林业科学  2013, Vol. 49 Issue (1): 7-13   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20130102
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文章信息

高升华, 张旭东, 汤玉喜, 张蕊, 唐洁, 张雷, 申贵仓, 魏远
Gao Shenghua, Zhang Xudong, Tang Yuxi, Zhang Rui, Tang Jie, Zhang Lei, Shen Guicang, Wei Yuan
滩地美洲黑杨人工林皆伐对地表甲烷通量的短期影响
Short-Term Effects of Clear-Cutting of Populus deltoides Plantation on Methane Flux on the Beach Land of Yangtze River
林业科学, 2013, 49(1): 7-13
Scientia Silvae Sinicae, 2013, 49(1): 7-13.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20130102

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收稿日期:2012-01-05
修回日期:2012- 11- 25

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高升华
张旭东
汤玉喜
张蕊
唐洁
张雷
申贵仓
魏远

滩地美洲黑杨人工林皆伐对地表甲烷通量的短期影响
高升华1, 张旭东1, 汤玉喜2, 张蕊1, 唐洁2, 张雷1, 申贵仓1, 魏远1    
1. 中国林业科学研究院林业研究所 林木遗传育种国家重点实验室 北京 100091;
2. 湖南省林业科学院 长沙 410004
摘要:2011年4—7月,利用静态箱-快速甲烷分析仪(FMA)法,在岳阳市君山区长江外滩美洲黑杨人工成熟林对比观测皆伐区和未采伐区地表甲烷通量,结合同步观测的土壤温度、湿度和植被结构因子,分析皆伐对试验区地表甲烷汇功能影响的原因。结果表明:滩地美洲黑杨人工林土壤在未遭遇水淹年份(2011)生长旺季为甲烷的汇;2次观测显示,皆伐区的甲烷吸收速率均显著(P<0.001和P <0.05)低于未采伐区,分别仅为未采伐区的29%和22%,且皆伐改变了甲烷通量的日变化规律;皆伐导致土壤温度、湿度和植被结构等环境因子发生的变化共同导致了皆伐区甲烷汇功能的显著下降。
关键词甲烷通量    皆伐    美洲黑杨人工林    快速甲烷分析仪    静态箱    长江滩地    
Short-Term Effects of Clear-Cutting of Populus deltoides Plantation on Methane Flux on the Beach Land of Yangtze River
Gao Shenghua1, Zhang Xudong1, Tang Yuxi2, Zhang Rui1, Tang Jie2, Zhang Lei1, Shen Guicang1, Wei Yuan1     
1. Research Institute of Forestry, CAF State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding Beijing 100091;
2. Hunan Academy of Forestry Changsha 410004
Abstract: This study aimed at investigating effects of the clear-cutting on methane flux. The study was carried out in the beach of Yangtze River in Junshan, Yueyang City, and the data of methane flux was collected with static chamber–FMA (fast methane analyzer) approach. Compared observations of methane flux and the environmental factors (soil temperature, soil water content and herbaceous vegetation) were carried out in the clear-cut field and uncut field. The result showed that the whole area was a sink of methane in the fast growing seasons in unflooded year, and that clear-cutting leaded to significant (P<0.001 andP<0.05) declines of methane uptake rates. Twice observations showed that the rates in the clear-cut field were only 29% and 22% of the uncut field in the early two months after clear-cutting, respectively. The clear-cutting also changed diurnal pattern of methane uptake rates. The clear-cutting significantly reduced methane sink probably through the clear-cutting induced changes in soil temperature, soil water content, and the vegetations.
Key words: methane flux    clear-cutting    Populus deltoides plantation    fast methane analyzer (FMA)    static chamber    beach land of Yangtze River    

甲烷是主要的温室气体之一,其对温室效应的贡献仅次于二氧化碳(IPCC,2007)。天然湿地是甲烷重要的源,占全球甲烷排放量的23%(IPCC,2007)。而陆地生态系统中通气状况良好的土壤是甲烷最大的吸收汇。未被水淹且有氧环境下的农田、草地和森林土壤对甲烷的吸收速率变化很大,但总体不超过100 μg·m-2 h-1,森林土壤是其中最大的甲烷汇(Dalal et al.,2008)。森林经营管理和土地利用方式是影响甲烷通量的重要因素(Riutta et al.,2007刘小飞等,2012)。土壤温度(Dunfield et al.,1993Kirschbaum,1995Davidson et al.,1998)、土壤含水量(Carlyle et al.,1988Bowden et al.,1998)、地下水位(Huttunen et al.,2003Liblik et al.,1997)、土壤中根系活性(Raich et al.,2000)和土壤N动态(Bodelier et al.,2004)等因子均会对土壤温室气体通量产生影响,而森林采伐会因为改变这些环境因子而对土壤温室气体源汇功能产生重大影响(Zerva et al.,2005)。采伐对CO2影响的研究比较多(Gordon et al.,1987Weber,1990Fernandez et al.,1993郭辉等,2010),而对甲烷的影响研究较少(Zerva et al.,2005)。有研究发现皆伐会使温带森林甲烷吸收能力下降(孙晓新等,2011Saari et al.,2004Kaotani et al.,2001Steudler et al.,1991),甚至会使土壤由甲烷汇变为源(Castro et al.,2000牟长城等,2010)。第7次全国森林资源清查数据(国家林业局森林资源管理司,2010)显示:我国人工林保存面积0.62亿hm2,继续居世界首位,其中杨树(Populus)人工林面积已达757.23万hm2;人工林采伐量占全国森林采伐量的39.44%,较第6次清查数据增加12.27%。可见森林采伐逐步向人工林转移,因此研究人工林采伐对温室气体源汇的影响显得更加紧迫。

杨树被广泛用于营造长江中下游江、湖、洲滩的抑螺防病林(张旭东等,2006)。长江滩地杨树人工林因为季节性水淹而在温室气体源汇功能方面具有其独特的复杂性。目前关于滩地杨树人工林的二氧化碳研究已取得一些进展(王妍等,2009魏远等,2010),而对甲烷通量的研究还未展开。

本研究探讨长江滩地美洲黑杨(Populus dettoides)人工成熟林皆伐对土壤甲烷通量的影响,对合理经营长江滩地及全面了解长江滩地对全球气候变化的贡献具有重要意义。

1 研究区概况

研究区位于岳阳市君山区广兴洲镇的长江外滩(112°51'34″E,29°31'40″N)。系中亚热带向北亚热带过渡的气候区,具有典型的季风气候特征,春夏多雨,秋季多旱,冬季寒冷。年均气温16.5~17.0 ℃,年降雨量1 200.7~1 414.6 mm。滩地年均淹水时间20~50天,最长可达130天。2011年长江水位较低,滩地未遭水淹。

研究区美洲黑杨林营造于2000年,密度为495株·hm-2,株行距为4 m×5 m,2011年4—8月陆续皆伐。采伐前,平均株高19.5 m,胸径23 cm,林下草本盖度达90%以上,优势种为益母草(Leonurus artemisia)。

2 研究方法

选择2块相距500 m、大小为40 m×50 m的固定样地,分别记为样地Ⅰ和样地Ⅱ,样地Ⅰ未采伐,样地Ⅱ于2011年4月30日皆伐完毕。

本研究采用静态箱-快速甲烷分析仪(FMA)法。静态箱分为3段:水槽基座、中段加长箱和顶部盖箱。水槽基座用不锈钢焊接而成,插入土壤10 cm深以隔绝箱体内外气体通过表层土壤缝隙交换。中段加长箱60 cm×60 cm×120 cm,顶部盖箱60 cm×60 cm×40 cm,皆用CH4惰性的透明有机玻璃制成。箱体安有测温口、采样口、2个直径12 cm的风扇和长2 m内径4 mm的气压平衡管。暗箱用双层气泡复铝膜包裹明箱而成。中段箱和顶部盖箱直接用可压缩的橡胶密封。用小型气泵采气。用数显针式温度计测量土壤和箱体内温度。每次观测分别于盖箱后2,12和22 min抽取约1.2 L气体至2 L的铝复合膜采气袋(北京赛福莱博科技有限公司),并记录起止时5,10和15 cm深处的土壤温度、箱内气温和气压。这样安排盖箱时间和取样次数,是为了尽可能减小由于盖箱时间过长和抽气量过大导致的箱内气温和气压变化,从而减小对观测的影响。

具体试验日期及布置见表 1,每个观测日都天气晴朗。

表 1 试验日期及布置 Tab.1 Date and arrangement of observations

日变化观测试验中,在样地Ⅰ和Ⅱ分别布置3个相距10 m的重复,3次日变化观测试验位置不变;为避免箱体内气温、气压的大幅波动,日变化观测采用暗箱,试验时将草本包裹在箱体内。

草本植被调查于2011年7月3日进行,分别于样地Ⅰ和Ⅱ各设置5块1 m×1 m小样方。为了确定箱内草本对观测结果是否产生影响,补充优势草本去除试验。在样地Ⅰ挑选益母草长势均匀茂盛的地方,布置6个水槽基座,分成3排2列,列和行都间隔1 m。一列剪去除益母草以外的所有草本的地上部分作为试验组,另一列剪去所有植被地上部分作为对照组。观测前2天布置好样地。每次先用暗箱对试验组和对照组同时进行观测,结束后开箱5 min后再同时进行明箱观测。暗箱和明箱观测相隔约30 min。

为了观测降雨影响,于5月21日大雨后,自天气晴朗之日起对样地Ⅰ和Ⅱ进行连续6天观测,每天上午9: 00—11: 00进行,并取样测定2样地0~15 cm表层土壤含水量。其他同日变化观测。

所有采集的气体样品带回实验室在48 h内用LI840-FMA组装设备测定完。LI840-FMA是采用LI840 CO2/H2 O Analyzer(LI-COR,Inc,USA)和LGR Fast Methane Analyzer(FMA)(Los Gatos Research,Ltd.,USA)串联而成的设备。LGR的快速甲烷分析仪(FMA)设计用于环境空气甲烷浓度的测量,可以迅速产生精确结果。它的原理是利用OA-ICOS(off -axis integrated- cavity output spectrometer)吸收池有效地控制激光量子,并采用高反射镜面,使激光量子在离开吸收池之前进行几千次的传递,从而使有效光程达到几千米以显著提高光线的吸收强度。LGR快速甲烷分析仪可通过关闭激光并检测光子离开光腔的时间来实现自我校准。由于箱体内水汽和CO2浓度对甲烷通量观测有一定影响,因此将LI840 CO2/H2O分析仪与FMA串联组成LI840-FMA测样系统以实现计算校正。FMA光腔的正常工作气压为143 Torr(190 hPa),光腔体积0.52 L,相当于标准气压下0.1L。设备测样时需要样气1 L左右,测样时先封闭进口使气压降至5 Torr(660 Pa)以下,再放少许气体置换管路中气体,最后打开进气阀测定样品。仪器正常工作下对CO2,H2 O和CH4测定的准确度分别优于1.5%,1.5%和1.0%。LI840需连接计算机获取数据。

将LI840数据和FMA DLT100数据进行同步拼接。从样品测定曲线中挑选出CH4浓度波动在0.01 μmol·mol-1 范围内的记录作为稳定状态的记录,每个气体样品稳定阶段约有50个记录,求这50个记录的平均值就能得到气体样品的CH4,CO2和H2O的浓度。

浓度校正方法如下:

$ C=C'/\left( 1-C_{c}^{'}-c_{\text{h}}^{'} \right) $

式中: C为CH4相对于干空气的浓度;C'为仪器测定的CH4浓度,即相对于湿空气的浓度;Cc'Ch'分别为仪器测定的CO2和水汽浓度。

通过2,12和22 min 3个时间点的气体浓度求出20 min内气体浓度的变化率dc/dt。按如下公式计算通量:

$ F{\rm{=}}\frac{{{\rm{d}}c}}{{{\rm{d}}t}} \cdot \frac{p}{{{p_0}}} \cdot \frac{{{T_0}}}{T} \cdot \frac{M}{{22.4}} \cdot H. $

式中: F为CH4通量(μg·m-2 s-1);P为试验时平均气压(Pa);T为试验时箱体内平均气温(K);P0T0分别为标准状态下的气压(Pa)和气温(K);M为CH4的分子质量(g·mol-1);H为箱体总高度(160 cm)。

使用SPSS16.0进行数据分析,分别采用单因素方差和一元线性相关进行差异性和相关性分析,其中益母草去除试验采用了单因素方差分析中的LSD多重比较;使用SigmaPlot10.0作图。

3 结果与分析 3.1 皆伐对土壤温湿度的影响

皆伐提高了土壤温度。以10 cm深处土温为例,4月24日,样地Ⅰ和Ⅱ10 cm深处土温的日均值相差0.3 ℃,而5月29日和7月3日,样地Ⅱ10 cm深处土温分别较样地Ⅰ高出2.8和2.1 ℃(图 1)。

图 1 土壤温度的日变化 Fig. 1 Diurnal variations of soil temperature

皆伐降低了土壤含水量。4月24日,样地Ⅰ和Ⅱ的0~15 cm表层土壤含水量分别为0.463和0.458,而5月29日分别为0.483和0.425,7月3日分别为0.468和0.427。雨后连续观测也表明,皆伐加速了土壤水分的蒸发(图 2)。

图 2 暴雨后土壤含水量变化 Fig. 2 Variations of soil water content after a downpour
3.2 皆伐对研究区植被结构的改变

7月3日植被调查结果显示,乔木层的皆伐导致草本层生境变化,从而导致了草本层植被结构发生改变。样地Ⅰ有11种植被,优势种为益母草,其密度达65.0株·m-2,平均株高176.5 cm,盖度达0.95。样地Ⅱ有14种植被,优势种为狗牙根(Cynodon dactylon),其密度为20.0株·m-2,平均株高21.3 cm,盖度为0.6,而益母草密度仅为4.0株·m-2,平均株高78.8 cm。

3.3 皆伐对甲烷通量的影响

样地Ⅱ在皆伐前(4月24日),日变化规律和样地Ⅰ非常相似(图 3),均在6: 00—8: 00和14: 00—16: 00表现出较强吸收;而样地Ⅱ皆伐后,样地Ⅰ和样地Ⅱ同一天的日变化规律不同(图 3)。5月29日,样地Ⅰ日甲烷吸收的最大值(-46.44 μg·m-2 h-1)和最小值(-16.56 μg·m-2 h-1)分别出现在16: 00和2: 00,且在8: 00—10: 00、 14: 00—16: 00和22: 00吸收较强,与4月24日规律相似;而样地Ⅱ当天甲烷吸收最大值(-28.44 μg·m-2 h-1)和最小值(2.70 μg·m-2 h-1)分别出现在0: 00和12: 00,且于12: 00观测到1次甲烷排放。7月3日,样地Ⅰ吸收最大值和最小值分别出现在0: 00(-93.96 μg·m-2 h-1)和10: 00(6.12 μg·m-2 h-1),并且在10: 00时观测到1次甲烷排放;而样地Ⅱ当天甲烷吸收最大值和最小值分别出现在2: 00(-11.08 μg·m-2 h-1)和22: 00(-2.66 μg·m-2 h-1),全天未观测到甲烷排放。

图 3 甲烷通量的变化 Fig. 3 Variations of methane flux

5月份大雨之后连续观测,2样地甲烷通量变化趋势不同(图 3)。在大雨停后的前几天,样地Ⅱ(皆伐后)和样地Ⅰ甲烷通量比较接近;随时间推移,都有先上升后下降的趋势,但样地Ⅱ比样地Ⅰ吸收的最大值出现更早。这可能是由于两样地最适环境因子(土壤温湿度等)不同,且样地Ⅱ较样地Ⅰ环境因子变化更快(如土壤水分)。

样地Ⅰ3次全天观测的甲烷通量的日均值分别为-6.44,-32.58和-37.44 μg·m-2 h-1。样地Ⅱ采伐前(4月24日)通量日均值为-4.59 μg·m-2 h-1,与样地Ⅰ无显著差异;而皆伐后2次(5月29日和7月3日)观测的甲烷通量日均值分别为-9.61和-8.14 μg·m-2 h-1,仅为样地Ⅰ对应日的29%和22%,与样地Ⅰ差异分别达到极显著(P < 0.001)和显著(P < 0.05)水平。雨后连续观测同样显示样地Ⅱ(皆伐后)和Ⅰ甲烷通量差异显著(P < 0.05)。

3.4 环境因子对甲烷通量的影响 3.4.1 土壤温湿度对甲烷通量的影响

对样地Ⅰ和皆伐后的样地Ⅱ几次全天观测和雨后连续观测的甲烷通量值与温度的相关性分析结果表明:样地Ⅰ甲烷通量与土壤5 cm处温度极显著负相关(P < 0.001),与土壤含水量显著正相关(P < 0.05);皆伐后的样地Ⅱ的甲烷通量与土壤5 cm处温度显著正相关(P < 0.01),但与土壤含水量相关性不显著。

3.4.2 林下草本植物对甲烷通量的影响

益母草去除试验结果(图 4)显示:试验组明箱、对照组明箱、试验组暗箱和对照组暗箱的平均值分别为96.91,3 2.51,54.79和51.77 μg·m-2 h-1;试验组明箱与对照组明箱、试验组暗箱、对照组暗箱的观测结果都差异显著(显著水平分别为P < 0.001、P < 0.01和P < 0.05),而对照组明箱、试验组暗箱和对照组暗箱之间无显著差异。试验结果表明,光照条件下益母草可以显著提高甲烷吸收量,无光照条件下益母草虽未显著提高甲烷吸收量,但却改变了甲烷通量日间的变化规律。

图 4 益母草去除试验中试验组和对照组甲烷通量比较 Fig. 4 Comparison of methane flux between experimental group and control group in Leonurus artemisia removed experiment
4 结论与讨论

本研究可以得到以下结论:岳阳市君山区长江滩地美洲黑杨人工林土壤在未遭遇水淹年份的生长旺季表现为甲烷的汇;滩地杨树人工林的皆伐改变了甲烷通量的日变化规律,且在短期内显著降低了滩地土壤对甲烷的吸收能力;皆伐导致的土壤温度、土壤湿度和草本植被结构的变化共同影响了滩地甲烷的通量。

孙向阳(2000)报道了北京低山区油松(Pinus tabulaeformis)林土壤的甲烷年平均吸收速率为20.47 μg·m-2 h-1,变幅为0~44.8 μg·m-2 h-1,而本研究用静态暗箱法在4—7月份观测到未采伐状态林地的甲烷日平均吸收速率为4.59~37.44 μg·m-2 h-1,两研究结果接近。

孙晓新等(2011)研究了小兴安岭3种森林沼泽湿地在择伐和皆伐下甲烷通量的变化,结果表明:皆伐和择伐都导致了3种森林沼泽甲烷汇功能降低,甚至由汇变源,且皆伐比择伐影响更大。这与本研究结论较一致。

本研究中,皆伐区和未采伐区、有益母草样地和裸地在观测期内均未表现出明显的日变化规律,且益母草在光照条件下能促进甲烷吸收,在无光照条件下也能改变地表甲烷通量的变化规律。孙晓新等(2009)研究了小兴安岭7种沼泽类型生长季初期、中期和末期甲烷通量的日变化规律,结果表明:小兴安岭沼泽甲烷通量无统一的日变化规律。这与本研究观测结果非常相似,然而甲烷通量的机制还需更广泛深入的研究。

国内外在用静态箱法观测甲烷通量时,多采用气相色谱仪分析气样中甲烷浓度(陈槐等,2008刘实等,2010Bubier et al.,2005Bergier et al.,2005),而FMA为另一可用于测定气体中甲烷浓度的仪器。Mastepanov等(2008)利用FMA和静态箱组合成的循环系统进行冻原地表甲烷的野外原位观测。此循环系统方便快捷,但不能对相距较远的几块样地同时进行对比观测,并且,当甲烷通量较小时误差较大。本研究利用静态箱野外取样,室内FMA测定气体中甲烷浓度,有效避免了上述问题。然而,FMA在分析样气时所需气体体积较大,在箱体较小时会对观测产生一定影响。通过改进进气阀和出气阀使样气更长时间停留于光腔内,可以使所需样气量减少至200 mL以下。改进后的FMA将可能成为继气相色谱法之后分析气体中甲烷浓度的另一选择。

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