土壤濕度對中國南部熱帶森林土壤甲烷吸收的影響

李君怡,席 毅,趙俊福

1 北京大學城市與環境學院, 北京 100871 2 海南省生態環境監測中心, 海口 571126

甲烷(CH4)是僅次于二氧化碳(CO2)的第二大溫室氣體,盡管它在大氣中的濃度只有CO2的0.45%,其增溫潛勢卻是CO2的28—34倍[1]。在過去的幾十年,大氣CH4的濃度不斷上升,到2020年,已經達到1873 mm3/m3[2]。大氣CH4濃度的增長是CH4排放與吸收平衡之后的結果。根據最新的全球甲烷排放收支(2008—2017)[3],全球CH4年排放量約為576(550—594)Tg/a,主要來源于水稻田、濕地、海洋以及化石燃料的開采與燃燒。全球CH4年吸收量約為556(501—574)Tg/a,主要通過在對流層中與羥基自由基發生氧化還原反應、向平流層傳輸、在通氣條件下被土壤中的甲烷氧化菌氧化消除[4]。土壤產甲烷過程是缺氧環境中有機質分解的核心環節,而甲烷氧化是缺氧-有氧界面的重要微生物過程[5]。既往研究顯示,土壤甲烷通量存在較大的時空差異[6],氣候[7]、植被類型[8—9]、底質可利用性[10]等影響CH4產生、氧化、傳輸過程的因子都將引起CH4通量的變化。氣體擴散率隨土壤充氣孔隙的增加而增加,影響土壤的通氣狀況且控制土壤與大氣間的氣體交換。在溫帶森林[11—15]和溫帶草地[16—18]的實地研究中,觀測到CH4通量與土壤溫度、土壤濕度的季節動態呈現一致性。然而,對于熱帶地區的土壤CH4通量與環境因子之間的關系卻鮮有研究。

熱帶森林土壤是大氣CH4一個重要的匯[19],在全球甲烷收支中發揮著重要的作用。一項基于318個站點(包含62個熱帶森林站點)的全球土壤甲烷吸收的薈萃分析表明,熱帶森林土壤的CH4吸收量約為4.65 Tg CH4-C/a,約占全球土壤CH4吸收量的28%[20]。另有研究表明,熱帶森林土壤CH4的吸收量在近幾十年正在逐步增加[21]。然而,由于氣候類型的多樣性及森林結構的復雜性,有關熱帶森林土壤CH4吸收對全球變化的響應及機制的認識仍十分有限。相較于寒帶森林[22—24]和溫帶森林[25—26],目前熱帶尤其是東南亞的CH4通量觀測較少。東南亞的熱帶森林土壤是甲烷的源還是匯尚不清楚,其土壤CH4通量的量級大小、季節動態、驅動因子亟需進一步的研究。

吊羅山國家森林公園位于我國海南省東南部,是我國重要的熱帶森林保護區之一。本研究通過對吊羅山熱帶森林土壤原位甲烷通量及相關環境因子連續兩年(2016年9月至2018年9月)的觀測,旨在分析熱帶森林土壤甲烷通量的季節變化規律及其與環境因子的關系,研究結果將為東南亞地區長時間甲烷通量觀測及熱帶森林土壤甲烷匯的估算提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究選取海南省吊羅山國家森林公園(18°43′—18°58′N,109°43′—110°03′E)為研究區域(圖1的紅色五角星處)。該公園位于海南省陵水縣、保亭縣和瓊中縣交界處,總面積3.8萬hm2,是我國重要的熱帶森林保護區之一。氣候屬熱帶海洋性氣候,全年暖熱,降水豐沛。年降水量1870—2760 mm,年均氣溫24.4 ℃,最冷月平均氣溫15.4 ℃,月均相對空氣濕度80%—85%[27]。

圖1 研究區地理位置Fig.1 The geographical location of the study area

由于吊羅山公園地形起伏較大,山頂和山腳分別是典型的山地森林和低地森林,因此本研究分別在山頂(海拔為970 m)和山腳(海拔為260 m)布設兩個樣地。山腳的母巖為黑云母花崗巖,土壤類型以山地赤紅壤為主,主要組成樹種有青梅(Vaticamangachapoi)、鈍葉新木姜子(Neolitseaobtusifolia)、光葉巴豆(Crotonlaevigatus)、子凌蒲桃(Syzygiumtephrodes)、瓊欖(Gonocaryumlobbianum)和九節(Psychotriarubra)等。山頂的母巖為花崗巖,土壤類型主要為山地黃壤,主要組成樹種有陸均松(Dacrydiumpierrei)、叢花山礬(Symplocospoilanei)、楔葉柃(Euryacuneate)、五列木(Pentaphylaxeuryoides)、紅鱗蒲桃(Syzygiumhancei)和脈葉虎皮楠(Daphniphyllumpaxianum)等[27]。位于山頂的熱帶山地森林和位于山腳的熱帶低地森林均為20世紀70—80年代擇伐后天然更新的次生林,林下基本無草本層,兩類森林的土壤基本理化性質如表1所示。地表常年有凋落物覆蓋,山頂樣地的凋落物多于山腳樣地。凋落物的主要組成是葉片,樹枝及果實較少。

表1 熱帶山地森林和熱帶低地森林的土壤基本理化性質Table 1 Soil physical and chemical properties in tropical lowland and montane forest

1.2 樣品采集與處理

在研究區山頂和山腳進行CH4通量、CO2通量及主要環境因子包括土壤溫度和土壤濕度的測量,于2016年9月至2018年9月每月測量1次。受地形因素的影響,設置山頂樣地大小為50 m × 50 m,山腳樣地的大小為30 m × 30 m。樣地的地理位置如圖1所示。在每個樣地中,分別沿對角線選取三個樣方(10 m × 10 m),布設土壤呼吸環以測量土壤的甲烷通量和二氧化碳通量。在每一個樣方中,隨機布設五個土壤呼吸環(土壤呼吸環插入土壤中的深度為10 cm)。土壤呼吸環的外直徑20 cm,長10 cm。五個土壤呼吸環測得通量的平均值代表該樣方的數值。

甲烷通量和二氧化碳通量均采用便攜式溫室氣體分析儀(LGR Inc., San Jose, USA)測量,其測量原理為離軸積分輸出腔光譜技術。本研究采取原位測量,測量前不移除凋落物層。距土壤表面約5 cm處的土壤溫度和土壤濕度(全土體體積含水量)由Decagon 5 TM傳感器(Decagon Devices Inc., USA)測量。為了盡可能減小人為測量造成的數據偏差,每次溫室氣體通量和環境因子的測量工作均在上午進行,此時的土壤甲烷通量接近全天的平均值[28]。每個呼吸環測量1次的時間是170 s,一共測量三次,取其平均值作為當次測量的結果。在本研究中,從大氣到土壤的通量記為負值,反之記為正值。

在升尺度估算全球熱帶森林土壤甲烷通量時,使用的土壤水數據為SMOS衛星遙感數據,來源于SMOS數據處理中心(CATDS,https://www.catds.fr/),其有效載荷為使用孔徑合成(MIRAS)儀器的微波成像輻射計,是全球第一個采用L波段的遙感器。由于L波段能夠穿透大氣和植被,因此有效地排除了其對于土壤水分反演的干擾[29]。

1.3 數據處理

采用MATLAB R2018b和RStudio軟件對數據進行統計分析。采用Pearson相關分析對CH4通量、CO2通量和土壤溫度、土壤濕度進行相關分析。

相關系數的計算公式如下：

(1)

由于土壤中CH4吸收隨著土壤濕度的增加并非呈現出單調遞減的關系,而是當土壤濕度非常大甚至土壤趨于飽和時,土壤由CH4的匯變成CH4的源。因此,本研究使用分段線性回歸[30]擬合土壤CH4吸收和土壤濕度的關系：

(2)

式中,y是甲烷通量,x是土壤濕度,α是CH4通量變化趨勢開始改變的斷點,β0,β1,β2是回歸系數,ε是殘差。利用RStudio(http://rstudio.com/)中的segmented包進行分段回歸,并進行斷點估計。

運用MATLAB R2018b軟件進行數據制圖。

2 結果與分析

2.1 土壤溫度和土壤濕度的季節變化

圖2展示了2016年9月至2018年9月研究區表層土壤(5 cm)的溫度和濕度的季節變化。與氣溫的季節變化趨勢一致,土壤溫度的最大值出現在夏季(山頂樣地為24.9 ℃,山腳樣地為27.5 ℃),最小值出現在冬季(山頂樣地為11.5 ℃,山腳樣地為15.4 ℃)。山頂樣地的年平均土壤溫度比山腳樣地低3.3 ℃。對于土壤濕度,山頂樣地年平均土壤濕度為19.2%,年內的波動較小(2.8%)。而山腳樣地的年平均濕度相對較低,為12.7%,且年內波動大(5.4%)。

圖2 2016—2018年土壤溫度和土壤濕度的季節動態Fig.2 Seasonal variations of soil temperature and soil moisture from 2016 to 2018誤差線表示標準誤

2.2 二氧化碳通量和甲烷通量的季節變化及相關性

圖3展示了研究時段研究區CO2通量和CH4通量的季節變化。山頂樣地和山腳樣地均為CO2的源(即土壤呼吸過程),山頂樣地年平均CO2排放通量約為1.72 μmol m-2s-1,山腳樣地約為2.36 μmol m-2s-1,且在4—10月CO2的排放量更多。對于CH4通量,山頂樣地和山腳樣地在研究時段內基本都為CH4的匯(山頂樣地年平均CH4吸收通量約為0.25 nmol m-2s-1,山腳樣地約為0.51 nmol m-2s-1)。相比于CO2,山頂和山腳CH4吸收的季節波動表現出更明顯的分歧,山頂CH4吸收的季節波動比山腳低0.15 nmol m-2s-1。

圖3 2016—2018年二氧化碳通量和甲烷通量的季節動態Fig.3 Seasonal variations of CO2 flux and CH4 flux from 2016 to 2018誤差線表示標準誤

圖4展示了研究時段CH4吸收通量與CO2排放通量的關系,CO2排放通量僅能解釋CH4吸收通量月際變化的0.2%,二者之間的相關性并不顯著(P=0.76)。

圖4 2016—2018年甲烷通量對二氧化碳通量的響應Fig.4 Response of CH4 flux to CO2 flux from 2016 to 2018

2.3 二氧化碳通量和甲烷通量對土壤溫度和土壤濕度的響應

圖5展示了研究時段CO2排放和CH4吸收與土壤溫度和濕度的關系。對于CO2的排放,研究時段CO2的排放與土壤溫度呈現出顯著的正相關(相關系數R=0.80,P<0.01),土壤溫度可以解釋研究區CO2排放月際變化的64%,而土壤濕度和CO2的排放之間沒有顯著的相關關系。相比之下,CH4的吸收與環境因子的關系與之相反。研究時段CH4的吸收和土壤濕度之間呈現出顯著的負相關關系(相關系數R=0.88,P<0.01),但當土壤濕度超過20%時,土壤CH4的吸收基本接近于0,并存在轉化為CH4的源的現象。因此,對于土壤濕度和CH4吸收的關系,我們采用分段函數進行擬合：

圖5 2016—2018年二氧化碳通量和甲烷通量對土壤溫度和土壤濕度的響應Fig.5 Responses of CO2 flux and CH4 flux to soil temperature and soil moisture from 2016 to 2018

(3)

2.4 熱帶森林土壤甲烷吸收量升尺度估算

由于本研究中發現熱帶森林土壤濕度對于甲烷吸收有明顯的主導作用,使用SMOS衛星觀測的土壤濕度數據對熱帶森林土壤甲烷通量進行了升尺度估算。圖6展示了2017年熱帶地區土壤濕度和甲烷吸收通量的空間格局。綜合本研究及表2中研究的結果,得到熱帶森林土壤濕度和CH4吸收的關系：

圖6 2017年熱帶地區土壤濕度以及甲烷吸收通量的空間格局圖Fig.6 Spatial pattern of soil moisture and CH4 uptake flux in tropics in 2017

(4)

另外,由于研究站點測量的土壤濕度受到儀器和土壤質地的影響,測量值比衛星觀測偏低。因此在升尺度估算前,對測量數據進行了偏差校正。經過偏差校正之后升尺度估算到的2017年熱帶森林土壤(1.35×109hm2,來源于MODIS MCD12Q1土地覆被數據)的甲烷吸收通量約為 1.72 Tg CH4-C/a。

3 討論

3.1 熱帶森林土壤作為甲烷的匯

土壤甲烷通量是甲烷產生過程(主要在厭氧條件下發生)和甲烷氧化過程(主要在有氧條件下發生)平衡之后的結果[31]。由于熱帶森林土壤一般為不飽和的土壤,因此更有利于發生甲烷的氧化作用。本研究中,無論是山頂樣地還是山腳樣地,均表現為甲烷的匯。熱帶森林土壤表現為甲烷的匯這一結論已經被之前的大量研究證實(表2)。王全成等在中國福建省(27°03′N)的研究發現杉木人工林土壤全年均表現為甲烷匯(甲烷年通量為1.86 kg CH4-C hm-2a-1)[32]。Gong等在中國廣東省(21°27′N)持續一年的通量觀測表明,熱帶森林土壤為甲烷匯(甲烷年通量為0.33 kg CH4-C hm-2a-1)[33]。Davidson等在巴西(02°54′S)的研究也發現,熱帶森林土壤表現為甲烷的吸收,年甲烷吸收通量為0.83 kg CH4-C hm-2a-1[34]。Zhao等搜集了全球54項熱帶森林土壤研究中的甲烷通量數據,其中94%的甲烷通量為負值,也證實了熱帶森林土壤是較強的甲烷吸收匯[35]。

表2 熱帶不同區域森林土壤甲烷年通量Table 2 Annual CH4 flux of forest soils in different regions of the tropics

季節上,本研究發現甲烷吸收通量在干季(11月—次年4月)明顯高于濕季(5—10月)(約0.28 nmol m-2s-1)。Keller和Reiners的研究也發現,哥斯達黎加(10°26′N)的老齡林中,甲烷吸收通量在干季更高(約0.61 nmol m-2s-1)[36]。賈高輝等在海南島尖峰嶺(18°23′N)熱帶山地雨林的研究也表明,土壤甲烷通量整體呈現出旱季大于雨季(約0.26 nmol m-2s-1)[28]。莫江明等在鼎湖山(23°10′N)的研究也發現,土壤甲烷的吸收速率在研究期間出現夏季最低(約0.09 nmol m-2s-1),冬季最高(約0.93 nmol m-2s-1)[37]。

3.2 土壤溫度和濕度對熱帶森林土壤甲烷吸收的影響

土壤濕度決定了土壤的通氣情況,是影響甲烷吸收和排放的重要環境因子[40]。本研究中,無論是在熱帶山地森林還是熱帶低地森林,甲烷吸收和土壤濕度均呈現出顯著的負相關,且土壤濕度可以解釋甲烷吸收變化的至少76%(P<0.01),顯示出熱帶森林土壤濕度對甲烷吸收的主導作用。一致的結論在熱帶其他地區的森林土壤也有證實(表2)。Fang等在中國云南省西雙版納(21°56′N)的研究發現,土壤濕度可以解釋甲烷吸收變化的37%(P<0.01)[38]。Jones等在秘魯(13°11′S)的研究同樣發現,甲烷吸收通量與土壤濕度呈顯著負相關(R=0.79,P<0.05)[39]。Rowlings等在澳大利亞(26°45′S)的熱帶森林的實驗表明,土壤濕度控制甲烷吸收(R=0.52,P<0.01)[41]。這些實驗都表明,低的土壤濕度決定的有氧環境是甲烷氧化過程強于甲烷吸收過程的重要前提條件。

土壤溫度的變化可以影響甲烷產生和氧化反應中酶的活性,進而影響甲烷的排放和吸收[19]。然而,本研究中,無論是山頂樣地還是山腳樣地,土壤溫度和甲烷吸收通量之間均沒有顯著的相關關系,但是土壤溫度明顯影響了土壤呼吸的過程。這意味著,在研究區,土壤濕度對于甲烷通量的變化是占主導作用的,土壤溫度的影響則非常輕微。土壤溫度對于熱帶森林土壤甲烷通量的弱的影響在其他研究中也有體現。例如,Werner等在中國云南省西雙版納(21°57′N)原始林的研究發現,土壤溫度僅能解釋甲烷吸收變化的5%(P<0.05)[42]。Werner等在肯尼亞西部(00°16′N)熱帶森林實驗中也發現,土壤溫度與甲烷吸收通量無顯著相關性(R2<0.05,P<0.01)[43]。

3.3 熱帶森林土壤甲烷吸收量的估算

本研究經過偏差校正之后升尺度估算到的2017年熱帶(30°N—30°S)森林土壤(1.35×109hm2)的甲烷吸收通量約為 1.72 Tg CH4-C/a,而Dutaur和Verchot運用薈萃分析搜集了熱帶森林土壤甲烷吸收的58個測量值,估算出熱帶森林(1.93×109hm2)土壤的甲烷吸收通量為4.65 Tg CH4-C/a[20]。由于Dutaur和Verchot的研究使用了比本研究中更大的森林面積,且不同站點直接平均受到站點不具備代表性的影響(其熱帶站點大多集中在南美洲北部,缺乏非洲、亞洲的實測數據),因此其估算的結果可能存在較大的不確定性。除了基于站點測量的估算結果, Curry使用CLASS(Canadian Land Surface Scheme)模型模擬的熱帶森林(1.55×109hm2)土壤的甲烷吸收通量為3.11 Tg CH4-C/a[21],由于該模型使用了更大的熱帶森林面積(2×108hm2),且模型的關鍵參數β和k0的驗證使用的觀測站點較少,因此模型模擬結果也存在較大的不確定性。總體上,大尺度的熱帶森林土壤甲烷吸收的估算仍然需要更多實地觀測的結果。

4 結論

本研究通過測量2016—2018年吊羅山熱帶森林土壤甲烷通量和相關的環境因子,發現我國海南省吊羅山森林公園的熱帶森林土壤表現為甲烷的匯,且干季的甲烷吸收通量明顯高于濕季。土壤濕度主導了研究區甲烷吸收的月際變化。由于熱帶地區的甲烷地面觀測站點分布稀疏,且大部分站點觀測時長有限,更多長期的實地觀測研究可以幫助了解熱帶森林土壤甲烷通量的季節變化特征,提升對其在全球甲烷收支中作用的認識。