賈 朋,高常軍,李吉躍,周 平,王 丹,許小林
1 廣州地理研究所, 廣州 510070 2 廣州市林業(yè)和園林科學(xué)研究院, 廣州 510405 3 廣東省林業(yè)科學(xué)研究院, 廣州 510520 4 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院, 廣州 510642
大氣中溫室氣體濃度急劇增加所導(dǎo)致的全球氣候變暖已經(jīng)成為當(dāng)今人類(lèi)社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn),遏制全球變暖已經(jīng)成為世界各國(guó)的共同目標(biāo)[1- 3]。CO2、CH4和N2O是對(duì)全球氣候變化影響最大的3種溫室氣體,對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)可達(dá)80%左右[4]。目前,全球CO2、CH4和N2O年均體積分?jǐn)?shù)為3.91×10-6、1.80×10-9和3.24×10-9,達(dá)到歷史的最高值,并仍以0.4%、0.6%和0.3%的速率增長(zhǎng)[5]。陸地生態(tài)系統(tǒng)作為人類(lèi)活動(dòng)的主要載體,受溫室效應(yīng)的影響程度是巨大的。土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分之一,是一個(gè)對(duì)全球變化響應(yīng)靈敏的復(fù)雜系統(tǒng),在全球溫室氣體地氣交換方面具有極為重要的作用[6]。據(jù)估計(jì),大氣中約有35%的CO2、47%的CH4、53%的N2O與土壤有關(guān)[6- 7]。森林土壤作為陸地土壤的重要組成部分之一,了解森林土壤CO2、N2O和CH4的排放特征和影響因子,對(duì)遏制溫室效應(yīng)加劇有重要意義。
近20年,世界人工林面積不斷擴(kuò)大,人工林在木材貿(mào)易中的比重持續(xù)增高,在水熱條件優(yōu)越的熱帶、亞熱帶地區(qū)發(fā)展短周期的速生豐產(chǎn)林,已經(jīng)成為當(dāng)今世界林業(yè)的一種必然趨勢(shì)[8- 9]。我國(guó)是世界人工林面積最大的國(guó)家,全國(guó)人工林面積已達(dá)0.69億hm2[10]。華南地區(qū)是我國(guó)最重要的人工林產(chǎn)區(qū)之一[11],據(jù)《全國(guó)木材戰(zhàn)略儲(chǔ)備生產(chǎn)基地建設(shè)規(guī)劃》,建設(shè)短周期纖維漿紙?jiān)狭质侨A南地區(qū)重要的戰(zhàn)略任務(wù)。華南地區(qū)速生豐產(chǎn)林土壤溫室氣體排放有著怎樣的規(guī)律,相關(guān)的研究少見(jiàn)報(bào)道。本研究以亞熱帶最常見(jiàn)速生豐產(chǎn)林——尾巨桉(Eucalyptusurophylla×Eucalyptusgrandis)和馬占相思(Acaciamangium)人工純林為研究對(duì)象,在2014年8月至2015年7月,通過(guò)對(duì)3種溫室氣體通量及環(huán)境因子進(jìn)行為期1年的逐月定量觀測(cè),旨在揭示華南地區(qū)尾巨桉和馬占相思人工林溫室氣體的排放規(guī)律和通量,確定溫室氣體排放的主控因子。這對(duì)更加清晰的認(rèn)識(shí)我國(guó)華南地區(qū)速生豐產(chǎn)林溫室氣體排放總量有重要意義,并且為我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)源匯清單的制定提供重要依據(jù)。
本研究設(shè)在廣州國(guó)營(yíng)增城林場(chǎng),海拔最高為494.6 m,平均海拔200 m左右。研究區(qū)屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,年平均降水量1904 mm,4—9月為雨季,占全年降雨量的85%左右,10月份至翌年3月份為旱季;年平均溫度21.6℃,最冷月(1月)的多年平均值為13.3℃,最熱月(8月)的多年平均值為28.4℃。
研究樣地馬占相思林地理位置23°19′45.84″N,113°47′12.48″E,位于海拔106 m的山坡上,為1995年栽種的人工林。喬木層分兩層,高大喬木層以人工栽種的馬占相思為主,平均胸徑25.9 cm,平均樹(shù)高21.2 m;小喬木層由少量的布渣葉(Microcospaniculata)、鴨腳木(Scheffleraoctophylla)等組成,平均胸徑7.4 cm,平均樹(shù)高6.3 m;灌木層優(yōu)勢(shì)物種為五指毛桃(Ficushirta)、瓜馥木(Fissistigmaoldhamii)等,草本層以白花懸鉤子(Rubusleucanthus)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)等為主。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,為2008年栽種的人工林。喬木層為人工栽種的尾巨桉,平均胸徑15.1 cm,平均樹(shù)高21.6 m;灌木層優(yōu)勢(shì)物種為三椏苦(Evodialepta)、野牡丹(Melastomacandidum)等,草本層以蔓生莠竹(Microstegiumvagans)、淡竹葉(Lophatherumgracile)等為主。土壤均為花崗巖發(fā)育而成的赤紅壤,土壤呈酸性,土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1。
表1 兩種林型土壤理化性質(zhì)
溫室氣體通量采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測(cè)定。采樣箱為組合式,由底座和頂箱兩部分組成,均為PVC材質(zhì)。底座圓環(huán)狀:直徑(D)×高(H)=35 cm×20 cm,圓環(huán)環(huán)寬為水封槽:寬度(W)×高(H)=5 cm×10 cm,頂箱為一端封閉的圓筒:直徑(D)×高(H)= 30 cm×39 cm,頂箱一端開(kāi)直徑為0.5 mm的小口,連接硅膠管,用于采氣。2014年4月在增城林場(chǎng)尾巨桉林和馬占相思純林內(nèi)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地,標(biāo)準(zhǔn)地規(guī)格30 m×30 m,在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)沿一條對(duì)角線均勻布置5個(gè)靜態(tài)箱,底座打入地底10 cm,自然靜置4個(gè)月以消除布設(shè)靜態(tài)箱帶來(lái)的環(huán)境擾動(dòng)。
從2014年8月至2015年7月,逐月采樣,每月月底進(jìn)行,每次采樣時(shí)間為(9:00—11:00am)。采樣前,在底座密封槽內(nèi)注入清水進(jìn)行密封。在每個(gè)采樣點(diǎn)罩箱后每隔10 min(即0、10、20 min和30 min)用注射針管從箱中抽取100 mL氣體,注入氣體采集袋,采樣后24 h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室分析完畢。在每次采集氣體樣品的同時(shí),用便攜式手持氣象站(NKkestrel 4500NV,美國(guó))測(cè)定大氣壓,用便攜式數(shù)字溫度計(jì)(JM 624,天津今明儀器有限公司)測(cè)定氣溫、地表溫度和5 cm深處土壤溫度。用便攜式測(cè)墑儀(TDR 300,美國(guó))測(cè)定土壤含水量。為避免對(duì)通量觀測(cè)點(diǎn)的干擾,在每一個(gè)采樣點(diǎn)沿采樣箱周?chē)x5個(gè)點(diǎn),盡可能使5個(gè)測(cè)點(diǎn)位置對(duì)稱,取五點(diǎn)的平均值作為該采樣點(diǎn)的土壤含水量。
用Agilent 7890A氣相色譜儀(7890A GC System,美國(guó))測(cè)定CO2、CH4和N2O三種溫室氣體濃度。CO2和CH4檢測(cè)器為氫焰離子化檢測(cè)器(FID),檢測(cè)器溫度250℃,載氣為高純N2。N2O檢測(cè)器為電子捕獲檢測(cè)器(ECD),檢測(cè)器溫度330℃,載氣為體積分?jǐn)?shù)95%的氬甲烷。
氣體的通量是指單位時(shí)間單位面積觀測(cè)的箱內(nèi)該氣體質(zhì)量的變化,一般正值表示從土壤排放到大氣,負(fù)值表示土壤吸收大氣中的氣體[12]。排放通量的計(jì)算公式[13]為:
式中,F為氣體通量(mg m-2h-1);M為被測(cè)氣體的摩爾質(zhì)量(g/mol);P為采樣時(shí)的大氣壓(hPa);T為采樣時(shí)的絕對(duì)溫度(K);dc/dt為采樣時(shí)氣體濃度隨時(shí)間變化的直線斜率;V0、P0和T0分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體摩爾體積(22.41 L/mol)、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1013.25 hPa)和絕對(duì)溫度(273.15 K);H為采樣箱高度(m)。
溫室氣體全年排放總量通過(guò)逐月累加得到。計(jì)算公式為:
M= ∑(Fi×Di×2.4)
式中,M為年溫室氣體排放通量(t hm-2a-1);Fi為每月氣體通量(mg m-2h-1);i為月份,1—12;Di為每個(gè)月天數(shù);2.4為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。
3種溫室氣體(CO2、CH4、N2O)在大氣中的殘留時(shí)間及對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)各不相同。為了便于比較不同林型土壤溫室氣體排放量,將溫室氣體的年度排放量折算成統(tǒng)一的單位。全球增溫潛勢(shì)(Global Warming Potential,以下簡(jiǎn)稱GWP)用于定量衡量不同溫室氣體對(duì)全球變暖的相對(duì)影響,以100年影響尺度計(jì)算,1 kg的CH4的增溫效應(yīng)相當(dāng)于25 kg的CO2,1 kg的N2O的增溫效應(yīng)相當(dāng)于298 kg的CO2[5]。計(jì)算公式如下:
GWP =FCO2+ 25FCH4+ 298FN2O
式中,FCO2為CO2排放總量,kg;FCH4為CH4排放總量,kg;FN2O為N2O排放總量,kg。
用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及作圖,用SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
圖1 兩種林型地表CO2通量季節(jié)變化 Fig.1 Seasonal variation of CO2 fluxes from soil in two types of plantation
由圖1可知,尾巨桉林和馬占相思林地表CO2排放通量季節(jié)變化規(guī)律基本一致,均呈現(xiàn)雨季高旱季低的規(guī)律。從4月開(kāi)始,隨著華南地區(qū)進(jìn)入雨季,氣溫逐步上升,降雨開(kāi)始增多,兩種林型地表CO2通量明顯增加,均在7月份達(dá)到頂峰,隨后逐步下降,最小排放量均在12月份。尾巨桉林地表CO2通量變化幅度為94.02—621.60 mg m-2h-1,年均值349.95 mg m-2h-1;馬占相思林地表CO2通量變化幅度為118.08—602.94 mg m-2h-1,年均值322.66 mg m-2h-1。尾巨桉林地表CO2通量稍高于馬占相思林,但兩種林型間并未達(dá)到顯著性差異(P=0.094)。尾巨桉林雨季地表CO2平均通量(517.80 mg m-2h-1)顯著(P<0.01)高于馬占相思林(452.21 mg m-2h-1),馬占相思林旱季地表CO2平均通量(193.10 mg m-2h-1)稍大于尾巨桉林(182.11 mg m-2h-1)。尾巨桉林和馬占相思林的雨季地表CO2通量均顯著(P<0.01)高于旱季,雨季排放量分別是旱季的2.84和2.34倍。
由圖2可知,尾巨桉林和馬占相思林地表CH4吸收通量的季節(jié)變化十分相似,均呈現(xiàn)雨季低旱季高的規(guī)律。兩種林型CH4通量的吸收峰和吸收谷均十分接近,只是出現(xiàn)時(shí)間不同。尾巨桉林的CH4吸收峰出現(xiàn)在11月,吸收谷為9月份;馬占相思林的CH4吸收峰出現(xiàn)在1月,吸收谷為8月份。尾巨桉林地表CH4通量變化幅度為-52.86—-15.33 μg m-2h-1,年均值-33.13 μg m-2h-1;馬占相思林地表CH4通量變化幅度為-51.29—-15.37 μg m-2h-1,年均值-33.51 μg m-2h-1。尾巨桉林和馬占相思林雨季、旱季平均通量及全年均通量均十分接近。尾巨桉林和馬占相思林的旱季CH4吸收通量均顯著(P<0.01)高于雨季,旱季吸收量比雨季高89.75%和82.86%。
圖2 兩種林型地表CH4通量季節(jié)變化Fig.2 Seasonal variation of CH4 fluxes from soil in two types of plantation
由圖3可知,尾巨桉林和馬占相思林地表N2O排放通量均呈現(xiàn)雨季高旱季低的規(guī)律,均在5月和7月出現(xiàn)兩個(gè)排放高峰,排放谷出現(xiàn)的時(shí)間稍有差異,尾巨桉林最小排放出現(xiàn)在1月份,馬占相思林出現(xiàn)在12月。尾巨桉林地表N2O通量變化幅度為4.20—34.78 μg m-2h-1,年均值12.84 μg m-2h-1;馬占相思林地表N2O通量變化幅度為3.08—52.77 μg m-2h-1,年均值19.64 μg m-2h-1。馬占相思林年均地表N2O排放量顯著(P<0.01)高于尾巨桉林,比尾巨桉林高53.03%。馬占相思林雨季地表N2O平均通量(33.65 μg m-2h-1)顯著(P<0.01)高于尾巨桉林(20.36 μg m-2h-1),兩種林型旱季平均通量無(wú)顯著性差異。兩種林型的雨季地表N2O通量均顯著(P<0.01)高于旱季,雨季排放量分別是旱季的3.84和5.97倍。
圖3 兩種林型地表N2O通量季節(jié)變化Fig.3 Seasonal variation of N2O fluxes from soil in two types of plantation
由表2可知,尾巨桉林和馬占相思林地表CO2和N2O通量和土壤5 cm溫度均有極顯著相關(guān)(P<0.01),土壤5 cm溫度對(duì)地表CH4通量影響不顯著(P>0.05)。兩種林型的地表CO2通量和土壤5 cm溫度呈指數(shù)相關(guān),N2O通量和土壤5 cm溫度極顯著呈線性相關(guān)。Q10值是衡量土壤呼吸速率對(duì)溫度敏感性的一個(gè)指標(biāo)[14],根據(jù)有關(guān)公式可知,尾巨桉林和馬占相思林的Q10值分別為3.43和3.10。這說(shuō)明溫度每升高10℃,尾巨桉林和馬占相思林土壤呼吸分別增加3.43倍和3.10倍。
表2 CO2、CH4和N2O通量(y)與土壤5 cm溫度(x)的回歸方程
*,P<0.05;**,P<0.01
除了溫度外,土壤含水量也是影響地表溫室氣體通量的一個(gè)關(guān)鍵因子[15]?;貧w分析表明(表3),兩種林型地表CO2通量和N2O通量和土壤含水量均存在極顯著(P<0.01)線性關(guān)系(0.371 表3 CO2、CH4和N2O通量(y)與土壤含水量(x)的回歸方程(n=60) 根據(jù)CH4和N2O的GWP,可以得到兩種林型3種溫室氣體全年排放總量及每種溫室氣體的貢獻(xiàn)率(表4)??梢钥闯鑫簿掼窳趾婉R占相思林溫室氣體年溫室氣體排放總量為31.014 t/hm2和28.782 t/hm2,尾巨桉林年排放總量比馬占相思林高7.76%。兩種林型中,CO2排放量處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的狀態(tài)(98.46%—99.15%),CH4和N2O處于次要地位。N2O雖然排放量最低,但是由于其GWP較高,依然有著超過(guò)1%的貢獻(xiàn)率。因此,華南地區(qū)尾巨桉林和馬占相思林地表溫室氣體排放主要源于CO2排放。 表4 兩種林型土壤溫室氣體排放總量 尾巨桉人工林和馬占相思人工林均為CO2和N2O的排放源,CH4的吸收匯。尾巨桉林和馬占相思林地表CO2通量均呈現(xiàn)雨季高旱季低的單峰規(guī)律,季節(jié)變異性強(qiáng)于林型之間的變異性。華南地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,雨熱同期,雨季的高溫高濕有利于植物旺盛的生長(zhǎng),植物根呼吸及微生物活動(dòng)強(qiáng)烈[14]。兩種林型地表CH4吸收通量均表現(xiàn)為旱季高雨季低,兩種林型無(wú)明顯差異。森林地表CH4通量的高低主要取決于甲烷氧化細(xì)菌和甲烷吸收細(xì)菌的相對(duì)活性[16]。甲烷氧化細(xì)菌吸收甲烷是一個(gè)耗氧過(guò)程,而甲烷產(chǎn)生菌是專性厭氧菌[17]。雨季土壤含水量高,土壤通氣性降低;另一方面雨季土壤呼吸強(qiáng)度高,植物根系和微生物在呼吸過(guò)程中消耗大量的氧氣,進(jìn)一步降低了土壤含氧量,這些均有利于甲烷產(chǎn)生菌的代謝,抑制了甲烷氧化菌的活性,從而導(dǎo)致對(duì)CH4的吸收量降低。兩種林型地表N2O通量均呈現(xiàn)雨季高旱季低的規(guī)律,在雨季出現(xiàn)兩個(gè)排放高峰。森林土壤N2O主要來(lái)源于硝化過(guò)程和反硝化過(guò)程[18],雨季的大量降雨降低了土壤的含氧量,有利于提高反硝化細(xì)菌的活性;另一方面,華南地區(qū)氮沉降比較嚴(yán)重[19],降雨為硝化反硝化細(xì)菌提供了反應(yīng)底物,因此N2O排放量在雨季明顯上升。馬占相思林地表N2O通量大于尾巨桉林,馬占相思林的凋落物含量遠(yuǎn)高于尾巨桉林,較高的凋落物形成了有利于硝化和反硝化細(xì)菌生存的微生物環(huán)境[20]。 尾巨桉林和馬占相思林地表CO2通量和土壤5 cm溫度呈現(xiàn)極顯著(P<0.01)的指數(shù)相關(guān)。土壤呼吸速率與溫度的敏感性指標(biāo)Q10值分別為3.43和3.10,明顯高于熱帶雨林[21](2.08)、熱帶橡膠林[21](1.79)和亞熱帶天然林[22](1.86),但是低于溫帶地區(qū)的硬木混交林[23](3.9)和山毛櫸林[24](4.2),同去除凋落物的亞熱帶針闊葉混交林[22](3.24)較為接近??梢?jiàn)低緯度森林對(duì)溫度的敏感性低于高緯度,自然林對(duì)溫度的敏感性低于人工林。在全球變暖的條件下,溫度變化對(duì)高緯度森林和人工林的土壤呼吸呼吸的影響更大。Dong等[25]研究表明,在0—30℃范圍內(nèi),溫帶森林地表CH4吸收通量與溫度呈正相關(guān)。尤其在-1—10℃時(shí),溫度是CH4通量的主導(dǎo)因素[26]。本研究中土壤5 cm溫度對(duì)地表CH4通量沒(méi)有顯著影響。森林土壤中甲烷氧化細(xì)菌和甲烷產(chǎn)生菌都是中溫細(xì)菌,細(xì)菌活性適宜溫度為22—38℃[27]。整個(gè)研究期間,尾巨桉林和馬占相思林樣地平均溫度分別為22.66℃和23.01℃,且溫度季節(jié)變化幅度遠(yuǎn)低于溫帶,因此土壤溫度對(duì)甲烷細(xì)菌活性影響有限。有研究表明溫帶森林土壤N2O通量與土壤溫度之間存在正相關(guān)關(guān)系[28],然而在熱帶森林中這種相關(guān)性不顯著或者不存在[29],原因是熱帶地區(qū)土壤溫度的季節(jié)變化均比較小。與熱帶森林不同,亞熱帶尾巨桉林和馬占相思林地表N2O通量與5 cm土壤溫度呈現(xiàn)顯著的正相關(guān),這可能是南亞熱帶季風(fēng)的氣候造成的。 植物和微生物的許多生命活動(dòng)需要水分參與,所以土壤濕度是影響土壤地表CO2通量的另一個(gè)非常重要的環(huán)境因子[15]。尾巨桉林和馬占相思林地表CO2通量和土壤含水量均呈現(xiàn)極顯著線性相關(guān)。在熱帶,土壤溫度的季節(jié)變化相對(duì)較小,旱季和雨季的交替作用決定了土壤呼吸速率的季節(jié)性波動(dòng)[30]。本研究中,溫度依然是土壤呼吸最主要影響因子。土壤含水量和CH4通量呈現(xiàn)負(fù)線性相關(guān),這個(gè)結(jié)果與溫帶和熱帶森林的研究相一致[21,23]。華南地區(qū)雨季較差的土壤通透性和較低的土壤含氧量導(dǎo)致地表CH4通量降低。從相關(guān)系數(shù)可以看出,土壤濕度對(duì)N2O通量的影響大于土壤溫度。在本研究中,5月和7月的兩個(gè)N2O排放高峰和降雨密切相關(guān)。5月降雨27 d,降水量628.13 mm,7月降雨24 d,降水量386.34 mm。雨水中含有較高的有效氮,為硝化反硝化提供反應(yīng)底物;此外,強(qiáng)降雨后會(huì)出現(xiàn)干濕交替現(xiàn)象。干濕交替過(guò)程可引起土壤硝化作用和反硝化作用交替產(chǎn)生N2O,并且能抑制N2O深度還原為N2,從而促進(jìn)土壤排放更多的N2O[31]。 為了更好的分析評(píng)價(jià)華南地區(qū)人工林地表溫室氣體排放,特將本文研究結(jié)果與國(guó)內(nèi)熱帶溫帶不同林分地表溫室氣體排放情況進(jìn)行了對(duì)比(表5)??梢钥闯?華南地區(qū)尾巨桉人工林和馬占相思人工林的地表CO2通量低于熱帶及亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林,明顯高于亞熱帶松林及溫帶闊葉林及人工林。表明在我國(guó)森林地表CO2通量從溫帶到熱帶逐漸增高,在同一區(qū)域天然林大于人工林。有研究表明未受干擾的原始森林對(duì)CH4的吸收通量顯著大于人為干擾嚴(yán)重的人工林[34]。在本研究中也得到類(lèi)似結(jié)論,兩種林型CH4吸收通量均低于熱帶、亞熱帶及溫帶的天然林或次生林。本研究中兩種人工林的CH4吸收通量高于熱帶橡膠人工林,可能因?yàn)橄鹉z林進(jìn)行了長(zhǎng)期的施氮肥,氮沉降會(huì)明顯降低土壤的CH4通量[19]。在溫帶森林研究發(fā)現(xiàn),人工林地表N2O通量低于同一區(qū)域天然林,在亞熱帶也得相同的結(jié)論[35]。在本研究中,N2O通量低于熱帶及亞熱帶天然林,高于溫帶人工林,和溫帶天然林或次生林排放相近。 表5 國(guó)內(nèi)不同森林生態(tài)系統(tǒng)地表溫室氣體通量值比較 森林地表溫室氣體通量是森林生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)的一個(gè)重要環(huán)節(jié),是森林碳氮收支的重要方式之一。本試驗(yàn)主要研究華南地區(qū)處于數(shù)量成熟的尾巨桉林和馬占相思林CO2、CH4和N2O這3種溫室氣體的排放規(guī)律,要更加清晰的認(rèn)識(shí)華南地區(qū)速生豐產(chǎn)林土壤溫室氣體的源匯問(wèn)題,還要開(kāi)展更多廣泛的試驗(yàn)。速生豐產(chǎn)林有著不同的生長(zhǎng)階段,林分生長(zhǎng)周期較短。在不同的生長(zhǎng)時(shí)期,速生豐產(chǎn)林林分土壤溫室氣體的排放規(guī)律有待深入研究。3.3 土壤溫室氣體總排放量
4 討論與結(jié)論