亚热带3种林分土壤CH4日通量变化规律研究

沈　燕，张宇鸿，凌　威，黄志宏，张　强，王　瑶

(中南林业科技大学 生命科学与技术学院，长沙 410004)



亚热带3种林分土壤CH4日通量变化规律研究

沈燕，张宇鸿，凌威，黄志宏，张强，王瑶

(中南林业科技大学 生命科学与技术学院，长沙 410004)

摘要：本研究以亚热带人工林杉木纯林、青冈+石栎常绿阔叶混交林、马尾松+石栎针阔叶混交林为研究对象，采用静态箱-气相色谱法，对不同林分土壤CH4通量的日变化进行研究。结果表明：3种林分土壤CH4通量日变化都有吸收与排放CH4，日变化都是多波峰曲线图形；杉木纯林土壤CH4的排放和吸收都出现明显的上升或下降的趋势，呈现一定规律；马尾松+石栎混交林土壤CH4通量变化，白天表现为大气CH4的源，林地向大气排放CH4，晚上表现为大气CH4的汇，林地吸收大气中的CH4；青冈+石栎混交林土壤CH4的排放与吸收变化没有一定的规律性；其土壤平均CH4的通量为：杉木纯林(83.67±7.84 μg/m2·h)>马尾松+石栎混交林(20.25±2.19 μg/m2·h)>青冈+石栎混交林(9.56±8.37 μg/m2·h)。

关键词：森林；土壤；CH4的排放和吸收；CH4通量；日变化

0引言

自工业革命以来，大气CO2等温室气浓度逐渐增加，由于其温室效应而引起全球气候不断变化，自然灾害及极端天气现象频繁发生。目前，应对全球气候变化已成为世界各国政府的重要议亊日程，温室气体减排也成为国际社会关注的热点和焦点。温室气体主要有CO2(对温室效应影响的贡献率约为55%)和CH4(对温室效应影响的贡献率约为20%)[1]，而且，从百年时间尺度上分析，单分子CH4的增温潜势是CO2的23倍[2]。

以往我国对CH4排放的研究主要集中在湿地和草地的CH4排放[3-9]，因为全球排入大气中的CH4有15%～22%来自于湿地[10]。因此，湿地成为研究热点[11]。相对于湿地的CH4排放研究而言，森林土壤的CH4排放研究较少。森林生态系统是地球陆地上分布最广的生态系统，已有研究表明森林土壤是CH4一个重要的源和汇[12-13]。近年来在森林土壤的CH4排放研究上，涌现出了一批研究成果，如非生长季森林土壤CH4的排放通量[14]，人工林皆伐对地表CH4通量的短期影响[15]，不同类型森林土壤CH4排放[16]，影响森林土壤CH4吸收的主要因素[17]，森林土壤CH4吸收的主控因子[12]等。上述研究大都对森林土壤某一时段CH4排放静态特征进行了探讨，但对土壤CH4产生的机理以及CH4排放的动态过程较缺乏深入讨论。

本研究以长沙县大山冲省级森林公园3种典型的森林类型(杉木(Cunninghamialanceolata)纯林、青冈(Cyclobalanopsisglauca)+石栎(Lithocarpusglaber)阔叶混交林、马尾松(Pinusmassoniana)+石栎针阔叶混交林)为研究对象，研究了不同森林土壤CH4通量的日变化。目的在于揭示森林的土壤CH4排放规律，为准确测算森林土壤CH4排放量和吸收量提供参考和基础数据。

1研究地概况

本研究在长沙县大山冲森林公园内进行。地貌为低山丘陵，坡度15°～24°，海拔55～317.4m。研究地区属于中亚热带东南季风湿润气候区。该地区年平均气温为16.6℃，年均相对湿度75%左右，年均降雨量为1 413～1 559 mm，。该区夏季酷热，冬季严寒，尤其是7～9 月经常会出现高温、干旱天气。土壤为板岩和砂页岩发育的红壤，风化程度较深，土层厚度60 cm 以上。

该区域植被为常绿阔叶林，以壳斗科(Fagaceae)中常绿种类的石栎属(Lithocarpus)、栲属(Castanopsis)，樟科(Lauraceae)的樟属(Cinnamomum)、楠属(Phoebe)山茶科(Theaceae)的木荷属(Schoma)、山茶属(Camellia)的一些树种组成。灌木主要有山苍子(Litseacuheha(Lour.)Pers.)、杜茎山(Maesajaponica(Thunb.)MoritziexZoll)等植物。草本主要狗脊蕨(Woodwardiajapornica)、五节芒(Miscanthusfloridulus)、灯心草(Juncuseffusus)、一年蓬(Erigeronannuns)等。

本研究选择该地区3 种处于不同演替阶段的森林类型：人工林杉木纯林、青冈+石栎常绿阔叶混交林、马尾松+石栎针阔叶混交林为研究对象。3种森林类型的基本特征见表1。

表1　3种森林类型的基本特征

2研究方法

2.1试验样地设计

在长沙县大山冲省级森林公园的人工林杉木纯林，自然更新的次生林马尾松-石栎针阔叶混交林，青冈-石栎常绿阔叶混交林3种森林内，分别设置一个面积为1 hm2(100 m×100 m)的样地，在每个样地均随机选取环境情况大致相同的3个采样点。实验于2015年1月3日开始，在24 h内同时开展3种林地土壤的CH4通量日变化的测定。

2.2CH4样品的采集

用自制的静态箱法采集CH4气体样品。自制静态箱由底箱和顶箱两部分组成，顶箱高30 cm，底座高20 cm。箱体用优质保温反光纸外包，目的在于防止在太阳辐射下采样箱温度升高影响观测结果。箱顶部开两个小口，一个链接橡胶管，用于CH4采集和箱内外气体平衡，另一个为温度计接口，所有接口均以丁基橡胶塞密封。采样结束后仅移除顶箱，底箱保留在原处重复使用。采样时间为白天10时至18时，每两小时取一次样，夜晚18时至次日10时，每3小时取一次样。每次取样长度为20 min，每隔10 min取一次样，也就是在静态箱闭合的0、10、20 min 分别取样，共获得3个气体样品。在每次采样时记录测定箱的气温、采样点地表温度、地下5 cm的土壤温度。

2.3CH4通量的计算

把采集的CH4气体样品带回实验室，在24h内用安捷伦7890B 型气相色谱仪分析样品中CH4的浓度。CH4检测器为氢焰离子化检测器(FID)，色谱柱类型为HP25 mm 毛细管柱，检测器温度为200℃，分离柱温度为55℃。H2为燃气，流速30 mL/min，载气为N2，流速30 mL/min，空气为助燃气，流速为40 mL/min。气体排放速率由每次3个时间观测值经线性回归分析得出。CH4气体排放通量用下式计算：

F=ρ×(V/A)×(P/P0)×(T0/T)×(dCt/dt)。

式中：F为CH4气体通量，mg/m2·h；ρ为实验室温度下CH4气体密度，g/cm3；A为采样箱覆盖的面积，m2；V为采样静态箱的有效体积，m3；P为采样时采样点的大气压，kPa；P0为标准状态下的标准大气压，kPa；T为采样时的绝对温度，℃；T0分别为标准状态下的绝对温度，℃；dCt/dt为采样时静态箱内甲烷浓度随时间变化的直线斜率。如为正值表示CH4从土壤排放到大气，如为负值表示CH4从大气流向土壤。

所有数据经Excel软件处理后，用SPSS 19.0 软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，显著性水平设置为0.05。应用Excel和Sigmaplot 10.0绘制图形。

3结果与分析

3.1杉木纯林的土壤CH4通量日变化

图1显示出杉木纯林的土壤CH4通量日变化。从中看出，日出后，土壤向大气排放CH4的速率加快，到上午8时排放CH4的量达到最大值。8时过后，排放CH4的速率放慢，到中午12时，已转换成土壤吸收大气中CH4，在14时左右吸收CH4的量达到最大值。14时过后其速率放缓，这种情形一直持续到日落前后。日落以后，又变为土壤向大气排放CH4，且一直持续到次日6时。

从上面分析看出，杉木纯林的土壤CH4通量日变化呈现出反“W”形的动态规律。在日变化中土壤向大气排放CH4的出现两个高峰，一个在上午8时(197.97±22.18μg/m2·h)，另一个出现在深夜3时(135.93±15.47μg/m2·h)；岀现一个土壤吸收大气中CH4的高峰期，在下午2时左右(-79.76±5.93μg/m2·h)。由此可见，杉木纯林土壤CH4通量的吸收和排放表现出有规律的变化，也就是说CH4通量的吸收和排放都有明显的上升和下降趋势。

杉木纯林的土壤CH4通量日变化范围为-79.76±5.93～197.97±22.18μg/m2·h。白天从凌晨到中午12时以及整个夜间，林地向大气排放CH4，表现为大气CH4的源，中午12时过后一直日落前后，林地吸收大气中CH4，表现为大气CH4的汇。一天内林地向大气排放CH4的量为2 253.67 μg/m2·d，吸收大气中CH4的量为245.12 μg/m2·d，排放减去吸收后，林地仍净向大气排放CH42 008.55 μg/m2·d，整体表现为大气CH4的源。

图1　杉木纯林CH4甲烷通量日变化动态Fig.1 Diurnal variation of CH4 flux in Cunninghamialanceolata pure forest

3.2青冈+石栎混交林的土壤CH4通量日变化

图2反映出青冈+石栎混交林的土壤CH4通量日变化动态特征。从中看出，上午10时，土壤在吸收大气中CH4，随后土壤向大气排放CH4。中午12时后又变为吸收大气中CH4，下午14时又成为向大气排放CH4。14时过后土壤又在吸收大气中CH4，这种情形一直持续到深夜24时。从深夜0时一直到次日上午10时，林地都在向大气排放CH4。

从上面分析看出，青冈+石栎混交林的土壤CH4通量日变化呈现出多个峰值的动态规律。在白天土壤对大气CH4的释放和吸收表现出无规律性，但在夜间，上半夜(18～24时)表现为吸收大气中CH4，下半夜(0～6时)表现出向大气排放CH4。在青冈+石栎混交林土壤向大气排放CH4的日变化中出现6个高峰，分别出现在深夜3时、凌晨6时，上午8时、10时、中午12时和下午16时。排放CH4的最大的峰值为147.08±12.65 μg/m2·h(出现在深夜3时)。吸收大气CH4的也现4个高峰，分别出现在下午14时、傍晚18时、晚上21和24时，吸收大气CH4的最大的峰值出现在晚上21时，其值为-75.23±8.44 μg/m2·h。

青冈+石栎混交林的土壤CH4通量日变化幅度在-75.23±8.44～147.08±12.65 μg/m2·h范围内波动。白天从凌晨6时到傍晚18时，林地共排放CH4226.92 μg/m2，共吸收大气中CH4295.64 μg/m2，吸收与排放相抵后，仍净吸收68.72 μg/m2大气中CH4。这意味着白天青冈+石栎混交林土壤是大气CH4的一个汇。整个晚上(18～次日凌晨6时)，林地共排放CH4625.99 μg/m2，共吸收大气中CH4357.53 μg/m2，吸收与排放相抵后，仍向大气净排放CH4357.53 μg/m2。表明晚上青冈+石栎混交林土壤是大气CH4一个源。就一昼夜而言，青冈+石栎混交林土壤向大气排放了CH4825.91 μg/m2·d，吸收了大气中CH4623.47 μg/m2·d，排放减去吸收，仍向大气净排放CH4202.44 μg/m2·d。青冈+石栎混交林土壤是大气CH4一个弱源。

图2　青冈+石栎混交林CH4通量日变化动态Fig.2 Diurnal variation of CH4 flux in Cyclobalanopsis glauca+ Lithocarpus glaber mixed forest

3.3马尾松+石栎混交林的土壤CH4通量日变化

马尾松+石栎混交林的土壤CH4通量日变化规律如图3所示。从中看出，上午8时至傍晚18时，马尾松+石栎混交林土壤CH4通量虽然在波动，但依然保持着向大气排放CH4。从傍晚18时至次日上午8时，土壤CH4通量也在不断变化中，但整体表现出该林地在吸收大气中CH4。这意味着马尾松+石栎混交林林地白天是大气CH4的源，晚上是大气CH4的汇。

马尾松+石栎混交林的土壤CH4通量日变化如同青冈+石栎混交林一样，呈现出多个峰值(无论是排放还是吸收)。土壤向大气排放CH4的日变化中出现2个高峰，分别出现在上午10时和傍晚18时，傍晚18时排放CH4的最大的峰值为170.99±16.54 μg/m2·h；吸收大气CH4的也现2个高峰，分别在晚上21时和深夜3时，最大的吸收大气CH4的峰值出现在深夜3时，为-134.76±12.68 μg/m2·h。与青冈+石栎混交林的土壤CH4通量日变化不同的是，CH4通量的吸收和排放都有明显的上升和下降趋势，表现出有规律的变化，这点与杉木纯林的土壤CH4通量日变化相同。

马尾松+石栎混交林土壤CH4通量日变化范围为-134.76±12.68～170.99±16.54 μg/m2·h。从上午10时和傍晚18时表现为大气CH4的源，林地向大气共排放1 399.16 μg/m2的CH4，从傍晚18时至次日上午8时表现为大气CH4的汇，林地吸收大气中的CH4共计9 130.8 μg/m2。排放和吸收相抵后，一天内林地平均仍向大气净排放CH47 731.61 μg/m2·d，马尾松+石栎混交林林地整体表现为大气CH4的源。

图3　马尾松-石栎混交林CH4通量日变化动态Fig.3 Diurnal variation of CH4 flux in Pinus massonian+Lithocarpus glaber mixed forest

3.4环境因子对地表CH4通量的影响

由相关分析结果表明，CH4通量日变化与地表温度无显著相关关系(p>0.05)。土壤水分对地表CH4通量的影响并不显著(p> 0.05)。不同林型间的地表CH4通量差异并不显著(p>0.05)。地下5cm处温度对地表CH4通量的影响亦不显著(p>0.05)。

对上述因子的交互作用下的分析表明，林型与地表温度间的交互作用对地表CH4通量的影响显著(p<0.05)。地表温度与地下5cm处温度亦存在显著交互作用(p<0.05)，进而对地表CH4通量产生影响。

4结论与讨论

3种森林类型的土壤CH4通量日变化都是多波峰曲线图形，皆有吸收与排放CH4的表现，无论吸收与排放均出现明显的峰值。

3种森林类型的土壤CH4通量日变化整体都表现为大气CH4的源，不同森林类型的土壤净向大气排放CH4的通量不一样。3种森林类型的土壤平均净向大气排放CH4的通量由大到小为：杉木纯林(83.67±7.84μg/m2·h)>马尾松+石栎混交林(20.25±2.19μg/m2·h)>青冈+石栎混交林(9.56±8.37μg/m2·h)。

杉木纯林土壤对CH4的排放和吸收都出现明显的上升或下降的趋势，呈现一定规律；马尾松+石栎混交林土壤CH4通量变化，白天表现为大气CH4的源，林地向大气排放CH4，晚上表现为大气CH4的汇，林地吸收大气中的CH4；青冈+石栎混交林土壤对CH4的排放和吸收之间的变化并没有一定的规律则性。刘惠等[19]在华南丘陵区针叶林和果园地表CH4通量观测也发现，地表CH4通量日变化波动较大，规律不明显。

土壤CH4排放和吸收与环境因子关系密切[19-20]。然而这3种林分都处在长沙县大山冲森林公园一座山头上，因此，这3种林分的土壤均为板岩和砂页岩发育的红壤，海拔梯度、林地坡度差异不大(见表1)，而且测定它们土壤CH4通量(3种林分同时进行)的大气温度和湿度也基本相同。因此这些环境因子很有可能不是造成这3种林分土壤CH4通量差异的主要原因。然而这3种林分环境因子不相同的是它们的坡向不同(杉木纯林坡向SE、青冈+石栎混交林坡向NW、马尾松+石栎混交林坡向SW)，由于坡向不同林分接受太阳辐射量不一样。太阳辐射量不一样有可能导致植物光合作用及其产物不一样，光合作用控制的根系泌氧变化可能导致甲烷排放量变化，这可能是造成这3种林分土壤CH4通量差异的原因之一[22]。

土壤CH4排放是土壤处在嫌气环境中，土壤有机质在产CH4菌厌氧分解的最终产物。因此，土壤中CH4排放与土壤的嫌气环境和有机质有关。这3种林分植物种类不同，杉木是针叶林，马尾松+石栎是针阔混交林，青冈+石栎是阔叶混交林。那么它们的枯死物成份不一样。这些枯死物腐烂后形成腐质殖层，改善了土壤结构，增加了土壤孔隙度，也就改变了土壤的通气环境。因针叶不仅质硬且含有较多的酯类有机化合物，枯死的针叶不易分解，而枯死阔叶质地柔软容易腐烂。因此，青冈+石栎阔叶混交林土壤的通气环境，比杉木针叶林以及马尾松+石栎针阔混交林要好些。也就是说杉木针叶林土壤的嫌气环境要高于马尾松+石栎针阔混交林，更高于青冈+石栎阔叶混交林。这也可能是杉木纯林土壤平均净向大气排放CH4的通量>马尾松+石栎混交林>青冈+石栎混交林的一种原因。

有研究发现，土壤水分与地表甲烷通量存在显著正相关关系，但与土壤温度的相关性较弱[23]。也有研究表明，土壤温度和水分二者均对地表甲烷有显著影响[24]。大气CH4氧化与水分密切相关[25]，温度对CH4氧化的影响作用明显小于水分[26]。因此，温度效应只有在特定的水分含量条件下才能表现出来[27]。尽管如此，在地表CH4通量日变化观测中，温度和水分要素虽然也在不断发生变化，但其变化范围一般变化不大，使得地表甲烷通量与此二因子的相关性减弱，甚至于不相关。因此，在日尺度水平上而言，土壤水分的变化不是导致地表CH4通量日变化的主要因素。在本研究中的CH4通量日变化与地表温度和土壤水分均未发现显著相关。同时，本研究发现，林型与地表温度间的交互作用对地表CH4通量的影响显著。这就表明，CH4通量的日变化受多种因子共同制约的结果。对于具体林型和环境下的土壤CH4通量变化机理有待进一步深入研究。

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Research on Diurnal Variations of Soil CH4Fluxesof Three Forests in Subtropics

Shen Yan，Zhang Yuhong，Ling Wei，Huang Zhihong，Zhang Qiang，Wang Yao

(College of Life Science and Technology，Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004)

Abstract：The plantation of Cunninghamia lanceolata，broadleaf evergreen Cyclobalanopsis glauca+Lithocarpus glaber mixed forest，Pinus massonian+Lithocarpus glaber mixed forest were studied and the static chamber-gas chromatograph technique was used to analyze the diurnal methane fluxes from different forest.Results showed that soil CH4 flux of the three forest types showed multi-peak diurnal variations with absorption and emissions of CH4.A certain regular pattern was found in the plantation of Cunninghamia lanceolata soil CH4 flux，with an obvious trend in rise and decline.The CH4 flux of Pinus massonian+Lithocarpus glaber mixed forest showed emissions into the atmosphere at daytime and absorption CH4 at night.No regularity was found in the soil CH4 emissions-absorption in Cyclobalanopsis glauca+Lithocarpus glaber mixed forest.The average soil CH4 flux was Cunninghamia lanceolata(83.67±7.84μg/m2·h)>Pinus massonian+Lithocarpus glaber mixed forest(20.25±2.19μg/m2·h)>Cyclobalanopsis glauca+Lithocarpus glaber mixed forest(9.56±8.37μg/m2·h).

Keywords：forest；soil；emission and absorption of CH4；CH4 flux；diurnal variation

中图分类号：S 714

文献标识码：A

文章编号：1001-005X(2016)03-0021-06

作者简介：第一沈燕，博士，副教授。研究方向：森林生态。E-mail：13873340123@163.com

基金项目：国家国际科技合作专项资助(2013DFA32190)

收稿日期：2015-10-12

引文格式：沈燕，张宇鸿，凌 威，等.亚热带3种林分土壤CH4日通量变化规律研究[J].森林工程，2016，32(3)：21-26.