西南喀斯特地區(qū)灌叢林土壤CO2、CH4通量研究

房?彬, 李心清, 張立科, 程建中, 王?兵, 程紅光, 楊?放

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西南喀斯特地區(qū)灌叢林土壤CO2、CH4通量研究

房?彬1,2, 李心清1*, 張立科1,2, 程建中1, 王?兵1, 程紅光1, 楊?放1,2

(1. 中國(guó)科學(xué)院 地球化學(xué)研究所 環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴州 貴陽(yáng)?550002; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京?100049)

灌叢林生態(tài)系統(tǒng)是西南喀斯特地區(qū)廣泛分布的生態(tài)系統(tǒng)類型, 在區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和碳平衡中有重要作用。為估算亞熱帶喀斯特地區(qū)CO2和CH4源匯現(xiàn)狀, 評(píng)價(jià)灌叢林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)溫室效應(yīng)的影響, 以貴陽(yáng)市開(kāi)陽(yáng)縣灌叢林為研究對(duì)象, 采用靜態(tài)箱-氣相色譜法觀測(cè)CO2和CH4通量的季節(jié)變化。對(duì)2010年12月到2012年1月的觀測(cè)結(jié)果分析表明, 灌叢林地土壤表現(xiàn)為CO2的釋放源和CH4的吸收匯, CO2通量的變化范圍為33.20～1106.75 mg/(m2·h), 年平均通量為342.98 mg/(m2·h); CH4通量的變化范圍為–206.14～–59.85 μg/(m2·h), 年平均通量為–103.22 μg/(m2·h)。CO2排放通量和CH4吸收通量均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化規(guī)律, 兩者最高值均出現(xiàn)在夏季, 不同的是CO2排放通量最低值出現(xiàn)在12月, 而CH4吸收通量最高值則出現(xiàn)在11月。土壤溫度和土壤濕度是影響灌叢林土壤CO2通量的主要因子, 雙因素模型(=eW)較好擬合了土壤溫度和土壤濕度對(duì)土壤呼吸的影響, 兩者共同解釋了CO2通量變化的81.4%。土壤CH4吸收通量與溫度存在顯著正相關(guān)關(guān)系, 其中5 cm土壤溫度同CH4吸收通量相關(guān)性最好, 但溫度超過(guò)一定閾值時(shí), 兩者相關(guān)性降低。土壤CH4吸收通量與土壤濕度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系表明, 水分是土壤氧化CH4的重要限制因子。

土壤; CO2通量; H4通量; 溫度; 濕度; 喀斯特地區(qū)

0 引 言

CO2和CH4是大氣中最重要的兩種溫室氣體, 兩者溫室效應(yīng)之和占溫室氣體總效應(yīng)的75%[1]。世界氣象組織2011年在《溫室氣體公報(bào)》中指出, 大氣CO2濃度在過(guò)去10年以每年2.0 μg/g的速度增長(zhǎng), 至2010年達(dá)到389.0 μg/g, 比工業(yè)革命前增長(zhǎng)了39%; 大氣CH4濃度則由工業(yè)革命前的700 ng/g 增加到1808 ng/g[2]。由溫室氣體濃度升高帶來(lái)的全球變化已成為人們關(guān)注的重大科學(xué)問(wèn)題之一[3]。

土壤碳收支在陸地碳收支中占主導(dǎo)地位, 是全球碳循環(huán)的重要組成部分。土壤呼吸是大氣CO2的重要來(lái)源, 全球土壤碳庫(kù)每年向大氣的碳輸出高達(dá)(98±12) Pg, 是化石燃料燃燒排放量的10倍[4]。另一方面, 土壤還是CH4的一個(gè)重要匯, 每年消耗大氣30 Tg CH4, 約占全球CH4匯的6%[5–6], 對(duì)調(diào)節(jié)大氣CH4的總量有重要意義?，F(xiàn)階段土壤對(duì)CH4消耗量的減少是造成CH4源匯不平衡的一個(gè)重要因素[7]。森林土壤碳庫(kù)占全球土壤碳庫(kù)的73%[8], 在維持全球碳平衡和調(diào)節(jié)氣候方面具有不可替代的作用; 森林土壤也是陸地生態(tài)系統(tǒng)中大氣CH4的一個(gè)重要的匯[9]。目前對(duì)于森林土壤CO2和CH4通量的研究主要集中在溫帶地區(qū)的針闊葉林[10–11], 以及亞熱帶地區(qū)的季風(fēng)林、混交林和馬尾松林[12–13]等喬木林, 對(duì)占全國(guó)森林面積21.9%[14]的灌叢林CO2和CH4通量的研究還比較少[15]。

中國(guó)西南喀斯特地區(qū)特殊的地質(zhì)背景造就了其生態(tài)環(huán)境的脆弱性和敏感性, 由于活躍的生物過(guò)程和化學(xué)過(guò)程, 喀斯特地質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用[16]。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié), 喀斯特地區(qū)土壤碳收支及其對(duì)溫度和降水的響應(yīng)需要深入研究。灌叢林是西南喀斯特地區(qū)面積較大的生態(tài)系統(tǒng), 以貴州為例, 灌叢林約占國(guó)土面積的9.48%[17],在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支中有重要作用。本次工作擬以亞熱帶喀斯特地區(qū)灌叢林地為研究對(duì)象, 通過(guò)一年時(shí)間對(duì)地表CO2、CH4通量及相關(guān)環(huán)境因子的觀測(cè)結(jié)果, 分析灌叢林地CO2、CH4通量變化規(guī)律, 找出影響其變化的關(guān)鍵因子, 為估算亞熱帶喀斯特地區(qū)CO2、CH4源匯現(xiàn)狀, 評(píng)價(jià)灌叢林生態(tài)系統(tǒng)溫室效應(yīng)提供依據(jù)。具體目標(biāo)包括: (1)測(cè)定灌叢林地土壤CO2、CH4通量, 闡明季節(jié)變化特征,估算年均通量; (2)分析CO2、CH4通量季節(jié)變化與環(huán)境因子主要是土壤溫度和濕度的關(guān)系; (3)討論CO2排放通量和CH4吸收通量之間的關(guān)系。

1?研究區(qū)域概況

研究地區(qū)位于貴州省貴陽(yáng)市開(kāi)陽(yáng)縣, 地理位置為107°02′49.3″E, 27°00′39.7″N, 海拔1130 m。地貌上, 屬于云貴高原東側(cè)梯狀斜坡地帶, 附近喀斯特發(fā)育較為典型。氣候類型屬亞熱帶季風(fēng)性溫潤(rùn)氣候,四季分明, 年均氣溫介于10.6～15.3℃之間, 最熱為7月, 平均溫度22.3 ℃, 最低溫度為1月, 平均氣溫2.0 ℃; 雨水充沛, 全年降水量926.5～1419.2 mm,降水多集中在夏季,雨季平均為180 d。全年日照時(shí)數(shù)898.1～1084.7 h, 其中夏季日照時(shí)數(shù)占全年39%。觀測(cè)點(diǎn)位于一處山坡上, 山體巖石類型主要是石灰?guī)r和白云巖, 山坡上灌木覆蓋度較好, 優(yōu)勢(shì)物種為火棘、小果薔薇和薄葉鼠李, 灌叢中偶見(jiàn)刺杉、柏樹(shù)和松樹(shù)等喬木, 此外還有一些蕨類和苔蘚。土壤類型為石灰土, 土壤發(fā)育不完全, 夾雜礫石較多, 容重1.59 g/cm3, pH 7.96, 表層土壤有機(jī)質(zhì)含量104.2 g/kg, 全氮含量7.08 g/kg, 有效磷含量4.06 mg/kg。

2?研究方法

2.1?氣體采集、測(cè)定和通量計(jì)算

本研究選取山坡灌叢林地內(nèi)原狀土壤作為樣地, 土壤溫室氣體通量監(jiān)測(cè)時(shí)間為2010年12月到2012年1月, 觀測(cè)頻率為每月兩次, 兩次觀測(cè)間隔為15 d, 共觀測(cè)24次, 基本涵蓋了本地區(qū)的土壤溫度和含水量的季節(jié)變化范圍。觀測(cè)時(shí)間從上午8:00持續(xù)到下午6:00, 每2 h測(cè)定1次, 共測(cè)定6次, 每次測(cè)定設(shè)3個(gè)重復(fù)。為保證實(shí)驗(yàn)平行性, 每次采樣過(guò)程中盡量不破壞原位土壤環(huán)境條件, 且采樣點(diǎn)位置在觀測(cè)期間保持固定。

采用較為常用的密閉靜態(tài)箱法進(jìn)行土壤呼吸的監(jiān)測(cè), 具體操作是, 將不透明有機(jī)玻璃密閉箱(箱體大小約為30 cm × 30 cm × 50 cm, 頂部有小電扇和采氣孔)罩在提前安置好的基座上?；显O(shè)有密封水槽, 采樣時(shí)注水以避免箱內(nèi)氣體和外界的交換。在密封通量箱后的0、5、10、15和20 min分別抽取箱內(nèi)氣體30 mL注入提前抽成高真空的labco 12 mL頂空進(jìn)樣瓶, 氣體樣品送回實(shí)驗(yàn)室后用氣相色譜儀(Agilent 7890A)測(cè)定CO2和CH4的濃度。CO2和CH4檢測(cè)器均為FID(火焰原子化檢測(cè)器), 檢測(cè)器溫度為250 ℃, 載氣是高純氮?dú)?99.999%), 柱箱溫度為60 ℃。采用下式計(jì)算土壤CO2和CH4通量(mg/(m2·h)):

式中:為CO2或CH4通量(mg/(m2·h)); 60和100為單位換算系數(shù);0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CO2或CH4密度(g/L);為采樣箱氣室的高度(cm);為采樣點(diǎn)的氣壓;0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣壓力(1.013×105Pa);0為絕對(duì)溫度273.15 K;a為采樣時(shí)箱內(nèi)平均氣溫(℃); dc/d為采樣箱內(nèi)CO2或CH4濃度(μL/L)對(duì)時(shí)間(min)的變化率, 正值表示排放, 負(fù)值表示吸收。

在每次監(jiān)測(cè)土壤呼吸的同時(shí), 記錄箱內(nèi)溫度、土壤5 cm溫度以及大氣壓力。溫度用水銀溫度計(jì)讀取, 大氣壓力由DYM3便攜式數(shù)字大氣壓力表測(cè)定。

2.2?影響土壤溫室氣體通量環(huán)境因子分析

土壤CO2和CH4通量大小與多種環(huán)境因子有關(guān), 如土壤溫度、土壤濕度、C/N比率、大氣溫度、植被類型和土地利用方式等[6,18]。本研究主要分析土壤溫度和土壤濕度對(duì)CO2和CH4通量的影響。氣溫和土壤5 cm處溫度在采樣開(kāi)始和結(jié)束時(shí)讀取; 土壤體積含水量(0～10 cm)在每次采樣后由烘干法測(cè)定, 土壤容重測(cè)定用環(huán)刀法。土壤理化分析樣品取自0～10 cm土層, 除硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和含水量測(cè)定用新鮮土外, 其余土壤樣品室內(nèi)風(fēng)干, 過(guò)篩。土壤基本理化性質(zhì)參照土壤農(nóng)化分析方法[19]測(cè)定: 硝態(tài)氮測(cè)定采用酚二磺酸比色法, 銨態(tài)氮測(cè)定采用KCl浸提-靛酚藍(lán)比色法,土壤pH值采用電位法(水土比5︰1), 以上各種理化性質(zhì)每月測(cè)定兩次。此外, 有機(jī)質(zhì)含量采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法, 有效磷采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法(olsen法), 土壤總氮用元素分析儀(PE2400, 美國(guó), PE公司)測(cè)定。

2.3?數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理, SPSS16.0軟件做統(tǒng)計(jì)分析, 圖形的繪制采用Sigmaplot 10.0。

為了分析土壤CO2通量與土壤溫濕度變化的關(guān)系, 我們采用雙因素關(guān)系模型[20]進(jìn)行擬合:

式中:為土壤CO2通量(mg/(m2·h)),為土壤5 cm溫度(℃),為土壤(0～10 cm)體積含水量(%),、和為待定系數(shù)。

10通過(guò)下式確定[20]:

Q

10

= e

10β

(4)

其中,、為待定系數(shù)。

每個(gè)采樣日三塊樣地共18次重復(fù)測(cè)定加以平均得出通量日均值, 每月測(cè)定的兩次通量日值的平均值代表該月平均, 通過(guò)累加計(jì)算求得當(dāng)年CO2和CH4年通量。

3?結(jié)果與分析

3.1?灌叢林地土壤CO2和CH4通量變化規(guī)律

3.1.1 CO2通量變化規(guī)律

2010年12月到2012年1月的觀測(cè)期間, 研究區(qū)CO2通量的季節(jié)變化十分明顯, 呈現(xiàn)夏秋季高于冬春季的季節(jié)動(dòng)態(tài), 與土壤溫度的變化趨勢(shì)大體一致(圖1), 最大值(1106.75 mg/(m2·h))出現(xiàn)在2011年8月上旬, 最小值(33.20 mg/(m2·h))出現(xiàn)在2011年12月下旬, 全年表現(xiàn)為CO2的源, 由觀測(cè)期內(nèi)CO2通量平均值(342.98 mg/(m2·h))換算得出研究區(qū)年均CO2通量為3.00×104kg/(hm2·a)(圖2)。2010年12月到2011年6月, 土壤CO2通量總體呈上升趨勢(shì); 7月份受土壤含水量降低影響, 通量出現(xiàn)低值; 8月份適宜的水熱條件促使CO2通量迅速升高至全年最高值; 之后由于持續(xù)的嚴(yán)重干旱, 8月下旬到9月下旬, 呼吸速率急劇下降至低谷; 10月以后, 由于降雨補(bǔ)充土壤水分,使土壤呼吸速率增大至峰值; 10月和11月CO2通量有兩次較大波動(dòng), 但含水量并沒(méi)有大的變化, 這是溫度波動(dòng)影響所致。2011年11月以后, 溫度不斷下降, CO2通量隨之降低。本研究的土壤呼吸季節(jié)動(dòng)態(tài)較一般報(bào)道的單峰型動(dòng)態(tài)要復(fù)雜, 這主要是在連續(xù)觀測(cè)1年中天氣出現(xiàn)異常, 2011年7月到9月出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的干旱, 土壤溫度和水分這兩個(gè)決定土壤呼吸的主要因素變化不協(xié)調(diào)。

圖1?土壤溫度及含水量季節(jié)變化

圖2?土壤CO2、CH4通量季節(jié)變化

3.1.2 CH4通量變化規(guī)律

本研究觀測(cè)結(jié)果(圖2)表明, 山坡灌叢林地土壤CH4通量的變化幅度為-206.14～-59.85 μg/(m2·h), 全年均表現(xiàn)為CH4的匯, 根據(jù)觀測(cè)期內(nèi)通量平均值-103.22 μg/(m2·h)換算得出土壤CH4年通量為-9.04 kg/(hm2·a)。從全年變化看, 山坡灌叢林地土壤CH4通量季節(jié)變化并不十分明顯, 夏季平均吸收速率最高, 秋季最低, 春季和冬季介于兩者之間。從時(shí)間分布上看, 土壤CH4吸收通量最小值(59.85 μg/(m2·h))出現(xiàn)在秋末的11月。此后吸收通量在100 μg/(m2·h)上下波動(dòng), 沒(méi)有明顯趨勢(shì)性變化。4月下旬至8月下旬, CH4吸收通量處于全年中的高峰期, 出現(xiàn)了3個(gè)峰值, 并且高低波動(dòng)較大, 其中7月的吸收峰值為全年最大值(206.14 μg/(m2·h)), 土壤CH4匯的作用達(dá)到最大。

3.2 灌叢林地土壤CO2和CH4通量的影響因子

3.2.1 土壤CO2通量影響因子

土壤溫度和濕度是影響土壤呼吸的環(huán)境因子中最重要的兩個(gè)因素[18]。由圖1和圖2可以看出, CO2通量與土壤溫度的季節(jié)動(dòng)態(tài)總體保持一致, 統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示, CO2通量與土壤溫度和大氣溫度均有極顯著指數(shù)正相關(guān)關(guān)系(2=0.610、0.640), 表明溫度是影響灌叢林土壤CO2通量的主要環(huán)境因子。10通常被用來(lái)指示土壤呼吸對(duì)溫度變化響應(yīng)的敏感程度[21]。根據(jù)式3和式4, 本研究中喀斯特灌叢林地土壤10值為2.12, 高于喀斯特地區(qū)馬尾松林地[22], 但低于鼎湖山地區(qū)的亞熱帶林地[12]。Luo.[21]發(fā)現(xiàn)10值隨著溫度升高而下降, 周存宇等[12]的研究也表明土壤呼吸對(duì)溫度的敏感程度在較低溫度下要高于較高溫度時(shí)。在本研究中土壤溫度與土壤呼吸之間有類似情況(圖3), 即溫度較低時(shí), CO2通量值對(duì)應(yīng)的點(diǎn)聚集在擬合線附近, 但隨著溫度升高則發(fā)散開(kāi)來(lái), 表明溫度較低時(shí)土壤呼吸受溫度影響較顯著。在溫度較高時(shí), 其他因素對(duì)土壤呼吸的影響不容忽視。

圖3?土壤CO2通量與土壤溫度的關(guān)系

從全年看, 土壤濕度對(duì)土壤呼吸的影響并不顯著, 可能是由于受土壤溫度作用掩蓋, 無(wú)法單獨(dú)區(qū)分土壤濕度的作用, 但2011年6月到9月期間, 土壤濕度較低時(shí), 土壤濕度對(duì)土壤呼吸的限制影響明顯。本研究采用雙因素模型(式2)分析土壤溫度和濕度兩者對(duì)土壤呼吸的共同影響, 結(jié)果顯示兩者共同解釋了土壤CO2通量的81.4%, 相比單一變量模型(式3), 這一模型能更好預(yù)測(cè)土壤呼吸(表1), 這與同樣采用雙因素模型解釋亞熱帶季風(fēng)氣候下土壤呼吸季節(jié)變化64%～90%的研究結(jié)果相似[23]。對(duì)于具有典型亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候的西南喀斯特地區(qū), 氣溫季節(jié)變化大且降雨分配不均, 雙因素模型擬合土壤溫度和濕度估測(cè)土壤呼吸的季節(jié)變化更具有適用性。

3.2.2 土壤CH4通量影響因子

從圖1和圖2中可以看出, CH4吸收通量隨溫度升高而增大。分別將CH4吸收通與氣溫及土壤5 cm溫度做相關(guān)分析發(fā)現(xiàn), CH4吸收通量和土壤5 cm溫度表現(xiàn)為極顯著相關(guān)(2=0.288,＜0.01), 與氣溫表現(xiàn)為顯著相關(guān)(2=0.250,＜0.05)。CH4通量和土壤5 cm溫度相關(guān)性最高。已有研究表明, 土壤微生物氧化CH4主要發(fā)生在相對(duì)較淺的次表層土壤, 通常5～15 cm深, 此深度土壤CH4氧化菌數(shù)量最大, 活性也最強(qiáng)[24–25], 因此土壤5 cm溫度能較準(zhǔn)確反映溫度對(duì)土壤微生物的影響。溫度是土壤CH4通量的重要控制因素, 通過(guò)影響土壤微生物活性以及CH4和O2擴(kuò)散速率進(jìn)而影響土壤吸收CH4, 這與Liu.[26]對(duì)丘陵山區(qū)林地及Iqbal.[27]對(duì)農(nóng)田、林地得出的結(jié)論是一致的。

當(dāng)土壤溫度較低時(shí)(小于10 ℃), 土壤各種微生物的活性都較弱, 大氣CH4和O2擴(kuò)散進(jìn)入土壤的速率高于CH4氧化菌對(duì)CH4和O2的消耗速率, 此時(shí)溫度是CH4氧化的主要限制因素, 因而土壤溫度對(duì)CH4氧化速率有正效應(yīng)。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時(shí), CH4氧化菌的數(shù)量、活性及CH4和O2擴(kuò)散速率繼續(xù)增加, 相應(yīng)CH4氧化速率也會(huì)提高, 但由于CH4氧化菌有較強(qiáng)親和力, 所需活化能較低, 以及土壤空氣CH4濃度增加有限, 使得CH4氧化菌數(shù)量及活性增加緩慢, 使得CH4氧化速率對(duì)溫度的響應(yīng)減弱[28]。另外, 土壤中硝化細(xì)菌等微生物的生存和競(jìng)爭(zhēng)利用O2的能力強(qiáng)于CH4氧化菌, 導(dǎo)致CH4氧化菌的O2供給處于不飽和狀態(tài), 限制了CH4氧化菌的活性及自身繁殖[29], 這也是造成CH4氧化速率減小的原因。從不同溫度范圍土壤CH4吸收通量與溫度相關(guān)性(表2)來(lái)看, 溫度在-5～10 ℃之間時(shí), CH4吸收通量與溫度的相關(guān)系數(shù)最大, 當(dāng)溫度升高至10～25 ℃及25～40 ℃時(shí), 相關(guān)系數(shù)隨之逐漸降低, 差異顯著。由此可見(jiàn), 溫度對(duì)于喀斯特山地灌叢土壤CH4吸收通量的影響取決于溫度的范圍, 較低溫度范圍內(nèi), 溫度的改變對(duì)CH4吸收通量的影響更大。在本研究中, 溫度較高的9、10月份, 土壤CH4吸收通量卻處在較低范圍, 這表明溫度不是惟一主要的影響因素。

CH4和O2供應(yīng)不足通常是土壤氧化CH4的限制因素, 而水分是CH4和O2擴(kuò)散的重要限制因子[6], CH4氧化菌的活性也受土壤水分的顯著影響[30], 因而土壤水分是土壤氧化CH4的重要影響因子。全年范圍內(nèi), 土壤濕度的季節(jié)變化十分明顯, 2010年12月到2011年4月期間, 土壤濕度在32%(體積含水量,下同)上下波動(dòng), 經(jīng)偏相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)溫度是這一時(shí)期影響CH4通量的主要因子。2011年4月以后, 由于天氣干旱的原因, 土壤濕度持續(xù)降低, 加上這一時(shí)期溫度較高, 水熱條件適宜CH4的氧化, 因此夏季CH4吸收通量全年最高。進(jìn)入9、10月份以后, 由于降雨增多, 土壤濕度大幅增大, 濕度范圍為32%～43%, 平均濕度為35%, 至11月達(dá)到全年最高值, CH4吸收通量在波動(dòng)中降至全年最低值, 說(shuō)明土壤濕度是秋季CH4通量的主要限制因素。

將CH4吸收通量與土壤濕度做相關(guān)分析, 發(fā)現(xiàn)兩者呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(2=0.170,＜0.05), 表明土壤含水量增加限制了CH4和O2的擴(kuò)散, 從而抑制了CH4的氧化, 這與Werner.[31]在中國(guó)西南季節(jié)性熱帶雨林、橡膠園以及劉玲玲等[13]在亞熱帶針葉林的研究結(jié)果是一致的, 但與Liu.[26]在亞熱帶丘陵林地得出的結(jié)論相反, 造成這種差異的原因在于對(duì)不同的土壤類型, 水分對(duì)CH4通量的影響是雙重的。當(dāng)土壤含水量較低時(shí), 水分含量的提高可以減少微生物水分脅迫, 有利于CH4氧化菌發(fā)揮活性, 提高土壤CH4吸收能力; 但隨著水分含量進(jìn)一步增加, CH4擴(kuò)散受到限制, 又會(huì)抑制CH4的氧化。本研究區(qū)的土壤發(fā)育不完全, 夾雜礫石較多, 容重達(dá)到1.59 g/cm3, 總孔隙度較小(約為44.5%), 這使得水分易布滿土壤孔隙, 限制空氣擴(kuò)散, 進(jìn)而抑制CH4氧化, 因此出現(xiàn)CH4吸收通量隨土壤濕度增加而降低的現(xiàn)象。

表1?土壤CO2通量(F)與土壤溫度(T)和土壤濕度(W)的統(tǒng)計(jì)模型

表2?不同溫度范圍土壤CH4通量與氣溫及土壤溫度相關(guān)性

注: *表示相關(guān)性顯著(< 0.05), **表示相關(guān)性極顯著(< 0.01)。

表3?中國(guó)不同氣候帶林地土壤CO2、CH4年通量比較

3.3?土壤CO2排放和CH4吸收的關(guān)系

在一年的觀測(cè)期內(nèi), 土壤CO2排放速率與CH4吸收速率之間趨向呈正相關(guān)關(guān)系, 但未達(dá)顯著水平。土壤對(duì)CH4的氧化過(guò)程為純生物過(guò)程[32], 溫度能制約有機(jī)質(zhì)分解、調(diào)節(jié)CH4氧化菌活性并影響CH4和O2擴(kuò)散速率, 而水分通過(guò)影響土壤通氣狀況影響土壤吸收CH4。土壤呼吸作用主要是微生物礦化作用和植物根際呼吸, 受同樣環(huán)境因子的影響。研究區(qū)土壤CO2排放與CH4吸收呈正相關(guān)提示在今后灌叢林地碳循環(huán)研究以及溫室氣體源匯效應(yīng)評(píng)估中, 不僅要考慮CO2的排放, 還要考慮CH4的貢獻(xiàn)。

3.4 國(guó)內(nèi)不同地區(qū)林地土壤CO2、CH4通量比較

將本研究中CO2、CH4通量與國(guó)內(nèi)其他地區(qū)林地的研究結(jié)果進(jìn)行了比較(見(jiàn)表3)。從表3可知, 研究區(qū)灌叢林土壤CO2通量處于同屬于亞熱帶地區(qū)的江西千煙洲[13, 33]、廣東鼎湖山[12]的針葉林及闊葉林土壤CO2通量變化范圍之間, 高于溫帶林地[11,34], 反映出土壤CO2通量隨緯度降低而升高的趨勢(shì), 出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因除了不同區(qū)域的植被及土壤類型差異外, 可能主要原因在于低緯度地區(qū)較高的溫度更有利于土壤呼吸。旱地生態(tài)系統(tǒng)的碳收支()由土壤異養(yǎng)呼吸和凈初級(jí)生產(chǎn)力()共同決定。為精確估算生態(tài)系統(tǒng)碳收支, 必須對(duì)自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸占土壤呼吸的比例進(jìn)行量化, 這是以后喀斯特地區(qū)林地碳通量研究需要加強(qiáng)之處。從表3的對(duì)比中還可發(fā)現(xiàn), 本研究的灌叢林土壤CH4吸收通量明顯高于亞熱帶和溫帶的針葉林及闊葉林[13,35,10,36]。這種差異除了與不同研究區(qū)的氣候條件、土壤理化性質(zhì)相關(guān)外, 群落組成可能是一個(gè)重要的原因。

4?結(jié)?論

(1)全年范圍內(nèi), 喀斯特灌叢林土壤CO2排放通量和CH4吸收通量的變化幅度分別為33.20～1106.75 mg/(m2·h)和－206.14～－59.85 μg/(m2·h), CO2年均釋放通量為342.98 mg/(m2·h), CH4年均吸收通量為103.22 μg/(m2·h)。

(2)土壤溫度是影響CO2通量的主要因素, 土壤CO2通量隨溫度升高呈極顯著冪函數(shù)增加; 土壤水分對(duì)土壤CO2通量的影響不顯著, 但干旱造成的水分脅迫卻能明顯影響土壤呼吸速率;雙因素模型可以很好擬合土壤溫度和土壤濕度對(duì)土壤CO2通量的共同影響。

(3)CH4吸收通量與土壤5 cm溫度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系, 溫度越高, 越利于土壤對(duì)CH4的吸收,但隨著溫度升高二者相關(guān)性降低, 表明溫度影響CH4吸收通量的重要性會(huì)隨溫度升高而下降; CH4吸收通量受土壤濕度的限制影響明顯, 隨著土壤含水量增加, 土壤通透性變差, 進(jìn)而抑制CH4氧化。

(4)CO2排放通量及CH4吸收通量均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化規(guī)律, 受水熱條件等共同因素的影響, 兩者趨向正相關(guān)關(guān)系, 但未達(dá)顯著水平, 要進(jìn)一步確定在何種條件下形成何種關(guān)系, 還需深入研究。

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CO2and CH4fluxes from soil of scrub forest in the karst area of southwest China

FANG Bin1,2, LEE Xin-qing1*, ZHANG Li-ke1,2, CHENG Jian-zhong1, WANG Bing1, CHENG Hong-guang1and YANG Fang1,2

1. State Key Laboratory of Environmental Geochemistry, Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang?550002, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing?100049, China

Shrub forest is an important, widely distributed ecosystem type in karst area of southwest China, playing an important role in the regional carbon cycle and balance. Our objectives were to evaluate the CO2, CH4budgets of karst area of southwest China, and estimate the influence of shrub forest ecosystem on greenhouse effects. Taking shrub forest in Kaiyang country of Guizhou province as our study object, we used static enclosed chamber coupled with GC to observe the seasonal changes in soil CO2, CH4fluxes. The results showed that the forest soil performed as a source for CO2and a sink for CH4to the atmosphere; annual CO2flux ranged from 33.20 to 1106.75 mg/(m2·h) with an average of 342.98 mg/(m2·h), and annual CH4flux ranged from –206.14 to –59.85 μg/(m2·h) with an average of －103.22 μg/(m2·h). There are significant seasonal variations in both CO2emission flux and CH4absorption flux: their maximums both appeared in summer, while minimum CO2emission flux occurred in December and minimum CH4absorption flux in November. Soil temperatures and soil moistures were the two main factors regulating the soil CO2flux of shrub forest. The relationship of soil respiration rate () with soil temperature () and soil moisture () fit well with the equatione W(,,were constants). The results showed that soil temperatures and soil moistures together accounted for 81.4% of the seasonal variations in soil respiration rate. Soil CH4absorption flux increased along with the temperature, and had the highest correlation with soil temperature at the depth of 5 cm. Besides, the correlation between soil CH4absorption flux and soil temperature decreased as temperature increased. Significant negative correlation between CH4absorption flux and soil moisture indicated that soil moisture was one important factor that limits soil CH4oxidation.

soil; CO2flux; CH4flux; temperature; moisture; karst area

P588.121

A

0379-1726(2013)03-0221-08

2012-11-16;

2013-01-28;

2013-01-29

國(guó)家自然科學(xué)基金(40872212); 中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性科技先導(dǎo)專項(xiàng)(碳專項(xiàng)); 貴州省農(nóng)業(yè)攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(黔科合NY字[2011]3079號(hào))

房彬(1986–), 男, 博士研究生, 地球化學(xué)專業(yè), 研究方向?yàn)榄h(huán)境地球化學(xué)。E-mail: binfang87@hotmail.com

LEE Xin-qing, E-mail: lee@mail.gyig.ac.cn, Tel: +86-851-5891611