模拟降水减少对中亚热带杉木人工林土壤甲烷吸收的影响

2019-07-05王全成陈匆琼杨智杰刘小飞谢锦升杨玉盛

生态学报 2019年10期

王全成,陈匆琼,杨智杰,*,刘小飞,谢锦升,杨玉盛

1 福建师范大学湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地,福州 350007 2 福建师范大学地理科学学院,福州 350007

甲烷被认为是大气中最重要的温室气体之一,其对全球变暖的潜能值是二氧化碳的28倍[1],它对全球气候变暖的贡献率是20%,仅次于55%的二氧化碳贡献率[2]。森林土壤被认为是大气中甲烷重要的汇[3- 4],森林土壤吸收大气甲烷量约为30 Tg/a与大气中甲烷库的年增加量相近,因此,森林土壤甲烷吸收能力是影响大气甲烷浓度变化最重要的因素之一[5]。

气候模型预测,在最极端排放的情景下,亚热带的大部分地区降水可能减少30%[6],而降水量的变化通过改变土壤含水量来影响土壤的通气状况。人们普遍认为土壤甲烷的吸收能力与土壤含水量呈负相关[7- 8],主要是因为土壤含水量增加,阻碍了甲烷和氧气从空气中扩散到土壤中,减少土壤中甲烷氧化菌的底物供应,从而影响土壤甲烷吸收速率。然而,一些研究表明,温度是影响土壤甲烷吸收速率的主要因素[9- 10],主要是由于温度通过影响微生物和酶的活性而影响土壤的甲烷吸收能力。目前,降水变化对森林土壤甲烷吸收的研究主要集中在热带[11- 12]和温带[13- 14],但在亚热带地区研究较少,对影响亚热带森林土壤吸收甲烷能力变化的因子还不清楚。我国的亚热带季风气候是世界上面积最大和最独特气候类型之一,南北跨越超过10个纬度,是对全球变化响应最敏感的地区,降水减少将如何影响亚热带森林土壤吸收甲烷的能力,这已成为目前急需要研究的问题。

杉木人工林(Cunninghamialanceolateplantation)是我国亚热带地区最重要的商品经济林之一,广布于我国南方16个省,自治区。因此,本文通过在杉木人工林内设置不同梯度的模拟降水减少控制试验,同时,利用静态箱-气相色谱法原位观测土壤甲烷吸收的季节变化,旨在研究气候变化背景下杉木林土壤甲烷吸收对降水减少的响应,有利于为亚热带杉木林土壤甲烷通量的研究提供基础数据支撑。

1 研究区概况

研究样地位于福建省建瓯市万木林自然保护区(27°03′N,118°09′E),地处武夷山脉东南,鹫峰山脉西北,为典型的东南低山丘陵地貌。该区属亚热带季风气候,年均温19.4℃,年均降水量1731 mm,多集中在3—8月。年均蒸发量1466 mm,相对湿度81%,全年无霜期277 d。2010年9月至2011年8月的月降雨量和月均温如图1所示。

天然林在1969年皆伐后造杉木人工林,其海拔高度为350 m,西北坡向,坡度为21°,造林密度为1117株/hm2,林分平均树高为18 m,平均胸径为18.3 cm。灌木层以草珊瑚(Sarcandraglabra)、狗骨柴(Tricalysiadubia) 和杜茎山(Maesajaponica)等为主,草本有五节芒(Miscanthusfloridulus) 、狗脊(Woodwardiajaponica)和乌毛厥(Blcehnumorientale) 等。土壤为白垩纪的钙质和泥质砂砾岩发育的山地红壤,土壤基本理化性质如表1所示。

2 研究方法

2.1 实验设计

2010年9月在杉木人工林内按完全随机方法选取9个坡度、坡向、坡位和地上植物结构基本一致的5 m×5 m样地。设置降水减少60%降水、降水减少20%和对照3个降水变化处理,每个处理3个重复,具体方法如下：

降水减少60%处理：在样地地面上1.5 m处安放10块0.2 m(直径)×5 m (长)的凹槽面状透明塑料板,每块塑料板之间的间隙为0.3 m,样地周围用钢板围起,钢板插入深度为60 cm以阻止隔离区外地表径流流入。

降水减少20%处理：在样地地面上1.5 m处安放10块0.1 m (直径)×5 m (长)的凹槽面状透明塑料板,每块塑料板之间的间隙为0.4 m,其他设施与上面介绍相同。

2.2 样品采集与处理

每个样地布设3个静态箱,静态箱是由两部分组成,一部分是由PVC圈(直径20 cm、高10 cm)组成的底座,另一部分是由白铁皮制成的圆台型顶箱(顶部直径10 cm,底部直径20 cm,高20 cm)。于2010年9月至2011年9月每月观测2次。为保证温度尽可能接近日平均值,观测时间固定在9:00—11:00左右。底座于2010年8月份安装后固定不动,每次观测时将顶箱底部橡胶塞与底座PVC圈盖上密封后,用30 mL的注射器分别在0 min、10 min、20 min、30 min时采集20 mL的气体样品,样品立即送回实验室,使用日本产的GC—2014气相色谱测定气样品中甲烷的浓度。

每月测定的VCH4代表该月平均VCH4,乘以天数,通过累加计算求得土壤甲烷年通量。

2.3 环境因子测定

气体采样时,同时,使用JM624温度计测定地面上1.3 m处空气的温度、静态箱内空气的温度以及5 cm深的土壤温度,利用美国产的Model TDR 300 Spectrum测定12 cm深的土壤含水量。

2.4 数据分析与处理

运用Excel 2016和SPSS 19.0对测定的样品数据进行分析,采用单因素方差分析(one-way ANOVA)比较相同月份不同处理间甲烷吸收速率、土壤含水量和甲烷年通量的差异,利用线性回归模型拟合土壤甲烷吸收速率与土壤温度和含水量的关系。运用Origin 8.0软件进行数据制图。

3 结果与分析

3.1 降水减少对杉木人工林土壤甲烷吸收速率的影响

杉木人工林土壤全年均表现为甲烷汇,土壤甲烷吸收速率(VCH4)在月变化上存在较大幅度的波动(图2),12月到次年2月期间达到一年中的最低值(对照10.93 μg m-2h-1),在8月最大(对照75 μg m-2h-1)。模拟降水减少并没有改变VCH4的月变化趋势,但是显著提高了VCH4。

与对照样地相比,降水减少20%处理样地VCH4在9月、5月和6月份显著提高(P<0.05),分别提高了24%、86%和137%,而在其他月份差异不显著(P>0.05)。但降水减少60%处理样地除了在10月、2月和8月份期间VCH4差异不显著外(P>0.05),其他月份里都显著高于对照处理(P<0.05),增加范围在14%—209%。

图2 降水变化对土壤甲烷吸收速率的影响Fig 2 Effect of precipitation change on soil methane uptake rate※和*分别代表相同月份降水减少20%和60%样地和对照有显著性,P<0.05

3.2 降水减少对杉木人工林土壤甲烷年通量的影响

降水减少60%、降水减少20%和对照样地的甲烷年吸收量分别是3.58 kg hm-2a-1、2.96 kg hm-2a-1、2.48 kg hm-2a-1,模拟降水减少提高了土壤甲烷年通量,与对照相比,降水减少60%和20%样地的甲烷年通量分别增加44%和19%(图3)。同时,降水减少60%、降水减少20%和对照样地年均土壤含水量分别为18.87%、23.89%和28.33%(图4)。

图3 不同降水处理的土壤甲烷年通量Fig.3 Annual mean soil CH4 flux under different treatments

图4 不同降水处理的土壤年均含水量Fig.4 Annual mean water content under different treatments

3.3 杉木人工林土壤甲烷吸收速率与土壤温度、土壤含水量的关系

对照处理中,VCH4与土壤含水量呈显著负相关(P=0.001)(图5),但降水减少60%和20%处理的VCH4与土壤含水量相关性不显著(P>0.05)。模拟降水减少改变VCH4环境影响因素,其中降水减少60%样地的VCH4与其土壤温度呈极显著相关关系(P=0.006),降水减少20%样地的VCH4与土壤温度呈显著相关关系(P=0.034),但对照样地中VCH4与土壤温度无显著相关(P>0.05)(图5)。

图5 土壤甲烷吸收速率与土壤温度、土壤含水量的相关关系Fig.5 Correlation of soil CH4 uptake rates with soil temperature and soil water content under different treatmentsa和b为降水减少60%,c和d为降水减少20%,e和f为对照

4 讨论

4.1 亚热带森林土壤甲烷吸收速率的季节变化特征

本研究中,杉木人工林的VCH4在8月最高,其平均值为60.43 μg m-2h-1,12月到次年2月期间最低,其平均值为14.41 μg m-2h-1,与温带长白山阔叶红松林[15](Koreanpine)和中亚热带千烟洲红壤丘陵区针叶人工林[16](Coniferousplantation)VCH4的季节变化规律相似。但是,南亚热带鼎湖山地区的研究结果却发现[17],VCH4在旱季(11—1月)高于雨季(4—9月),马尾松林(Pineforest)和阔叶林(Broadleafforest)干季VCH4平均值分别是雨季的1.4和1.9倍。西双版纳热带地区[18]VCH4为干季(11—4)大于雨季(5—10),2003 和 2005 年热带季雨林(Troicalmonsoonforest)干季VCH4平均值分别是雨季的 1.48 和 5.56 倍。本研究中,12月份至次年2月份平均土壤含水量和温度分别为32.21%和6.7℃,而8月份平均土壤含水量和温度分别为22.22%和25.7℃,但8月份多为台风雨,是本区的干季,加上温度高,土壤的水热搭配条件好,土壤通气状况和微生物活性较高,导致本研究中VCH4在8月份最高。而南亚热带鼎湖山和热带西双版纳地区均表现为干季大于雨季,这是因为干季降水量少,土壤含水量低,通气性好,有利于空气中的甲烷和氧气向土壤中扩散,有利于提高VCH4。这与Castro等的结果相似,他们认为当土壤温度在-5—10 ℃之间时,VCH4与土壤温度呈正相关,但当土壤温度高于10 ℃时,VCH4与土壤含水量则呈负相关[19]。同时本研究中降水变化没有改变中亚热带杉木人工林VCH4的季节变化趋势,与Davidson等人在亚马逊流域热带雨林进行五年隔离林内穿透雨实验发现结果相似[20]。

4.2 降水减少对土壤甲烷年通量的影响

降水是影响土壤含水量最直接和最重要的途径,同时土壤含水量是影响土壤通气状况的最重要因素之一,而森林土壤甲烷吸收速率在很大程度上也取决于土壤通气状况[21]。模拟降水减少后将有利于提高甲烷年通量,本研究中降水减少20%和60%,甲烷年通量分别增加了19%和44%,与模拟降水减少后温带桉树林和亚马逊雨林甲烷年通量增加的结果相似,Fest等人在澳大利亚东南部温带桉树林中降水减少40%发现甲烷年通量增加54.7%[22]；Davidson等人在亚马逊流域热带雨林进行五年的模拟降水减少发现甲烷年通量增加了207%。主要原因是模拟降水减少后导致土壤含水量下降,进而改善了土壤的通气状况,有利于甲烷和氧气向土壤中扩散,从而提高甲烷通量。但是Shvaleva等人在葡萄牙南部橡树林降水减少26%和增加10%后土壤甲烷年通量无显著变化[23],主要是降水增加10%和减少26%并未导致土壤含水量发生明显变化,因此,对土壤甲烷通量没有显著影响。

本研究中,降水减少60%、降水减少20%和对照样地的甲烷年通量分别是3.58 kg hm-2a-1、2.96 kg hm-2a-1、2.48 kg hm-2a-1,均处于全球人工林土壤甲烷年通量的0.1—9.1 kg hm-2a-1的变化范围[24]。亦处于我国人工林甲烷年通量现有研究结果的变化范围0.49—6.85 kg hm-2a-1之内(表2)。对照样地的甲烷年通量为2.48 kg hm-2a-1与莫江明等在南亚热带鼎湖山马尾松林(2.68 kg hm-2a-1)的结果相近,高于刘玲玲等人在中亚热带千烟洲马尾松(1.31 kg hm-2a-1),低于华南丘陵马尾松(3.41 kg hm-2a-1)。通过收集我国不同地区人工林的平均甲烷年通量发现,总体上我国不同气候带人工林的土壤甲烷年通量随年均降水量的增加呈减少趋势(P>0.05,图6),温带地区(4.66 kg hm-2a-1)>亚热带(2.65 kg hm-2a-1)>热带地区(2.15 kg hm-2a-1)(表2)。

表2 我国不同区域人工林土壤甲烷年通量

图6 不同区域甲烷年通量与降水量的相关关系 Fig.6 Relationship between mean annual soil CH4 flux and precipitation in China

4.3 土壤温度和土壤含水量对土壤甲烷吸收的影响

土壤环境(温度和水分等)不但对土壤微生物活性、群落丰度和多样性等有显著的影响[32],而且可以直接影响CH4产生和吸收过程中的底物供应,进而改变CH4产生和吸收的比例,从而对土壤CH4通量产生不同的影响[33]。

甲烷分子在空气中的扩散速度是水中的104倍,土壤含水量的降低有利于氧气和甲烷在土壤中的扩散,被甲烷氧化菌所利用,从而影响到VCH4[34]。温带森林的研究发现,当土壤水分填充孔隙率高于60%时,土壤甲烷吸收主要受水分的限制,但当土壤水分填充孔隙率在20%—60%之间时,土壤甲烷吸收则受到其他因素的控制[19]。本研究中,降水减少20%和60%后土壤含水量分别降低了15.67%和33.4%。菊花等人在北亚热带神农架地区研究发现杉木林降水减少50%处理后土壤含水量下降,提高了土壤空隙状况,氧气易于扩散到土壤中,促进土壤中甲烷氧化菌和甲烷氧化酶(如甲烷单加氧酶)的活性,从而显著的影响到VCH4[35]。

温度对VCH4的影响,不同研究者的研究结果不同。一些研究认为,温度对VCH4无显著影响[36- 37],主要是由于水分对甲烷吸收的影响高于温度,当水分成为限制因子时,温度效应易被屏蔽[38]；田亚男等在湖北樟树马尾松混交林研究发现甲烷吸收通量与土壤含水量呈负相关,但与温度无关[39]。但也有研究认为温度对VCH4有显著影响,主要是温度影响土壤微生物和酶活性,从而影响到VCH4[40]。本研究中对照样地的VCH4与温度相关性不显著(P>0.05),但模拟降水减少后,与土壤温度呈正相关关系(P<0.05)。这可能是模拟降水减少后土壤通气状况改善,有利于空气中的甲烷和氧气向土壤中扩散,从而能够为甲烷氧化菌提供充足的底物供应,如Borken等人在德国温带森林降水量减少14%—45%,CH4年通量增加41%—102%[41]。此时,土壤温度对土壤微生物和酶活性的影响则成为VCH4的主要控制因素,如研究发现甲烷氧化菌的温度敏感性Q10变化范围为1.1—4.8[42]。