海南山地雨林土壤CH4通量與環(huán)境因子的關(guān)系研究

白貞智，付青霞

(1.江蘇省通州灣江海聯(lián)動(dòng)開發(fā)示范區(qū)規(guī)劃建設(shè)環(huán)保局,江蘇 南通 226333；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院;3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

2017-05-02

白貞智(1987-)，男，碩士生，研究方向：環(huán)境保護(hù)工程。

海南山地雨林土壤CH4通量與環(huán)境因子的關(guān)系研究

白貞智1,2，付青霞1,3

(1.江蘇省通州灣江海聯(lián)動(dòng)開發(fā)示范區(qū)規(guī)劃建設(shè)環(huán)保局,江蘇 南通 226333；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院;3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

采用靜態(tài)箱法采樣、氣相色譜法測定等方法，2012年6月-2013年5月分別對海南省熱帶山地雨林原始林(PMR)、熱帶山地雨林次生林 (SMR) 和熱帶山地雨林雞毛松林(PIP)的土壤CH4通量及其與土壤含水孔隙率(WFPS)、土壤溫度關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果為尖峰嶺熱帶山地雨林土壤年平均CH4通量為(-0.594 7±0.112 0)mg CH4m-2·d-1，不同林型間差異不顯著(P>0.05)，其中SMR土壤為(-0.505 8±0.202 6)mg CH4m-2·d-1，PIP 土壤為(-0.625 6±0.161 3)mg CH4m-2·d-1；PMR土壤為(-0.633 4±0.196 8)mg CH4m-2·d-1；3種林型的土壤CH4通量與土壤溫度之間的關(guān)系不顯著(P> 0.05)；土壤CH4通量分別與WFPS、SMR的WFPS呈顯著線性關(guān)系(P< 0.01)，與PMR的WFPS關(guān)系不顯著 (P> 0.05)。

山地雨林；土壤；甲烷；溫度；WFPS

甲烷(CH4)是一種強(qiáng)效的溫室氣體，其單分子增溫潛勢是CO2的25倍，對全球變暖貢獻(xiàn)率約為25%[1]。隨著北極冰架逐漸縮減，CH4將以前所未有的規(guī)模釋放，這將大幅增加全球氣候變化的速度[2]。目前，關(guān)于CH4的研究成為全球氣候變化研究的重點(diǎn)[3-4]，并且將會(huì)引起越來越多的關(guān)注[5]。

熱帶山地雨林是我國一個(gè)非常重要的植被類型，主要分布于我國海南島和云南省地區(qū)[6]。我國關(guān)于熱帶森林CH4通量的研究還比較少，本研究選取了海南島尖峰嶺熱帶山地雨林作為研究區(qū)域，對海南熱帶雨林CH4通量進(jìn)行了研究，可以為更好的理解和估算全球CH4排放提供科學(xué)依據(jù)，具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況與樣地布設(shè)

本研究的地點(diǎn)選在海南省尖峰嶺國家自然保護(hù)區(qū)(18°23′～18°52′N,108°36′～109°05′E)，保護(hù)區(qū)總面積約為470 km2，熱帶山地雨林面積約占150 km2。該地區(qū)具有典型的熱帶季風(fēng)氣候以及明顯的雨季、旱季分布，平均溫度為19.8 ℃，年平均降水量為2 449 mm，年平均相對濕度88%。雨季為5-10月，旱季為11月到次年4月，80% 以上的降雨發(fā)生在雨季，其中本研究開展期間的年降水量為1 990 mm。我們在該地區(qū)選取了具有代表性的三種尖峰嶺林區(qū)典型林型，分別為熱帶山地雨林原始林(PMR)、熱帶山地雨林次生林 (SMR) 和熱帶山地雨林雞毛松林(PIP)。

熱帶山地雨林原始林優(yōu)勢樹種有：大葉白顏(Gironnierasubaequalis)、中華厚殼桂(Cryptocaryachinensis)、大葉蒲葵(Livistonasaribus)和粗毛野桐(Mallotushookerianus);熱帶山地雨林次生林優(yōu)勢樹種有：細(xì)刺栲(Castanopsistonkinensis)、尖峰栲(C.sjianfenglingensis)和方枝蒲桃(Syzygiumtephrodes);熱帶山地雨林雞毛松林優(yōu)勢樹種有：雞毛松(Podocarpusimbricatus)、木荷(Schimasuperba)以及陸均松(Dacrydiumpierrei)。

2 研究方法

2012年6月到2013年5月期間，每月10日和20日左右，通過靜態(tài)箱法分別采樣，采樣時(shí)間為8∶30-14∶00時(shí)。用10 ml 的真空采血管(無添加劑)采集土壤排放的氣體，采集靜態(tài)箱安裝好后的第0、10、20、30 min 土壤排放的氣體，同時(shí)記錄第0和第30 min靜態(tài)箱內(nèi)空氣溫度。氣體濃度用氣相色譜(Agilent 7890A,Agilent Co.,USA)測定，檢測器為ECD檢測器，操作溫度為350 ℃，柱溫為60 ℃，載氣用純氮?dú)?，載氣流速為20 ml·min-1。CH4通量計(jì)算公式如下[7]：

式中，dc/dt是濃度對時(shí)間的變化；P是采樣時(shí)當(dāng)?shù)氐拇髿鈮?；M是CH4的分子量；T是采樣時(shí)的絕對溫度；V0,P0和T0分別代表標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下摩爾體積，大氣壓和絕對溫度；H是從土壤表面到靜態(tài)箱頂?shù)母叨取?/p>

土壤溫度用手持式數(shù)字溫度計(jì)測定，測定靜態(tài)箱邊緣5 cm范圍內(nèi)10 cm深度的土壤溫度。

土壤含水量用含水孔隙率(WFPS)來表示，其計(jì)算公式如下：

WFPS=Vol/(1-SBD/2.65)

式中，Vol為土壤體積含水量；SBD為土壤容重(soil bulk density，g·cm-3)； 2.65為石英的密度(density of quartz，g·cm-3)[8]。

土壤pH值用pH計(jì)測定(PB-10,Sartorius Instruments Inc.,Germany)，水土比為1∶2.5。土壤樣品經(jīng)過105 ℃烘48 h達(dá)到恒重后，稱重，計(jì)算土壤質(zhì)量含水量。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林型的CH4排放特征

尖峰嶺熱帶山地雨林土壤年平均CH4通量為(-0.594 7±0.112 0)mg CH4m-2d-1(-1.63 kg CH4-C hm-2a-1)。不同林型間CH4平均通量差異不顯著(P>0.05)。SMR土壤CH4平均通量為(-0.505 8±0.202 6)mg CH4m-2d-1；PIP 土壤CH4平均通量達(dá)到(-0.625 6±0.161 3)mg CH4m-2d-1；PMR土壤CH4平均通量為(-0.633 4±0.196 8)mg CH4m-2d-1。尖峰嶺熱帶山地雨林土壤總體表現(xiàn)為CH4的匯，但是在整個(gè)研究期間，仍有CH4排放的現(xiàn)象出現(xiàn)。在2012年10、11月，2013年2、5月SMR分別出現(xiàn)CH4排放峰，其最大排放峰值出現(xiàn)在2013年2月，為1.074 3 mg CH4m-2d-1；PIP的CH4排放峰出現(xiàn)在2012年6、8、10月和2013年的4月，最大排放峰出現(xiàn)在2012年10月，峰值為2.423 0 mg CH4m-2d-1；PMR的CH4排放峰值出現(xiàn)在2012年9、10、12月和2013年3月，最大排放峰出現(xiàn)在2012年9月，峰值為1.668 2 mg CH4m-2d-1。SMR的單個(gè)靜態(tài)箱CH4通量范圍為-7.654 5～8.101 1 mg CH4m-2d-1，PIP的單個(gè)靜態(tài)箱CH4通量范圍為-6.266 9～4.446 1 mg CH4m-2d-1，PMR的單個(gè)靜態(tài)箱CH4通量范圍為-9.100 9～9.681 8 mg CH4m-2d-1(圖1)。

圖1 不同林型間CH4平均通量差異

3.2 CH4通量與土壤溫度之間的關(guān)系

在本研究中，CH4通量與土壤溫度之間不具備顯著性關(guān)系。簡單線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，各林型的CH4通量與10 cm深度土壤溫度之間統(tǒng)計(jì)分析的P值均大于0.05，關(guān)系不顯著 (圖2)。

圖2 不同林型10 cm深度土壤溫度與CH4通量的關(guān)系

3.3 CH4通量與WFPS之間的關(guān)系

線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，土壤CH4通量與WFPS之間的關(guān)系，SMR(R2=0.24,P<0.01)、PIP(R2=0.26,P< 0.01)分別呈顯著線性關(guān)系，PMR關(guān)系不顯著 (P> 0.05)(圖3)。

圖3 WFPS與CH4通量之間的關(guān)系

4 結(jié)論與討論

本研究期間，尖峰嶺地區(qū)熱帶山地雨林土壤CH4平均通量為-1.63 kg CH4-C hm-2a-1，這一結(jié)果與珠江三角洲熱帶森林土壤CH4平均通量范圍(-2.5～-4.3)kg CH4-C hm-2a-1[9-10]相近，也在世界其他地區(qū)熱帶森林土壤吸收CH4范圍 (0.8～4.7 kg CH4-C ha-1yr-1) 之內(nèi)[11]。

本研究發(fā)現(xiàn)，尖峰嶺熱帶山地雨林土壤CH4通量要比中國其它地區(qū)的熱帶森林稍低[12]。研究結(jié)果表明，沒有發(fā)現(xiàn)土壤溫度對甲烷吸收的影響，二者之間關(guān)系不顯著，土壤溫度的范圍在甲烷氧化的最適溫度范圍 (22～38 ℃) 之內(nèi)。WFPS與CH4通量之間具有顯著的線性關(guān)系，隨著WFPS的上升，土壤由甲烷的匯轉(zhuǎn)變?yōu)樵础?/p>

[1] IPCC,W.G.I.IPCC Fifth Assessment Report (AR5) - The physical science basis[M].Cambridge University Press,New York,2013.

[2] 岳尚華.甲烷:氣候變化關(guān)鍵角色[J].地球,2013(9):38-41.

[3] 雷伊,史密斯,阿姆斯特爾.甲烷與氣候變化[M].北京：高等教育出版社,1900.

[4] 張福凱,徐龍君.甲烷對全球氣候變暖的影響及減排措施[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2004，31(5):6-9.

[5] 師麗華,翁國盛,高秀芹,等.淺談在中國開展林業(yè)碳匯的意義[J].陜西林業(yè)科技,2008(1):108-109.

[6] 李鐵龍.熱帶林的消失及影響[J].陜西林業(yè)科技,1995(2):64-65.

[7] 張麗華,宋長春,王德宣,等.外源氮對沼澤濕地CH4和N2O通量的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2007,27(4):1442-1449.

[8] Zhang,W.,Zhu,X.,Liu,L.,et al.Large difference of inhibitive effect of nitrogen deposition on soil methane oxidation between plantations with N‐fixing tree species and non‐N‐fixing tree species [J].JournalofGeophysicalResearchBiogeosciences,2015,117(G4):24.

[9] Wei,Z.,Mo,J.,Yu,G.,et al.Emissions of nitrous oxide from three tropical forests in Southern China in response to simulated nitrogen deposition[J].PlantAndSoil,2008,306(1):221-236.

[10] Zhang,T.,Zhu,W.,Mo,J.,et al.Increased phosphorus availability mitigates the inhibition of nitrogen deposition on CH4uptake in an old-growth tropical forest,southern China[J].Biogeosciences,2011,8(9):2805-2813.

[11] Davidson,E.A.,Yoko,I.F.,Nepstad,D.C.Effects of an experimental drought on soil emissions of carbon dioxide,methane,nitrous oxide,and nitric oxide in a moist tropical forest[J].GlobalChangeBiology,2008,10(5):718-730.

[12] Fang,Y.T.,Gundersen,P.,Wei,Z.,et al.Soil-atmosphere exchange of N2O,CO2and CH4along a slope of an evergreen broad-leaved forest in southern China[J].PlantAndSoil,2009,319(1):37-48.

RelationshipbetweenGreenhouseGasCH4fromSoilandEnvironmentalFactorsinTropicalMontaneRainforest

BAI Zhen-zhi1,2,FU Qing-xia1,3

(1.ConstructionandEnvironmentalProtectionBureauofTongzhouBayRiver-SeaJointDevelopmentDemonstrationZone,Nantong,Jiangsu,226333;2.CollegeofForestry,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100; 3.CollegeofResourceandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100)

This study selected the tropical montane rainforest in Jianfengling, Hainan Island as the study area. The relationship between soil greenhouse gas CH4and environmental factors were studied. The results showed that average annual CH4flux of soil in this region is (-0.594 7±0.1120)mgCH4m-2·d-1, no significant difference existed among different forest types(P>0.05). CH4flux through SMR is (-0.505 8±0.202 6) mg CH4m-2·d-1, that through PIP is (-0.625 6±0.161 3)mg CH4m-2·d-1, and (-0.633 4±0.196 8)mg CH4m-2·d-1through PMR. CH4flux had no significant relationship with soil temperature, but there was a significant linear relationship withWFPSand SMR. No significant relationship was found between other indicators of soil and CH4flux.

Montane rainforest;Soil; CH4; temperature;WFPS

S718.51+

A

1001-2117(2017)03-0001-03