2016, Vol. 37
2. 广东省林业科学研究院，广东 广州 510520
2. 2 Guangdong Academy of Forestry, Guangzhou 510520, China
大气中温室气体浓度增加所引起的全球气候变暖成为当今全人类面临的最大挑战之一[1-2]。CO2、CH4和N2O是3种对全球气候变化影响最大的温室气体，对温室效应的贡献可达80%左右[3]。IPCC第5次研究报告显示，全球CO2年均体积分数达到390.5 cm3·m-3，CH4和N2O年均体积分数达到1 803.0和324.2 mm3·m-3，分别比工业革命(1750年)前增加了40%、150%和20%，达到历史的最高值，全球温室效应越来越明显[4-5]。森林是陆地生态系统的主体，森林土壤是CO2、CH4、N2O等主要温室气体的源、汇地之一[6-7]。从20世纪70年代以来，世界各国政府和科学界在不同生态系统温室气体源和汇方面开展了大量的工作[8-10]。目前，国内对森林生态系统土壤温室气体源和汇的研究主要集中于季节性排放特征[11-13]。人工林是我国森林类型的重要组成部分，第8次全国森林资源清查结果显示，全国人工林面积达6 933万hm2，占世界人工林面积的1/3[14]。华南地区是我国最重要的人工林产区，人工纯林的土壤温室气体日变化排放有着怎样的规律?相关的研究少见报道。本研究以亚热带常见速生丰产林马占相思Acacia mangium人工纯林为研究对象，通过对3种温室气体通量及环境因子的测定，探索马占相思人工林土壤温室气体排放通量的日变化特征，确定我国亚热带地区人工林不同温室气体通量的最佳观测时间，旨在为研究亚热带地区人工林地表温室气体排放规律提供依据和参考。
1 研究区概况本研究设在广州增城市国营增城林场，该地区海拔最高为494.6 m，平均海拔200 m左右。研究区属南亚热带海洋性季风气候，年平均降水量1 904 mm，4—9月为雨季(月平均降水超过200 mm)，占全年降水量的85%左右，11月至翌年1月为旱季(月平均降水50 mm以下)；年平均温度21.6 ℃，最冷月(1月)的多年平均温度为13.3 ℃，最热月(8月)的多年平均温度为28.4 ℃。研究样地马占相思林地理位置为北纬的23°19′ 45″，东经113°47′22″，位于海拔106 m的山坡上，为1995年栽种的人工林。乔木层以人工栽种的马占相思为主，间或有少量布渣叶Microcos paniculata等分布；灌木层优势植物为五指毛桃Ficus hirta、瓜馥木Fissistigma oldhamii等，草本层以白花悬钩子Rubus leucanthus、芒萁Dicranopteris pedata等为主。土壤为花岗岩发育而成的赤红壤，土壤呈酸性，土壤理化性质见表 1。
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表 1 马占相思人工林土壤理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of Acacia mangium plantation soil |
温室气体通量采用静态箱-气相色谱法测定。采样箱为组合式，由底座、水封槽和顶箱3部分组成，均为PVC材质。底座圆筒形(直径30 cm, 高20 cm)，底座外侧附另一圆筒，2个圆筒之间的空隙构成水封槽(宽5 cm, 高10 cm)，顶箱为一端密封的圆筒(直径30 cm，高39 cm)，顶箱顶部开一个直径0.5 mm的小口，连接硅胶管，用于采气。2014年4月在增城林场马占相思人工纯林内设置标准地，标准地规格30 m×30 m，在标准地内沿一条对角线均匀布置5个静态箱，底座打入地底10 cm，自然静置4个月以消除布设静态箱带来的环境扰动。
采样于2014年8月4—5日进行，天气晴好，采集06:00至次日03:00时段内的气体样品，每隔3 h采集1次。采样前，在底座密封槽内注入清水，以密封气体。在每个采样点罩箱后每隔10 min(即0、10、20和30 min)用注射针管从箱中抽取100 mL气体，注入气体采集袋，采样后及时带回实验室分析。在每次采集气体样品的同时，用便携式手持气象站(NK kestrel4500NV，美国)测定大气压，用便携式数字温度计(JM624，天津今明仪器有限公司)测定地表气温和5 cm深处土壤温度。
用Agilent 7890A气相色谱仪(7890A GC System，美国)测定CO2、CH4和N2O这3种温室气体浓度。CO2和CH4检测器为氢焰离子化检测器(FID)，检测器温度250 ℃，载气为高纯N2。N2O检测器为电子捕获检测器(ECD)，检测器温度330 ℃，载气为体积分数为95%的氩甲烷。
气体的通量是指单位时间单位面积观测的箱内该气体质量的变化，一般正值表示从土壤排放到大气，负值表示土壤吸收大气中的气体[15]。气体通量的计算公式[16]为：
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式中，F为气体通量，mg·m-2·h-1；M为被测气体的摩尔质量，g·mol-1；P为采样时的大气压，hPa；T为采样时的绝对温度，K；dc/dt为采样时气体浓度随时间变化的直线斜率；V0、P0和T0分别为标准状态下气体摩尔体积(22.41 L·mol-1)、标准大气压(1 013.25 hPa)和绝对温度(273.15 K)；H为采样箱高度，m。
2.2 温室气体日变化中最佳观测时间的矫正系数各个时刻温室气体通量的矫正系数可以用下式进行计算[17]：
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式中，Ci为矫正系数，i为一天中进行观测的次数，各次观测的间隔时间相等，i = 1，2，3，…，n；Favg为温室气体日平均通量；Fi为第i次观测的温室气体通量。
2.3 土壤样品的采集及分析在标准地内选择3处有代表性的地段挖掘土壤坡面，划分4个层次(0~10、10~20、20~30、30~50 cm)，分层采集土壤样品，带回实验室分析。土、水按质量比1.0:2.5配成溶液，pH计测定土壤pH；用靛酚蓝比色法测定NH4+-N；用镀铜镉还原-重氮化偶比色法测定NO3--N；用重铬酸钾氧化-外加热法测定有机质；用半微量凯氏法测定全氮；用氢氧化钠碱熔法将土壤样品溶融后提取待测液，用钼蓝比色法测全磷；用0.5 mol·L-1的碳酸氢钠提取土壤样品后，用钼蓝比色法测速效磷[18]。
2.4 数据分析用Excel 2007软件进行数据整理及作图，用SPSS 19.0对数据进行相关性及回归分析。
3 结果与分析 3.1 土壤CO2、CH4、N2O通量日变化特征由图 1可知，CO2的全天通量均为正值，说明马占相思人工林土壤为CO2的排放源。CO2排放通量的日变化具有一定的规律性，总体表现为先增高后降低的单峰曲线。整体来看CO2排放通量的日变化比较平稳，白天稍高于晚上，变化幅度为401.33~555.59 mg·m-2·h-1，日均值482.68 mg·m-2·h-1。土壤CO2排放通量的最小值出现在06:00左右，此时土壤温度最低。此后，随着温度的升高，CO2排放通量也随之升高，在15:00左右达到全天的峰值。相关性分析表明，土壤CO2排放通量与地表气温及5 cm深土壤温度之间有显著的正相关性(Rθa=0.748，P < 0.05；Rθs=0.846，P < 0.01；Rθa为通量与地表气温的相关系数，Rθs为通量与5 cm深土壤温度的相关系数，下同)。
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图 1 马占相思人工林土壤CO2排放通量的日变化 Figure 1 Diurnal variation of CO2 flux from Acacia mangium plantation soil |
由图 2可知，全天的CH4通量均为负值，说明马占相思人工林土壤为CH4的吸收汇。CH4吸收通量呈现明显的单峰变化，夜间吸收通量明显高于白天，变化范围为-10.96~-41.88 μg·m-2·h-1，日均值为-24.35 μg·m-2·h-1。从早上开始CH4的吸收量不断减小，于下午18:00左右CH4的吸收通量达到最小值，为-10.96 μg·m-2·h-1，太阳落山之后急剧增加，凌晨03:00达到全天吸收的最大值，为-41.88 μg·m-2·h-1，最大吸收通量是最小值的3.8倍。相关性分析发现，气温对土壤CH4通量无显著影响(P > 0.05)，土壤CH4通量与土壤5 cm温度之间有显著的相关性(Rθs=0.797，P < 0.05)。
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图 2 马占相思人工林土壤CH4通量的日变化 Figure 2 Diurnal variation of CH4 flux from Acacia mangium plantation soil |
由图 3可知，全天的N2O通量均为正值，说明马占相思人工林土壤为N2O的排放源。N2O排放通量变化范围有较明显的日变化特征，呈现升高-降低-升高-降低的趋势，呈大小不同的双峰曲线，变化范围24.50 ~ 34.72 μg·m-2·h-1，日均值为29.51 μg·m-2·h-1。N2O排放通量的最低点出现在早上06:00，这很可能是由于早上的低温所致；随后N2O排放通量逐渐增强，在09:00左右达到第1个峰值；此后排放通量呈下降趋势，在12:00时出现低谷；12:00之后排放通量迅速增加，在18:00达到全天的峰值，34.72 μg·m-2·h-1。相关性分析发现，地表气温及5 cm深土壤温度对土壤N2O排放通量无显著影响(P > 0.05)。
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图 3 马占相思人工林土壤N2O通量的日变化 Figure 3 Diurnal variation of N2O flux from Acacia mangium plantation soil |
由于日变化观测中没有降水、施肥等外界因素的影响，温度成为了影响土壤温室气体通量的最关键因子[19]。回归分析(表 2)表明，土壤CO2排放通量和气温显著相关(P < 0.05)，和土壤5 cm处温度极显著相关(P < 0.01)。土壤CO2排放通量和气温、土壤5 cm处温度之间呈指数相关，相关性较好，这与许多研究相吻合[20-22]。Q10值是衡量土壤呼吸速率对温度敏感性的一个指标，根据有关公式[22]可知，马占相思人工林的Q10值为3.37。这说明温度每升高10 ℃，马占相思人工林土壤呼吸增加3.37倍。土壤CH4通量同土壤5 cm处温度之间显著正相关(P < 0.05)，土壤CH4通量同气温之间无显著相关性(P > 0.05)。土壤N2O通量和气温及土壤5 cm处温度之间无显著相关(P＞0.05)。
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表 2 土壤CO2、CH4和N2O通量与温度的相关性1) Table 2 Correlation between CO2, CH4 and N2O fluxes from soil and temperature |
对土壤温室气体进行日变化观测的一个重要目的就是找出一天中最具代表性的通量测定时间段，以该时间段内单次的观测值来近似代替日均值。图 4为CO2、CH4、N2O通量的矫正系数随时间的分布。可以看出，CO2和N2O的矫正系数波动较小，CH4的矫正系数波动较大。CO2通量的矫正系数在06:00—12:00时接近于1.0，表明这一时间段的CO2通量能代表一天的CO2平均排放量，即06:00—12:00为该地区温室气体研究中采集CO2的最佳时间。同理，CH4通量的最佳观测时间为09:00—12:00，N2O通量的最佳观测时间为09:00—15:00及0:00—03:00。3种温室气体通量的矫正系数在上午09：00时最接近1.0，说明这一时间3种温室气体的通量最能代表一天的平均通量。
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图 4 土壤CO2、CH4和N2O通量的矫正系数随时间的分布 Figure 4 Diurnal changes of correction coeffients of CO2, CH4 and N2O fluxes from soil |
亚热带地区马占相思人工林土壤3种温室气体具有明显的日变化特征，CO2排放通量的日变化呈单峰曲线，其变化轨迹同全天温度的变化轨迹大体一致，土壤CO2主要来源于植物根呼吸、土壤动物和土壤微生物的呼吸作用以及凋落物的分解，呼吸作用及凋落物的分解都在一定范围内随温度的升高而加强[23]。CH4通量的日变化呈单峰曲线，吸收高峰出现在晚上，甲烷产生菌是专性厌氧菌，而甲烷氧化细菌吸收甲烷是一个耗氧过程[24]。随着土壤温度提高，土壤生物活性加强，土壤氧消耗快，有利于甲烷产生菌的活性，表现为土壤甲烷吸收通量降低。N2O通量的日变化呈双峰曲线，在上午和下午出现2个排放高峰。肖冬梅等[25]研究发现光强是N2O排放的一个限制因子，光强越强，N2O排放越少。本研究中也发现类似的情况，N2O在中午光强最强的时候出现低谷。
华南地区马占相思人工纯林土壤3种温室气体CO2、CH4、N2O日均通量(482.68 mg·m-2·h-1、-24.35 μg·m-2·h-1、29.51 μg·m-2·h-1)明显低于南亚热带森林土壤温室气体日均通量(618.50 mg·m-2·h-1、-39.13 μg·m-2·h-1、78.51 μg·m-2·h-1)[15]，表明人工林土壤温室气体通量比同一区域内的天然林低。马占相思人工林土壤CO2通量低于同一地区近自然林的主要原因可能是马占相思的根系具有固氮根瘤菌，固氮根瘤菌能显著提高土壤中的氮含量[26]，土壤中氮含量较高会降低森林地表CO2通量[27]，也有可能与马占相思叶片凋落量及其分解速度低于天然林有关[28-29]。森林林龄和土壤的破坏程度会影响CH4的吸收通量[24, 30]，马占相思人工林对CH4的吸收功能弱于天然林，可能与受到的人为干扰有关。另外本研究土壤中的氨态氮(9.81 mg·kg-1)高于天然林(5.91 mg·kg-1)[31]，对甲烷的氧化起一定的竞争抑制作用[32]。森林土壤N2O主要来源于硝化过程和反硝化过程[33]，较高的凋落物量和较快的凋落物分解速率能创造有利于硝化和反硝化细菌生存的微生物环境[34]。植被组成也是影响森林土壤N2O通量的关键因子之一。和人工林相比，天然林植被类型更为复杂，根生物量和微生物生物量更高，也是天然林N2O排放高于马占相思人工林的原因之一。
4.2 温度对温室气体通量的影响马占相思人工林地表CO2通量和气温显著正相关，和5 cm深土壤温度极显著正相关。其土壤呼吸速率与温度的敏感性指标Q10值为3.37，高于热带地区(2.10)[35]和亚热带天然林(2.60)[27]，但是低于温带地区的硬木混交林(3.90)[36]和山毛榉Fagus sylvatica林(4.20)[37]，同去除凋落物的亚热带针阔叶混交林(3.24)[28]较为接近。可见低纬度森林对温度的敏感性低于高纬度，自然林对温度的敏感性低于人工林，在全球变暖的条件下，温度变化对高纬度森林和人工林的土壤呼吸排放CO2的影响更大。马占相思人工林土壤CH4吸收通量与气温相关性不显著，与5 cm深土壤温度呈显著负相关，与北京油松Pinus tabuliformis人工林的研究相一致[38]。随着土壤温度升高，土壤微生物活性加强，土壤氧消耗快，而甲烷氧化细菌吸收甲烷是一个耗氧过程[24]，CH4吸收速率减少，表现为土壤甲烷吸收通量降低。对温带森林的研究表明，土壤N2O通量与土壤温度之间存在正相关关系[39]，然而在热带森林中这种相关性不显著或者不存在[40]。对亚热带马占相思人工林而言，结果同热带森林相一致，气温和5 cm深土壤温度对土壤N2O通量无明显影响，其原因有待于进一步研究。
4.3 温室气体通量的最佳观测时间在华南马占相思人工林中，将雨季采样日的06:00—12:00作为CO2的采样时间，可代表当日CO2的平均通量。CH4为09:00—12:00，N2O为09:00—15:00及00:00—03:00。在不同地区不同时期应通过日变化研究来选择合适当时季节的最佳采样时间，以增强观测结果的代表性[19]。沙丽清[41]及Davidson等[42]研究表明，上午09:00的CO2通量观测值与日均值非常接近。匡艳华[43]对内蒙古华北落叶松Larix principis-rupprechtii人工林研究表明，3种土壤温室气体的最佳观测时间为09:00和19:00。综合考虑3种温室气体以及取样的可操作性，09:00左右可以作为华南地区马占相思人工林最佳采样时间，获得的通量值可代表当日温室气体的平均通量。
4.4 结论亚热带地区马占相思人工林土壤为CO2和N2O的排放源，是CH4的吸收汇，其排放(吸收)强度均低于同一区域的天然林。马占相思人工林土壤3种温室气体具有明显的日变化特征，CO2通量的日变化呈单峰曲线，下午出现排放高峰；CH4通量的日变化呈单峰曲线，吸收高峰出现在晚上；N2O通量的日变化呈双峰曲线，在上午和下午出现2个排放高峰。
在日变化中，短时间内没有降水、施肥等外界因素的干扰，温度成为这一时期影响温室气体通量的决定性因素。本研究中，气温和5 cm深土壤温度对马占相思人工林土壤CO2的释放有显著影响，土壤CO2通量同气温、5 cm深土壤温度呈指数相关；5 cm深土壤温度对CH4通量具有显著性影响，二者之间呈线性相关；温度对N2O通量日变化无显著影响。
综合考虑3种温室气体以及取样的可操作性，华南地区马占相思人工林雨季的最佳采样时间为09:00时左右。
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