海南山地雨林土壤CH4通量与环境因子的关系研究

白贞智，付青霞

(1.江苏省通州湾江海联动开发示范区规划建设环保局,江苏 南通 226333；2.西北农林科技大学 林学院;3.西北农林科技大学 资源与环境学院，陕西 杨凌 712100)

2017-05-02

白贞智(1987-)，男，硕士生，研究方向：环境保护工程。

海南山地雨林土壤CH4通量与环境因子的关系研究

白贞智1,2，付青霞1,3

(1.江苏省通州湾江海联动开发示范区规划建设环保局,江苏 南通 226333；2.西北农林科技大学 林学院;3.西北农林科技大学 资源与环境学院，陕西 杨凌 712100)

采用静态箱法采样、气相色谱法测定等方法，2012年6月-2013年5月分别对海南省热带山地雨林原始林(PMR)、热带山地雨林次生林 (SMR) 和热带山地雨林鸡毛松林(PIP)的土壤CH4通量及其与土壤含水孔隙率(WFPS)、土壤温度关系进行了研究，结果为尖峰岭热带山地雨林土壤年平均CH4通量为(-0.594 7±0.112 0)mg CH4m-2·d-1，不同林型间差异不显著(P>0.05)，其中SMR土壤为(-0.505 8±0.202 6)mg CH4m-2·d-1，PIP 土壤为(-0.625 6±0.161 3)mg CH4m-2·d-1；PMR土壤为(-0.633 4±0.196 8)mg CH4m-2·d-1；3种林型的土壤CH4通量与土壤温度之间的关系不显著(P> 0.05)；土壤CH4通量分别与WFPS、SMR的WFPS呈显著线性关系(P< 0.01)，与PMR的WFPS关系不显著 (P> 0.05)。

山地雨林；土壤；甲烷；温度；WFPS

甲烷(CH4)是一种强效的温室气体，其单分子增温潜势是CO2的25倍，对全球变暖贡献率约为25%[1]。随着北极冰架逐渐缩减，CH4将以前所未有的规模释放，这将大幅增加全球气候变化的速度[2]。目前，关于CH4的研究成为全球气候变化研究的重点[3-4]，并且将会引起越来越多的关注[5]。

热带山地雨林是我国一个非常重要的植被类型，主要分布于我国海南岛和云南省地区[6]。我国关于热带森林CH4通量的研究还比较少，本研究选取了海南岛尖峰岭热带山地雨林作为研究区域，对海南热带雨林CH4通量进行了研究，可以为更好的理解和估算全球CH4排放提供科学依据，具有十分重要的意义。

1 研究区概况与样地布设

本研究的地点选在海南省尖峰岭国家自然保护区(18°23′～18°52′N,108°36′～109°05′E)，保护区总面积约为470 km2，热带山地雨林面积约占150 km2。该地区具有典型的热带季风气候以及明显的雨季、旱季分布，平均温度为19.8 ℃，年平均降水量为2 449 mm，年平均相对湿度88%。雨季为5-10月，旱季为11月到次年4月，80% 以上的降雨发生在雨季，其中本研究开展期间的年降水量为1 990 mm。我们在该地区选取了具有代表性的三种尖峰岭林区典型林型，分别为热带山地雨林原始林(PMR)、热带山地雨林次生林 (SMR) 和热带山地雨林鸡毛松林(PIP)。

热带山地雨林原始林优势树种有：大叶白颜(Gironnierasubaequalis)、中华厚壳桂(Cryptocaryachinensis)、大叶蒲葵(Livistonasaribus)和粗毛野桐(Mallotushookerianus);热带山地雨林次生林优势树种有：细刺栲(Castanopsistonkinensis)、尖峰栲(C.sjianfenglingensis)和方枝蒲桃(Syzygiumtephrodes);热带山地雨林鸡毛松林优势树种有：鸡毛松(Podocarpusimbricatus)、木荷(Schimasuperba)以及陆均松(Dacrydiumpierrei)。

2 研究方法

2012年6月到2013年5月期间，每月10日和20日左右，通过静态箱法分别采样，采样时间为8∶30-14∶00时。用10 ml 的真空采血管(无添加剂)采集土壤排放的气体，采集静态箱安装好后的第0、10、20、30 min 土壤排放的气体，同时记录第0和第30 min静态箱内空气温度。气体浓度用气相色谱(Agilent 7890A,Agilent Co.,USA)测定，检测器为ECD检测器，操作温度为350 ℃，柱温为60 ℃，载气用纯氮气，载气流速为20 ml·min-1。CH4通量计算公式如下[7]：

式中，dc/dt是浓度对时间的变化；P是采样时当地的大气压；M是CH4的分子量；T是采样时的绝对温度；V0,P0和T0分别代表标准状态下摩尔体积，大气压和绝对温度；H是从土壤表面到静态箱顶的高度。

土壤温度用手持式数字温度计测定，测定静态箱边缘5 cm范围内10 cm深度的土壤温度。

土壤含水量用含水孔隙率(WFPS)来表示，其计算公式如下：

WFPS=Vol/(1-SBD/2.65)

式中，Vol为土壤体积含水量；SBD为土壤容重(soil bulk density，g·cm-3)； 2.65为石英的密度(density of quartz，g·cm-3)[8]。

土壤pH值用pH计测定(PB-10,Sartorius Instruments Inc.,Germany)，水土比为1∶2.5。土壤样品经过105 ℃烘48 h达到恒重后，称重，计算土壤质量含水量。

3 结果与分析

3.1 不同林型的CH4排放特征

尖峰岭热带山地雨林土壤年平均CH4通量为(-0.594 7±0.112 0)mg CH4m-2d-1(-1.63 kg CH4-C hm-2a-1)。不同林型间CH4平均通量差异不显著(P>0.05)。SMR土壤CH4平均通量为(-0.505 8±0.202 6)mg CH4m-2d-1；PIP 土壤CH4平均通量达到(-0.625 6±0.161 3)mg CH4m-2d-1；PMR土壤CH4平均通量为(-0.633 4±0.196 8)mg CH4m-2d-1。尖峰岭热带山地雨林土壤总体表现为CH4的汇，但是在整个研究期间，仍有CH4排放的现象出现。在2012年10、11月，2013年2、5月SMR分别出现CH4排放峰，其最大排放峰值出现在2013年2月，为1.074 3 mg CH4m-2d-1；PIP的CH4排放峰出现在2012年6、8、10月和2013年的4月，最大排放峰出现在2012年10月，峰值为2.423 0 mg CH4m-2d-1；PMR的CH4排放峰值出现在2012年9、10、12月和2013年3月，最大排放峰出现在2012年9月，峰值为1.668 2 mg CH4m-2d-1。SMR的单个静态箱CH4通量范围为-7.654 5～8.101 1 mg CH4m-2d-1，PIP的单个静态箱CH4通量范围为-6.266 9～4.446 1 mg CH4m-2d-1，PMR的单个静态箱CH4通量范围为-9.100 9～9.681 8 mg CH4m-2d-1(图1)。

图1 不同林型间CH4平均通量差异

3.2 CH4通量与土壤温度之间的关系

在本研究中，CH4通量与土壤温度之间不具备显著性关系。简单线性回归分析发现，各林型的CH4通量与10 cm深度土壤温度之间统计分析的P值均大于0.05，关系不显著 (图2)。

图2 不同林型10 cm深度土壤温度与CH4通量的关系

3.3 CH4通量与WFPS之间的关系

线性回归分析发现，土壤CH4通量与WFPS之间的关系，SMR(R2=0.24,P<0.01)、PIP(R2=0.26,P< 0.01)分别呈显著线性关系，PMR关系不显著 (P> 0.05)(图3)。

图3 WFPS与CH4通量之间的关系

4 结论与讨论

本研究期间，尖峰岭地区热带山地雨林土壤CH4平均通量为-1.63 kg CH4-C hm-2a-1，这一结果与珠江三角洲热带森林土壤CH4平均通量范围(-2.5～-4.3)kg CH4-C hm-2a-1[9-10]相近，也在世界其他地区热带森林土壤吸收CH4范围 (0.8～4.7 kg CH4-C ha-1yr-1) 之内[11]。

本研究发现，尖峰岭热带山地雨林土壤CH4通量要比中国其它地区的热带森林稍低[12]。研究结果表明，没有发现土壤温度对甲烷吸收的影响，二者之间关系不显著，土壤温度的范围在甲烷氧化的最适温度范围 (22～38 ℃) 之内。WFPS与CH4通量之间具有显著的线性关系，随着WFPS的上升，土壤由甲烷的汇转变为源。

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

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[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