春季人工草地土壤CO2和CH4通量日變化研究

史常青 盧新衛

摘要：采用最新的土壤溫室氣體通量監測系統，對人工草地春季土壤CO2和CH4通量進行測定，研究植物復蘇期人工草地土壤CO2和CH4通量的日變化及其與環境因素的關系。結果表明：春季人工草地土壤CO2通量有明顯日變化特征，通量變化范圍為-6.47～3.75 μmol/（m2·s），最大值出現在10∶00～12∶00之間，最小值出現在16∶00～17∶00之間，土壤5 cm溫度是草地土壤CO2通量日變化的主要影響因子；人工草地CH4通量也有明顯的晝夜變化規律，白天的波動性要大于夜晚，全天的波動范圍為-16.31～13.13 nmol/（m2·s），在16∶00～18∶00之間出現最大值，在10∶00～11∶00之間降到最小值，土壤10 cm溫度是草地土壤CH4通量的主要影響因子。

關鍵詞：人工草地；CO2通量；CH4通量；日變化

中圖分類號：S154.4文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2016）07-0091-04

全球變暖是當今人們最關心的問題之一，而大氣中溫室氣體的增加被認為是造成目前全球變暖的主要原因[1]。CO2和CH4是大氣中具有溫室效應的兩種主要氣體，這兩種氣體的溫室效應占所有溫室氣體效應的56%和15%[2]。人們通常認為造成溫室氣體增加的主要原因是化石燃料的燃燒和人類生產生活過程中土地利用方式的改變。此外，自然過程也是溫室氣體的重要來源之一[3]。據統計，全球土壤每年向大氣釋放碳量68～100 Pg，排放碳量是化石燃料燃燒的10倍以上[4]。土壤碳庫是全球陸地生態系統中最大的碳庫，即使土壤呼吸發生微小的變化也會引起大氣中主要溫室氣體的變化[5]。目前，國內外關于不同生態系統土壤溫室氣體通量的研究主要集中在天然草原或森林生態系統[6～8]、農田生態系統[9]。對于人工草地生態系統土壤溫室氣體通量的研究還較少，尤其是對CH4通量的研究更少。人工草地是城市綠地的重要組成部分，面積雖然狹小，卻有維護城市碳氧平衡、遮光吸塵、吸熱降溫、調節城市氣候等重要的生態功能。因此，研究人工草地土壤溫室氣體通量，對科學規劃城市景觀綠地、準確估算區域大氣溫室濃度、減少碳排放以及城市生態保護等方面具有重要的參考意義。

1材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于陜西省西安市長安區陜西師范大學校園內（108°53′29″E， 34°09′14″N）。該區域地處關中平原腹地，南依秦嶺，海拔443 m。四季分明，雨量適中，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區。年平均氣溫約15.5℃，降水量約600 mm，無霜期216天，日照時數1 377 h，年太陽輻射總量約為459 kJ/cm2。1月份平均氣溫 -0.9℃，7月份平均氣溫26.8℃，雨量主要集中在7、8、9月份。受地形影響，全年多東北風。

所選人工草地觀測點的植物類型主要是麥冬草（Ophiopogon japonicus），植物地上部平均高度約為10 cm，草地內鋪有水管，定期進行澆水和管理。所選區域土壤為褐土，呈堿性，質地適中，疏松多孔，耕性良好。

1.2研究方法

試驗時間為2015年3-4月，每月中旬左右選擇晴朗天氣進行測定，每次連續監測24 h。在草地研究區域隨機選取4個點作為觀測點，每個觀測點之間相距10 m以上，在試驗開始前一周，在每個觀測點將一端削尖的PVC土壤環（內徑20 cm），垂直壓入土壤6～8 cm，保證PVC環與土體無縫隙結合，同時剪去土環內的地上植物以及枯枝落葉，在整個試驗過程中，每個PVC土壤環的位置保持不變，最大限度地降低對植被和土壤內部的干擾。

采用最新的土壤溫室氣體通量監測系統[10，11]，其主機部分采用美國LGR公司生產的超便攜式溫室氣體分析儀（951-0011， LGR Inc.， USA）和SF-3000土壤氣體通量測量系統，通量系統與4個呼吸氣室相連接。該監測系統所使用的技術為OA-ICOS（偏軸積分腔輸出光譜技術），能夠同時野外原位連續測量CH4和CO2兩種溫室氣體的濃度，并計算出溫室氣體的通量值，測量速率可達1 Hz，測量精度高，準確率高。為保證儀器運轉的正常和數據計算的準確性，儀器每次使用前自動進行一次系統文件完整性檢查和校準。土壤5、10、15 cm溫度、氣溫、空氣濕度、氣壓和風速等數據來源于監測點附近的陜西師范大學長安校區氣象園，該氣象園是按照國家氣象觀測場所的建設標準建設的，隸屬西安市氣象臺區域氣象數據觀測網絡，能提供試驗區域準確的實時氣象信息和數據。

1.3數據統計分析

試驗所得數據均采用Microsoft Excel和SPSS軟件進行分析，采用Origin軟件進行作圖。

2結果與分析

2.1CO2通量日變化及其影響因素

試驗測定結果表明，春季人工草地土壤CO2通量的日變化晝夜規律明顯。由圖1看出，在人工草地，土壤CO2通量的變化范圍為-6.47～3.75 μmol/（m2·s），在9∶00之后，開始有明顯的上升，且在10∶00～12∶00之間達到最大值，之后下降出現波動，在午后出現一個小的波動。土壤CO2通量最小值出現在16∶00～17∶00之間，之后迅速升高，又出現一個小的波峰。變化趨勢基本表現為白天變化較大，夜晚變化較緩，這主要是環境因素影響所致。同時，土壤CO2通量最大值的出現早于土壤溫度和氣溫最大值。

對人工草地土壤CO2通量與氣溫、土壤5 cm（T5）、10 cm（T10）、15 cm（T15）溫度和空氣濕度作相關性分析（表1），結果表明，草地土壤CO2通量與氣溫（R2=0.501，P<0.05）、T5（R2=0.507，P<0.05）有顯著相關性，與其他環境因素的相關性不顯著。由于土壤含水量和pH值幾乎無日變化，所以對于草地土壤CO2通量的日變化，土壤溫度可能是影響CO2通量變化的主要環境因素，尤其是土壤5 cm溫度。

2.2CH4通量日變化及其影響因素

春季人工草地土壤CH4通量日變化也有明顯的晝夜變化規律（圖2）。草地土壤CH4通量的變化范圍為-16.31～13.13 nmol/（m2·s），與土壤CO2通量日變化趨勢相同，在9∶00開始有明顯上升，隨后下降，在10∶00～11∶00之間降到最小值，之后迅速上升，達到一個波峰。在午后會有明顯的波動變化，且在16∶00～18∶00之間出現最大值。土壤CH4通量的基本變化趨勢也是白天波動較大，夜晚變化較緩。對人工草地土壤CH4通量與各環境因素做相關性分析（表1），結果發現，土壤CH4通量與土壤10 cm（T10）、15 cm（T15）溫度具有顯著相關性，且與T10的相關系數要大于與T15的相關系數。對于草地土壤CH4通量日變化，土壤溫度可能是主要的影響因素，尤其是土壤10 cm溫度。

3討論

人工草地的土壤呼吸涉及多個過程，包括土壤中CO2的產生和CO2從土壤向大氣的傳輸。土壤呼吸釋放出的氣態CO2分子是由土壤及凋落物層中的根﹑土壤微生物和土壤動物產生的，是一個非常復雜的過程。所研究區域的氣象因素、土壤質地、植物生長狀況等一系列生物和非生物因素都影響著土壤氣體的產生和擴散。在本研究中，草地土壤CO2通量具有明顯的日變化規律，最大值出現在10∶00～12∶00之間，最小值出現在16∶00～17∶00之間，這與以往人工草地和自然草地生態系統土壤CO2通量的研究基本一致，只是在最小值出現的時間上略有不同。如孫倩等[12]采用CFX-2開放式呼吸測定系統測定了上海城區草坪的呼吸速率，結果表明在春季最大值出現在10∶00～12∶00之間，最小值出現在清晨。梅雪英等[13]研究上海城市草坪CO2通量發現，在日變化中，最大值出現在正午，這與本研究基本一致，而最小值出現在凌晨4∶00左右，與本研究中最小值出現的時間點不同。董云社等[14]對內蒙古典型草地CO2通量觀測發現，在日變化中，最大值出現在白天12∶00，而最小值出現在夜間3∶00，表現為晝高夜低的特點，通量的平均值大約出現在一天中9∶00和19∶00。李明峰等[15]分析了錫林河流域羊草群落春季CO2排放日變化特征分析，最大值出現在午后2∶00左右，最小值出現在清晨，CO2排放通量變化與地表溫度具有類似的變化特征，與本研究有所差異。造成這種差異的原因可能是由于所研究區域的緯度、海拔和地形等不同，形成了不同的氣候和土壤質地。土壤質地主要通過影響土壤孔隙度、濕度和肥力而影響土壤呼吸。土壤CO2通量通常受多因子的交互影響，往往很難將它們的交互作用區分開來。

對于人工草地土壤CH4通量的研究較少，至今沒有統一的定論。董云社等[14]通過對內蒙古典型草地CH4通量的研究表明，CH4通量的日變化特征不是十分明顯，但是CH4通量強度呈現與CO2通量強度相反的晝低夜高的變化趨勢，它們之間有明顯負相關關系。在本研究中，人工草地CH4通量白天的波動性要大于夜晚，且最大值、最小值出現的時間與其他研究者在不同區域的研究結果不相同，原因可能是溫度不同造成的。由于土壤氧化菌多為專性好氧細菌，且屬于中溫性微生物，CH4氧化菌比較適宜的溫度一般為20～30℃，溫度過高或過低都會抑制CH4氧化，當土壤溫度超過37℃時，土壤中大部分CH4氧化菌就會停止生長[16]。不同研究區域的植被類型、土壤質地不同，也會對研究結果造成一定影響。

4結論

（1）春季人工草地土壤CO2通量具有明顯的日變化特征，土壤CO2通量白天高，夜晚低，最大值出現在10∶00～12∶00之間，最小值出現在16∶00～17∶00之間，土壤CO2通量最大值出現早于土壤溫度和氣溫的最大值。土壤CO2通量與土壤5 cm溫度和氣溫呈顯著相關，與土壤5 cm溫度的相關性要高于氣溫。土壤5 cm溫度可以被認為是影響草地土壤CO2通量日變化的主要影響因子。

（2）春季人工草地土壤CH4通量具有明顯的晝夜變化規律，白天的波動性要大于夜晚，通量最大值出現在16∶00～18∶00之間，最小值出現在10∶00～11∶00之間。土壤CH4通量與土壤10 cm溫度和15 cm溫度呈顯著相關，與土壤10 cm溫度的相關性要高于15 cm。在日變化中，土壤10 cm溫度可以被認為是影響草地土壤CH4通量的主要影響因子。

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