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)早稻田CH4 和 N2O 排放通量的時(shí)間變異 J. 生態(tài)環(huán)境 , 2006(1): 58-64. Liu Hui, Zhao Ping, Lin Yongbiao, et al. Fluxes of CH4 and N2O from paddy field of agroforestry ecosystem in hilly area of South China in the first crop seasonJ. Ecology and Environment, 2006(1): 58-64. 12 齊玉春 , 羅輯 , 董云社 , 等 . 貢嘎山山地暗針葉林帶森林土壤 N2O和 CH4 排放研究 J. 中國科學(xué) : D 輯 , 2002, 32(11): 934-941. Qi Yuchun， Luo Ji， Dong Yunshe， et al. Experimental study on N2Oand CH4 fluxes from the dark coniferous forest zone soil of the Gongga mountain,ChinaJ. Science in China:series D, 2002, 32(11): 934-941. 13 丁維新 , 蔡祖聰 . 溫 度對甲烷產(chǎn)生和氧化的影響 J. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào) , 2003, 14 (4): 604-608. Din Weixing, Cai Zucong. Effect of temperature on methane produc-tion and oxidation in soilsJ.Chinese Journal of Applied Ecology, 2003, 14 (4): 604-608. 14 DRR H, KATRUFF L, LEVIN I. Soil texture parameterization of the methane uptake in aerated soilsJ. Chemosphere, 1993, 26:697-713. 15 SHIGEHIRO I, TADASHI S, KAZUHIRO I. Methane oxidation in Japanese forest soilsJ. Soil Biology and Biochemistry, 2000, 32:769-777. 16 STEINKAMP R, BUTTERBACH-BAHL K, PAPEN H. Methane oxidation by soil of an N limited and N fertilized spruce forest in the Black Forest, Germany J. Soil Biology and Biochemistry, 2001, 33:145-153. 17 PRICE S J, SHERLOCK R R, KELLIHER F M, et al. Pristine New Zealand forest soil is a strong methane sinkJ. Global Change Biology, 2003,10:16-26 18 BORKEN W, BEESE F. Methane and nitrous oxide fluxes of soils in pure and mixed stands of European beech and Norway spruce J. Eu-ropean Journal of Soil Science, 2006, 57:617-625. Diurnal variations of CH4 fluxes from soil surface of plantation and orchard in a hilly area of south China Liu Hui1, 2, Zhao Ping2 1. School of Tourism and Environment, Guangdong University of Business Studies, Guangzhou 510320, China； 2. South China Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China Abstract: Diurnal variation of CH4 flu