华北低山丘陵区刺槐林土壤甲烷通量变化特征及其影响机制

【摘要】：研究我国森林土壤甲烷通量的变化特征、源汇转换过程及其影响机制,对定量评价森林土壤甲烷累积通量及其增温潜势具有重要的科学意义,还可为指导林业应对气候变化行动提供理论依据。本文于2014年—2015年期间,以河南省济源市黄河小浪底森林生态系统定位研究站区内47年生刺槐人工林为研究对象,在确定箱式—激光法测算土壤甲烷通量的合适密闭时间以及代表性时段的基础上,采用该方法,观测分析脉冲降水对土壤甲烷通量的影响,捕捉其源汇转换过程;并基于时空尺度,研究揭示在不同时期土壤甲烷通量的变化特征及其影响森林土壤甲烷通量的主控因子;运用温室气体的增温潜势原理,探讨该区土壤甲烷累积通量及其相对温室潜势。以期深入揭示华北低山丘陵区刺槐人工林土壤甲烷的变化特征及其影响机制。主要结果如下:(1)分析箱式—激光法的密闭时间对土壤甲烷通量影响作用,结果表明,采用该体积大小的箱式-激光法时,在0—30 min的密闭时间范围内,气室内的温度、气压的和水汽浓度波动明显,均在密闭5 min时达到最大;根据线性方程的计算方法可知,R2最大值出现在10 min(R2=0.85),而且在5—10 min时土壤甲烷通量波动较小,由此可知,采用该体积大小时,密闭时间应控制在10 min以内。通过分析测定土壤甲烷通量的代表性时段,结果表明,研究区在生长季(2015年5月—2015年10月)和非生长季(2014年11月—2015年4月)分别选取8:00—9:00和9:00—10:00作为其代表性时段;并对各月代表性时段土壤甲烷通量的平均值与日平均值进行拟合,结果表明,各月代表性时段土壤甲烷通量平均值与24 h日平均值数据差异最小出现在9月,最大出现在7月;对各月代表性时段土壤甲烷通量的平均值与日平均值进在年尺度上的有效性进行检验评估,结果表明,本研究选取的代表性时段可代表研究区的全年土壤甲烷通量(R2=0.89,P0.001)。(2)通过对刺槐人工林土壤甲烷通量的变化特征及其影响因素进行分析,结果表明,大气温度呈单峰型表现趋势,最高温度出现在8月,最低湿度出现在1月底—2月初。林内降水截留作用明显,使林内降水量低于林外。林内相对湿度明显高于林外,而光合辐射则与相对湿度相反。0—10 cm土层的土壤容重和最大持水量均与10—20 cm和20—30cm存在显著性差异(p0.05,p0.05);有机质在不同季节间的土层间差异性显著,而ph值除冬季外,其余季节的各土层间的差异性不显著(p0.05);在春、夏季节,随着土壤深度的增加,土壤温度总体呈现出下降的趋势,而在秋、冬季节,随土壤深度的增加,土壤温度总体表现为上升的变化趋势;土壤含水量在旱季深层高于浅层,而雨季则与旱季相反;各土层土壤甲烷氧化菌pmoa基因在春季、夏季和秋季,它们之间差异性不显著(p0.05),而在冬季各土层间差异性显著(p0.05)。本研究中刺槐人工林土壤表现为较强的甲烷吸收汇,呈现出昼高夜低的日变化特征,在中午12:00—13:00时刻出现最低值(除12—1月外);土壤甲烷通量的季节变化呈单峰型,最高值出现在7月,最低值出现在4月。本研究中土壤甲烷通量与影响因子的相关性分析表明,0—10cm深处的土壤温度、大气温度和相对湿度与土壤甲烷通量呈极显著正相关;主成分分析表明,土壤温度和大气温度为第一主成分,0—10cm深处土壤含水量为第二主成分,土壤有机质和土壤ph值为第三主成分,nh4+-n含量为第四主成分,四个主成分方差贡献率分别为41.61%、22.16%、16.88%和13.45%,其累积贡献率高达94.11%。由此可知,土壤温度和含水量的交互作用是影响土壤甲烷通量的重要影响因素。(3)分析脉冲降水对土壤甲烷通量的影响作用,结果表明,脉冲降水的产生明显降低了刺槐林地土壤氧化大气甲烷的能力;在降水前期、影响期、滞后期、恢复前期和恢复后期这5个阶段中,各气象要素之间均呈显著性差异。在2014年10月降水量较小时,0—10cm深处土壤含水量波动小,空气温度、相对湿度和太阳辐射等因素易受雨水影响,而且由于大气温度和太阳辐射等因素的影响,使其在生长季末期的变化幅度小,使相对湿度成为影响土壤甲烷通量的主要因素。在2015年4月,由于较高的降水量,土壤水分入渗通常会出现在大雨之后一段时间内,并可能持续数小时或数天,并且由于生长季初期大气温度开始恢复,使相对湿度以及太阳辐射恢复较快,从而使太阳辐射是影响土壤甲烷通量的主要因素。(4)通过计算研究区土壤甲烷通量的季节累积通量和相对温室潜势,结果表明,本研究中春、夏、秋、冬四个季节的土壤甲烷累积通量分别为-0.87kg·hm-2、-0.79kg·hm-2、-0.95kg·hm-2和-0.77kg·hm-2,占全年的比例分别为23.61%、21.53%、25.86%和20.83%。春、夏、秋、冬四个季节的土壤甲烷增温潜势分别为-21.75kg·co2·hm-2、-19.75 kg·CO2·hm-2、-23.75 kg·CO2·hm-2和-19.25 kg·CO2·hm-2。通过累积计算研究区的年累积通量及相对温室潜势,结果表明,该区土壤甲烷年累积通量为-3.38 kg·hm-2·a-1,相对温室潜势为-84.5 kg·CO2·hm-2。 【关键词】：刺槐 甲烷通量 密闭时间 脉冲降水 累积通量 增温潜势 代表性时段
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S714
【目录】：

• 摘要5-8
• Abstract8-18
• 第一章 绪论18-34
• 1.1 研究目的和意义18-20
• 1.2 国内外研究进展20-30
• 1.2.1 森林土壤甲烷通量的研究概况20-24
• 1.2.2 研究方法的概述24-26
• 1.2.3 刺槐林土壤甲烷通量研究概况26
• 1.2.4 影响土壤甲烷通量的影响因素26-30
• 1.3 项目来源与经费支持30
• 1.4 研究目标和主要研究内容30-34
• 1.4.1 研究目标30-31
• 1.4.2 研究内容31-33
• 1.4.3 技术路线33-34
• 第二章 研究区概况与研究方法34-42
• 2.1 研究区域概况34-35
• 2.2 研究方法35-40
• 2.2.1 土壤甲烷通量测定36-37
• 2.2.2 气象因子的观测37
• 2.2.3 土壤因子观测37-38
• 2.2.4 土壤甲烷氧化菌实时定量PCR的测定38-40
• 2.3 计算公式40-41
• 2.3.1 代表性时段的选取40-41
• 2.3.2 增温潜势（GWP）的计算41
• 2.4 统计分析方法41-42
• 第三章 箱式-激光法的密闭时间和代表性时段确定42-57
• 3.1 密闭时间的研究44-47
• 3.1.1 气室内的微环境44-45
• 3.1.2 气室内的甲烷浓度45
• 3.1.3 原始斜率的计算45-46
• 3.1.4 气室内的甲烷通量46-47
• 3.2 代表性时段的选取47-53
• 3.2.1 甲烷通量的日变化特征及差异47-49
• 3.2.2 代表性时段的选取49-51
• 3.2.3 代表性时段与日均值差异比较以及多日尺度上的验证51-53
• 3.3 讨论53-56
• 3.3.1 甲烷通量的日变化特征53-55
• 3.3.2 代表性时段的选取与验证55-56
• 3.4 小结56-57
• 第四章 土壤甲烷通量的变化特征及其影响因素57-86
• 4.1 林内外水热状况58-61
• 4.1.1 大气温度58
• 4.1.2 相对湿度58-59
• 4.1.3 光合辐射59
• 4.1.4 降水量59-61
• 4.2 土壤因子状况61-65
• 4.2.1 土壤理化性质61-64
• 4.2.2 土壤温度和土壤含水量64-65
• 4.3 土壤甲烷通量的时空分布特征65-69
• 4.3.1 日变化65-68
• 4.3.2 季节变化68-69
• 4.4 土壤甲烷通量与影响因素的关系69-78
• 4.4.1 林内外水热因素69-72
• 4.4.2 土壤因素72-76
• 4.4.3 微生物76-78
• 4.5 讨论78-84
• 4.5.1 大气环境因子的变化特征78-79
• 4.5.2 甲烷通量的变化特征79-80
• 4.5.3 甲烷通量与影响因素的关系80-84
• 4.6 小结84-86
• 第五章 脉冲降水对土壤甲烷通量的影响及源汇捕捉86-99
• 5.1 观测期间气象因子87-88
• 5.2 脉冲降水对甲烷通量、土壤温度和土壤含水量的影响88-90
• 5.3 降水不同时期土壤甲烷通量及各气象要素影响的比较90-94
• 5.4 降水不同时期土壤甲烷通量与气象因子之间的关系94
• 5.5 讨论94-98
• 5.5.1 脉冲降水对土壤甲烷通量的影响94-96
• 5.5.2 土壤甲烷通量的影响因素96-98
• 5.6 小结98-99
• 第六章 温室气体累积排放量及综合温室效应99-103
• 6.1 土壤甲烷累积通量99-100
• 6.2 土壤甲烷的相对温室潜势100-101
• 6.3 讨论101-102
• 6.4 小结102-103
• 第七章 结论与展望103-107
• 7.1 研究结论103-105
• 7.1.1 箱式-激光法测量土壤甲烷通量的密闭时间和代表性时段103
• 7.1.2 刺槐人工林甲烷通量变化特征及影响因素103-105
• 7.1.3 脉冲降水对土壤甲烷通量的影响及源汇捕捉105
• 7.1.4 土壤甲烷累积通量及综合温室效应105
• 7.2 特色及创新之处105-106
• 7.3 展望106-107
• 参考文献107-125
• 在读期间的学术研究125-126
• 致谢126

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