春季人工草地土壤CO2和CH4通量日变化研究

史常青 卢新卫

摘要：采用最新的土壤温室气体通量监测系统，对人工草地春季土壤CO2和CH4通量进行测定，研究植物复苏期人工草地土壤CO2和CH4通量的日变化及其与环境因素的关系。结果表明：春季人工草地土壤CO2通量有明显日变化特征，通量变化范围为-6.47～3.75 μmol/（m2·s），最大值出现在10∶00～12∶00之间，最小值出现在16∶00～17∶00之间，土壤5 cm温度是草地土壤CO2通量日变化的主要影响因子；人工草地CH4通量也有明显的昼夜变化规律，白天的波动性要大于夜晚，全天的波动范围为-16.31～13.13 nmol/（m2·s），在16∶00～18∶00之间出现最大值，在10∶00～11∶00之间降到最小值，土壤10 cm温度是草地土壤CH4通量的主要影响因子。

关键词：人工草地；CO2通量；CH4通量；日变化

中图分类号：S154.4文献标识号：A文章编号：1001-4942（2016）07-0091-04

全球变暖是当今人们最关心的问题之一，而大气中温室气体的增加被认为是造成目前全球变暖的主要原因[1]。CO2和CH4是大气中具有温室效应的两种主要气体，这两种气体的温室效应占所有温室气体效应的56%和15%[2]。人们通常认为造成温室气体增加的主要原因是化石燃料的燃烧和人类生产生活过程中土地利用方式的改变。此外，自然过程也是温室气体的重要来源之一[3]。据统计，全球土壤每年向大气释放碳量68～100 Pg，排放碳量是化石燃料燃烧的10倍以上[4]。土壤碳库是全球陆地生态系统中最大的碳库，即使土壤呼吸发生微小的变化也会引起大气中主要温室气体的变化[5]。目前，国内外关于不同生态系统土壤温室气体通量的研究主要集中在天然草原或森林生态系统[6～8]、农田生态系统[9]。对于人工草地生态系统土壤温室气体通量的研究还较少，尤其是对CH4通量的研究更少。人工草地是城市绿地的重要组成部分，面积虽然狭小，却有维护城市碳氧平衡、遮光吸尘、吸热降温、调节城市气候等重要的生态功能。因此，研究人工草地土壤温室气体通量，对科学规划城市景观绿地、准确估算区域大气温室浓度、减少碳排放以及城市生态保护等方面具有重要的参考意义。

1材料与方法

1.1研究区概况

研究区位于陕西省西安市长安区陕西师范大学校园内（108°53′29″E， 34°09′14″N）。该区域地处关中平原腹地，南依秦岭，海拔443 m。四季分明，雨量适中，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，属暖温带半湿润大陆性季风气候区。年平均气温约15.5℃，降水量约600 mm，无霜期216天，日照时数1 377 h，年太阳辐射总量约为459 kJ/cm2。1月份平均气温 -0.9℃，7月份平均气温26.8℃，雨量主要集中在7、8、9月份。受地形影响，全年多东北风。

所选人工草地观测点的植物类型主要是麦冬草（Ophiopogon japonicus），植物地上部平均高度约为10 cm，草地内铺有水管，定期进行浇水和管理。所选区域土壤为褐土，呈碱性，质地适中，疏松多孔，耕性良好。

1.2研究方法

试验时间为2015年3-4月，每月中旬左右选择晴朗天气进行测定，每次连续监测24 h。在草地研究区域随机选取4个点作为观测点，每个观测点之间相距10 m以上，在试验开始前一周，在每个观测点将一端削尖的PVC土壤环（内径20 cm），垂直压入土壤6～8 cm，保证PVC环与土体无缝隙结合，同时剪去土环内的地上植物以及枯枝落叶，在整个试验过程中，每个PVC土壤环的位置保持不变，最大限度地降低对植被和土壤内部的干扰。

采用最新的土壤温室气体通量监测系统[10，11]，其主机部分采用美国LGR公司生产的超便携式温室气体分析仪（951-0011， LGR Inc.， USA）和SF-3000土壤气体通量测量系统，通量系统与4个呼吸气室相连接。该监测系统所使用的技术为OA-ICOS（偏轴积分腔输出光谱技术），能够同时野外原位连续测量CH4和CO2两种温室气体的浓度，并计算出温室气体的通量值，测量速率可达1 Hz，测量精度高，准确率高。为保证仪器运转的正常和数据计算的准确性，仪器每次使用前自动进行一次系统文件完整性检查和校准。土壤5、10、15 cm温度、气温、空气湿度、气压和风速等数据来源于监测点附近的陕西师范大学长安校区气象园，该气象园是按照国家气象观测场所的建设标准建设的，隶属西安市气象台区域气象数据观测网络，能提供试验区域准确的实时气象信息和数据。

1.3数据统计分析

试验所得数据均采用Microsoft Excel和SPSS软件进行分析，采用Origin软件进行作图。

2结果与分析

2.1CO2通量日变化及其影响因素

试验测定结果表明，春季人工草地土壤CO2通量的日变化昼夜规律明显。由图1看出，在人工草地，土壤CO2通量的变化范围为-6.47～3.75 μmol/（m2·s），在9∶00之后，开始有明显的上升，且在10∶00～12∶00之间达到最大值，之后下降出现波动，在午后出现一个小的波动。土壤CO2通量最小值出现在16∶00～17∶00之间，之后迅速升高，又出现一个小的波峰。变化趋势基本表现为白天变化较大，夜晚变化较缓，这主要是环境因素影响所致。同时，土壤CO2通量最大值的出现早于土壤温度和气温最大值。

对人工草地土壤CO2通量与气温、土壤5 cm（T5）、10 cm（T10）、15 cm（T15）温度和空气湿度作相关性分析（表1），结果表明，草地土壤CO2通量与气温（R2=0.501，P<0.05）、T5（R2=0.507，P<0.05）有显著相关性，与其他环境因素的相关性不显著。由于土壤含水量和pH值几乎无日变化，所以对于草地土壤CO2通量的日变化，土壤温度可能是影响CO2通量变化的主要环境因素，尤其是土壤5 cm温度。

2.2CH4通量日变化及其影响因素

春季人工草地土壤CH4通量日变化也有明显的昼夜变化规律（图2）。草地土壤CH4通量的变化范围为-16.31～13.13 nmol/（m2·s），与土壤CO2通量日变化趋势相同，在9∶00开始有明显上升，随后下降，在10∶00～11∶00之间降到最小值，之后迅速上升，达到一个波峰。在午后会有明显的波动变化，且在16∶00～18∶00之间出现最大值。土壤CH4通量的基本变化趋势也是白天波动较大，夜晚变化较缓。对人工草地土壤CH4通量与各环境因素做相关性分析（表1），结果发现，土壤CH4通量与土壤10 cm（T10）、15 cm（T15）温度具有显著相关性，且与T10的相关系数要大于与T15的相关系数。对于草地土壤CH4通量日变化，土壤温度可能是主要的影响因素，尤其是土壤10 cm温度。

3讨论

人工草地的土壤呼吸涉及多个过程，包括土壤中CO2的产生和CO2从土壤向大气的传输。土壤呼吸释放出的气态CO2分子是由土壤及凋落物层中的根﹑土壤微生物和土壤动物产生的，是一个非常复杂的过程。所研究区域的气象因素、土壤质地、植物生长状况等一系列生物和非生物因素都影响着土壤气体的产生和扩散。在本研究中，草地土壤CO2通量具有明显的日变化规律，最大值出现在10∶00～12∶00之间，最小值出现在16∶00～17∶00之间，这与以往人工草地和自然草地生态系统土壤CO2通量的研究基本一致，只是在最小值出现的时间上略有不同。如孙倩等[12]采用CFX-2开放式呼吸测定系统测定了上海城区草坪的呼吸速率，结果表明在春季最大值出现在10∶00～12∶00之间，最小值出现在清晨。梅雪英等[13]研究上海城市草坪CO2通量发现，在日变化中，最大值出现在正午，这与本研究基本一致，而最小值出现在凌晨4∶00左右，与本研究中最小值出现的时间点不同。董云社等[14]对内蒙古典型草地CO2通量观测发现，在日变化中，最大值出现在白天12∶00，而最小值出现在夜间3∶00，表现为昼高夜低的特点，通量的平均值大约出现在一天中9∶00和19∶00。李明峰等[15]分析了锡林河流域羊草群落春季CO2排放日变化特征分析，最大值出现在午后2∶00左右，最小值出现在清晨，CO2排放通量变化与地表温度具有类似的变化特征，与本研究有所差异。造成这种差异的原因可能是由于所研究区域的纬度、海拔和地形等不同，形成了不同的气候和土壤质地。土壤质地主要通过影响土壤孔隙度、湿度和肥力而影响土壤呼吸。土壤CO2通量通常受多因子的交互影响，往往很难将它们的交互作用区分开来。

对于人工草地土壤CH4通量的研究较少，至今没有统一的定论。董云社等[14]通过对内蒙古典型草地CH4通量的研究表明，CH4通量的日变化特征不是十分明显，但是CH4通量强度呈现与CO2通量强度相反的昼低夜高的变化趋势，它们之间有明显负相关关系。在本研究中，人工草地CH4通量白天的波动性要大于夜晚，且最大值、最小值出现的时间与其他研究者在不同区域的研究结果不相同，原因可能是温度不同造成的。由于土壤氧化菌多为专性好氧细菌，且属于中温性微生物，CH4氧化菌比较适宜的温度一般为20～30℃，温度过高或过低都会抑制CH4氧化，当土壤温度超过37℃时，土壤中大部分CH4氧化菌就会停止生长[16]。不同研究区域的植被类型、土壤质地不同，也会对研究结果造成一定影响。

4结论

（1）春季人工草地土壤CO2通量具有明显的日变化特征，土壤CO2通量白天高，夜晚低，最大值出现在10∶00～12∶00之间，最小值出现在16∶00～17∶00之间，土壤CO2通量最大值出现早于土壤温度和气温的最大值。土壤CO2通量与土壤5 cm温度和气温呈显著相关，与土壤5 cm温度的相关性要高于气温。土壤5 cm温度可以被认为是影响草地土壤CO2通量日变化的主要影响因子。

（2）春季人工草地土壤CH4通量具有明显的昼夜变化规律，白天的波动性要大于夜晚，通量最大值出现在16∶00～18∶00之间，最小值出现在10∶00～11∶00之间。土壤CH4通量与土壤10 cm温度和15 cm温度呈显著相关，与土壤10 cm温度的相关性要高于15 cm。在日变化中，土壤10 cm温度可以被认为是影响草地土壤CH4通量的主要影响因子。

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