天目山常綠落葉闊葉混交林土壤溫室氣體排放特點

孫文文, 江洪,2,,*, 陳曉峰, 舒海燕, 朱靖, 張曉山

天目山常綠落葉闊葉混交林土壤溫室氣體排放特點

孫文文1, 江洪1,2,3,*, 陳曉峰1, 舒海燕3, 朱靖4, 張曉山4

1. 浙江農(nóng)林大學(xué)浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點實驗室, 杭州 311300
2. 南京大學(xué)國際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所, 南京 210093
3. 西南大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室, 重慶 400715
4. 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 北京 100085

采用靜態(tài)箱-氣象色譜法, 將試驗樣地按照自上而下分為A、B、C、D四個梯度的采樣點。研究了浙江天目山常綠落葉闊葉混交林2013年3月—11月期間土壤溫室氣體排放的時空變化特點, 并分析了不同梯度的土壤溫濕度與氣體排放通量的相關(guān)性。結(jié)果表明: (1)天目山常綠落葉闊葉混交林土壤CO2和CH4兩種溫室氣體排放/吸收季節(jié)變化特征較一致, 即夏季＞春季＞秋季; N2O排放通量季節(jié)變化表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季。其中, CO2和N2O表現(xiàn)為土壤的排放源, CH4為大氣的吸收匯。(2)空間上, CO2通量大小表現(xiàn)為: D采樣點＞ A 采樣點＞ C采樣點 ＞ B采樣點; 土壤對CH4吸收速率表現(xiàn)為A采樣點 ＞ C采樣點 ＞ B采樣點 ＞ D采樣點; 土壤N2O通量大小依次為: A 采樣點 ＞ C采樣點 ＞ B采樣點 ＞ D采樣點。(3)溫度是影響天目山常綠落葉闊葉混交林土壤CO2通量重要因子; CH4的吸收通量隨溫度的升高和濕度的降低而增大; 在海拔較低的地區(qū), 溫度是N2O通量的重要影響因子, 海拔較高地區(qū), 濕度是N2O通量的重要限制因子。

天目山; 常綠落葉闊葉闊葉混交林; 排放通量; 溫室氣體; 森林土壤

The characteristics of greenhouse gas emission in the mixed broadleaved evergreen and deciduous forest in Tianmu Mountain soil

SUN Wenwen1, JIANG Hong1,2,3,*, CHEN Xiaofeng1, SHU Haiyan3, ZHU Jing4, ZHANG Xiaoshan4

1.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Carbon Cycling in Forest Ecosystems and Carbon Sequestration,Zhejiang Agriculture and Forestry University,Hangzhou311300,China

2.International Institute for Earth System Science,Nanjing University,Nanjing210093,China

1 前言

森林土壤呼吸是全球碳循環(huán)的重要流通途徑之一, 其動態(tài)變化將直接影響全球碳平衡[1]。據(jù)統(tǒng)計,大氣中的CO2體積分數(shù)已經(jīng)從1750年的280×10–6增長到2015年的400×10–6, 并且每年仍以年均0.5%的速度在增長[2]。主要來源于天然濕地、稻田、化石燃料開采和反芻動物腸胃發(fā)酵等的CH4也是比較活躍的溫室氣體, 具有較強的化學(xué)活性。在大氣中停留時間較CO2更長, 具有更強的紅外線吸收能力,對溫室效應(yīng)增強的貢獻是溫室氣體總效應(yīng)的15%,僅次于CO2, 增溫潛勢大約是CO2的23倍[3], 目前大氣中CH4的平均濃度為1.75 μmol·mol–1, 并以每年約1%的速率增長[4]。在平流層中的N2O可與電離層的氧原子發(fā)生反應(yīng)生成NO, 進一步與同溫層的臭氧(O3)發(fā)生反應(yīng), 從而消耗O3, 破壞臭氧層, 使到達地球表面的紫外輻射增強, 具有更強的增溫潛勢, 是CO2的150—200倍[5], 目前大氣中N2O體積分數(shù)約為314×10–9, 并以年均0.3%的速度在增長[6]。在所有排放源中, 土壤是溫室氣體產(chǎn)生的重要排放源, 而土壤中最主要的生理過程是土壤呼吸。土壤呼吸所產(chǎn)生的溫室氣體不僅在不同的時間尺度、不同的水熱環(huán)境、不同的森林生態(tài)系統(tǒng)中存在較大變異, 而且對變異產(chǎn)生的驅(qū)動變量也存在爭論。其中, 土壤溫度和濕度是影響森林土壤呼吸的主要因素[1], 因此,研究溫度和濕度對森林土壤呼吸的影響, 對于調(diào)節(jié)大氣中溫室氣體的含量有著重要的意義。

森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地上生物總量最高的生態(tài)系統(tǒng), 對陸地生態(tài)環(huán)境有決定性的影響。森林土壤是我國陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 有著旺盛的土壤呼吸, 是研究溫室氣體排放的重要場所。研究表明, 森林土壤溫室氣體的排放主要取決于其所屬氣候帶的溫度和濕度差異, 并通過二者的交互作用影響土壤微生物的活動和土壤根系呼吸, 從而改變溫室氣體的排放特征[7]。前人對森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)以及土壤溫室氣體排放研究較多[8–12], 如溫帶森林、北亞熱帶落葉闊葉林、北亞熱帶-南溫帶典型森林、寒帶針葉林森林、熱帶雨林等, 但是對亞熱帶森林常綠落葉闊葉林的研究較少。本文以天目山常綠落葉闊葉混交老森林不同梯度的土壤為研究對象,就其土壤中CO2、CH4和N2O在時間上和空間上的排放特點進行研究, 明確這些溫室氣體排放的時空變化特征, 為今后采取措施控制這些溫室氣體的排放提供理論支撐, 進而緩解溫室效應(yīng)。

2 研究方法

2.1研究地概況

研究區(qū)域位于浙江省西天目山自然保護區(qū)內(nèi),西天目山于1956年被國家林業(yè)部劃分為森林禁伐區(qū), 作為自然保護區(qū)加以保護。該地區(qū)位于中國東部亞熱帶季風(fēng)區(qū)(30°18′—30°25′N, 119°23′—119°29′E)。山麓年平均氣溫在14.8—15.6 ℃之間, 最冷月平均氣溫為3.4 ℃, 極端最低氣溫為–13.1 ℃, 最熱平均氣溫為28.1 ℃, 極端最高氣溫為38.2 ℃, 無霜期為235天, 年降水量為1390—1870 mm, 形成了浙江西北部的多雨中心。冬季寒冷干燥, 夏季炎熱潮濕。試驗區(qū)設(shè)在從山底部至海拔550 m處的一片區(qū)域,森林植被類型主要為常綠闊葉-落葉闊葉混交林。區(qū)域總面積約為100.0 hm2。該區(qū)域的土壤類型多為紅壤, 也有少部分的黃紅壤。

2.2實驗設(shè)計

不同坡度土壤溫濕度差異較大, 可能導(dǎo)致土壤硝化和反硝化過程的差異, N2O等氣體排放不同, 由此可能會發(fā)現(xiàn)N2O排放的“熱區(qū)”。從流域尺度上來說能更好地評估N2O等氣體的排放, 因此本實驗在同一山坡的常綠-落葉闊葉混交林按照海拔由高到低設(shè)置A、B、C、D四處樣地, 其海拔高度根據(jù)樣地地形分別設(shè)置為423 m、360 m、331 m和325 m,每個樣地設(shè)置三個重復(fù)。每層樣地將三個矩形框架(0.4 m×0.4 m×0.08 m)作為底座插進深度約4 cm的土壤內(nèi), 保留約4 cm露在地表, 盡量不破壞原土壤的環(huán)境條件。土壤溫室氣體排放量則通過固定箱(0.4 m×0.4 m×0.2 m)方法測定, 箱體采用銀色不透光材質(zhì), 矩形框架槽中放入海綿條密封箱體。每個箱體有三個孔, 分別用于平衡箱體氣壓、測定箱內(nèi)溫度和采集箱體中氣樣。樣品采集孔上固定一個塞子, 塞子上插入一根單向針頭和一根雙向針頭用于樣品采集。利用50 mL醫(yī)用針管通過單向針頭抽取箱體內(nèi)混合氣體, 利用12 mL真空瓶通過雙向針頭每隔10分鐘采集一次氣樣, 重復(fù)4次。為保證溫度盡可能接近日平均值, 自2013年3月下旬到11月上旬, 每月進行兩次氣體樣品的采集, 每次采樣時間固定在上午9:00至12:00[13–14], 用此時測定通量代表采樣日的日均通量, 并將所采集的氣樣及時運回實驗室進行分析。

2.3氣體分析與通量計算

反觀中國，雖然外向型經(jīng)濟受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，持有的外匯儲備及對外投資也受到影響，但在這種復(fù)雜形勢下，中國政府審時度勢，統(tǒng)籌兼顧，為了應(yīng)對金融危機全面實施一攬子計劃：一是實行積極的財政政策，開啟四萬億投資計劃拉動內(nèi)需，在基建、民生等領(lǐng)域投資拉動作用顯著；針對企業(yè)經(jīng)營困難和外需萎縮，實施結(jié)構(gòu)性減稅，提高出口退稅率，降低企業(yè)負擔(dān)。二是實施積極的貨幣政策，增加貨幣供給，降低再貼現(xiàn)率，為市場提供流動性的同時，提高法定存款準(zhǔn)備金率，提升防風(fēng)險能力。

采用靜態(tài)箱法—氣象色譜法[14]對采集的氣樣進行成分分析。溫室氣體排放通量是指單位時間通過某單位面積界面輸送的物理量, 正值表示氣體從土壤排放到大氣, 負值表示土壤吸收大氣中的該氣體。用公式可表示為:

M為mol質(zhì)量,0V為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1 mol的體積, 0P=101.325 kPa, P為箱內(nèi)的氣壓(實測氣壓),0T為絕對溫度273.15, T為273.15加上實際所測溫度, H為箱體高度(單位為m)。默認情況下為1,為溫室氣體排放速率。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下, CO2質(zhì)量分數(shù)為44, CH4質(zhì)量分數(shù)為16, N2O質(zhì)量分數(shù)為44。

2.4土壤溫室氣體通量的影響因子測量分析

森林土壤溫室氣體通量受多種環(huán)境因子的影響,如土壤溫度、土壤濕度、土壤類型、空氣溫度、森林植被類型等, 本文主要研究土壤溫度和土壤濕度對溫室氣體通量的影響。在采樣過程中, 用手持TDR在每個箱體周圍隨機選取三個地方, 將探頭插入土壤中, 測量土壤0—5 cm的溫濕度, 取其平均值作為采樣時的土壤溫濕度。利用SPSS13.0統(tǒng)計分析軟件對三種溫室氣體通量變化做了顯著性分析; 在進行環(huán)境因子影響分析時, 分別對土壤溫度和土壤濕度與不同溫室氣體通量做Person相關(guān)系數(shù)分析, 以研究土壤溫濕度因子對于森林土壤溫室氣體的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1土壤溫度和含水量的變化

圖1顯示了4個采樣點的土壤溫度和土壤含水量的變化情況。由于4個采樣地海拔差不足100 m,且前后測量時間差在2 h以內(nèi), 因此A—D層采樣點1—5 cm深土壤溫度間差異不明顯(p＞0.05)。四處采樣點土壤溫度最高值均出現(xiàn)在8月上旬, 達30 ℃以上。而由于受到雨水沖刷以及山體自身坡度的影響,山體由上而下土壤粘性增加, 土壤持水能力增強[15],土壤含水量隨坡度的增加而減小(A—D采樣點坡度分別為37.2°、28.1°、14.8°、12.5°)。四處采樣點土壤0—5 cm含水量出現(xiàn)明顯差異(p＜0.05), 含水量從高到低表現(xiàn)為D 采樣點＞C采樣點＞B采樣點＞A采樣點。土壤含水量最低的A采樣點波動較為平緩, 其波動范圍在2.32%—12.98%之間; 最高的D采樣點含水量變化較大, 波動范圍在7.34%—42.69%之間。

3.2土壤溫室氣體通量的時空變化

多項研究表明, 森林土壤呼吸具有明顯的時空動態(tài)變化特征[16–17]。圖2顯示了2013年3月至11月觀測期間天目常綠落葉闊葉混交林不同海拔梯度3種溫室氣體總的通量變化。CO2排放量從高到低依次是: D采樣點＞A采樣點＞C采樣點＞B采樣點(D采樣點平均總的排放量為(95.66±14.3) mgC·m–2·h–1, A采樣點為(78.99±13.3) mgC·m–2·h–1, C采樣點為(63.71±9.7) mgC·m–2·h–1, B采樣點為(40.80±7.3) mgC·m–2·h–1), 除了B和D間的排放量存在極顯著地差異外(p＜ 0.01), 其余各層次間均沒有明顯變化(p＞0.05)。CH4的排放表現(xiàn)為負值, 表明生態(tài)系統(tǒng)從外界吸收CH4, 其中A采樣點CH4吸收量最大(–39.06±12.4) μgC·m–2·h–1(p＜0.01), D采樣點吸收量最低(–4.53±6.7) μgC·m–2·h–1(p＜0.01), 分別與B、C采樣點存在顯著差異(p＜ 0.01)。但是N2O總體排放量在4個不同海拔間均沒有明顯變化。

圖3為2013年3月至11月的觀測期間天目常綠落葉闊葉混交林土壤溫室氣體通量各月變化情況。A、B、C和D四個不同海拔梯度對溫室氣體排放的影響各不相同, 除了對N2O沒有顯著影響外(p＞0.05), 不同海拔梯度對CH4和CO2的吸收/排放均有著顯著的影響(p＜0.05), 但各海拔層次間又有差異。CO2作為該地區(qū)的排放源, 季節(jié)變化明顯,其總體排放特征表現(xiàn)為夏季＞春季＞秋季(其中夏季平均總的排放量為2609.3 mgC·m–2·h–1, 春季為1123.5 mgC·m–2·h–1, 秋季為723.9 mgC·m–2·h–1)。多項研究指出, 土壤溫度和土壤濕度是影響土壤CO2排放的重要環(huán)境因子[16,18], 夏季由于土壤溫度高和濕度大, 植物根系的呼吸作用加強, 微生物的活動劇烈。四處采樣點土壤CO2通量從大到小表現(xiàn)為D采樣點＞A采樣點＞C采樣點＞B采樣點。除了B、D采樣點間的排放量存在極顯著地差異外(p＜0.01),其余各采樣點間均沒有明顯變化(p＞0.05)。D采樣點由于土壤含水量以及土壤溫度高于同期其它三處,故其CO2通量要高于其它三處, 7月9日達到最高值為206.47 mgC·m–2·h–1。而A采樣點CO2通量最高值為6月24日的192.45 mgC·m–2·h–1, 高于B、C兩點。分析原因, 6月溫度較高, 平均溫度為23℃, 土壤水分也為全年最高, 土壤呼吸及微生物活動較強,因此排放量也隨之達到較高水平[19]。

圖1 土壤0—5 cm溫度與濕度變化特征Fig. 1 Temperature and moisture variation in 0-5 cm soil

圖2 不同梯度3種溫室氣體的變化特征Fig. 2 The variation of three kinds of greenhouse gases at different gradient

觀測期間, CH4整體表現(xiàn)為吸收匯, 但其波動范圍較大, 土壤對于CH4的吸收速率表現(xiàn)為夏季＞春季＞秋季(其中夏季平均總的吸收通量為–715.4 μgC·m–2·h–1,春季為–284.7 μgC·m–2·h–1, 秋季為–263.6 μgC·m–2·h–1),與董云社[20]研究結(jié)果相似。研究期間恰好觀測到土壤溫度的最高值30.95 ℃, 和土壤含水量最低值2.37%都出現(xiàn)在8月, 且CH4排放在該月也高達55.02 μgC·m–2·h–1, 說明高溫和適當(dāng)?shù)乃质峭寥老难趸髿庵蠧H4的基本條件。同時由于溫度升高, 土壤內(nèi)CH4細菌活性增強, 加快了CH4的氧化分解速度[21]。因此夏季CH4吸收量達到最高值138.78 μgC·m–2·h–1。通過對四個采樣點土壤CH4通量對比發(fā)現(xiàn), 土壤對CH4吸收速率表現(xiàn)為A采樣點＞C采樣點＞B采樣點＞D采樣點。A采樣點吸收量最大為138.78 μgC·m–2·h–1(p＜0.01), D采樣點的吸收量最低為4.53 μgC·m–2·h–1(p＜0.01)。D層濕度較高時, 土壤空氣減少, 土壤O2供應(yīng)減少, CH4氧化細菌受到不同程度限制, 從而減少了土壤對CH4的吸收[18]。B、C兩層采樣點之間的吸收量沒有明顯變化(p＞0.05)。

圖3 土壤CO2、CH4和N20通量變化特征Fig. 3 Soil CO2, CH4and N20 flux variation

N2O整體表現(xiàn)為排放源, 相比于CO2和CH4, N2O通量在觀測期內(nèi)季節(jié)變化并不十分明顯, 整體雖呈現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季(其中夏季平均總的排放量為287.1 μgN·m–2·h–1, 秋季為168.9 μgN·m–2·h–1,春季為146.7 μgN·m–2·h–1), 但季節(jié)變化差異較小。研究表明, 土壤內(nèi)硝化微生物活動的適宜溫度為15—35 ℃, 反硝化微生物所要求的適宜溫度為5—75 ℃[22],本研究觀測時間段內(nèi)土壤溫度多處于兩種細菌所適溫度以內(nèi), 故溫度對其影響不大。A、B、C和D四個不同海拔梯度間N2O的排放量均沒有明顯變化,但各采樣點N2O通量峰值均出現(xiàn)在夏季, 且2013年6月由于降水較多, 平均土壤含水量在10.51—39.26%之間, 為全年最高。研究表明[20], 土壤水分的增加促進了土壤中反硝化微生物的反硝化作用,增加土壤N2O的排放; 但水分含量增加到一定程度時, 土壤中毛管孔隙幾乎全部充滿水, 阻塞了土壤空氣和大氣的交換渠道, N2O的排放量也將降低。因此6月24日A采樣點N2O通量為30.45 μgN·m–2·h–1,為全年最高; 其次為7月9日B采樣點N2O通量為16.9 μgN·m–2·h–1。8月20日C、D采樣點分別達到16.92 μgN·m–2·h–1和17.6 μgN·m–2·h–1, 由于C、D兩處采樣點地勢較低, 土壤含水量較高, 因此N2O排放速率大大降低。

4 討論

4.1土壤溫室氣體與土壤溫濕度的相關(guān)性分析

4.1.1 CO2通量與土壤溫濕度的相關(guān)性分析

對四處樣地土壤CO2通量與0—5 cm土壤溫度和土壤濕度做相關(guān)性分析(表1), 結(jié)果表明, 研究區(qū)土壤溫度與土壤濕度均與土壤CO2通量呈一定的相關(guān)性。土壤0—5 cm溫度的相關(guān)系數(shù)高于土壤0—5 cm濕度的相關(guān)系數(shù), 其中A、B和D采樣點土壤溫度同土壤CO2通量呈顯著性相關(guān)(p＜0.05), 說明土壤溫度對CO2通量的貢獻較大, 是該研究區(qū)土壤CO2通量的重要影響因子。此外土壤濕度也對土壤CO2通量產(chǎn)生一定程度影響, 這與劉源月[23]、李雅紅[24]等人對于天目山森林土壤呼吸的研究結(jié)果相一致。對比四處采樣點土壤濕度與CO2通量的相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)各采樣點間差異不明顯。研究表明, 土壤溫度與濕度是是影響土壤呼吸變化的主要環(huán)境因子,二者的交互作用可以解釋土壤呼吸變化的67.5%—90.6%[23,25]本研究表明無論土壤在干旱還是高濕情況下, 土壤溫度均為該研究區(qū)森林土壤CO2通量重要影響因子。但是, CO2通量除了受土壤溫濕度的影響外還受到土壤本身的一些理化性質(zhì), 如土壤酶活性等。因此, 在研究環(huán)境因子對土壤CO2通量的影響過程中, 應(yīng)該更多的注重土壤呼吸本質(zhì)變化的土壤理化及生化性質(zhì), 為深入研究土壤釋放CO2機理提供理論依據(jù)。

表1 四處采樣點土壤CO2通量同土壤0—5 cm溫度和濕度相關(guān)系數(shù)Tab. 1 Four sampling sites of soil CO2flux with temperature and humidity of soil 0-5 cm correlation coefficient

4.1.2 CH4通量與土壤溫濕度的相關(guān)性分析

對四處采樣點土壤CH4通量和0—5 cm土壤溫度和土壤濕度做相關(guān)性分析, 結(jié)果如表2所示。四處樣地土壤溫度均同土壤CH4通量呈負相關(guān)關(guān)系,即在一定范圍內(nèi), 溫度的升高將會導(dǎo)致CH4排放通量的降低, 主要是因為溫度增強了CH4細菌的生物活性[14]。但是CH4對溫度的適應(yīng)也有一個閾值, 當(dāng)大氣CH4和O2擴散進入土壤的速率等于土壤中CH4和O2消耗的速率時, 大氣CH4氧化達到最大值, 此時的土壤溫度就是CH4氧化的最佳溫度。超過或者低于這個閾值將都會對CH4的吸收或排放速率產(chǎn)生影響[21]。其中A和D采樣點呈顯著性負相關(guān), 但B和C采樣點相關(guān)性未達到顯著水平, 這表明土壤溫度是影響天目山森林土壤A和D采樣點CH4通量的重要環(huán)境因子, 而B和C兩個采樣點可能受兩者共同或者其它因素影響, 將有待進一步研究。

表2 四處采樣點土壤CH4通量同土壤0—5 cm溫度和濕度相關(guān)系數(shù)Tab. 2 Four sampling sites of soil CH4flux with temperature and humidity of soil 0-5 cm correlation coefficient

四處采樣點土壤濕度與CH4通量的相關(guān)性差異較大, 其中A采樣點呈顯著性負相關(guān), B采樣點呈現(xiàn)出較弱的負相關(guān), C與D采樣點呈正相關(guān), 說明在海拔較高的A、B兩個采樣點, 土壤濕度限制了土壤CH4的排放, 但是隨著海拔的降低, 土壤濕度的增大促進了CH4的排放。Henckel[18]等人的研究表明, CH4的氧化同土壤水分有密切的關(guān)系, 過低的含水量抑制CH4的氧化菌活性, 而過高的含水量則限制CH4和O2的擴散。本研究中A采樣點由于其土壤含水量一直處于較低水平(2.32%—12.98%), 因此, 水分條件是土壤CH4通量的重要限制因子, 故該處土壤濕度同CH4通量呈現(xiàn)顯著性負相關(guān); 而C、D兩處樣地土壤含水量一直處于較高水平(最高值分別可達到35.66%和42.69%)。由于濕度增加, 土壤水填充土壤孔隙導(dǎo)致土壤空氣擴散受阻, CH4氧化細菌受到限制, 從而降低了土壤對CH4的吸收, 出現(xiàn)土壤CH4的吸收速率隨濕度升高而降低的結(jié)果。B采樣點由于土壤濕度變化范圍較大, 在3.03%—19.80%。綜上所述, 土壤濕度較低或較高均會影響到土壤CH4通量。

4.1.3 N2O通量與土壤溫濕度的相關(guān)性分析

將四個采樣點土壤N2O通量分別同土壤溫度與濕度做相關(guān)性分析, 兩組相關(guān)性系數(shù)在不同層采樣點間差異較大(如表3)。土壤溫度同A和B處土壤N2O通量相關(guān)性不明顯, 但同C和D兩處呈現(xiàn)顯著性正相關(guān)關(guān)系。相關(guān)研究表明溫度是影響土壤N2O通量的重要因子[26]。隨著溫度的增加, 土壤中硝化與反硝化微生物活性增強, 從而促進N2O的產(chǎn)生。根據(jù)氣象局資料可知浙江等地2013年7、8月份出現(xiàn)了大范圍的持續(xù)高溫、干旱天氣, 從圖1中可以看出A、B兩處土壤含水量均下降到15%以下, 這表明在土壤含水量較低而溫度較高時, 含水量對呼吸速率具有抑制作用[12], 而此時溫度并不是土壤N2O通量的重要限制因子。

土壤濕度同A和B處土壤N2O通量的相關(guān)性均達到顯著, 甚至是極顯著的水平, 而同C、D兩處相關(guān)性不明顯。這是因為本研究中A和B兩處樣地土壤濕度整體較低, 均小于20%, 土壤通氣性較好。此種情況下硝化作用是產(chǎn)生的N2O的主要來源, 此時土壤濕度是N2O排放的重要限制因素, 隨著土壤水分的增加N2O的排放量逐漸增加。C、D兩處樣地濕度較大, 在這種情況下土壤中O2供給受到限制,此時反硝化作用所產(chǎn)生的N2O比例提升。但隨著土壤含水量的升高, 反硝化過程中產(chǎn)生的N2比例逐步增加, N2O的排放量逐漸降低, 因此, 在土壤濕度較高的情況下, 土壤濕度并不能同N2O的排放呈極顯著的正相關(guān)[27]。

表3 四處采樣點土壤N2O通量同土壤0—5 cm溫度和濕度相關(guān)系數(shù)Tab. 3 Four sampling sites of soil N2O flux with temperature and humidity of soil 0-5 cm correlation coefficient

5 結(jié)論

本文以天目山常綠落葉闊葉混交林不同梯度的土壤為研究對象, 利用靜態(tài)箱-氣象色譜法研究了土壤中溫室氣體CO2、CH4和N2O的時空變化特點, 并分析了土壤溫濕度對其產(chǎn)生的影響, 得到以下結(jié)論: 1)CO2和N2O表現(xiàn)為土壤的排放源, CH4為大氣的吸收匯; 2)CO2受土壤溫度影響較大, CH4對土壤溫度和濕度較為敏感, 其吸收通量隨溫度的升高和濕度的降低而增大; 3)N2O通量在海拔較低地區(qū)受溫度影響較大, 高海拔地區(qū)則受濕度影響較多。

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3.Key Laboratory of Eco-environments of Three Gorges Reservoir Region,Ministry of Education,Southwest University,

Chongqing400715,China

4.Research Center for Eco-Environmental Sciences,Chinese Academy of Sciences,Beijing100085,China

The special-temporal characteristics of greenhouse gas emission in the mixed broadleaved evergreen and deciduous forest soil were measured using static chamber gas chromatograph technique to study in Tianmu Mountain Nature Reserve. The observational results from March to November in 2013 showed that the seasonal variations of CO2and CH4emissions were more consistent during the period of observations. The seasonal variations of the two kinds of greenhouse gases emissions fluxes were summer ＞ spring ＞ autumn. But N2O was little different, which was summer ＞ autumn ＞ spring. CO2and N2O werethe emission sources from the mixed broadleaved evergreen and deciduous forest soil; on the contrary, CH4was as a sink for atmosphere. From top to bottom of hill, the soil was divided into A, B, C, D four sampling sites at different gradients. CO2flux emission amount was found as D sampling site ＞ A sampling site ＞ C sampling site ＞ B sampling site. For CO2emission flux, based on the statistical analyses, except B and D sampling sites were different extremely significantly (p＜0.01); there was no significant change between the rest of the sampling sites (p＞ 0.05). Soil CH4uptake rate was found as A sampling site ＞ C sampling site ＞ B sampling site ＞ D sampling site. A sampling site was the most soil CH4(p＜0.01), D was the least (p＜0.01), but there was no significant difference between B and C sampling sites (p＞ 0.05). The soil N2O flux emission rates were found as A sampling site ＞ C sampling site ＞ B sampling site ＞ D sampling site, There were no significant differences over all in N2O among the four different emission flux gradients. Through correlation analysis between forest soil temperature, humidity and greenhouse gas emission flux respectively at different gradients, the results showed that temperature was the main impact factor for CO2flux in the mixed broadleaved evergreen and deciduous forest in Tianmu Mountain Nature Reserve. CH4absorption increased with soil temperature and decreased with soil water content. Also, we found there were continuous high temperature and drought conditions in July and August, which had big influences on N2O. As a consequence, both temperature and humidity at this stage were as the main impact factors of N2O flux even the relationship among N2O flux and soil temperature and humidity were relatively complex for the whole observation period.

Tianmu Mountain; mixed broadleaved evergreen and deciduous forest; emission flux; greenhouse gases; forest soil

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.05.010

Q945.79, S718.5

A

1008-8873(2016)05-065-08

孫文文, 江洪, 陳曉峰, 等. 天目山常綠落葉闊葉混交林土壤溫室氣體排放特點[J]. 生態(tài)科學(xué), 2016, 35(5): 65-72.

SUN Wenwen, JIANG Hong, CHEN Xiaofeng, et al. The characteristics of greenhouse gas emission in the mixed broadleaved evergreen and deciduous forest in Tianmu Mountain soil[J]. Ecological Science, 2016, 35(5): 65-72.

2015-08-14;

2015-10-31

國家自然科學(xué)基金資助項目(41171324); 中科院-挪威研究理事會合作項目(RCN.proj.no.209696/E10,中科院GBHZ1205); 國家林業(yè)局森林生態(tài)系統(tǒng)定位站研究網(wǎng)絡(luò)天目山定位站建設(shè)和運行項目(102/2045210480)

孫文文(1988—), 女, 湖北安陸人, 碩士, 主要從事生理生態(tài)及全球變化研究, E-mail: lavender915@126.com

*通信作者: 江洪, 男, 博士, 教授, 主要從事全球變化, 定量環(huán)境遙感研究, E-mail: jianghong_china@hotmail.com