大青山不同林型土壤CH和CO通量的季节变化及其与土壤湿度的关系.docx

大青山不同林型土壤CH和CO通量的季节变化及其与土壤湿度的关系.docx

《大青山不同林型土壤CH和CO通量的季节变化及其与土壤湿度的关系.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大青山不同林型土壤CH和CO通量的季节变化及其与土壤湿度的关系.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

大青山不同林型土壤CH和CO通量的季节变化及其与土壤湿度的关系

本科毕业论文

大青山不同林型土壤CH

和CO

通量的季节变化及其与土壤湿度的关系

TheseasonalvariationofsoilCH4andCO2fluxesatdifferentforesttypesanditsrelationshipwithsoilmouistureinDaqingMountain

论文完成日期：

二Ο一二年五月

摘要

全球气候变暖已经是不争的事实，CO2和CH4是两种重要的温室气体。

本文采用静态箱-气相色谱法，于2011年生长季，野外观测内蒙古大青山林区土壤温室气体（CO2、CH4）通量的季节变化以及环境因子对其的影响。

结果表明：

在生长季期间，土壤表面CO2通量变化呈现单峰值变化规律，7月底达到季节排放高峰；大青山退化生态系统是土壤CH4的汇，8月20日达到季节吸收高峰。

土壤湿度与土壤表面CO2、CH4通量之间不存在着显著的相关性，但土壤表面CO2、CH4通量与距离地面近的土壤湿度相关性强。

不同深度土壤湿度与气体通量相关性不同，表层土壤相关性最强。

表层土壤湿度对大青山林区土壤温室气体的影响具有重要的意义。

关键词：

土壤温室气体土壤湿度土壤温度季节变化

Abstract

Globalwarmingisascientificallyindisputablefact,andCO2andCH4aretwoimportantgreenhousegaseswhichresultedglobalwarming.ToelucidatetheseasonalvariationofsoilCO2andCH4fluxinthegrowingseasoninDaqingMountin,InnerMongolia,insitumeasurementsofGHGfluxwereundertakeninlarixpricipis-rupprechtiiforestlocatedinthetemperatezonein2011usingstaticchamber-gaschromatographtechnique.TheresultsshowedthatsoilCO2fluxeshadobviousseasonalvariationwhichpeakedintheendofJuly.ForestsoilinDaqingMountainwasatomosphericCH4sinkandpeakedintheendofAugust.ThesoilmoistureinthetopsoillayerwasthemostimportantfactorswhicheffectbothsoilCO2andCH4fluxes.

Keywords:

GreenhousegasSoilmoistureSoiltemperatureseasonalvariation

目录

1引言1

1.1研究目的及意义1

1.2国内外研究现状和发展趋势1

1.2.1国内研究研究现状和发展趋势1

1.2.2国外研究现状和发展趋势3

2试验区概况3

2.1研究区概况3

2.1.1实验位置4

2.1.2地质地貌4

2.1.3气候条件4

2.1.4土壤条件4

2.1.5植被条件4

2.2各试验林地情况：

4

3研究内容及研究方法5

3.1试验样地选择5

3.2样品采集、处理和测定5

3.3通量计算公式5

3.4土壤湿度的测定6

3.5统计分析6

4结果与分析6

4.1森林土壤在生长季温室气体CH4，CO2）通量变化6

4.1.1CO2通量变化6

4.1.2CH4通量变化7

4.2各林地不同深度土壤的湿度变化9

4.2.1荒草坡不同深度土壤的湿度变化9

4.2.2白桦林不同深度土壤湿度的季节变化10

4.2.3华北落叶松人工林不同深度土壤湿度的季节变化10

4.3森林土壤温室气体（CH4、CO2）通量变化与土壤湿度的关系11

4.3.1森林土壤CO2通量变化与土壤湿度的关系11

4.3.2森林土壤CH4通量变化与土壤湿度的关系11

5结论与讨论12

致谢13

参考文献14

1引言

1.1研究目的及意义

全球气候变暖是令世人十分关注的环境问题之一，温室气体在全球变暖过程中起着极其重要的作用。

森林土壤是我国陆地生态系统的重要组成部分，了解森林土壤中温室气体的排放和吸收（温室气体的源与汇的情况），对于评价森林生态系统对全球气候变化的贡献十分必要,同时也是制订温室气体排减技术措施的重要理论基础。

CO2和CH4是温室气体中造成温室效应最重要的两种气体,且它们在大气中的浓度正以惊人的速率不断增加。

CO2是最重要的人为温室气体，在1970年至2004年期间，CO2年排放量已经增加了大约80%，从210亿吨增加到380亿吨，在2004年已占到人为温室气体排放总量的77%。

在最近的一个十年期（1995-2004年），CO2当量排放的增加速率（每年9.2亿吨CO2当量）比前一个十年期（1970-1994年）的排放速率（每年4.3亿、CO2当量）高得多。

（IPCC，2007）虽然CH4增加到大气中的浓度远远低于CO2，但是作为第二大温室气体，其在大气中的浓度已从1750年增长了151%，并且仍在持续增长中。

大青山位于内蒙古呼和浩特市和包头市一线的北侧，属于阴山山脉中段，东西最大长度240km，南北宽度10～30km，总面积为388577hm，山地随着地势的升高，水热条件和植被类型逐渐发生很大变化，土壤类型也随之发生改变，形成土壤的垂直分布结构。

随着海拔增高，气候变冷，植被类型由灌丛草原向森林灌丛草原一森林草原一山地草原演变，根据内蒙古大青山山地分布的天然林植被和大规模分布的人工林植被构成的森林生态系统，分别就白桦次生林、华北落叶松人工林、油松人T林和虎榛子灌木林等4个主要森林类型进行了林分生物量与森林群落结构的调查,大青山4种主要森林植物类型地上部分碳储量总量为305.25t/hm²[1]。

但是对内蒙古大青山主要森林类型土壤呼吸的研究很少，本研究通过对内蒙古大青山主要森林类型土壤呼吸CO2和CH4排放通量进行测定与分析,为大青山森林生态功能评价提供依据。

为进一步研究和估测温室气体排放和吸收提供基础。

1.2国内外研究现状和发展趋势

1.2.1国内研究研究现状和发展趋势

我国对自然生态系统土壤呼吸的系统研究起步较晚，直到二十世纪末才开始有这方面的报道。

通过检索发现，从1989至1999的10年间，我国在土壤呼吸方面的科研论文只有24篇，其中涉及森林生态系统土壤呼吸的仅有3篇，这期间只有刘绍辉在北京的温带森林和黄承才在中亚热带森林进行了森林土壤呼吸研究，开创了我国在这方面研究的先河。

郭继勋在吉林省的羊草草地进行的土壤呼吸的研究则是我国草原生态系统土壤呼吸研究的开端，随后以中国科学院北京植物所和大气物理所的研究人员为主，在内蒙古各类草原生态系统进行了大量的相关研究工作。

近几年来，随着对全球变化的日益重视，与碳收支状况密切相关的土壤呼吸在我国科学界受到广泛关注。

对2000至今的文献检索表明，我国在土壤呼吸的科研论文与前十年相比呈指数增长（共计95篇），研究的地域范围大为扩展，涉及到南亚热带森林、热带森林、喀斯特森林、北方冻原、人工林、沙漠地区、湿地、草原、农田和城市等生态系统。

但总体而言，与科技发达国家相比我国的土壤呼吸研究还处于起步阶段，表现在研究方法比较落后，缺乏长期、连续的跟踪研究，研究内容不够系统，研究人员之间的交流不足等方面。

随着我国社会经济和科学技术的进步，这种相对落后的状况正在逐步得以改善。

例如，目前我国正在进行中的两个碳循环方面的全国性的大项目“中国陆地和近海生态系统碳收支研究”和“中国陆地生态系统碳循环及其驱动机制研究”在很大程度上提高了我国在土壤呼吸研究方面的总体水平。

就土壤一大气间CH4交换通量而言，我国首先在稻田开展相关研究。

研究人员于1985年开始对我国水稻田的CH4排放进行大规模的田间观测实验研究，这些研究不仅探讨了稻田CH4产生、转化和输送机理，而且提出了一些控制稻田CH4排放的实用措施。

到1993年已获得我国五大水稻生态区（华南、华中、华东、北方和西南）的CH4排放实测资料，并在此基础上对我国稻田CH4排放总量进行了估算。

由于水稻田和天然湿地是CH4的重要排放源，而我国又是世界上最大的水稻生产国，水稻收割面积和产量分别占全球的22％和37％，所以其CH4排放的研究不仅起步较早，而且研究内容也较为广泛和深入。

相比之下，在草原和森林生态系统进行地表CH4交换通量的研究则开始较晚，且涉及的地域范围也非常有限。

通过检索发现，从1989年至今，我国有关稻田和天然湿地CH4排放的研究论文共计58篇，而森林土壤一大气间CH4通量的研究论文只有7篇，且研究的地区也只有长白山和北京的低山地区。

从文献检索结果来看，无论是涉及的地域范围还是研究的深度都很有限。

值得一提的是，由中国科学院大气物理研究所主持，于1997--2001年实施的国家自然科学基金重大项目“内蒙古半干旱草原土壤—植被—大气相互作用（IMGRASS）”在草原生态系统主要温室气体（CO2、CH4和N2O）通量的日变化、季节变化、主要控制因素、收支平衡和产生机理方面做了较为系统的观测和实验研究，在很大程度上促进了我国在草原生态系统土壤一大气间温室气体交换方面的研究。

纵观我国近十几年来在土壤—大气间温室气体交换方面的研究可以看出，该方面研究在农田和草原生态系统开展较多，研究得比较深入，而在森林生态系统则比较薄弱，目前我国有关天然湿地温室气体排放的研究主要集中在若尔盖和青藏高原的草丛湿地（王德宣等，2003；刘景双等，2003）、辽河三角洲芦苇湿地（黄国宏等，2001）、三江平原的草丛湿地（Songetal.，2003；杨继松等，2004；王毅勇等，2005）和沿海红树林湿地（Luetal.，1998；叶勇等，2000）。

尤其在我国热带、亚热带地区，存在观测点少、观测频度和时间跨度不够、过程机理研究不足等问题，从而难于全面、准确地评价我国森林生态系统对全球温室气体变化的贡献。

1.2.2国外研究现状和发展趋势

目前全球规模的气候变暖问题已引起了广泛关注（王德宣等，2002）。

导致全球变暖的主要因素是大气中温室气体含量的迅速增加[2-3]（李国琛，2005）。

CH4是大气中重要的温室气体，其分子增温潜势高出CO2[4-5]。

目前，大气中CH4的浓度为1.72μmo·lmol-1、，并以每年0.6%的速率增长（Simpsonetal.，1999），CO2的浓度从工业革命前的280μmol·mol-1增加到现在的355μmol·mol-1，并以每年0.4%的速率增长（Castroetal.，1995）。

因此，有关温室气体源汇关系问题备受关注。

温室气体中，以对土壤CO2释放（即土壤呼吸）的研究为最早。

在19世纪后期便有了对土壤呼吸的研究，但早期研究土壤呼吸的目的是将其作为生态系统中土壤代谢速率的指标，或是用来测量土壤中微生物的活性。

20世纪60年代后期以后，有关土壤CO2释放的研究进展很快，逐渐由通量观测深入到通量变化机理的研究，如土壤温度和大气温度对土壤呼吸的影响，纬度变化对根呼吸和土壤[6]，微生物的影响，土壤肥力对土壤呼吸的影响。

20世纪80年代末开始，由于全球气候变化越来越受到世界各国的重视，对陆地生态系统碳循环的研究成为全球变化研究的一个热点，将土壤CO2释放作为陆地碳循环的一部分成为这一时期研究的特点。

温度和水文条件是影响湿地温室气体排放的重要环境因素。

有研究认为温度是影响CO2排放的主要因素（郝庆菊等，2004），同时水位对CO2排放也有影响，因为水位决定了湿地土壤的厌氧度及氧化带的深度（Smithetal.，1998）。

在加拿大的研究表明:

当水位上升接近泥炭层的时候，CH4排放通量就会增加（Hollyetal.，2002），同时在安大略的研究说明CH4排放通量波动是由于水分满足产甲烷菌的需求后，土壤温度改变引起了CH4排放量的改变（Edwardsetal.，2001）。

2试验区概况

2.1研究区概况

大青山位于内蒙古呼和浩特市和包头市一线的北侧，属于阴山山脉中段，东西最大长度240km，南北宽度10～30km，地理坐标为110°45′52″～111°32′12″E，40°37′41″～40°57′30″N，总面积为388577hm²，山地随着地势的升高，水热条件和植被类型逐渐发生很大变化，土壤类型也随之发生改变，形成土壤的垂直分布结构。

随着海拔增高，气候变冷，植被类型由灌丛草原向森林灌丛草原—森林草原—山地草原演变，土壤由上而下呈带状分布，即山地草甸土—灰色森林土—淋溶灰褐土—典型灰褐土—石灰性灰褐土—栗钙土[7]。

据不完全统计，保护区有高等植物852种，隶属127科422属，其中种子植物736种，隶属88科348属，分别占保护区高等植物科、属、种数的69.3％、82.5％、86.4％；蕨类植物19种，隶属9科12属，占7.1%、2,8%、2.2%；苔藓植物97种，隶属30科62属，分别占23.6%、14.7%、11/4%。

2.1.1实验位置

实验地点设在阴山山脉中部内蒙古呼和浩特市北部大青山圣水梁旅游区，地理位置位为N111°49′38″～111°49′53″，E40°55′58″～40°57′11″，海拔高度约1616m～1956m。

2.1.2地质地貌

大青山海拔在2000米左右，为中山山地，山脉地势西高东低，坡度25～45°，南侧陡峭，北侧平缓。

2.1.3气候条件

气候干燥，干旱少雨，蒸发强烈。

年降水量350～450mm，年蒸发量1800～2300mm。

湿润度0.3～0.6。

年平均温度6℃，大于等于10℃的积温2200～2800℃，无霜期120d。

2.1.4土壤条件

大青山土壤有山地淋溶灰褐土、灰褐土、黄土母质、粗骨质灰褐土、山地栗钙土。

试验地土壤主要为栗钙土。

土壤质地为砂壤和轻壤土。

2.1.5植被条件

内蒙古大青山山区有着丰富的植物资源，有乔木12科40种、灌木22科87种、草本65科731种。

山地的阴坡部位主要是山地森林植被，是以白桦（Betulaplatyphylla）和山杨（Populusdavidiana）为建群种的混交次生林；在1900m以上可见到少量的云杉（Piceaasperata）和杜松（Juniperigida）；在森林植被下部，常见有中生性灌丛伴生，层次较明显，生长繁茂，主要的建群种有虎榛子（Qstzyopsisdazidi．na），绣线菊（Spiacaspp）等。

除此而外，尚有黄刺玫（Rosaxanthina）、珍珠梅（Sorbariakirilowii）、水枸子（Cotoneastermuhiflorus）、辽宁山揸（1iaoningFructusCrataegi）、山荆子（Malusbaccata）、山杏（Prunussibirica）、小叶茶藤子（Ribespulchellum）、东陵八仙花（Hydrangeabretschneideri）、堇叶山梅花（Philadelphustenuifolius）等灌木生长。

其中还伴生有草本植物如：

唐松草（Thalictrumaquilegifolium）、萎陵莱（HerbapotentiUaediscoloris）、白芍药（Paconialactiflorapal1）、黄花菜（Hemerocallislioasphodelus）、铁杆蒿（Herbahet—eropappi）、羊草（Herbaphalaridisarundinaceae）、地榆（Radixsanguisorbae）、野豌豆（Viciatenuifolia）、胡枝子（Lespedezafioribunda）[8]等。

2.2各试验林地情况：

本研究实验地位于大青山古路板林场中、落叶松人工林、白桦天然次生林、荒草坡地三种主要林分类型，样地详细情况如表1所示。

表1大青山实验林地基本情况

Table1Experimentalforestlandcases

植被类型

郁闭度

海拔

坡向

坡度

林龄

平均胸径

平均高

密度

主要植被

（或盖度）

m

（°）

a

cm

m

（株∕hm²）

白桦林

0.8

1780

半阴坡

15和25

35

10.9

10.2

3075

蒙古蒿、欧亚唐松草、柄扁桃等

落叶松林

0.8

1930

阴坡

15和25

20

11.2

8.6

1884

山杨、铃兰、土状绣线菊等

荒草坡

0.25

1490

阴坡

15和25

花楸，肺草、毛莲菜、劲草等

3研究内容及研究方法

3.1试验样地选择

在2011年7～9月在荒草坡、白桦林、落叶松人工林3各实验地点内各自选取有代表性的样地，随机选取设置3个重复，即在样地内埋下3个气体取样底箱（埋入土壤5cm）。

于2011年7月3日、7月30日、8月19日、9月20日每天对各样地进行测定一次。

3.2样品采集、处理和测定

本试验采用静态箱（40cm×40cm×40cm）封闭箱式技术对土壤温室气体（CH4、CO2）排放通量进行原位测定，为保证温度尽可能接近日平均值，每次采样时间采用国际上通用的采样时间（9:

00-12:

00）[9]。

静态箱由厚2.0mm的不锈钢板制成，包括底箱和盖箱两部分，底箱上端有密闭水槽，下端插入土壤深度为5cm，底箱位置固定不变，于每次观测时，首先在密闭水槽中加入适量的水，避免箱内气体与外界的交换，然后将盖箱安置于底箱上。

箱内顶部安有直径10cm的小风扇，取样时风扇保持转动避免箱内出现气体浓度差，风扇用12V蓄电池供电。

箱顶部中心开有直径1cm的小孔，用橡胶塞塞紧，取样时用注射器通过橡胶塞取气体箱侧面开2个小孔，用于温度计探头和风扇电线通过，分别用橡胶塞和硅胶密封。

采用30min罩箱时间，即每个采样箱各罩箱0，10，20，30min取气体样品4次。

采样容器为100ml医用带三通阀的注射器，将注射器与箱体一侧的二通阀相连，采取30～60ml气体样品，放入气袋。

同时记录采样时间和大气温度、箱内温度、大气压。

气样带回实验室后，用Agilent4890D气相色谱议测定其浓度，一次进样，色谱柱内自动分离，CH4检测器采用火焰离子化（FID）检测器，载气为高纯氮气，标气由国家标准物质研究中心提供。

3.3通量计算公式

通量是指单位时间通过某单位面积界面输送的物理量。

箱体内所测样品的浓度采用以下公式计算:

:

所测样品浓度;　　:

标气浓度;　　:

所测样品峰面积;　　:

标气峰面积

　气体交换通量计算采用如下公式:

式中:

为测定气体的交换通量，为箱内气体密度，和分别为时间内箱内气体质量和混合比浓度的变化，A、V、H分别为采样箱底面积、体积和气室高度，为箱内气体浓度变化。

F为正值表示气体从土壤排放到大气，负值表示气体从大气流向土壤或土壤吸收消耗大气中的该气体。

气体的通量表示单位时间单位面积观测箱内该气体浓度的变化，具体计算气体通量时要对气压和温度进行校正。

3.4土壤湿度的测定

每个实验地点挖土壤剖面0～10cm、10～20cm、20～40cm处取土壤样品（3次重复），在实验是称量烘干再称量，计算出土壤的湿度。

3.5统计分析

利用Excel软件进行统计分析，然后比较检验温室气体（CH4、CO2）通量在不同处理不同月份间的差异显著性，并对通量与影响因子进行线性回归分析。

4结果与分析

4.1森林土壤在生长季温室气体（CH4，CO2）通量变化

于2011年7月3日、7月30日、8月19日、9月20日对各样地土壤温室气体（CH4、CO2）通量进行测定一次。

4.1.1CO2通量变化

在2011年生长季于7月3日、7月30日、8月19日、9月20日白桦林、落叶松人工林土壤CO2通量变化（以荒草坡为对照）（见图1）。

图1三种不同林型CO2通量的季节变化规律

Fig1TheseasonalvariationofsoilCO2fluxinthreeforesttypesofDaqingMountain

在调查中白桦林土壤中CO2通量变化过程为单峰曲线，在7月3日开始升高，7月30日达到峰值516.06mg.m-2.h-1。

之后，CO2通量逐渐下降，但7月30日到8月19日CO2通量变化很小；9月20日达到最低值127.99mg.m-2.h-1，整个过程呈单峰曲线土壤CO2通量变化呈现明显的规律。

与荒草坡土壤中CO2通量变化相比较，7月30日前后白桦林土壤中CO2通量低于荒草坡土壤中CO2通量，并且从7月3日到9月20日总体看来白桦林土壤中CO2通量变化比荒草坡土壤中CO2通量变化较平缓，可能是因为荒草坡温度变化比较明显造成。

在调查中落叶松人工林土壤中CO2通量变化过程也为单峰曲线，变化趋势与白桦林土壤中CO2通量变化趋势基本相同，但总体比白桦林土壤中CO2通量低，在7月3日开始升高，7月30日达到峰值393.03mg.m-2.h-1。

之后，CO2通量逐渐下降，但7月30日到8月19日CO2通量变化也很小；9月20日达到最低值89.57mg.m-2.h-1。

与荒草坡土壤中CO2通量变化相比较，，7月30日二者基本相同，之后二者的差距拉大，在7月30日，二者的差距最大，之后二者的差距慢慢减小，整个过程中落叶松人工林土壤中CO2通量一直比荒草坡土壤中CO2通量低，可能主要是因为落叶松人工林处于阴坡土壤温度较低造成。

地表排放的CO2主要来源于土壤微生物、土壤动物的异养呼吸,植物根系的自养呼吸以及凋落物分解产生的CO2[10]。

在生长季（7—9月）三种林地的土壤中CO2通量变化过程呈现先上升后下降的为单峰曲线，可能主要由温度的季节变化所致，夏季气温普遍较高，植被生长旺盛，植物根系呼吸及微生物活动强烈;秋季随着气温的逐渐降低，植被生长衰退，植物根系呼吸及土壤微生物活性逐渐减弱[11]。

4.1.2CH4通量变化

在2011年生长季于7月3日、7月30日、8月19日、9月20日白桦林、落叶松人工林土壤CH4通量变化（以荒草坡为对照）（见图2）。

图2三种不同林型CH4通量的季节变化规律

Fig2TheseasonalvariationofsoilCH4fluxinthreeforesttypesofDaqingMountain

森林土壤中同时存在甲烷产生细菌和甲烷氧化细菌，森林地表CH4通量为正值还是负值，即土壤是释放还是吸收甲烷取决于这两类微生物的相对活性，且这种关系与土壤含水量密切相关。

当土壤通气性变差时，土壤微生物的活动