春季人工草地土壤CO2和CH4通量日變化研究

史常青 盧新衛(wèi)

摘要：采用最新的土壤溫室氣體通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)人工草地春季土壤CO2和CH4通量進(jìn)行測(cè)定，研究植物復(fù)蘇期人工草地土壤CO2和CH4通量的日變化及其與環(huán)境因素的關(guān)系。結(jié)果表明：春季人工草地土壤CO2通量有明顯日變化特征，通量變化范圍為-6.47～3.75 μmol/（m2·s），最大值出現(xiàn)在10∶00～12∶00之間，最小值出現(xiàn)在16∶00～17∶00之間，土壤5 cm溫度是草地土壤CO2通量日變化的主要影響因子；人工草地CH4通量也有明顯的晝夜變化規(guī)律，白天的波動(dòng)性要大于夜晚，全天的波動(dòng)范圍為-16.31～13.13 nmol/（m2·s），在16∶00～18∶00之間出現(xiàn)最大值，在10∶00～11∶00之間降到最小值，土壤10 cm溫度是草地土壤CH4通量的主要影響因子。

關(guān)鍵詞：人工草地；CO2通量；CH4通量；日變化

中圖分類號(hào)：S154.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2016）07-0091-04

全球變暖是當(dāng)今人們最關(guān)心的問題之一，而大氣中溫室氣體的增加被認(rèn)為是造成目前全球變暖的主要原因[1]。CO2和CH4是大氣中具有溫室效應(yīng)的兩種主要?dú)怏w，這兩種氣體的溫室效應(yīng)占所有溫室氣體效應(yīng)的56%和15%[2]。人們通常認(rèn)為造成溫室氣體增加的主要原因是化石燃料的燃燒和人類生產(chǎn)生活過程中土地利用方式的改變。此外，自然過程也是溫室氣體的重要來源之一[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球土壤每年向大氣釋放碳量68～100 Pg，排放碳量是化石燃料燃燒的10倍以上[4]。土壤碳庫是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，即使土壤呼吸發(fā)生微小的變化也會(huì)引起大氣中主要溫室氣體的變化[5]。目前，國內(nèi)外關(guān)于不同生態(tài)系統(tǒng)土壤溫室氣體通量的研究主要集中在天然草原或森林生態(tài)系統(tǒng)[6～8]、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[9]。對(duì)于人工草地生態(tài)系統(tǒng)土壤溫室氣體通量的研究還較少，尤其是對(duì)CH4通量的研究更少。人工草地是城市綠地的重要組成部分，面積雖然狹小，卻有維護(hù)城市碳氧平衡、遮光吸塵、吸熱降溫、調(diào)節(jié)城市氣候等重要的生態(tài)功能。因此，研究人工草地土壤溫室氣體通量，對(duì)科學(xué)規(guī)劃城市景觀綠地、準(zhǔn)確估算區(qū)域大氣溫室濃度、減少碳排放以及城市生態(tài)保護(hù)等方面具有重要的參考意義。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省西安市長安區(qū)陜西師范大學(xué)校園內(nèi)（108°53′29″E， 34°09′14″N）。該區(qū)域地處關(guān)中平原腹地，南依秦嶺，海拔443 m。四季分明，雨量適中，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。年平均氣溫約15.5℃，降水量約600 mm，無霜期216天，日照時(shí)數(shù)1 377 h，年太陽輻射總量約為459 kJ/cm2。1月份平均氣溫 -0.9℃，7月份平均氣溫26.8℃，雨量主要集中在7、8、9月份。受地形影響，全年多東北風(fēng)。

所選人工草地觀測(cè)點(diǎn)的植物類型主要是麥冬草（Ophiopogon japonicus），植物地上部平均高度約為10 cm，草地內(nèi)鋪有水管，定期進(jìn)行澆水和管理。所選區(qū)域土壤為褐土，呈堿性，質(zhì)地適中，疏松多孔，耕性良好。

1.2研究方法

試驗(yàn)時(shí)間為2015年3-4月，每月中旬左右選擇晴朗天氣進(jìn)行測(cè)定，每次連續(xù)監(jiān)測(cè)24 h。在草地研究區(qū)域隨機(jī)選取4個(gè)點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)之間相距10 m以上，在試驗(yàn)開始前一周，在每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)將一端削尖的PVC土壤環(huán)（內(nèi)徑20 cm），垂直壓入土壤6～8 cm，保證PVC環(huán)與土體無縫隙結(jié)合，同時(shí)剪去土環(huán)內(nèi)的地上植物以及枯枝落葉，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，每個(gè)PVC土壤環(huán)的位置保持不變，最大限度地降低對(duì)植被和土壤內(nèi)部的干擾。

采用最新的土壤溫室氣體通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[10，11]，其主機(jī)部分采用美國LGR公司生產(chǎn)的超便攜式溫室氣體分析儀（951-0011， LGR Inc.， USA）和SF-3000土壤氣體通量測(cè)量系統(tǒng)，通量系統(tǒng)與4個(gè)呼吸氣室相連接。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所使用的技術(shù)為OA-ICOS（偏軸積分腔輸出光譜技術(shù)），能夠同時(shí)野外原位連續(xù)測(cè)量CH4和CO2兩種溫室氣體的濃度，并計(jì)算出溫室氣體的通量值，測(cè)量速率可達(dá)1 Hz，測(cè)量精度高，準(zhǔn)確率高。為保證儀器運(yùn)轉(zhuǎn)的正常和數(shù)據(jù)計(jì)算的準(zhǔn)確性，儀器每次使用前自動(dòng)進(jìn)行一次系統(tǒng)文件完整性檢查和校準(zhǔn)。土壤5、10、15 cm溫度、氣溫、空氣濕度、氣壓和風(fēng)速等數(shù)據(jù)來源于監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近的陜西師范大學(xué)長安校區(qū)氣象園，該氣象園是按照國家氣象觀測(cè)場(chǎng)所的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的，隸屬西安市氣象臺(tái)區(qū)域氣象數(shù)據(jù)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，能提供試驗(yàn)區(qū)域準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)氣象信息和數(shù)據(jù)。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel和SPSS軟件進(jìn)行分析，采用Origin軟件進(jìn)行作圖。

2結(jié)果與分析

2.1CO2通量日變化及其影響因素

試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果表明，春季人工草地土壤CO2通量的日變化晝夜規(guī)律明顯。由圖1看出，在人工草地，土壤CO2通量的變化范圍為-6.47～3.75 μmol/（m2·s），在9∶00之后，開始有明顯的上升，且在10∶00～12∶00之間達(dá)到最大值，之后下降出現(xiàn)波動(dòng)，在午后出現(xiàn)一個(gè)小的波動(dòng)。土壤CO2通量最小值出現(xiàn)在16∶00～17∶00之間，之后迅速升高，又出現(xiàn)一個(gè)小的波峰。變化趨勢(shì)基本表現(xiàn)為白天變化較大，夜晚變化較緩，這主要是環(huán)境因素影響所致。同時(shí)，土壤CO2通量最大值的出現(xiàn)早于土壤溫度和氣溫最大值。

對(duì)人工草地土壤CO2通量與氣溫、土壤5 cm（T5）、10 cm（T10）、15 cm（T15）溫度和空氣濕度作相關(guān)性分析（表1），結(jié)果表明，草地土壤CO2通量與氣溫（R2=0.501，P<0.05）、T5（R2=0.507，P<0.05）有顯著相關(guān)性，與其他環(huán)境因素的相關(guān)性不顯著。由于土壤含水量和pH值幾乎無日變化，所以對(duì)于草地土壤CO2通量的日變化，土壤溫度可能是影響CO2通量變化的主要環(huán)境因素，尤其是土壤5 cm溫度。

2.2CH4通量日變化及其影響因素

春季人工草地土壤CH4通量日變化也有明顯的晝夜變化規(guī)律（圖2）。草地土壤CH4通量的變化范圍為-16.31～13.13 nmol/（m2·s），與土壤CO2通量日變化趨勢(shì)相同，在9∶00開始有明顯上升，隨后下降，在10∶00～11∶00之間降到最小值，之后迅速上升，達(dá)到一個(gè)波峰。在午后會(huì)有明顯的波動(dòng)變化，且在16∶00～18∶00之間出現(xiàn)最大值。土壤CH4通量的基本變化趨勢(shì)也是白天波動(dòng)較大，夜晚變化較緩。對(duì)人工草地土壤CH4通量與各環(huán)境因素做相關(guān)性分析（表1），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤CH4通量與土壤10 cm（T10）、15 cm（T15）溫度具有顯著相關(guān)性，且與T10的相關(guān)系數(shù)要大于與T15的相關(guān)系數(shù)。對(duì)于草地土壤CH4通量日變化，土壤溫度可能是主要的影響因素，尤其是土壤10 cm溫度。

3討論

人工草地的土壤呼吸涉及多個(gè)過程，包括土壤中CO2的產(chǎn)生和CO2從土壤向大氣的傳輸。土壤呼吸釋放出的氣態(tài)CO2分子是由土壤及凋落物層中的根﹑土壤微生物和土壤動(dòng)物產(chǎn)生的，是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。所研究區(qū)域的氣象因素、土壤質(zhì)地、植物生長狀況等一系列生物和非生物因素都影響著土壤氣體的產(chǎn)生和擴(kuò)散。在本研究中，草地土壤CO2通量具有明顯的日變化規(guī)律，最大值出現(xiàn)在10∶00～12∶00之間，最小值出現(xiàn)在16∶00～17∶00之間，這與以往人工草地和自然草地生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2通量的研究基本一致，只是在最小值出現(xiàn)的時(shí)間上略有不同。如孫倩等[12]采用CFX-2開放式呼吸測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定了上海城區(qū)草坪的呼吸速率，結(jié)果表明在春季最大值出現(xiàn)在10∶00～12∶00之間，最小值出現(xiàn)在清晨。梅雪英等[13]研究上海城市草坪CO2通量發(fā)現(xiàn)，在日變化中，最大值出現(xiàn)在正午，這與本研究基本一致，而最小值出現(xiàn)在凌晨4∶00左右，與本研究中最小值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)不同。董云社等[14]對(duì)內(nèi)蒙古典型草地CO2通量觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在日變化中，最大值出現(xiàn)在白天12∶00，而最小值出現(xiàn)在夜間3∶00，表現(xiàn)為晝高夜低的特點(diǎn)，通量的平均值大約出現(xiàn)在一天中9∶00和19∶00。李明峰等[15]分析了錫林河流域羊草群落春季CO2排放日變化特征分析，最大值出現(xiàn)在午后2∶00左右，最小值出現(xiàn)在清晨，CO2排放通量變化與地表溫度具有類似的變化特征，與本研究有所差異。造成這種差異的原因可能是由于所研究區(qū)域的緯度、海拔和地形等不同，形成了不同的氣候和土壤質(zhì)地。土壤質(zhì)地主要通過影響土壤孔隙度、濕度和肥力而影響土壤呼吸。土壤CO2通量通常受多因子的交互影響，往往很難將它們的交互作用區(qū)分開來。

對(duì)于人工草地土壤CH4通量的研究較少，至今沒有統(tǒng)一的定論。董云社等[14]通過對(duì)內(nèi)蒙古典型草地CH4通量的研究表明，CH4通量的日變化特征不是十分明顯，但是CH4通量強(qiáng)度呈現(xiàn)與CO2通量強(qiáng)度相反的晝低夜高的變化趨勢(shì)，它們之間有明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系。在本研究中，人工草地CH4通量白天的波動(dòng)性要大于夜晚，且最大值、最小值出現(xiàn)的時(shí)間與其他研究者在不同區(qū)域的研究結(jié)果不相同，原因可能是溫度不同造成的。由于土壤氧化菌多為專性好氧細(xì)菌，且屬于中溫性微生物，CH4氧化菌比較適宜的溫度一般為20～30℃，溫度過高或過低都會(huì)抑制CH4氧化，當(dāng)土壤溫度超過37℃時(shí)，土壤中大部分CH4氧化菌就會(huì)停止生長[16]。不同研究區(qū)域的植被類型、土壤質(zhì)地不同，也會(huì)對(duì)研究結(jié)果造成一定影響。

4結(jié)論

（1）春季人工草地土壤CO2通量具有明顯的日變化特征，土壤CO2通量白天高，夜晚低，最大值出現(xiàn)在10∶00～12∶00之間，最小值出現(xiàn)在16∶00～17∶00之間，土壤CO2通量最大值出現(xiàn)早于土壤溫度和氣溫的最大值。土壤CO2通量與土壤5 cm溫度和氣溫呈顯著相關(guān)，與土壤5 cm溫度的相關(guān)性要高于氣溫。土壤5 cm溫度可以被認(rèn)為是影響草地土壤CO2通量日變化的主要影響因子。

（2）春季人工草地土壤CH4通量具有明顯的晝夜變化規(guī)律，白天的波動(dòng)性要大于夜晚，通量最大值出現(xiàn)在16∶00～18∶00之間，最小值出現(xiàn)在10∶00～11∶00之間。土壤CH4通量與土壤10 cm溫度和15 cm溫度呈顯著相關(guān)，與土壤10 cm溫度的相關(guān)性要高于15 cm。在日變化中，土壤10 cm溫度可以被認(rèn)為是影響草地土壤CH4通量的主要影響因子。

參考文獻(xiàn)：

[1]IPCC. Climate change 2007： contribution of working group Ⅰ to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change[R]. UK： Cambridge University Press， 2007.

[2]Raieh J W， Potter C S.Global patterns of carbon dioxide emissionsfrom soils [J]. Global Biogeochemical Cycles，1995，9（1）：23-26.

[3]張煒，莫江明，方運(yùn)霆，等.氮沉降對(duì)森林土壤主要溫室氣體通量的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2008， 28（5）： 2309-2319.

[4]Peng S S， Piao S L， Wang T， et al. Temperature sensitivity of soil respiration in different ecosystems in China[J]. Soil Biology & Biochemistry， 2009， 41（5）： 1008-1014.

[5]Janssens I A， Lankreijer H， Matteucci G， et al. Productivity overshadows temperature in determining soil and ecosystem respiration across European forests [J]. Global Change Biology， 2001， 7： 269-278.

[6]羅光強(qiáng)，耿元波.羊草草原和貝加爾針茅草原生態(tài)系統(tǒng)呼吸的差異分析[J].環(huán)境科學(xué)，2010， 31（11）： 2732-2739.

[7]Song X Z， Yuan H Y， Kimberley M O， et al. Soil CO2 flux dynamics in the two main plantation forest types in subtropical China [J]. Science of The Total Environment， 2013， 444： 363-368.

[8]Savage K E， Parton W J， Davidson E A， et al. Long-term changes in forest carbon under temperature and nitrogen amendments in a temperate northern hardwood forest [J]. Global Change Biology， 2013， 19（8）： 2389-2400.

[9]Han G X， Zhou G S ， Xu Z Z ， et al. Soil temperature and biotic factors drive the seasonal variation of soil respiration in a maize （Zea mays L.） agricultural ecosystem [J]. Plant Soil， 2007， 291： 15-26.

[10]Hendriks D D M， Dolman A J， Van de Molen M K， et al. A compact and stable eddy covariance set-up for methane measurements using off-axis integrated cavity output spectroscopy [J]. Atmospheric Chemistry and Physics Discussions， 2008， 8： 431-443.

[11]Tuzson B， Hiller R V， Zeyer K， et al. Field inter comparison of two optical analyzers for CH4 eddy covariance flux measurements [J]. Atmospheric Measurement Techniques， 2010， 3： 1519-1531.

[12]孫倩，方海蘭，梁晶，等.上海典型城市草坪土壤呼吸特征[J].生態(tài)學(xué)雜志， 2009，28（8）：1572-1578.

[13]梅雪英， 史利江， 張衛(wèi)國，等. 上海城市草坪CO2排放通量特征及其影響因子[J].長江流域資源與環(huán)境，2011，20（4）： 433-437.

[14]董云社，章申，齊玉春，等.內(nèi)蒙古典型草地CO2，N2O，CH4通量的同時(shí)觀測(cè)及其日變化[J].科學(xué)通報(bào)，2000，45（3）：318-322.

[15]李明峰，董云社，齊玉春，等.錫林河流域羊草群落春季CO2排放日變化特征分析[J].中國草地，2003，25（3）：9-14.

[16]徐星凱，周禮愷.土壤源CH4氧化的主要因子與減排措施[J].生態(tài)農(nóng)業(yè)研究，1999，7（2）：18-22.