華南地區尾巨桉和馬占相思人工林地表溫室氣體通量

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 廣州市林業和園林科學研究院, 廣州 510405 3 廣東省林業科學研究院, 廣州 510520 4 華南農業大學林學與風景園林學院, 廣州 510642

大氣中溫室氣體濃度急劇增加所導致的全球氣候變暖已經成為當今人類社會關注的焦點,遏制全球變暖已經成為世界各國的共同目標[1- 3]。CO2、CH4和N2O是對全球氣候變化影響最大的3種溫室氣體,對溫室效應的貢獻可達80%左右[4]。目前,全球CO2、CH4和N2O年均體積分數為3.91×10-6、1.80×10-9和3.24×10-9,達到歷史的最高值,并仍以0.4%、0.6%和0.3%的速率增長[5]。陸地生態系統作為人類活動的主要載體,受溫室效應的影響程度是巨大的。土壤作為陸地生態系統的重要組成部分之一,是一個對全球變化響應靈敏的復雜系統,在全球溫室氣體地氣交換方面具有極為重要的作用[6]。據估計,大氣中約有35%的CO2、47%的CH4、53%的N2O與土壤有關[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,對遏制溫室效應加劇有重要意義。

近20年,世界人工林面積不斷擴大,人工林在木材貿易中的比重持續增高,在水熱條件優越的熱帶、亞熱帶地區發展短周期的速生豐產林,已經成為當今世界林業的一種必然趨勢[8- 9]。我國是世界人工林面積最大的國家,全國人工林面積已達0.69億hm2[10]。華南地區是我國最重要的人工林產區之一[11],據《全國木材戰略儲備生產基地建設規劃》,建設短周期纖維漿紙原料林是華南地區重要的戰略任務。華南地區速生豐產林土壤溫室氣體排放有著怎樣的規律,相關的研究少見報道。本研究以亞熱帶最常見速生豐產林——尾巨桉(Eucalyptusurophylla×Eucalyptusgrandis)和馬占相思(Acaciamangium)人工純林為研究對象,在2014年8月至2015年7月,通過對3種溫室氣體通量及環境因子進行為期1年的逐月定量觀測,旨在揭示華南地區尾巨桉和馬占相思人工林溫室氣體的排放規律和通量,確定溫室氣體排放的主控因子。這對更加清晰的認識我國華南地區速生豐產林溫室氣體排放總量有重要意義,并且為我國森林生態系統源匯清單的制定提供重要依據。

1 研究區概況

本研究設在廣州國營增城林場,海拔最高為494.6 m,平均海拔200 m左右。研究區屬南亞熱帶海洋性季風氣候,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,平均樹高6.3 m;灌木層優勢物種為五指毛桃(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,平均樹高21.6 m;灌木層優勢物種為三椏苦(Evodialepta)、野牡丹(Melastomacandidum)等,草本層以蔓生莠竹(Microstegiumvagans)、淡竹葉(Lophatherumgracile)等為主。土壤均為花崗巖發育而成的赤紅壤,土壤呈酸性,土壤理化性質見表1。

表1 兩種林型土壤理化性質

2 研究方法

2.1 樣品采集時間與方法

溫室氣體通量采用靜態箱-氣相色譜法測定。采樣箱為組合式,由底座和頂箱兩部分組成,均為PVC材質。底座圓環狀：直徑(D)×高(H)=35 cm×20 cm,圓環環寬為水封槽：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月在增城林場尾巨桉林和馬占相思純林內設置標準地,標準地規格30 m×30 m,在標準地內沿一條對角線均勻布置5個靜態箱,底座打入地底10 cm,自然靜置4個月以消除布設靜態箱帶來的環境擾動。

從2014年8月至2015年7月,逐月采樣,每月月底進行,每次采樣時間為(9:00—11:00am)。采樣前,在底座密封槽內注入清水進行密封。在每個采樣點罩箱后每隔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內帶回實驗室分析完畢。在每次采集氣體樣品的同時,用便攜式手持氣象站(NKkestrel 4500NV,美國)測定大氣壓,用便攜式數字溫度計(JM 624,天津今明儀器有限公司)測定氣溫、地表溫度和5 cm深處土壤溫度。用便攜式測墑儀(TDR 300,美國)測定土壤含水量。為避免對通量觀測點的干擾,在每一個采樣點沿采樣箱周圍選5個點,盡可能使5個測點位置對稱,取五點的平均值作為該采樣點的土壤含水量。

2.2 氣體分析及計算方法

用Agilent 7890A氣相色譜儀(7890A GC System,美國)測定CO2、CH4和N2O三種溫室氣體濃度。CO2和CH4檢測器為氫焰離子化檢測器(FID),檢測器溫度250℃,載氣為高純N2。N2O檢測器為電子捕獲檢測器(ECD),檢測器溫度330℃,載氣為體積分數95%的氬甲烷。

氣體的通量是指單位時間單位面積觀測的箱內該氣體質量的變化,一般正值表示從土壤排放到大氣,負值表示土壤吸收大氣中的氣體[12]。排放通量的計算公式[13]為：

式中,F為氣體通量(mg m-2h-1);M為被測氣體的摩爾質量(g/mol);P為采樣時的大氣壓(hPa);T為采樣時的絕對溫度(K);dc/dt為采樣時氣體濃度隨時間變化的直線斜率;V0、P0和T0分別為標準狀態下氣體摩爾體積(22.41 L/mol)、標準大氣壓(1013.25 hPa)和絕對溫度(273.15 K);H為采樣箱高度(m)。

溫室氣體全年排放總量通過逐月累加得到。計算公式為：

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為每個月天數;2.4為單位轉換系數。

3種溫室氣體(CO2、CH4、N2O)在大氣中的殘留時間及對溫室效應的貢獻各不相同。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一的單位。全球增溫潛勢(Global Warming Potential,以下簡稱GWP)用于定量衡量不同溫室氣體對全球變暖的相對影響,以100年影響尺度計算,1 kg的CH4的增溫效應相當于25 kg的CO2,1 kg的N2O的增溫效應相當于298 kg的CO2[5]。計算公式如下：

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。

2.3 數據分析

用Excel 2010軟件進行數據整理及作圖,用SPSS 19.0對數據進行分析。

3 結果與分析

3.1 土壤溫室氣體通量季節變化特征

圖1 兩種林型地表CO2通量季節變化 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排放通量季節變化規律基本一致,均呈現雨季高旱季低的規律。從4月開始,隨著華南地區進入雨季,氣溫逐步上升,降雨開始增多,兩種林型地表CO2通量明顯增加,均在7月份達到頂峰,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吸收通量的季節變化十分相似,均呈現雨季低旱季高的規律。兩種林型CH4通量的吸收峰和吸收谷均十分接近,只是出現時間不同。尾巨桉林的CH4吸收峰出現在11月,吸收谷為9月份;馬占相思林的CH4吸收峰出現在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排放通量均呈現雨季高旱季低的規律,均在5月和7月出現兩個排放高峰,排放谷出現的時間稍有差異,尾巨桉林最小排放出現在1月份,馬占相思林出現在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通量季節變化Fig.3 Seasonal variation of N2O fluxes from soil in two types of plantation

3.2 土壤溫室氣體通量與環境因子的關系

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(P<0.01),土壤5 cm溫度對地表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溫度呈指數相關,N2O通量和土壤5 cm溫度極顯著呈線性相關。Q10值是衡量土壤呼吸速率對溫度敏感性的一個指標[14],根據有關公式可知,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關鍵因子[15]。回歸分析表明(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)

3.3 土壤溫室氣體總排放量

根據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率(表4)。可以看出尾巨桉林和馬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排放量處于絕對優勢的狀態(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1%的貢獻率。因此,華南地區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

4 討論與結論

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通量均呈現雨季高旱季低的單峰規律,季節變異性強于林型之間的變異性。華南地區屬于亞熱帶季風氣候,雨熱同期,雨季的高溫高濕有利于植物旺盛的生長,植物根呼吸及微生物活動強烈[14]。兩種林型地表CH4吸收通量均表現為旱季高雨季低,兩種林型無明顯差異。森林地表CH4通量的高低主要取決于甲烷氧化細菌和甲烷吸收細菌的相對活性[16]。甲烷氧化細菌吸收甲烷是一個耗氧過程,而甲烷產生菌是專性厭氧菌[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度高,植物根系和微生物在呼吸過程中消耗大量的氧氣,進一步降低了土壤含氧量,這些均有利于甲烷產生菌的代謝,抑制了甲烷氧化菌的活性,從而導致對CH4的吸收量降低。兩種林型地表N2O通量均呈現雨季高旱季低的規律,在雨季出現兩個排放高峰。森林土壤N2O主要來源于硝化過程和反硝化過程[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菌的活性;另一方面,華南地區氮沉降比較嚴重[19],降雨為硝化反硝化細菌提供了反應底物,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菌生存的微生物環境[20]。

尾巨桉林和馬占相思林地表CO2通量和土壤5 cm溫度呈現極顯著(P<0.01)的指數相關。土壤呼吸速率與溫度的敏感性指標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。可見低緯度森林對溫度的敏感性低于高緯度,自然林對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,溫帶森林地表CH4吸收通量與溫度呈正相關。尤其在-1—10℃時,溫度是CH4通量的主導因素[26]。本研究中土壤5 cm溫度對地表CH4通量沒有顯著影響。森林土壤中甲烷氧化細菌和甲烷產生菌都是中溫細菌,細菌活性適宜溫度為22—38℃[27]。整個研究期間,尾巨桉林和馬占相思林樣地平均溫度分別為22.66℃和23.01℃,且溫度季節變化幅度遠低于溫帶,因此土壤溫度對甲烷細菌活性影響有限。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關系[28],然而在熱帶森林中這種相關性不顯著或者不存在[29],原因是熱帶地區土壤溫度的季節變化均比較小。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土壤溫度呈現顯著的正相關,這可能是南亞熱帶季風的氣候造成的。

植物和微生物的許多生命活動需要水分參與,所以土壤濕度是影響土壤地表CO2通量的另一個非常重要的環境因子[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極顯著線性相關。在熱帶,土壤溫度的季節變化相對較小,旱季和雨季的交替作用決定了土壤呼吸速率的季節性波動[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通量呈現負線性相關,這個結果與溫帶和熱帶森林的研究相一致[21,23]。華南地區雨季較差的土壤通透性和較低的土壤含氧量導致地表CH4通量降低。從相關系數可以看出,土壤濕度對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N2O排放高峰和降雨密切相關。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底物;此外,強降雨后會出現干濕交替現象。干濕交替過程可引起土壤硝化作用和反硝化作用交替產生N2O,并且能抑制N2O深度還原為N2,從而促進土壤排放更多的N2O[31]。

為了更好的分析評價華南地區人工林地表溫室氣體排放,特將本文研究結果與國內熱帶溫帶不同林分地表溫室氣體排放情況進行了對比(表5)。可以看出,華南地區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。表明在我國森林地表CO2通量從溫帶到熱帶逐漸增高,在同一區域天然林大于人工林。有研究表明未受干擾的原始森林對CH4的吸收通量顯著大于人為干擾嚴重的人工林[34]。在本研究中也得到類似結論,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,可能因為橡膠林進行了長期的施氮肥,氮沉降會明顯降低土壤的CH4通量[19]。在溫帶森林研究發現,人工林地表N2O通量低于同一區域天然林,在亞熱帶也得相同的結論[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 國內不同森林生態系統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系統碳氮循環的一個重要環節，是森林碳氮收支的重要方式之一。本試驗主要研究華南地區處于數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律,要更加清晰的認識華南地區速生豐產林土壤溫室氣體的源匯問題,還要開展更多廣泛的試驗。速生豐產林有著不同的生長階段,林分生長周期較短。在不同的生長時期,速生豐產林林分土壤溫室氣體的排放規律有待深入研究。