北京低山区森林土壤中CH4 排放通量的研究.doc

文章编号：1008-181X（2000）-03-0137-04北京低山区森林土壤中CH4排放通量的研究孙向阳（北京林业大学，北京 100083）摘要：CH4是大气中一种重要的温室气体，与土壤圈有着频繁的交换过程。用静态箱式技术原位测定了北京西山低山区油松人工林地土壤中CH4的排放通量，结果显示北京西山森林土壤为大气CH4重要的汇。年平均吸收值为20.47 g×m-2×h-1，变动范围044.8 g×m-2×h-1。 吸收值有一定的季节变化规律， 冬季的吸收值最小，几乎为0，春秋季较高，夏季最高。影响吸收的外界环境因素主要有地表下5 cm处的土壤温度。原状土壤氧化CH4的模拟实验表明吸收过程为纯生物化学过程，吸收作用主要发生在05 cm的矿质土层，而枯落物层和20 cm以下的层次基本无吸收反应。CH4的氧化速率在开始的12 h内可用一级反应动力学方程 C =C 0e-kt很好地模拟 。关键词： 甲烷；森林土壤；温室气体；排放通量中图分类号：S153 文献标识码：ACH4 Emission Flux of Forest Soils in Lower Mountain Area, BeijingSUN Xiang-yang ( Beijing Forestry University, Beijing 100083, China )Abstract:：CH4 is a main kind of greenhouse gases, and has a frequent exchange process with soil biosphere. The static chamber technique was used to study CH4 emission flux at the forest soils under Chinese Pine woodland in lower mountain area, Beijing. The annual CH4 emission flux ranges from 0 to 44.8 :g.m-2.h-1 with mean of 20.47 :g.m-2.h-1. CH4 absorption has a seasonal variation with a sequence of summer>spring>autumn >winter, and it is affected mainly by soil temperature on 5 cm layer. The simulated experiments in a soil core at laboratory shows that the oxidization of CH4 in forest soils is a real biochemical process. It appears mainly occurred in 05 cm mineral topsoil. There is almost no absorption in O layer and below 20 cm-layer soil. The CH4 concentration reduced can be modeled with an equation C = Co e-kt in the first 12 hours. Key words: CH4 (methane); forest soils; greenhouse gases; emission fluxCH4是比较活跃的温室气体，所造成的温室效应仅次于CO2而居第二1， 在最近的100200年间，大气中CH4的浓度已从0.60.7 cm3×m-3增加到1.72 cm3×m-3，目前CH4在大气的浓度正以每年1%的速度递增。一般认为大气中增加的CH4，约70%90%来源于生物源。据IPCC（1992）提供的报告计算，世界水田和自然湿地每年向大气圈排放的CH4平均为175 Tg（1Tg=1012 g），占全球总排放量的34%2。另一方面，土壤也是大气CH4的一个重要的汇。好气的土壤环境，有利于甲烷营养微生物的生长，可氧化消耗大气中的CH4，据估计，全球土壤每年消耗的CH4达30 Tg2或更高，Ojima等的统计结果为4060 Tg3。这一氧化过程对调节大气中CH4的总量具有重要意义。目前对土壤作为大气CH4汇的研究远没有对土壤作为源的研究那样深入，至今我国开展的这方面的工作主要集中在水稻田47、一般农田8和沼泽等自然湿地9的CH4排放，而对森林土壤中CH4排放的研究则少有报道10，特别是有关温带森林土壤排放CH4的数量还不明确11。森林土壤是我国陆地生态系统的重要组成部分，原位研究我国森林土壤中CH4的排放，对正确估算CH4的源和汇的现状以及我国温室气体排放总量，评价我国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。1 研究点概况 研究点设在北京市西山试验林场卧佛寺地区。地理坐标北纬39o54¢，东经116o28¢，属暖温带半湿润地区。年均温11.6 Co，年降水量630 mm。在海拔133 m处选取该地区有代表性油松（Pinus tabulaeformis） 人工林地为原位观测地点。该林分为1958年人工植苗造林，后经稍加管护自然郁闭成林，林下有天然混生的栾树和酸枣等。郁闭度0.72，林木密度3500株/hm2，林木平均高7 m, 平均直径7.5 m。 林下土壤为铁质干润雏性土， pH 6.5, 表层土壤有机质含量 47.7 g×kg-1, 全N含量 2.6 g×kg-1，NH4-N含量1.05 mg×kg-1, NO3-N含量0.78 mg×kg-1, 孔隙度62.3%, 体积质量0.89 g×cm-1，< 0.05 mm的土壤颗粒含量为472 g×kg-1，质地为轻壤土。2 研究方法2.1 原位土壤的CH4排放通量采用静态封闭箱式技术进行野外取样。将底面积0.55×0.35 m2、高0.13 m，对CH4惰性的有机玻璃采集箱埋入土壤5 cm，四周用土埋严密封。为保证实验的平行性，每次安置采集装置时尽量不破坏或少破坏原位土壤的环境条件，并均在同一点上进行。从1997年4月至1998年3月每月选1天测定，取样时间均为上午10时。准时将塑料箱按上述方法安置于试验地上，分别在测定箱刚插入土壤和插入后1小时用注射器抽取50ml箱内气体样品，密封带回实验室用气相色谱仪分析其浓度。取气样的同时测定地表温度和5 cm深处土壤温度，05 cm 层次的土壤含水量 。CH4排放通量的计算公式为：F = h（c/t）其中为CH4的密度值（g×mm-3，h为采样箱的有效高度（m），c/t为箱内CH4浓度随时间的变化率（mm3.m-3）设大气压P为1 atm，CH4的分子量W =16，t为样品测定时的摄氏温度，则CH4的密度值CH4 = W P/R T =16/22.4（273+t）/2732.2 原状土壤吸收CH4的速率表1 北京油松林地土壤的CH4排放通量年统计值 （mg.m-2.h-1）项目平均值变化范围样本标准差标准误变异系数样本数统计值-20.5-44.8015.53.1675.6%24 为研究森林土壤对CH4的氧化作用，野外采集原状土柱（分枯落物O层、05 cm、520 cm三层），直径约5 cm，分别放入2000 ml广口瓶中，用橡皮塞密封，带回实验室。立即通过取样口向各瓶内注入一定体积的CH4，使之初始浓度C0为10 cm3×m 3（以实际测定为准）。然后在25 oC、含水量30%条件下恒温培养，以期达到氧化的最大值。分别在培养0、3、6、9、12、24、36 h后测定瓶内浓度。每次采样后通过阀门导入大气以维持瓶内气压。另取一组土柱进行高温消毒后重复以上实验。3 研究结果与分析3.1 油松林地土壤的CH4排放通量年统计量 将北京西山油松林地一年中CH4排放通量的测定结果统计值列于表1。 表1显示土壤中CH4气体的排放通量为负值,说明研究地区森林土壤对CH4气体有一定的吸收作用。CH4是无氧条件下多种多聚有机物发酵的最终产物，而北京西山地区的森林土壤,一年四季中没有这种绝对无氧的条件, 因此没有CH4的产生过程。相反，好气的土壤条件有利于CH4氧化菌的活动, 因此，土壤对CH4有一定的吸收作用。研究结果显示吸收值在044.8 mg×m-2×h-1之间，平均值为20.5 mg×m-2×h-1。 低于美国和德国温带森林土壤CH4消耗量 14.4144 mg×m-2×h-111,可能是由于本次研究样地为年轻的人工林地，土壤有机质含量较低、甲烷营养菌活动相对较弱的原因。和表2全球森林土壤吸收CH4的一些代表性数字比较看，同样较低。3.2 CH4排放通量的季节变化 对北京西山卧佛寺地区油松人工林土壤中CH4在1年的排放通量测定结果见图1。从图1的变化趋势看，森林土壤对CH4吸收有一定的季节变化趋势。春季随着气温的升高，土壤对CH4 吸收量增加，到5月出现次高值，在8月达到最高值，以后秋季开始下降，冬季12月和1月吸收值最低为零。出现这一现象的主要原因可能是气温的变化。一般认为，高温和适当的湿度是土壤消耗大气中CH4的基本条件，Castro在研究美国哈佛森林时得出的结论认为当土壤温度在-510范围内，氧化速率和温度呈明显正相关17。董云社认为，在030范围内，森林土壤对大气的消耗氧化与温度的增加呈明显正相关11。以上观点在本研究的以下分析中也得到了类似的证明。表 2 全球不同森林土壤中CH4排放通量林地类型面积/（106 hm2）CH4排放通量/（ug×m-2×h-1 ）CH4年排放通量/（Tg×y-1）热带雨林12热带季雨林12温带常绿林13 ,14温带落叶林13 ,14北方泰加林15灌木林16711710731683701717-6-24-10-21-10-160-10-160-10-160-52-0.43-17.1-0.71-1.5-0.35-5.6-0.33-5.3-0.34-5.4- 3.73.3 CH4排放通量和几种环境因子的关系的灰关联分析 灰关联分析是基于灰色系统的灰色过程，以动态过程为主，不要求太多数据18，主要进行因素间时间系列的比较，把系统间错综复杂的关系展示出来，以找出与母系列相关的要素。为探索可能影响土壤中CH4排放通量的环境因子，我们将1年中CH4的排放通量和瞬时对应的土壤温度和湿度值进行了灰关联分析。处理过程如下： 3.3.1 原始数据 CH4排放通量（母系列）Xo，子系列05处土壤湿度X1，地表温度X2，5 cm处地温X3。3.3.2 原始数据均值化处理 将同一数列的所有数据，用其平均值去除，得到一个新的数列。3.3.3 求差系列oi( I =1,2,3）及两级最大差max 和最小差min 3.3.4 求关联系数 oi（k）= (max +min)/( oi（k）+max ) = 0.5， k = 1，2，3123.3.5 求关联度 1i = 1/n oi（k），得出11= 0.544 12=0.62413= 0.6553.3.6 排出关联序 13 > 12> 11 灰关联分析表明：5 cm深处土壤温度和CH4排放通量关系最为密切，其次为地表温度，最后为土壤05 cm含水量。3.4 原状森林土壤对CH4的吸收速率对原状土壤分成O层（枯落物层）、05 cm、520 cm三个不同层次，分别测定其对CH4的吸收作用。首先注入一定浓度的CH4，在反应后不同时间测定其剩余浓度，得到表3的结果。表3显示森林土壤对CH4的吸收作用主要发生在05 cm，并且集中在从反应开始至12 h之内（CH4浓度变化最剧烈），这显然与05 cm有机质含量较高，微生物活动旺盛有关。而5 cm以下层次的土壤吸收反应微弱，枯落物层则基本上对CH4惰性。 表3 森林土壤对CH4的吸收速率（剩余浓度） cm3×m -3层次/ cm反应时间/h0369122436O 10.510.410.510.510.410.310.30-512.28.644.192.951.901.861.795-2011.710.910.219.609.079.079.05设森林土壤在氧化CH4开始（t =0）以后t小时（12 h之内）实测的CH4的浓度为C, 依据表3把C对t作图，得到图2的三条曲线。 将三条曲线进行拟合得到以下方程: C1 = -0.01t + 10.52 （1） C2= 12.2 e-0.1576t （2） C3= 11.7 e-0.0217t （3）（1）式为一直线方程, （2）及（3）式可用下列通式代替：C = C0 e-kt （4） 此通式符合化学动力学中的一级反应动力学方程 19，其中C 为t时刻的CH4实测浓度，C0为t = 0时初始浓度，k为与浓度无关的速率常数或叫一级反应常数，其单位是h1，在本次研究中, 05cm层次的k值是0.1576， 520cm层次k值是0.0217。 速率常数k是化学动力学中一个重要的参数，因为要表征一个反应体系的速率特征，只有用k才能摆脱浓度的影响。其直观意义可由下列推导看出。将（4）式取对数可得到： ln =- kt （5）或 lnC = -kt lnC0 （6） 如果将ln C对t作图，应可得到一条直线，其斜率为-k。 根据土壤化学动力学的定义，当CH4浓度C降至初始浓度的一半（C0/2）所用的时间称为半寿期t1/2 19 ， 由 （1） 式可得 t1/2 = = （7） 可见一级反应的半寿期也是与浓度无关的常数。对本次研究而言，一级反应在05 cm土壤的半寿期为4.39 h，在520 cm土壤为31.94 h。对照的土壤样本进行高温消毒后（160 ，2 h），再进行上述实验，发现土壤已不具备对CH4的氧化能力，说明土壤对CH4的氧化过程为纯生物过程20， 而不是物理吸附过程。 其中微生物特别是甲烷营养菌起着关键作用，其次是硝化细菌。现已发现土壤微生物中有7个属能利用CH4作为碳源和能源21。有学者研究发现被氧化的CH4大约50%转化为CO2，另外50%经同位素测定已同化为有机物质或微生物22。4 小结 （1）森林土壤对CH4的吸收研究在国内外少有报道。本次研究表明北京西山地区森林土壤是CH4重要的汇，吸收值变动在044.8 mg×m-2×h-1之间，年平均值为 20.47 mg×m-2×h-1 或0.179 g×m-2×a-1。按北京市山地森林土壤面积686855 hm2计算，每年大约可吸收 CH4 1232 t。.（2）森林土壤对CH4的吸收有明显的季节变化，高温湿润的夏季最高，冬季最低为0。变化趋势主要和5 cm处土壤温度呈正相关。（3）森林土壤对CH4的吸收为生物过程而非物理吸附过程。主要发生在05 cm的矿质表层，其吸收速率（浓度的变化）和时间呈指数关系C = C0e-kt 。 枯落物层和20 cm以下的层次基本无吸收作用。致谢：本文系作者博士论文的一部分，承蒙导师徐化成教授指导，谨致谢意。参 考 文 献:1 蔡祖聪. 土壤对甲烷的吸收及其影响因素 A. 见：徐明岗主编. 现代土壤科学研究 C. 北京: 中国农业科技出版社，1994. 717-723. 2 IPCC. Climate Change：The Supplementary Report to the IPCC Scientific Assessment M. 1992. 5-19.3 OJIMA D S，VALENTINE D W. Effect of land use change on methane oxidation in temperate forest grassland soils J. Chemosphere, 1993, 26（1-4）: 675-686.4 卢维盛， 张建国， 廖宗文. 广州地区晚稻田CH4和N2O的排放及其影响因素 J. 应用生态学报，1997, 8(3):275-278. 5 郑循华，王明星. 稻田CH4和N2 O排放 J. 大气科学，1997，21（2）: 231237. 6 侯爱新， 陈冠雄. 稻田CH4和N2O排放关系及其微生物学机理和一些影响因子 J. 应用生态学报，1997，8（3）: 270-274. 7 颜晓元， 蔡祖聪. 水稻土中CH4氧化的研究 J. 应用生态学报，1997，8(6): 589-594.8 宋文质，王少彬，苏维瀚等. 我国农田土壤的主要温室气体CO2、CH4和N2 O排放研究 J. 环境科学，1996,17(1): 85-88. 9 崔保山. 三江平原沼泽地CH4排放规律及估算 J. 地理科学，1997，17(1): 93-95.10 许慧, 陈冠雄, 马成新. 长白山北坡不同土壤N2O和CH4排放的初步研究 J. 应用生态学报，1995，6(4): 373-377. 11 董云社, 彭公炳, 李俊. 温带森林土壤排放CO2、CH4、N2O时空特征 J. 地理学报，1996，51(增刊): 120-128. 12 KELLER M, KAPLAN W A , WOFSY S C. Emission of N2O ,CH4 and CO2 from tropical forest soils J. Journal of Geophysical Research, 1986, 91: 791-802.13 KELLER M, GOREAU T J, WOFSY S C, et al . Production of nitrous oxide and consumption of methane by forest soils J. Geophysical Research Letter, 1983, 10: 1156-1159. 14 HARRISS R C, SEBACHER D J, DAY F P. Methane flux in the Great Dismal Swamp J. Nature , 1982, 297: 673-674.15 SCHUTZ H, SEILER W. AND RENNENBERG H. Soil and land use related sources and sinks of methane(CH4) in the global methane budget A. In: Bouwnan A F, ed. Soils and Greenhouse Effects C. New York: John Wileyand Sons, 1990. 269-285. 16 SEILER W, CONRAD R, SCHARFFE D. Field studies of methane emission from termite nests into the atmospheric and measurements of methane uptake by tropical soils J. J of Atmospheric Chemistry, 1984, 1: 171-186.17 CASTO M S, STEUDLER P A, MELLO J M, et al. Exchange of N2O and CH4 between the atmosphere and soil in spuce-fir forests in the northeastern Untied States J. Biogeochemistry, 1993, 18: 119-136.18 易德生, 郭萍. 灰色理论与方法: 提要、题解、程序、应用M. 北京: 石油工业出版社, 1992. 25-69.19 蒋以超, 张一平. 土壤化学过程的物理化学 M. 北京: 中国科学技术出版社, 1993, 85-89.20 NESBIT S P. A laboratory study of factors influencing methane uptake by soils J. Agri Ecos Environ, 1992, 41: 39-54.21 陈文新. 土壤和环境微生物学 M. 北京: 北京农业大学出版社, 1990. 117. 22 WHALEN S C, REEBURGH W S. Consumption of atmospheric methane by tundra soils J. Nature, 1990: 56, 160-162.我的大学爱情观1、什么是大学爱情：大学是一个相对宽松，时间自由，自己支配的环境，也正因为这样，培植爱情之花最肥沃的土地。大学生恋爱一直是大学校园的热门话题，恋爱和学业也就自然成为了大学生在校期间面对的两个主要问题。恋爱关系处理得好、正确，健康，可以成为学习和事业的催化剂，使人学习努力、成绩上升；恋爱关系处理的不当，不健康，可能分散精力、浪费时间、情绪波动、成绩下降。因此，大学生的恋爱观必须树立在健康之上，并且树立正确的恋爱观是十分有必要的。因此我从下面几方面谈谈自己的对大学爱情观。2、什么是健康的爱情：1) 尊重对方，不显示对爱情的占有欲，不把爱情放第一位，不痴情过分；2) 理解对方，互相关心，互相支持，互相鼓励，并以对方的幸福为自己的满足; 3) 是彼此独立的前提下结合；3、什么是不健康的爱情：1)盲目的约会，忽视了学业;2)过于痴情，一味地要求对方表露爱的情怀，这种爱情常有病态的夸张;3)缺乏体贴怜爱之心，只表现自己强烈的占有欲;4)偏重于外表的追求;4、大学生处理两人的在爱情观需要三思：1. 不影响学习：大学恋爱可以说是一种必要的经历，学习是大学的基本和主要任务，这两者之间有错综复杂的关系，有的学生因为爱情，过分的忽视了学习，把感情放在第一位；学习的时候就认真的去学，不要去想爱情中的事，谈恋爱的时候用心去谈，也可以交流下学习，互相鼓励，共同进步。2. 有足够的精力：大学生活，说忙也会很忙，但说轻松也是相对会轻松的！大学生恋爱必须合理安排自身的精力，忙于学习的同时不能因为感情的事情分心，不能在学习期间，放弃学习而去谈感情，把握合理的精力，分配好学习和感情。3、 有合理的时间；大学时间可以分为学习和生活时间，合理把握好学习时间和生活时间的“度”很重要；学习的时候，不能分配学习时间去安排两人的在一起的事情，应该以学习为第一；生活时间，两人可以相互谈谈恋爱，用心去谈，也可以交流下学习，互相鼓励，共同进步。5、大学生对爱情需要认识与理解，主要涉及到以下几个方面：（一） 明确学生的主要任务“放弃时间的人，时间也会放弃他。”大学时代是吸纳知识、增长才干的时期。作为当代大学生，要认识到现在的任务是学习学习做人、学习知识、学习为人民服务的本领。在校大学生要集中精力，投入到学习和社会实践中，而不是因把过多的精力、时间用于谈情说爱浪费宝贵的青春年华。因此，明确自己的目标，规划自己的学习道路，合理分配好学习和恋爱的地位。（二） 树林正确的恋爱观提倡志同道合、有默契、相互喜欢的爱情：在恋人的选择上最重要的条件应该是志同道合，思想品德、事业理想和生活情趣等大体一致。摆正爱情与学习、事业的关系：大学生应该把学习、事业放在首位，摆正爱情与学习、事业的关系，不能把宝贵的大学时间，锻炼自身的时间都用于谈情说有爱而放松了学习。 相互理解、相互信任，是一份责任和奉献。爱情是奉献而不时索取，是拥有而不是占有。身边的人与事时刻为我们敲响警钟，不再让悲剧重演。生命只有一次，不会重来，大学生一定要树立正确的爱情观。（三） 发展健康的恋爱行为 在当今大学校园，情侣成双入对已司空见惯。抑制大学生恋爱是不实际的，大学生一定要发展健康的恋爱行为。与恋人多谈谈学习与工作，把恋爱行为限制在社会规范内，不致越轨，要使爱情沿着健康的道路发展。正如马克思所说：“在我看来，真正的爱情是表现在恋人对他的偶像采取含蓄、谦恭甚至羞涩的态度，而绝不是表现在随意流露热情和过早的亲昵。”（四） 爱情不是一件跟风的事儿。很多大学生的爱情实际上是跟风的结果，是看到别人有了爱情，看到别人幸福的样子（注意，只是看上去很美），产生了羊群心理，也就花了大把的时间和精力去寻找爱情（五） 距离才是保持爱情之花常开不败的法宝。爱情到底需要花多少时间，这是一个很大的问题。有的大学生爱情失败，不是因为男女双方在一起的时间太少，而是因为他们在一起的时间太多。相反，很多大学生恋爱成功，不是因为男女双方在一起的时间太少，而是因为他们准确地把握了在一起的时间的多少程度。（六） 爱情不是自我封闭的二人世界。很多人过分的活在两人世界，对身边的同学，身边好友渐渐的失去联系，失去了对话，生活中只有彼此两人；班级活动也不参加，社外活动也不参加，每天除了对方还是对方，这样不利于大学生健康发展，不仅影响学习，影响了自身交际和合作能力。总结：男女之间面对恋爱，首先要摆正好自己的心态，树立自尊、自爱、自强、自重应有的品格，千万不要盲目地追求爱，也不宜过急追求爱，要分清自己的条件是否成熟。要树立正确的恋爱观，明确大学的目的，以学习为第一；规划好大学计划，在不影响学习的条件下，要对恋爱认真，专一，相互鼓励，相互学习，共同进步；认真对待恋爱观，做健康的恋爱；总之，我们大学生要树立正确的恋爱观念，让大学的爱情成为青春记忆里最美的风景，而不是终身的遗憾！