模擬降水減少對中亞熱帶杉木人工林土壤甲烷吸收的影響

王全成,陳匆瓊,楊智杰,*,劉小飛,謝錦升,楊玉盛

1 福建師范大學濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地,福州 350007 2 福建師范大學地理科學學院,福州 350007

甲烷被認為是大氣中最重要的溫室氣體之一,其對全球變暖的潛能值是二氧化碳的28倍[1],它對全球氣候變暖的貢獻率是20%,僅次于55%的二氧化碳貢獻率[2]。森林土壤被認為是大氣中甲烷重要的匯[3- 4],森林土壤吸收大氣甲烷量約為30 Tg/a與大氣中甲烷庫的年增加量相近,因此,森林土壤甲烷吸收能力是影響大氣甲烷濃度變化最重要的因素之一[5]。

氣候模型預測,在最極端排放的情景下,亞熱帶的大部分地區(qū)降水可能減少30%[6],而降水量的變化通過改變土壤含水量來影響土壤的通氣狀況。人們普遍認為土壤甲烷的吸收能力與土壤含水量呈負相關(guān)[7- 8],主要是因為土壤含水量增加,阻礙了甲烷和氧氣從空氣中擴散到土壤中,減少土壤中甲烷氧化菌的底物供應,從而影響土壤甲烷吸收速率。然而,一些研究表明,溫度是影響土壤甲烷吸收速率的主要因素[9- 10],主要是由于溫度通過影響微生物和酶的活性而影響土壤的甲烷吸收能力。目前,降水變化對森林土壤甲烷吸收的研究主要集中在熱帶[11- 12]和溫帶[13- 14],但在亞熱帶地區(qū)研究較少,對影響亞熱帶森林土壤吸收甲烷能力變化的因子還不清楚。我國的亞熱帶季風氣候是世界上面積最大和最獨特氣候類型之一,南北跨越超過10個緯度,是對全球變化響應最敏感的地區(qū),降水減少將如何影響亞熱帶森林土壤吸收甲烷的能力,這已成為目前急需要研究的問題。

杉木人工林(Cunninghamialanceolateplantation)是我國亞熱帶地區(qū)最重要的商品經(jīng)濟林之一,廣布于我國南方16個省,自治區(qū)。因此,本文通過在杉木人工林內(nèi)設置不同梯度的模擬降水減少控制試驗,同時,利用靜態(tài)箱-氣相色譜法原位觀測土壤甲烷吸收的季節(jié)變化,旨在研究氣候變化背景下杉木林土壤甲烷吸收對降水減少的響應,有利于為亞熱帶杉木林土壤甲烷通量的研究提供基礎數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究樣地位于福建省建甌市萬木林自然保護區(qū)(27°03′N,118°09′E),地處武夷山脈東南,鷲峰山脈西北,為典型的東南低山丘陵地貌。該區(qū)屬亞熱帶季風氣候,年均溫19.4℃,年均降水量1731 mm,多集中在3—8月。年均蒸發(fā)量1466 mm,相對濕度81%,全年無霜期277 d。2010年9月至2011年8月的月降雨量和月均溫如圖1所示。

天然林在1969年皆伐后造杉木人工林,其海拔高度為350 m,西北坡向,坡度為21°,造林密度為1117株/hm2,林分平均樹高為18 m,平均胸徑為18.3 cm。灌木層以草珊瑚(Sarcandraglabra)、狗骨柴(Tricalysiadubia) 和杜莖山(Maesajaponica)等為主,草本有五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus) 、狗脊(Woodwardiajaponica)和烏毛厥(Blcehnumorientale) 等。土壤為白堊紀的鈣質(zhì)和泥質(zhì)砂礫巖發(fā)育的山地紅壤,土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

2 研究方法

2.1 實驗設計

2010年9月在杉木人工林內(nèi)按完全隨機方法選取9個坡度、坡向、坡位和地上植物結(jié)構(gòu)基本一致的5 m×5 m樣地。設置降水減少60%降水、降水減少20%和對照3個降水變化處理,每個處理3個重復,具體方法如下：

降水減少60%處理：在樣地地面上1.5 m處安放10塊0.2 m(直徑)×5 m (長)的凹槽面狀透明塑料板,每塊塑料板之間的間隙為0.3 m,樣地周圍用鋼板圍起,鋼板插入深度為60 cm以阻止隔離區(qū)外地表徑流流入。

降水減少20%處理：在樣地地面上1.5 m處安放10塊0.1 m (直徑)×5 m (長)的凹槽面狀透明塑料板,每塊塑料板之間的間隙為0.4 m,其他設施與上面介紹相同。

2.2 樣品采集與處理

每個樣地布設3個靜態(tài)箱,靜態(tài)箱是由兩部分組成,一部分是由PVC圈(直徑20 cm、高10 cm)組成的底座,另一部分是由白鐵皮制成的圓臺型頂箱(頂部直徑10 cm,底部直徑20 cm,高20 cm)。于2010年9月至2011年9月每月觀測2次。為保證溫度盡可能接近日平均值,觀測時間固定在9:00—11:00左右。底座于2010年8月份安裝后固定不動,每次觀測時將頂箱底部橡膠塞與底座PVC圈蓋上密封后,用30 mL的注射器分別在0 min、10 min、20 min、30 min時采集20 mL的氣體樣品,樣品立即送回實驗室,使用日本產(chǎn)的GC—2014氣相色譜測定氣樣品中甲烷的濃度。

每月測定的VCH4代表該月平均VCH4,乘以天數(shù),通過累加計算求得土壤甲烷年通量。

2.3 環(huán)境因子測定

氣體采樣時,同時,使用JM624溫度計測定地面上1.3 m處空氣的溫度、靜態(tài)箱內(nèi)空氣的溫度以及5 cm深的土壤溫度,利用美國產(chǎn)的Model TDR 300 Spectrum測定12 cm深的土壤含水量。

2.4 數(shù)據(jù)分析與處理

運用Excel 2016和SPSS 19.0對測定的樣品數(shù)據(jù)進行分析,采用單因素方差分析(one-way ANOVA)比較相同月份不同處理間甲烷吸收速率、土壤含水量和甲烷年通量的差異,利用線性回歸模型擬合土壤甲烷吸收速率與土壤溫度和含水量的關(guān)系。運用Origin 8.0軟件進行數(shù)據(jù)制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水減少對杉木人工林土壤甲烷吸收速率的影響

杉木人工林土壤全年均表現(xiàn)為甲烷匯,土壤甲烷吸收速率(VCH4)在月變化上存在較大幅度的波動(圖2),12月到次年2月期間達到一年中的最低值(對照10.93 μg m-2h-1),在8月最大(對照75 μg m-2h-1)。模擬降水減少并沒有改變VCH4的月變化趨勢,但是顯著提高了VCH4。

與對照樣地相比,降水減少20%處理樣地VCH4在9月、5月和6月份顯著提高(P<0.05),分別提高了24%、86%和137%,而在其他月份差異不顯著(P>0.05)。但降水減少60%處理樣地除了在10月、2月和8月份期間VCH4差異不顯著外(P>0.05),其他月份里都顯著高于對照處理(P<0.05),增加范圍在14%—209%。

圖2 降水變化對土壤甲烷吸收速率的影響Fig 2 Effect of precipitation change on soil methane uptake rate※和*分別代表相同月份降水減少20%和60%樣地和對照有顯著性,P<0.05

3.2 降水減少對杉木人工林土壤甲烷年通量的影響

降水減少60%、降水減少20%和對照樣地的甲烷年吸收量分別是3.58 kg hm-2a-1、2.96 kg hm-2a-1、2.48 kg hm-2a-1,模擬降水減少提高了土壤甲烷年通量,與對照相比,降水減少60%和20%樣地的甲烷年通量分別增加44%和19%(圖3)。同時,降水減少60%、降水減少20%和對照樣地年均土壤含水量分別為18.87%、23.89%和28.33%(圖4)。

圖3 不同降水處理的土壤甲烷年通量Fig.3 Annual mean soil CH4 flux under different treatments

圖4 不同降水處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與土壤溫度、土壤含水量的關(guān)系

對照處理中,VCH4與土壤含水量呈顯著負相關(guān)(P=0.001)(圖5),但降水減少60%和20%處理的VCH4與土壤含水量相關(guān)性不顯著(P>0.05)。模擬降水減少改變VCH4環(huán)境影響因素,其中降水減少60%樣地的VCH4與其土壤溫度呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P=0.006),降水減少20%樣地的VCH4與土壤溫度呈顯著相關(guān)關(guān)系(P=0.034),但對照樣地中VCH4與土壤溫度無顯著相關(guān)(P>0.05)(圖5)。

圖5 土壤甲烷吸收速率與土壤溫度、土壤含水量的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation of soil CH4 uptake rates with soil temperature and soil water content under different treatmentsa和b為降水減少60%,c和d為降水減少20%,e和f為對照

4 討論

4.1 亞熱帶森林土壤甲烷吸收速率的季節(jié)變化特征

本研究中,杉木人工林的VCH4在8月最高,其平均值為60.43 μg m-2h-1,12月到次年2月期間最低,其平均值為14.41 μg m-2h-1,與溫帶長白山闊葉紅松林[15](Koreanpine)和中亞熱帶千煙洲紅壤丘陵區(qū)針葉人工林[16](Coniferousplantation)VCH4的季節(jié)變化規(guī)律相似。但是,南亞熱帶鼎湖山地區(qū)的研究結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)[17],VCH4在旱季(11—1月)高于雨季(4—9月),馬尾松林(Pineforest)和闊葉林(Broadleafforest)干季VCH4平均值分別是雨季的1.4和1.9倍。西雙版納熱帶地區(qū)[18]VCH4為干季(11—4)大于雨季(5—10),2003 和 2005 年熱帶季雨林(Troicalmonsoonforest)干季VCH4平均值分別是雨季的 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溫度分別為32.21%和6.7℃,而8月份平均土壤含水量和溫度分別為22.22%和25.7℃,但8月份多為臺風雨,是本區(qū)的干季,加上溫度高,土壤的水熱搭配條件好,土壤通氣狀況和微生物活性較高,導致本研究中VCH4在8月份最高。而南亞熱帶鼎湖山和熱帶西雙版納地區(qū)均表現(xiàn)為干季大于雨季,這是因為干季降水量少,土壤含水量低,通氣性好,有利于空氣中的甲烷和氧氣向土壤中擴散,有利于提高VCH4。這與Castro等的結(jié)果相似,他們認為當土壤溫度在-5—10 ℃之間時,VCH4與土壤溫度呈正相關(guān),但當土壤溫度高于10 ℃時,VCH4與土壤含水量則呈負相關(guān)[19]。同時本研究中降水變化沒有改變中亞熱帶杉木人工林VCH4的季節(jié)變化趨勢,與Davidson等人在亞馬遜流域熱帶雨林進行五年隔離林內(nèi)穿透雨實驗發(fā)現(xiàn)結(jié)果相似[20]。

4.2 降水減少對土壤甲烷年通量的影響

降水是影響土壤含水量最直接和最重要的途徑,同時土壤含水量是影響土壤通氣狀況的最重要因素之一,而森林土壤甲烷吸收速率在很大程度上也取決于土壤通氣狀況[21]。模擬降水減少后將有利于提高甲烷年通量,本研究中降水減少20%和60%,甲烷年通量分別增加了19%和44%,與模擬降水減少后溫帶桉樹林和亞馬遜雨林甲烷年通量增加的結(jié)果相似,Fest等人在澳大利亞東南部溫帶桉樹林中降水減少40%發(fā)現(xiàn)甲烷年通量增加54.7%[22]；Davidson等人在亞馬遜流域熱帶雨林進行五年的模擬降水減少發(fā)現(xiàn)甲烷年通量增加了207%。主要原因是模擬降水減少后導致土壤含水量下降,進而改善了土壤的通氣狀況,有利于甲烷和氧氣向土壤中擴散,從而提高甲烷通量。但是Shvaleva等人在葡萄牙南部橡樹林降水減少26%和增加10%后土壤甲烷年通量無顯著變化[23],主要是降水增加10%和減少26%并未導致土壤含水量發(fā)生明顯變化,因此,對土壤甲烷通量沒有顯著影響。

本研究中,降水減少60%、降水減少20%和對照樣地的甲烷年通量分別是3.58 kg hm-2a-1、2.96 kg hm-2a-1、2.48 kg hm-2a-1,均處于全球人工林土壤甲烷年通量的0.1—9.1 kg hm-2a-1的變化范圍[24]。亦處于我國人工林甲烷年通量現(xiàn)有研究結(jié)果的變化范圍0.49—6.85 kg hm-2a-1之內(nèi)(表2)。對照樣地的甲烷年通量為2.48 kg hm-2a-1與莫江明等在南亞熱帶鼎湖山馬尾松林(2.68 kg hm-2a-1)的結(jié)果相近,高于劉玲玲等人在中亞熱帶千煙洲馬尾松(1.31 kg hm-2a-1),低于華南丘陵馬尾松(3.41 kg hm-2a-1)。通過收集我國不同地區(qū)人工林的平均甲烷年通量發(fā)現(xiàn),總體上我國不同氣候帶人工林的土壤甲烷年通量隨年均降水量的增加呈減少趨勢(P>0.05,圖6),溫帶地區(qū)(4.66 kg hm-2a-1)>亞熱帶(2.65 kg hm-2a-1)>熱帶地區(qū)(2.15 kg hm-2a-1)(表2)。

表2 我國不同區(qū)域人工林土壤甲烷年通量

圖6 不同區(qū)域甲烷年通量與降水量的相關(guān)關(guān)系 Fig.6 Relationship between mean annual soil CH4 flux and precipitation in China

4.3 土壤溫度和土壤含水量對土壤甲烷吸收的影響

土壤環(huán)境(溫度和水分等)不但對土壤微生物活性、群落豐度和多樣性等有顯著的影響[32],而且可以直接影響CH4產(chǎn)生和吸收過程中的底物供應,進而改變CH4產(chǎn)生和吸收的比例,從而對土壤CH4通量產(chǎn)生不同的影響[33]。

甲烷分子在空氣中的擴散速度是水中的104倍,土壤含水量的降低有利于氧氣和甲烷在土壤中的擴散,被甲烷氧化菌所利用,從而影響到VCH4[34]。溫帶森林的研究發(fā)現(xiàn),當土壤水分填充孔隙率高于60%時,土壤甲烷吸收主要受水分的限制,但當土壤水分填充孔隙率在20%—60%之間時,土壤甲烷吸收則受到其他因素的控制[19]。本研究中,降水減少20%和60%后土壤含水量分別降低了15.67%和33.4%。菊花等人在北亞熱帶神農(nóng)架地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)杉木林降水減少50%處理后土壤含水量下降,提高了土壤空隙狀況,氧氣易于擴散到土壤中,促進土壤中甲烷氧化菌和甲烷氧化酶(如甲烷單加氧酶)的活性,從而顯著的影響到VCH4[35]。

溫度對VCH4的影響,不同研究者的研究結(jié)果不同。一些研究認為,溫度對VCH4無顯著影響[36- 37],主要是由于水分對甲烷吸收的影響高于溫度,當水分成為限制因子時,溫度效應易被屏蔽[38]；田亞男等在湖北樟樹馬尾松混交林研究發(fā)現(xiàn)甲烷吸收通量與土壤含水量呈負相關(guān),但與溫度無關(guān)[39]。但也有研究認為溫度對VCH4有顯著影響,主要是溫度影響土壤微生物和酶活性,從而影響到VCH4[40]。本研究中對照樣地的VCH4與溫度相關(guān)性不顯著(P>0.05),但模擬降水減少后,與土壤溫度呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。這可能是模擬降水減少后土壤通氣狀況改善,有利于空氣中的甲烷和氧氣向土壤中擴散,從而能夠為甲烷氧化菌提供充足的底物供應,如Borken等人在德國溫帶森林降水量減少14%—45%,CH4年通量增加41%—102%[41]。此時,土壤溫度對土壤微生物和酶活性的影響則成為VCH4的主要控制因素,如研究發(fā)現(xiàn)甲烷氧化菌的溫度敏感性Q10變化范圍為1.1—4.8[42]。

5 結(jié)論

本研究中,降水減少20%和60%均提高土壤甲烷吸收能力,同時,模擬降水減少改變了土壤甲烷吸收速率的影響因素,從對照樣地中受土壤水分影響,轉(zhuǎn)變成受溫度影響。因此,在全球變暖與降水減少的背景下,考慮溫度變化對土壤甲烷吸收能力的影響,將提高以往基于水分為主要影響因素的土壤甲烷吸收速率預測模型預測精度。