油松人工林土壤N_2O排放...的昼夜变化规律及其影响因子_李枭阳.pdf
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1、2023 年 4 月第 2 期林业资源管理FOEST ESOUCES MANAGEMENTApril 2023No.2油松人工林土壤 N2O 排放通量的昼夜变化规律及其影响因子李枭阳1,马秀枝1,杨玉培1,李长生2(1.内蒙古农业大学 林学院,呼和浩特 010019;2.呼和浩特市气象局,呼和浩特 010051)摘要:在全球气候变暖的背景下,揭示大青山油松人工林全年土壤 N2O 排放通量的昼夜变化规律,基于土壤 N2O排放通量观测的日动态数据,确定最佳的日采样时段,为精确评估区域土壤 N2O 排放通量提供基础数据。采用静态箱 气相色谱(GC)法,对大青山油松人工林20202021 年生长季和冻
2、融期土壤的 N2O 排放通量进行野外原位观测。结果表明:1)生长季(2020 年 69 月),观测日土壤 N2O 排放通量平均值都出现在当日的 15:0017:00时段内;冻融期(2020 年11 月至翌年3 月),观测日 8:0012:00 时段的观测值接近土壤 N2O 排放通量的日平均值。2)2021 年,观测日土壤 N2O 排放通量平均值出现在7 月当日的7:009:00 时段内及 69 月当日的15:0017:00 时段内。根据研究结果确定了大青山地区油松人工林土壤 N2O 排放通量的最佳取样时间为生长季的上午9:00 或下午15:00,冻融期的上午8:00,获得的通量值经过矫正后可代
3、表当日土壤 N2O 平均排放通量;根据生长季和冻融期温度与土壤 N2O 排放通量效应值的分析结果,确定温度为影响大青山地区油松人工林土壤 N2O 排放通量的重要因素。关键词:油松人工林;N2O 排放通量;温度;昼夜变化;月变化中图分类号:S791.254;S718.5文献标识码:A文章编号:1002 6622(2023)02 0088 08DOI:1013466/j cnki lyzygl202302012收稿日期:2023 02 01;修回日期:2023 04 23基金项目:内蒙古自然科学基金(2022MS03054)作者简介:李枭阳(1998),男,内蒙古赤峰人,硕士研究生,研究方向:森林
4、土壤温室气体通量。Email:通讯作者:马秀枝(1974),女,内蒙古呼和浩特人,教授,研究方向:生态系统碳氮循环、温室气体排放监测。Email:luckmxy Diurnal Variation of Soil N2O Emission Fluxes and Its InfluencingFactors in Pinus tabulaeformis PlantationLI Xiaoyang1,MA Xiuzhi1,YANG Yupei1,LI Changsheng2(1 College of Forestry,Inner Mongolia Agricultural University,H
5、ohhot 010019,China;2 Hohhot Meteorological Bureau,Hohhot 010051,China)Abstract:In the context of global warming,the diurnal variation of annual soil N2O emission flux in Pinustabulaeformis plantation was revealed,and the optimal daily sampling period was determined based on thedaily dynamic data of
6、N2O emission flux observation,which provided basic data for accurate assessment ofregional soil N2O flux The N2O emission fluxes in the growing season and freezing-thawing period of Pinustabulaeformis plantation in 20202021 were measured by static box gas chromatography(GC)The resultsshowed as follo
7、ws:1)During the growing season(June-September 2020),the average N2O emission flux ofthe observation days all appeared during 15:0017:00 of the same day;During freeze-thaw period(November 2020 to March next year),the observed values from 8:00 to 12:00 on the observation day wereclose to the daily mea
8、n value of N2O flux 2)In 2021,the average N2O emission flux of observation daysappeared in the period of 7:009:00 on July days and 15:0017:00from June days to September days第 2 期李枭阳等:油松人工林土壤 N2O 排放通量的昼夜变化规律及其影响因子According to the results,the best sampling time of N2O in Pinus tabulaeformis plantation
9、 in DaqingMountain was 9:00 AM or 15:00 PM in the growing season and 8:00 am in the freezing-thawing period Theobtained flux value could represent the average N2O flux of the day after correction According to theanalysis results,temperature in the growing season and the freeze-thaw period and the N2
10、O emission fluxeffect value,it can be determined that temperature is an important factor for the N2O emission of Pinustabulaeformis plantation in Daqing MountainKey words:Pinus tabulaeformis plantation,N2O emission flux,soil temperature,diurnal variation,monthly variation温室气体的排放导致全球气候变暖问题日益严峻,其中 N2O
11、 作为温室气体中增温效应最强的气体之一,其增温潜势分别是 CO2的 290 倍和 CH4的 14倍 1。2021 年6 月,联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告第一工作组报告显示,自1750 年以来,大气中N2O 浓度升高了23%2 3;也有学者研究表明,N2O 在全球变暖过程中发挥了70%的作用,对全球气候变暖的贡献率达到了6%4 6。另外,N2O 还是对臭氧层造成破坏的主要气体之一,在平流层的 N2O 可与电离层的氧原子发生反应生成 NO,并进一步与大气中的 O3发生反应,从而破坏臭氧层,更多的宇宙射线透过大气层直接危及生物圈,对人类的生存环境造成直接威胁 7。随着人类
12、活动范围的日益增加,大气中 N2O 浓度已从工业化前的 270 mol/L 上升到 316 mol/L,并且还在以每年0.25%的速率不断上升 8。目前对 N2O 排放的研究多集中在农田土壤系统之中,对森林生态系统中土壤 N2O 昼夜排放的研究并不多见。森林作为生态系统中生物多样性的摇篮,为人类和其他生物提供了栖息和生存的场所,在维持大自然的生态平衡中起着不可替代的作用。我国地域辽阔,现有森林覆盖率22.96%,森林总面积 2.20 亿 hm2 9。由于南北纬度差近50,这导致不同地区的 N2O 排放通量有着显著的差异,其平均排放通量和累积释放量均随纬度升高而下降,在 33.5 66.5 g/
13、(m2h)之间变化10。肖东梅等11 对长白山阔叶红松林土壤的 N2O 排放通量进行了测定,结果表明,在夏季长白山阔叶红松林土壤的 N2O 排放通量最高,而春季次之,秋冬两季较低且趋于平稳;孙向阳等12 发现北京低山区两种人工林地土壤的 N2O 排放通量有较明显的季节变化趋势,其中夏季最高,春秋季次之,冬季最低甚至出现负值,且排放通量的大小主要取决于土壤温度、土壤湿度等因子。在内蒙古大青山油松人工林地区,莎仁图雅等13 于 2013 年对其油松林碳密度进行了研究,陈丽霞14 于 2015年对其油松林土壤微生物碳氮含量进行了研究,但对该地区大气土壤温室气体 N2O 排放通量昼夜变化的研究,至今鲜
14、有报道。本实验对内蒙古大青山地区油松人工林生态系统进行土壤 N2O 排放通量在昼夜和月变化以及冻融期间的原位测定,并对影响温室气体排放通量的主要环境因子(温度、湿度)进行分析,旨在全球气候变暖的大环境下,揭示我国内陆北纬中温带地区的 N2O 排放通量的时间变化特征和影响因素,确定内蒙古大青山地区油松人工林 N2O 排放通量最佳的采样时间。1研究地区与研究方法1.1研究地区概况实验样点设在内蒙古自治区呼和浩特市回民区乌素图气象站(405119N,1113421E)内。其地处内陆北纬中温带地区,气候属于大陆性半干旱季风气候。降水集中在夏季的 79 月(约占全年总降水量的63%),年均降水量 300
15、 450 mm。年均蒸发量远远大于年均降水量,可以达到 1 800 2 300 mm。年均温度 10,极端高温 37,极端低温 20.3,年均风速为1.0 m/s,全年日照时数2 976.5 h。土壤主要为淋溶灰褐土、灰褐土和栗钙土,土质为壤土,土层深度在30 50 cm 之间。在构造体系上,属于大青山中段前坡,地势较为陡峭,坡度为 15左右。主要成林树种包括油松(Pinus tabulaeformis)、黄刺玫(osa xanthina)、沙棘(Hippophae rhamnoides)等,98林业资源管理第 2 期自然生长的草本植物包括羊草(Leymus chinensis)、地榆(San
16、guisorba officinalis)、并头黄芩(Scute-llariascordifolia)和裂叶荆芥(Nepeta tenuifolia)等。1.2研究方法1.2.1样地设置在油松人工林样地中,选择地势平坦且具有代表性的样区,划分成面积为 10 m 10 m、间隔为20 m的 4 个试验小区,每个实验小区布置 1 个静态箱的底座。进行试验时,在最大程度地保护原有地被植物的条件下,将采样箱插入预先设置好的基座之中。1.2.2气体样品的采集及处理和测定在实验地点进行大气中 N2O 气体通量的观测。采用静态箱进行采样,实验方法为静态箱气相色谱法。实验用静态箱,其厚度为 2mm 的不锈钢板
17、制成,其整体规格为40 cm 40 cm 40 cm。地箱为四周高 3cm 的凹形结构。在试验前,在地箱里注入少量的水,以起到密封的作用,避免箱内气体与外界空气发生互通。每个静态箱内装有小型电风扇,在箱子打开时,使箱内气体能与外界空气快速进行置换;在箱子关闭后,使内部空气能始终处于湍流状态,以免箱内 N2O 浓度分布不均匀。每次实验采用30 min 的罩箱时间,分别在罩箱后的 0,10,20,30 min进行气体采样。采样工具为容积为 100 mL的医用注射器。在注射器出水口处连接三通阀,三通阀的其中一端与地箱连接,每次抽取气体 30 60 mL,将抽取的气体注射入气袋,并记录采样组别和采样时
18、间。气体样品带回实验室后,一周之内用Agilent 6820 气相色谱仪分析 N2O 浓度15。气体样品采集时间为 2020 年 6 月至 2021 年9 月中的植物生长季(69 月)。在生长季,每月中旬进行温室气体通量昼夜变化的测量,在观测日早晨 5:00 至次日早晨 4:00 进行气体采样,其中白天5:0019:00 每 2h 进行 1 次,夜间 19:00 至次日4:00每 3 h 进行 1 次,每次昼夜采样次数大约为 11次。在冻融期(11 月至翌年 3 月)每月的中旬,选取晴朗天气的上午时段进行观测,每 0.5 h 进行一次气体采集,每次采集次数为 2 3 次。采用 WN-30LDT
19、 多通道温湿度监测器对大青山油松人工林土壤层(5,10,20,40 cm)温湿度进行动态监测,采用 HOBO 大气温湿度监测器(1.5 m)对大青山大气温湿度进行动态监测。测定频率均为0.5 h。1.2.3气体通量计算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(Cs)计算如(2)式所示:Cs=As C0/A0(1)式中:C0为标气浓度;As为所测样品峰面积;A0为标气峰面积。气体交换通量(F)计算如(2)式所示:F=mA t=V cA t=H ct(2)式中:为箱内气体密度;m 和 c 分别为 t时间内箱内气体质量和混合比浓度的变化量;A,V,H 分别为采样箱的底面积
20、、体积和气室高度;c/t为箱内气体浓度变化量。当 F 为负值时表示吸收,F 为正值时表示排放。气体通量计算过程中,通过在公式中引入箱内温度和气压值,对气体浓度进行校正。1.3数据处理首先,利用 Excel 2010 软件对采集的原始数据进行整理;然后,采用 Origin 2019 软件进行单因素方差分析、非参数检验分析和相关性分析;最后,再运用 Origin 2019 软件进行绘图。土壤 N2O 排放通量,是以单位时间内,单位面积上的 N2O 气体排放量 g/(m2h)进行表示。在进行数据分析的过程中,将显著性检验的值设定为 =0.05。2结果分析2.1大青山油松人工林年降水与温度变化对大青山
21、油松人工林 20202021 年的降水与温度动态进行监测,发现 2020 年大青山油松人工林区平均温度为8.5,高于20012021 年20 年间该地区平均气温(7.7)的 10.39%。2020 年,最热月极端最热温度为 23.7,低于 20012021 年20 年间该地区最热月极端最热温度(25.6)的7.42%;最冷月极 端 最 低 气 温 为 8.4,高 于20012021 年 20 年间该地区最冷月极端最低温度(13.6)的 38.24%。2020 年,该地总降水量为09第 2 期李枭阳等:油松人工林土壤 N2O 排放通量的昼夜变化规律及其影响因子388.9 mm,低于 200120
22、21 年 20 年间平均年降水总量(426.7 mm)的 8.86%。可见,2020 年与该地区其他年份相比,该年份更加高温干旱(图 1)。图 12020 年油松人工林气温和降水的年内变化特征Fig 1 Pinus tabulaeformis plantation temperatureand precipitationon change in 20202021 年 大 青 山 油 松 人 工 林 区 平 均 温 度 为7.0,低于 20012021 年 20 年间该地区平均气温(7.7)的 9.09%。2021 年,最热月极端最热温度为 21.7,低于 20012021 年 20 年间该地区
23、最热月极端最热温度(25.6)的 15.23%;最冷月极端最低气温为 12.9,高于 20012021 年 20 年间该地区最冷月极端最低温度(13.6)的 5.15%。2021 年,该地总降水量为 367.5 mm,低于 20012021 年 20 年的平均年降水总量(426.7 mm)的13.87%。可见,2021 年与该地区其他年份相比,该年份较干旱(图 2)。图 22021 年油松人工林气温和降水的年内变化特征Fig 2 Pinus tabulaeformis plantation temperatureand precipitation on changein 20212.2油松人工
24、林生长季土壤N2O 排放通量昼夜变化2020 年生长季(69 月)N2O 排放通量的变化范围为2.11 24.89 g/(m2 h),平均值为10.72 g/(m2 h)(图3)。依据非参数检验分析结果,69 月,土壤N2O 排放通量整体具有显著性差异变化,其中:6 月与8 月、7 月与8 月,N2O 排放通量之间具有显著性差异(P 0.05);而 6 月与 7 月、8 月与 9 月,N2O 排放通量之间没有显著性差异(P 0.05)。69 月,土壤N2O 排放通量平均值分别为(8.63 4.08)、(8.71 4.14)、(14.65 4.30)、(10.89 2.57)g/(m2h)。生长
25、季期间:土壤 N2O 排放通量,在每天的早晨9:00和凌晨 1:00 两个时段变化明显,为生长季每日的排放高峰;在每日的15:0017:00 时段内,最接近生长季 N2O 排放通量的平均值,且较为稳定;每月 N2O 的排放通量大小顺序为 8 月 9 月 7 月 6 月。2021 年生长季(69 月)N2O 排放通量的变化范围为1.55 22.21 g/(m2 h),平均值为6.67 g/(m2 h)19林业资源管理第 2 期图 3土壤 N2O 排放通量的昼夜动态变化(20202021 年)Fig3 Diurnal dynamics of N2O fluxes in soil(20202021)
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