华南地区尾巨桉和马占相思人工林地表温室气体通量

贾 朋,高常军,李吉跃,周 平,王 丹,许小林

1 广州地理研究所, 广州 510070 2 广州市林业和园林科学研究院, 广州 510405 3 广东省林业科学研究院, 广州 510520 4 华南农业大学林学与风景园林学院, 广州 510642

大气中温室气体浓度急剧增加所导致的全球气候变暖已经成为当今人类社会关注的焦点,遏制全球变暖已经成为世界各国的共同目标[1- 3]。CO2、CH4和N2O是对全球气候变化影响最大的3种温室气体,对温室效应的贡献可达80%左右[4]。目前,全球CO2、CH4和N2O年均体积分数为3.91×10-6、1.80×10-9和3.24×10-9,达到历史的最高值,并仍以0.4%、0.6%和0.3%的速率增长[5]。陆地生态系统作为人类活动的主要载体,受温室效应的影响程度是巨大的。土壤作为陆地生态系统的重要组成部分之一,是一个对全球变化响应灵敏的复杂系统,在全球温室气体地气交换方面具有极为重要的作用[6]。据估计,大气中约有35%的CO2、47%的CH4、53%的N2O与土壤有关[6- 7]。森林土壤作为陆地土壤的重要组成部分之一,了解森林土壤CO2、N2O和CH4的排放特征和影响因子,对遏制温室效应加剧有重要意义。

近20年,世界人工林面积不断扩大,人工林在木材贸易中的比重持续增高,在水热条件优越的热带、亚热带地区发展短周期的速生丰产林,已经成为当今世界林业的一种必然趋势[8- 9]。我国是世界人工林面积最大的国家,全国人工林面积已达0.69亿hm2[10]。华南地区是我国最重要的人工林产区之一[11],据《全国木材战略储备生产基地建设规划》,建设短周期纤维浆纸原料林是华南地区重要的战略任务。华南地区速生丰产林土壤温室气体排放有着怎样的规律,相关的研究少见报道。本研究以亚热带最常见速生丰产林——尾巨桉(Eucalyptusurophylla×Eucalyptusgrandis)和马占相思(Acaciamangium)人工纯林为研究对象,在2014年8月至2015年7月,通过对3种温室气体通量及环境因子进行为期1年的逐月定量观测,旨在揭示华南地区尾巨桉和马占相思人工林温室气体的排放规律和通量,确定温室气体排放的主控因子。这对更加清晰的认识我国华南地区速生丰产林温室气体排放总量有重要意义,并且为我国森林生态系统源汇清单的制定提供重要依据。

1 研究区概况

本研究设在广州国营增城林场,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1904 mm,4—9月为雨季,占全年降雨量的85%左右,10月份至翌年3月份为旱季;年平均温度21.6℃,最冷月(1月)的多年平均值为13.3℃,最热月(8月)的多年平均值为28.4℃。

研究样地马占相思林地理位置23°19′45.84″N,113°47′12.48″E,位于海拔106 m的山坡上,为1995年栽种的人工林。乔木层分两层,高大乔木层以人工栽种的马占相思为主,平均胸径25.9 cm,平均树高21.2 m;小乔木层由少量的布渣叶(Microcospaniculata)、鸭脚木(Scheffleraoctophylla)等组成,平均胸径7.4 cm,平均树高6.3 m;灌木层优势物种为五指毛桃(Ficushirta)、瓜馥木(Fissistigmaoldhamii)等,草本层以白花悬钩子(Rubusleucanthus)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)等为主。尾巨桉林地理位置理位置23°19′47.28″N,113°46′31.08″E,位于海拔209 m的山坡上,为2008年栽种的人工林。乔木层为人工栽种的尾巨桉,平均胸径15.1 cm,平均树高21.6 m;灌木层优势物种为三桠苦(Evodialepta)、野牡丹(Melastomacandidum)等,草本层以蔓生莠竹(Microstegiumvagans)、淡竹叶(Lophatherumgracile)等为主。土壤均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。

表1 两种林型土壤理化性质

2 研究方法

2.1 样品采集时间与方法

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,由底座和顶箱两部分组成,均为PVC材质。底座圆环状：直径(D)×高(H)=35 cm×20 cm,圆环环宽为水封槽：宽度(W)×高(H)=5 cm×10 cm,顶箱为一端封闭的圆筒：直径(D)×高(H)= 30 cm×39 cm,顶箱一端开直径为0.5 mm的小口,连接硅胶管,用于采气。2014年4月在增城林场尾巨桉林和马占相思纯林内设置标准地,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。

从2014年8月至2015年7月,逐月采样,每月月底进行,每次采样时间为(9:00—11:00am)。采样前,在底座密封槽内注入清水进行密封。在每个采样点罩箱后每隔10 min(即0、10、20 min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24 h内带回实验室分析完毕。在每次采集气体样品的同时,用便携式手持气象站(NKkestrel 4500NV,美国)测定大气压,用便携式数字温度计(JM 624,天津今明仪器有限公司)测定气温、地表温度和5 cm深处土壤温度。用便携式测墒仪(TDR 300,美国)测定土壤含水量。为避免对通量观测点的干扰,在每一个采样点沿采样箱周围选5个点,尽可能使5个测点位置对称,取五点的平均值作为该采样点的土壤含水量。

2.2 气体分析及计算方法

用Agilent 7890A气相色谱仪(7890A GC System,美国)测定CO2、CH4和N2O三种温室气体浓度。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[12]。排放通量的计算公式[13]为：

式中,F为气体通量(mg m-2h-1);M为被测气体的摩尔质量(g/mol);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)、标准大气压(1013.25 hPa)和绝对温度(273.15 K);H为采样箱高度(m)。

温室气体全年排放总量通过逐月累加得到。计算公式为：

M= ∑(Fi×Di×2.4)

式中,M为年温室气体排放通量(t hm-2a-1);Fi为每月气体通量(mg m-2h-1);i为月份,1—12;Di为每个月天数;2.4为单位转换系数。

3种温室气体(CO2、CH4、N2O)在大气中的残留时间及对温室效应的贡献各不相同。为了便于比较不同林型土壤温室气体排放量,将温室气体的年度排放量折算成统一的单位。全球增温潜势(Global Warming Potential,以下简称GWP)用于定量衡量不同温室气体对全球变暖的相对影响,以100年影响尺度计算,1 kg的CH4的增温效应相当于25 kg的CO2,1 kg的N2O的增温效应相当于298 kg的CO2[5]。计算公式如下：

GWP =FCO2+ 25FCH4+ 298FN2O

式中,FCO2为CO2排放总量,kg;FCH4为CH4排放总量,kg;FN2O为N2O排放总量,kg。

2.3 数据分析

用Excel 2010软件进行数据整理及作图,用SPSS 19.0对数据进行分析。

3 结果与分析

3.1 土壤温室气体通量季节变化特征

图1 两种林型地表CO2通量季节变化 Fig.1 Seasonal variation of CO2 fluxes from soil in two types of plantation

由图1可知,尾巨桉林和马占相思林地表CO2排放通量季节变化规律基本一致,均呈现雨季高旱季低的规律。从4月开始,随着华南地区进入雨季,气温逐步上升,降雨开始增多,两种林型地表CO2通量明显增加,均在7月份达到顶峰,随后逐步下降,最小排放量均在12月份。尾巨桉林地表CO2通量变化幅度为94.02—621.60 mg m-2h-1,年均值349.95 mg m-2h-1;马占相思林地表CO2通量变化幅度为118.08—602.94 mg m-2h-1,年均值322.66 mg m-2h-1。尾巨桉林地表CO2通量稍高于马占相思林,但两种林型间并未达到显著性差异(P=0.094)。尾巨桉林雨季地表CO2平均通量(517.80 mg m-2h-1)显著(P<0.01)高于马占相思林(452.21 mg m-2h-1),马占相思林旱季地表CO2平均通量(193.10 mg m-2h-1)稍大于尾巨桉林(182.11 mg m-2h-1)。尾巨桉林和马占相思林的雨季地表CO2通量均显著(P<0.01)高于旱季,雨季排放量分别是旱季的2.84和2.34倍。

由图2可知,尾巨桉林和马占相思林地表CH4吸收通量的季节变化十分相似,均呈现雨季低旱季高的规律。两种林型CH4通量的吸收峰和吸收谷均十分接近,只是出现时间不同。尾巨桉林的CH4吸收峰出现在11月,吸收谷为9月份;马占相思林的CH4吸收峰出现在1月,吸收谷为8月份。尾巨桉林地表CH4通量变化幅度为-52.86—-15.33 μg m-2h-1,年均值-33.13 μg m-2h-1;马占相思林地表CH4通量变化幅度为-51.29—-15.37 μg m-2h-1,年均值-33.51 μg m-2h-1。尾巨桉林和马占相思林雨季、旱季平均通量及全年均通量均十分接近。尾巨桉林和马占相思林的旱季CH4吸收通量均显著(P<0.01)高于雨季,旱季吸收量比雨季高89.75%和82.86%。

图2 两种林型地表CH4通量季节变化Fig.2 Seasonal variation of CH4 fluxes from soil in two types of plantation

由图3可知,尾巨桉林和马占相思林地表N2O排放通量均呈现雨季高旱季低的规律,均在5月和7月出现两个排放高峰,排放谷出现的时间稍有差异,尾巨桉林最小排放出现在1月份,马占相思林出现在12月。尾巨桉林地表N2O通量变化幅度为4.20—34.78 μg m-2h-1,年均值12.84 μg m-2h-1;马占相思林地表N2O通量变化幅度为3.08—52.77 μg m-2h-1,年均值19.64 μg m-2h-1。马占相思林年均地表N2O排放量显著(P<0.01)高于尾巨桉林,比尾巨桉林高53.03%。马占相思林雨季地表N2O平均通量(33.65 μg m-2h-1)显著(P<0.01)高于尾巨桉林(20.36 μg m-2h-1),两种林型旱季平均通量无显著性差异。两种林型的雨季地表N2O通量均显著(P<0.01)高于旱季,雨季排放量分别是旱季的3.84和5.97倍。

图3 两种林型地表N2O通量季节变化Fig.3 Seasonal variation of N2O fluxes from soil in two types of plantation

3.2 土壤温室气体通量与环境因子的关系

由表2可知,尾巨桉林和马占相思林地表CO2和N2O通量和土壤5 cm温度均有极显著相关(P<0.01),土壤5 cm温度对地表CH4通量影响不显著(P>0.05)。两种林型的地表CO2通量和土壤5 cm温度呈指数相关,N2O通量和土壤5 cm温度极显著呈线性相关。Q10值是衡量土壤呼吸速率对温度敏感性的一个指标[14],根据有关公式可知,尾巨桉林和马占相思林的Q10值分别为3.43和3.10。这说明温度每升高10℃,尾巨桉林和马占相思林土壤呼吸分别增加3.43倍和3.10倍。

表2 CO2、CH4和N2O通量(y)与土壤5 cm温度(x)的回归方程

*,P<0.05;**,P<0.01

除了温度外,土壤含水量也是影响地表温室气体通量的一个关键因子[15]。回归分析表明(表3),两种林型地表CO2通量和N2O通量和土壤含水量均存在极显著(P<0.01)线性关系(0.371

表3 CO2、CH4和N2O通量(y)与土壤含水量(x)的回归方程(n=60)

3.3 土壤温室气体总排放量

根据CH4和N2O的GWP,可以得到两种林型3种温室气体全年排放总量及每种温室气体的贡献率(表4)。可以看出尾巨桉林和马占相思林温室气体年温室气体排放总量为31.014 t/hm2和28.782 t/hm2,尾巨桉林年排放总量比马占相思林高7.76%。两种林型中,CO2排放量处于绝对优势的状态(98.46%—99.15%),CH4和N2O处于次要地位。N2O虽然排放量最低,但是由于其GWP较高,依然有着超过1%的贡献率。因此,华南地区尾巨桉林和马占相思林地表温室气体排放主要源于CO2排放。

表4 两种林型土壤温室气体排放总量

4 讨论与结论

尾巨桉人工林和马占相思人工林均为CO2和N2O的排放源,CH4的吸收汇。尾巨桉林和马占相思林地表CO2通量均呈现雨季高旱季低的单峰规律,季节变异性强于林型之间的变异性。华南地区属于亚热带季风气候,雨热同期,雨季的高温高湿有利于植物旺盛的生长,植物根呼吸及微生物活动强烈[14]。两种林型地表CH4吸收通量均表现为旱季高雨季低,两种林型无明显差异。森林地表CH4通量的高低主要取决于甲烷氧化细菌和甲烷吸收细菌的相对活性[16]。甲烷氧化细菌吸收甲烷是一个耗氧过程,而甲烷产生菌是专性厌氧菌[17]。雨季土壤含水量高,土壤通气性降低;另一方面雨季土壤呼吸强度高,植物根系和微生物在呼吸过程中消耗大量的氧气,进一步降低了土壤含氧量,这些均有利于甲烷产生菌的代谢,抑制了甲烷氧化菌的活性,从而导致对CH4的吸收量降低。两种林型地表N2O通量均呈现雨季高旱季低的规律,在雨季出现两个排放高峰。森林土壤N2O主要来源于硝化过程和反硝化过程[18],雨季的大量降雨降低了土壤的含氧量,有利于提高反硝化细菌的活性;另一方面,华南地区氮沉降比较严重[19],降雨为硝化反硝化细菌提供了反应底物,因此N2O排放量在雨季明显上升。马占相思林地表N2O通量大于尾巨桉林,马占相思林的凋落物含量远高于尾巨桉林,较高的凋落物形成了有利于硝化和反硝化细菌生存的微生物环境[20]。

尾巨桉林和马占相思林地表CO2通量和土壤5 cm温度呈现极显著(P<0.01)的指数相关。土壤呼吸速率与温度的敏感性指标Q10值分别为3.43和3.10,明显高于热带雨林[21](2.08)、热带橡胶林[21](1.79)和亚热带天然林[22](1.86),但是低于温带地区的硬木混交林[23](3.9)和山毛榉林[24](4.2),同去除凋落物的亚热带针阔叶混交林[22](3.24)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呼吸的影响更大。Dong等[25]研究表明,在0—30℃范围内,温带森林地表CH4吸收通量与温度呈正相关。尤其在-1—10℃时,温度是CH4通量的主导因素[26]。本研究中土壤5 cm温度对地表CH4通量没有显著影响。森林土壤中甲烷氧化细菌和甲烷产生菌都是中温细菌,细菌活性适宜温度为22—38℃[27]。整个研究期间,尾巨桉林和马占相思林样地平均温度分别为22.66℃和23.01℃,且温度季节变化幅度远低于温带,因此土壤温度对甲烷细菌活性影响有限。有研究表明温带森林土壤N2O通量与土壤温度之间存在正相关关系[28],然而在热带森林中这种相关性不显著或者不存在[29],原因是热带地区土壤温度的季节变化均比较小。与热带森林不同,亚热带尾巨桉林和马占相思林地表N2O通量与5 cm土壤温度呈现显著的正相关,这可能是南亚热带季风的气候造成的。

植物和微生物的许多生命活动需要水分参与,所以土壤湿度是影响土壤地表CO2通量的另一个非常重要的环境因子[15]。尾巨桉林和马占相思林地表CO2通量和土壤含水量均呈现极显著线性相关。在热带,土壤温度的季节变化相对较小,旱季和雨季的交替作用决定了土壤呼吸速率的季节性波动[30]。本研究中,温度依然是土壤呼吸最主要影响因子。土壤含水量和CH4通量呈现负线性相关,这个结果与温带和热带森林的研究相一致[21,23]。华南地区雨季较差的土壤通透性和较低的土壤含氧量导致地表CH4通量降低。从相关系数可以看出,土壤湿度对N2O通量的影响大于土壤温度。在本研究中,5月和7月的两个N2O排放高峰和降雨密切相关。5月降雨27 d,降水量628.13 mm,7月降雨24 d,降水量386.34 mm。雨水中含有较高的有效氮,为硝化反硝化提供反应底物;此外,强降雨后会出现干湿交替现象。干湿交替过程可引起土壤硝化作用和反硝化作用交替产生N2O,并且能抑制N2O深度还原为N2,从而促进土壤排放更多的N2O[31]。

为了更好的分析评价华南地区人工林地表温室气体排放,特将本文研究结果与国内热带温带不同林分地表温室气体排放情况进行了对比(表5)。可以看出,华南地区尾巨桉人工林和马占相思人工林的地表CO2通量低于热带及亚热带季风常绿阔叶林,明显高于亚热带松林及温带阔叶林及人工林。表明在我国森林地表CO2通量从温带到热带逐渐增高,在同一区域天然林大于人工林。有研究表明未受干扰的原始森林对CH4的吸收通量显著大于人为干扰严重的人工林[34]。在本研究中也得到类似结论,两种林型CH4吸收通量均低于热带、亚热带及温带的天然林或次生林。本研究中两种人工林的CH4吸收通量高于热带橡胶人工林,可能因为橡胶林进行了长期的施氮肥,氮沉降会明显降低土壤的CH4通量[19]。在温带森林研究发现,人工林地表N2O通量低于同一区域天然林,在亚热带也得相同的结论[35]。在本研究中,N2O通量低于热带及亚热带天然林,高于温带人工林,和温带天然林或次生林排放相近。

表5 国内不同森林生态系统地表温室气体通量值比较

森林地表温室气体通量是森林生态系统碳氮循环的一个重要环节，是森林碳氮收支的重要方式之一。本试验主要研究华南地区处于数量成熟的尾巨桉林和马占相思林CO2、CH4和N2O这3种温室气体的排放规律,要更加清晰的认识华南地区速生丰产林土壤温室气体的源汇问题,还要开展更多广泛的试验。速生丰产林有着不同的生长阶段,林分生长周期较短。在不同的生长时期,速生丰产林林分土壤温室气体的排放规律有待深入研究。