莊靜靜，張勁松*，孟平，鄭寧，賈長(zhǎng)榮，李劍俠，李建中

1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所//國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；2. 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；3. 濟(jì)源市國(guó)有大溝河林場(chǎng)，河南 濟(jì)源 454650

華北低山丘陵區(qū)人工林土壤CH4通量測(cè)定代表性時(shí)段研究

莊靜靜1,2，張勁松1,2*，孟平1,2，鄭寧1,2，賈長(zhǎng)榮3，李劍俠3，李建中3

1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所//國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；2. 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；3. 濟(jì)源市國(guó)有大溝河林場(chǎng)，河南 濟(jì)源 454650

在日尺度上選取合適的時(shí)間段測(cè)定土壤CH4通量，取其均值代表日均值，可使短時(shí)間內(nèi)土壤CH4通量觀測(cè)數(shù)據(jù)有效反映長(zhǎng)時(shí)間尺度上土壤CH4通量。為此，于2014年11月─2015年10月利用土壤CH4自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)華北低山丘陵區(qū)刺槐（Robinia pseudoacacia L）人工林的土壤CH4通量進(jìn)行晝夜連續(xù)性觀測(cè)，共取得140 d完整連續(xù)數(shù)據(jù)，其中，生長(zhǎng)季（2015年5月─2015年10月）共82 d，非生長(zhǎng)季（2014年11月─2015年4月）共58 d。分析各月土壤CH4通量的日均值變化特征，計(jì)算各月的代表時(shí)段與日平均的相對(duì)差異百分率，選取相對(duì)差異百分率在±10%以內(nèi)作為代表性時(shí)段。各月觀測(cè)代表性時(shí)段選定后，對(duì)各月代表性時(shí)刻土壤 CH4通量的平均值與日平均值進(jìn)行擬合，并對(duì)其在年尺度上的有效性進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估。結(jié)果表明：（1）2014年11月─2015年10月各月份的日均值變化幅度分別為-0.74～-1.16、-0.58～-0.79、-0.48～-0.67、-0.55～-0.86、-0.59～-1.49、-0.60～-0.72、-0.70～-0.80、-0.50～-0.66、-0.54～-0.71、-0.71～-0.85和-0.84～-1.09 nmol·m-2·s-1，日較差分別為0.42、0.21、0.19、0.31、0.90、0.12、0.10、0.16、0.17、0.15、和0.24 nmol·m-2·s-1；（2）選取8:00─9:00作為生長(zhǎng)季（2015年5月─2015年10月）土壤CH4通量的代表性時(shí)段；選擇9:00─10:00作為非生長(zhǎng)季（2014年11月─2015年4月）的代表性時(shí)段；（3）各月的代表性時(shí)段內(nèi)土壤CH4通量平均值與24 h日平均值的相對(duì)差異分別為5.71%（正向）、4.50%（正向）、-1.98%（負(fù)向）、3.11%（正向）、6.34%（正向）、-7.37%（負(fù)向）、-1.23%（負(fù)向）、-9.03%（負(fù)向）、-4.43%（負(fù)向）、-0.71%（負(fù)向）、4.97%（正向），均在±10%以內(nèi)；（4）對(duì)各月代表性時(shí)刻土壤CH4通量的平均值與日平均值進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)各月代表性時(shí)段土壤CH4通量平均值與24 h日平均值數(shù)據(jù)差異最小出現(xiàn)在9月，最大出現(xiàn)在7月；（5）將選擇的代表性時(shí)段內(nèi)土壤CH4通量累加至年尺度上，表明選取的代表性時(shí)段可代表研究區(qū)的全年土壤CH4通量（r2=0.885，P=0.000）。

代表性；CH4通量；季節(jié)尺度；時(shí)段

ZHUANG Jingjing, ZHANG Jinsong, MENG Ping, ZHENG Ning, JIA Changrong, LI Jianxia, LI Jianzhong. Representative Time Periods of Measuring Daily CH4Fluxes of Soil in Robinia psedudoacia Plantation in Low Hilly Areas of North China [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(11): 1791-1798.

CH4作為一種重要的溫室氣體，其產(chǎn)生、消耗和排放機(jī)制及在全球氣候變暖過(guò)程中的作用已引起廣泛關(guān)注。目前關(guān)于森林土壤CH4的研究已有一些報(bào)道，但由于土壤與大氣之間的水熱交換有一定的傳導(dǎo)平衡時(shí)間（田慎重等，2012），不同時(shí)間尺度（小時(shí)、晝夜、月和季節(jié)）的土壤CH4通量就可能會(huì)有不同的表現(xiàn)形式。因此，為了能更準(zhǔn)確地估算森林土壤CH4通量，闡明其在全球氣候變暖中的作用，迫切需要長(zhǎng)期和連續(xù)的土壤CH4通量測(cè)定數(shù)據(jù)，以定性定量分析環(huán)境和生物因子對(duì)土壤 CH4通量的影響，為土壤CH4通量模型的建立和驗(yàn)證提供科學(xué)依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者常采用箱式法觀測(cè)野外土壤CH4通量，在晴天的上午 8:00─12:00進(jìn)行人工取樣，并采用一次測(cè)量來(lái)代表當(dāng)天日平均通量（莫江明等，2005；Mosier，1991）。由于溫室氣體處于動(dòng)態(tài)變化中，在不同時(shí)間、不同生長(zhǎng)階段及不同尺度上均有所不同，但若要以天為單位對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行加密觀測(cè)，甚至在冬季進(jìn)行野外晝夜試驗(yàn)，觀測(cè)工作難度就會(huì)加大（秦璐等，2013），這樣就面臨土壤 CH4通量測(cè)定代表性時(shí)段的選取問(wèn)題。在季節(jié)及年際變化等較長(zhǎng)時(shí)間尺度研究中，選取一天中最具代表性的時(shí)刻進(jìn)行通量測(cè)定，不僅可以保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，還可以節(jié)省勞動(dòng)力以提高工作效率。測(cè)定地點(diǎn)以及測(cè)定時(shí)期不同，代表一天平均土壤CH4通量的最適測(cè)定時(shí)間段也不盡相同。因此，準(zhǔn)確選取合適的土壤CH4通量測(cè)定的代表性時(shí)段進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量，進(jìn)而準(zhǔn)確估算長(zhǎng)時(shí)間尺度上的森林生態(tài)系統(tǒng)土壤CH4通量已成為研究土壤CH4通量亟待解決的問(wèn)題。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤CH4通量代表性時(shí)段的研究主要集中在農(nóng)田（田慎重等，2012；李晶等，1998；熊效振等，1997）、草地（杜睿等，1998；王艷芬等，2003；杜睿等，2001），同時(shí)對(duì)于植被較為復(fù)雜的森林主要集中在較短日尺度上的觀測(cè)（劉實(shí)等，2001；肖冬梅等，2004；匡艷華等，2013），而對(duì)于植被類型較復(fù)雜的森林較長(zhǎng)尺度的代表性時(shí)段的研究較少。為此，本文以太行山南段低山丘陵區(qū)刺槐（Robinia pseudoacacia）人工林為例進(jìn)行土壤CH4通量測(cè)定代表性時(shí)段研究，采用基于離軸積分腔輸出光譜技術(shù)的多通道土壤痕量溫室氣體自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析該區(qū)土壤CH4通量晝夜變化規(guī)律，選取最適測(cè)定時(shí)間段，為季節(jié)、年際變化等長(zhǎng)時(shí)間尺度土壤CH4通量的研究提供數(shù)據(jù)支持，以期為森林土壤CH4的準(zhǔn)確評(píng)估及其相關(guān)研究提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于黃河小浪底森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站（35o01' N，112o28' E）站區(qū)內(nèi)（趙娜等，2014）。黃河小浪底林區(qū)地處黃河中游，緊連太行山，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，以人工林為主，代表性樹種有刺槐（Robinia psedudoacia）、側(cè)柏（Platycladus orientalis）和栓皮櫟（Quercus variabilis）（王鶴松，2007）。全年日照時(shí)數(shù)為2367.7 h，年日照率為54%，≥0 ℃的多年平均積溫為 5282 ℃，≥10 ℃的多年平均積溫達(dá)4847 ℃。歷年平均降水量641.7 mm，6─9月多年平均降水量為 438.0 mm，占全年的68.3%（田超等，2015）。

2 研究方法

2.1土壤CH4通量測(cè)定

2014年 9月中旬，在太行山南段 45 a刺槐（Robinia psedudoacia）人工林樣地內(nèi)，選擇地勢(shì)平坦、土壤立地條件一致的地段安裝基于離軸積分腔輸出光譜技術(shù)的多通道土壤痕量溫室氣體自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（SF-3000，U.S.A.，Lica United）。將采樣環(huán)縱向插入土中，露出地表4.5 cm，與長(zhǎng)期氣室連接，共設(shè)定4個(gè)氣室，待采樣環(huán)與土壤接觸緊密后（平衡24 h）進(jìn)行土壤CH4通量24 h連續(xù)性測(cè)定，測(cè)定獲取頻率1 Hz，每個(gè)氣室測(cè)定時(shí)間5 min，將每小時(shí)的通量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，獲得以1 h為間隔的24 h連續(xù)數(shù)據(jù)?；?jīng)過(guò)24 h的平衡后，土壤CH4通量會(huì)恢復(fù)到基座放置前的水平，從而避免了由于安置氣室對(duì)土壤擾動(dòng)而造成的短期內(nèi)CH4通量的波動(dòng)。2014年11月─2015年10月共獲得140天完整的晝夜變化連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，其中，2014年11月（13 d）、2014年12月（14 d）、2015年1月（13 d）、2015年3月（8 d）、2015年4月（10 d）、2015年5月（19 d）、2015年6月（12 d）、2015年7月（9 d）、2015年8月（19 d）、2015年9月（16 d）、2015年10月（7 d），各月土壤CH4通量的日變化均為各月不同天數(shù)土壤CH4通量的日平均。

與此同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)區(qū)安裝HMP45C型大氣溫濕度傳感器（Vaisala，Helsinki，F(xiàn)inland）、土壤溫度傳感器（AV-10T，USA）和水分傳感器（EC-H2O，Avalon Sci. Inc.，USA），分別同步觀測(cè)了研究區(qū)內(nèi)的林內(nèi)大氣溫度（ta）、大氣相對(duì)濕度（RH）、地表5 cm處土壤溫度（t5）、地表5 cm處土壤含水量（S5）。數(shù)據(jù)采集均通過(guò) CR10X數(shù)據(jù)采集器（Campbell，USA）和AR5-8A-SE數(shù)據(jù)采集器（Avalon Sci. Inc．，USA）進(jìn)行，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)定為每1 min采集1次，每10 min輸出1組平均值。

土壤通量計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)為土壤CH4通量（nmol·m-2·s-1）；V為氣路體積（cm3），P0為內(nèi)部原始?xì)鈮海╧Pa），W0為氣路內(nèi)部原始水汽濃度（mmol·mol-1），S為氣室覆蓋面積（cm2），t0為內(nèi)部原始溫度（℃），ΔC/Δt為CH4濃度隨時(shí)間的變化率（umol-1·mol·s-1），R為理想氣體常數(shù)（8.314 Pa·m3·K-1·mol-1）。

2.2指標(biāo)測(cè)算

為了更詳細(xì)的研究代表性時(shí)段數(shù)據(jù)的差異，本文參考土壤呼吸代表性時(shí)間段的研究方法，對(duì)各月代表性時(shí)段進(jìn)行選取時(shí)要盡量考慮以下幾點(diǎn)：（1）各月所選取的代表性時(shí)段時(shí)長(zhǎng)相等；（2）盡量選取白天的代表性時(shí)刻；（3）代表性時(shí)刻土壤表層CH4通量與日均值間的相對(duì)差異百分率在±10%之內(nèi)（秦璐等，2013）。

相對(duì)差異百分率的計(jì)算公式（姚玉剛等，2011）：

式中，P'為相對(duì)差異百分率，Rs-real為選取時(shí)段土壤CH4通量的實(shí)測(cè)值，Rs-mean為24 h土壤CH4通量的日平均值。

2.3數(shù)據(jù)分析

本研究的試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用SPSS 19.0對(duì)土壤CH4通量的代表性時(shí)段與日均值差異之間進(jìn)行單因素方差分析，并使用Origin Pro 8.0進(jìn)行圖形圖像輸出。

3 結(jié)果與分析

3.1各月土壤CH4通量的平均日變化特征及差異

如圖1所示，該研究區(qū)在11個(gè)觀測(cè)月份均表現(xiàn)為土壤CH4的匯，而且土壤CH4通量日變化特征均呈現(xiàn)多曲線的晝低夜高變化趨勢(shì)。各月均在午間（12:00─14:00）出現(xiàn)最大峰，而2014年12月和2015年1月在下午17:00左右出現(xiàn)第二個(gè)高峰。從圖1中也可以看出，2014年11月、2015年4月、2015年6─10月的土壤CH4通量的晝夜變化相對(duì)穩(wěn)定，最高值一般出現(xiàn)在凌晨2:00─7:00之間，最低值一般出現(xiàn)在中午13:00（圖2a、圖2c、圖2g～圖2k）。在整個(gè)非生長(zhǎng)季，除在2014年12月和2015年1月時(shí)，土壤CH4通量日變化波動(dòng)明顯，出現(xiàn)明顯的最大峰和次峰（圖2b、圖2c），分別出現(xiàn)在上午11點(diǎn)和下午17:00；而其他月份僅有1個(gè)峰值，均在中午時(shí)刻。在整個(gè)生長(zhǎng)季，除2015年5月日變化特征不顯著外，其余月份的日變化特征顯著。分析各月日平均值表明，2015年6─9月全天的實(shí)測(cè)值與日平均值均相近，但1月份在下午16:00─18:00之間也出現(xiàn)了與日平均值相接近的時(shí)段（圖2g～圖2j）。由此可知，在不同生態(tài)系統(tǒng)及不同環(huán)境條件下，土壤CH4通量的代表性時(shí)段也會(huì)有所不同。傳統(tǒng)觀測(cè)手段，如靜態(tài)箱-氣相色譜法，采用2 h觀測(cè)1次的間隔進(jìn)行日變化連續(xù)性觀測(cè)時(shí)，會(huì)引起CH4通量估算的顯著誤差。本研究使用的高頻連續(xù)觀測(cè)手段，可精確記錄每小時(shí)內(nèi)的CH4通量變化，對(duì)確定土壤CH4通量測(cè)定的代表性時(shí)段尤為重要。

圖1 各月土壤CH4通量平均日變化特征Fig. 1 Average daily variation of CH4fluxes in each month (mean ± SE)

對(duì)各月份的日均值進(jìn)行計(jì)算，2014年11月─2015年10月的日均值分別為-0.86、-0.66、-0.57、-0.66、-0.89、-0.65、-0.73、-0.56、-0.60、-0.76、-0.93nmol·m-2·s-1。10月的土壤CH4通量較其他幾個(gè)月份高，其中1月的土壤CH4通量值最低，整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)的CH4通量日變化幅度也較小，各月份的日均值變化幅度分別為-0.74～-1.16、-0.58～-0.79、-0.48～-0.67、-0.55～-0.86、-0.59～-1.49、-0.60～-0.72、-0.70～-0.80、-0.50～-0.66、-0.54～-0.71、-0.71～-0.85和-0.84～-1.09 nmol·m-2·s-1，日較差分別為0.42、0.21、0.19、0.31、0.90、0.12、0.10、0.16、0.17、0.15、和0.24 nmol·m-2·s-1。由此可見，在2015年5─9月的日變化差異最小，而4月的日變化差異較大，這主要是由于環(huán)境因素的變化而導(dǎo)致的土壤CH4通量日變化趨勢(shì)更加顯著。

圖2 各月代表性時(shí)段測(cè)定均值與日均值間相對(duì)差異百分率Fig. 2 Relative difference between average values measured and daily average values during months

3.2各月日土壤CH4通量代表性時(shí)段

根據(jù)選擇時(shí)段的要求，選擇相對(duì)差異在±10%以內(nèi)的時(shí)間段。通過(guò)計(jì)算各月土壤CH4通量的代表性時(shí)段與日均值差異比較發(fā)現(xiàn)（圖2），2014年11月，除11:00─14:00出現(xiàn)正向（>20%）外，其他時(shí)段的相對(duì)差異均在±10%左右，在 7:00─10:00和11:00─14:00連續(xù)時(shí)段內(nèi)的相對(duì)差異均在±10%以內(nèi)。2014年12月8:00─10:00和19:00─22:00連續(xù)時(shí)段內(nèi)的相對(duì)差異均在±10%以內(nèi)。2015年1月，在4:00和8:00分別出現(xiàn)負(fù)向（>10%）的最大差異，在11:00和17:00時(shí)分別出現(xiàn)正向（>10%）的最大差異，而9:00─10:00的相對(duì)差異均在±10%以內(nèi)。2015年3月，11:00─14:00出現(xiàn)正向（>20%）的最大差異，在 9:00和15:00─19:00的相對(duì)差異均在±10%以內(nèi)。2015年4月，在0:00─6:00和13:00─16:00連續(xù)時(shí)段內(nèi)分別出現(xiàn)向負(fù)向（>20%）和正向（>20%）的最大差異，在7:00─10:00連續(xù)時(shí)段內(nèi)的相對(duì)差異在±10%以內(nèi)。2015年5月和6月各時(shí)刻的相對(duì)差異均在±10%以內(nèi)（圖2f、圖2g）。2015年7月，在12:00─16:00出現(xiàn)正向（>10%）的最大差異，在8:00─11:00和17:00─21:00連續(xù)時(shí)段內(nèi)的相對(duì)差異均在±10%以內(nèi)。2015年8月、9月和10月，分別在12:00─15:00、14:00和12:00─14:00時(shí)出現(xiàn)正向（>10%）的最大差異，其他時(shí)段內(nèi)的相對(duì)差異均在±10%以內(nèi)。為了滿足數(shù)據(jù)分析中選取代表性時(shí)間段的條件，生長(zhǎng)季（2015年5─10月）均選取8:00─9:00作為土壤CH4通量測(cè)定的代表性時(shí)段，而非生長(zhǎng)季（2014年11月─2015年4月）選取9:00─10:00作為土壤CH4通量測(cè)定的代表性時(shí)段。由此可見，代表性時(shí)段的選取存在一定的差異性。雖然本研究選取的代表性時(shí)段均在8:00─11:00點(diǎn)范圍之內(nèi)，與之前大多數(shù)研究者選取時(shí)段相同，但為了使對(duì)土壤CH4通量的估算更加準(zhǔn)確，應(yīng)盡量選擇在2 h以內(nèi)的合適時(shí)段。

3.3各月土壤 CH4通量代表性時(shí)段與日均值差異比較以及多日尺度上的差異分析

經(jīng)觀測(cè)，分別選擇生長(zhǎng)季（2015年5─9月）的8:00—9:00和非生長(zhǎng)季（2014年11月─2015年4月）9:00─10:00土壤CH4通量的平均值與24 h日平均值進(jìn)行擬合分析，結(jié)果表明，各月的平均值與24 h日平均值均呈線性關(guān)系，相關(guān)性檢驗(yàn)均達(dá)到極顯著水平（r2>0.653，P<0.340）（圖 3、表 1）。月尺度分析表明，在非生長(zhǎng)季，2014年11—12月、2015年1月和2015年4月的9:00─10:00的土壤CH4通量平均值與24 h土壤CH4通量日平均值擬合線，在數(shù)值較小時(shí)，偏離 1∶1線較大，位于其上方，說(shuō)明9:00─10:00土壤CH4通量平均值比24 h土壤 CH4通量日平均偏低，存在低估；而在 2015年3月的9:00─10:00的土壤CH4通量平均值與24 h土壤CH4通量日平均值擬合線，在數(shù)值較大時(shí)，偏離1∶1線較大，位于其下方，說(shuō)明9:00─10:00土壤CH4通量平均值比24 h土壤CH4通量日平均偏高，存在高估。在生長(zhǎng)季，2015年5月和8月的8:00─9:00的土壤CH4通量平均值與24 h土壤CH4通量日平均值做擬合曲線（圖3f、圖i），發(fā)現(xiàn)擬合線基本位于 y=x線上，擬合效果較好（r2=0.958，P=0.122；r2=0.971，P=0.213）（表1）。在2015年6—10月的8:00─9:00的土壤CH4通量平均值與24 h土壤CH4通量日平均值擬合線，在數(shù)值較大時(shí)，偏離1∶1線較大，位于其下方，說(shuō)明8:00─9:00土壤CH4通量平均值比24 h土壤CH4通量日平均偏高，存在高估。但總的來(lái)說(shuō)，各月份的擬合線基本位于1∶1線上，擬合效果較好。

表1 不同月份各月土壤CH4通量代表性時(shí)段與日均值差異比較Table 1 Comparison the difference between the CH4fluxes of the representative period and daily average in different months

在計(jì)算土壤CH4通量年總量時(shí)，需要將日尺度上的土壤CH4通量數(shù)據(jù)換算到年尺度上，通過(guò)多日的平均數(shù)據(jù)，拓展到多日尺度上進(jìn)行分析，從土壤CH4通量測(cè)定代表性時(shí)段與日平均值的擬合結(jié)果來(lái)看，擴(kuò)展到全年尺度各月代表性時(shí)段的土壤CH4通量與日平均值的相關(guān)系數(shù)r2為0.885，相關(guān)性檢驗(yàn)達(dá)到極顯著水平（F=25.682、P=0.000），擬合效果較好（圖4）。

4 討論

4.1各月土壤CH4通量平均日變化特征

通過(guò)對(duì)該區(qū)各月的平均日變化特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明，研究區(qū)的各月土壤CH4通量日動(dòng)態(tài)變化整體上呈現(xiàn)雙峰曲線，表現(xiàn)出晝低夜高的變化趨勢(shì)。董云社等（2000）對(duì)內(nèi)蒙古草原的研究表明，雖然羊草草地CH4通量的日變化特征不十分明顯，但總體呈現(xiàn)出晝低夜高的變化趨勢(shì)。齊玉春等（2002）和周存宇等（2004）分別對(duì)貢嘎山山地暗針葉林和鼎湖山針闊混交林進(jìn)行研究，也獲得了相同的研究結(jié)果。由此可知，雖然土壤CH4通量的日變化曲線多變，但其晝低夜高的變化趨勢(shì)是相同的。本研究中，各月的土壤CH4通量均在午間（12:00─14:00）出現(xiàn)最大峰，而2014年12月和2015年1月在下午17:00左右出現(xiàn)第二個(gè)高峰。2014年11月、2015年4月、2015年6─10月的土壤CH4通量的晝夜變化相對(duì)穩(wěn)定，最高值一般出現(xiàn)在凌晨2:00─7:00之間，最低值一般出現(xiàn)在中午13:00（圖2a、圖2c、圖2g～圖2k）。Xiao et al.（2004）通過(guò)對(duì)長(zhǎng)白山闊葉林土壤CH4通量的研究，得出的土壤CH4通量的吸收峰值出現(xiàn)在14:00和18:00，吸收最低值出現(xiàn)在6:00，這與本研究的結(jié)論相一致。然而，楊小丹等（2010）通過(guò)對(duì)寒溫帶大興安嶺地區(qū)森林土壤CH4通量進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在7月和8月，土壤CH4通量的吸收高峰主要集中在0:00和16:00，這與該研究結(jié)果相反。造成這種差異主要是由于其研究區(qū)的特殊氣候條件所引起的，而該研究區(qū)的凍融作用較小，其通過(guò)影響微生物活性進(jìn)而對(duì)土壤CH4通量的影響作用也下降。一般認(rèn)為，在較短的時(shí)間尺度內(nèi)，當(dāng)土壤條件、氣候因素和植物體維持相對(duì)穩(wěn)定且日較差較大時(shí)，CH4通量在土壤環(huán)境溫度范圍內(nèi)與土壤溫度具有正相關(guān)性。本研究在各月份的日較差分別為0.42、0.21、0.19、0.31、0.90、0.12、0.10、0.16、0.17、0.15、和0.24 nmol·m-2·s-1。隨著土壤溫度的變化，CH4通量的日變化振幅不斷縮小。Castro et al.（1993）在研究美國(guó)哈佛森林時(shí)，指出當(dāng)土壤溫度在-5～10 ℃范圍內(nèi)，土壤CH4通量和溫度呈明顯正相關(guān)。劉玲玲等（2008）對(duì)千煙洲的研究也表明，土壤CH4通量的最低值沒(méi)有出現(xiàn)在溫度最高的7月，而是發(fā)生在與溫度的最低值保持一致的冬季，說(shuō)明溫度與土壤CH4通量之間的關(guān)系更加密切。本研究將土壤吸收CH4能力從強(qiáng)到弱不同月份排序?yàn)椋?月>11月>3月>10月>1月>8月>7月>9月>5月>6月，更加說(shuō)明在一定較低范圍內(nèi)，低溫對(duì)土壤吸收CH4能力有增加的作用，而在更低溫情況下，對(duì)土壤CH4的吸收也會(huì)產(chǎn)生一定的抑制作用。

圖3 各月土壤CH4通量代表性時(shí)刻平均值與日平均值擬合特征Fig. 3 Linear regression between average value of CH4flux in representative time selection and daily average value in different months

圖4 全年尺度上土壤CH4通量代表時(shí)與均值擬合特征Fig. 4 Linear regression between soil CH4fluxes average value of representative time selection and daily average value during all year period

4.2非生長(zhǎng)季代表性時(shí)段的選取與驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)該區(qū)各月代表性時(shí)段均值與日平均值的差異性以及擬合特征，選取8:00─9:00作為生長(zhǎng)季的土壤CH4通量代表性時(shí)段，而選取9:00─10:00作為非生長(zhǎng)季的土壤CH4通量代表性時(shí)段。這與大多數(shù)研究者選取 8:00─12:00、7:00─11:00作為代表性時(shí)段的范圍相吻合，但由于CH4的日變化特征較復(fù)雜，代表性時(shí)段的縮短，可進(jìn)一步減少測(cè)定誤差，為此，本研究選擇在相對(duì)穩(wěn)定的月份選取 2 h間隔的采樣時(shí)間。非生長(zhǎng)季選取的代表性時(shí)段與生長(zhǎng)季的差異性較大，這主要是由于在非生長(zhǎng)季，環(huán)境因素日變化差異較小，而且溫度較低，對(duì)土壤微生物的活性影響較大，使 9:00─10:00之間的平均值更接近于日平均值（圖2）。孫向陽(yáng)（2000）對(duì)北京低山區(qū)森林土壤CH4通量的研究結(jié)果表明，森林土壤對(duì)CH4的吸收主要發(fā)生在0～5 cm的礦質(zhì)土層，枯落層基本無(wú)吸收反應(yīng)。本研究中4月刺槐處于無(wú)葉期，枯枝落葉層較厚，影響大氣CH4與土壤CH4的交換，加之降雨和土壤溫度回升的影響，整個(gè)研究區(qū)土壤CH4通量增加。由圖3可發(fā)現(xiàn)，直線擬合能較好地表現(xiàn)研究區(qū)生長(zhǎng)季的8:00─9:00和非生長(zhǎng)季的9:00─10:00土壤CH4通量測(cè)定值與日平均值土壤 CH4通量的變化趨勢(shì)（r2>0.653，P<0.340）。由圖2可知，各月的代表性時(shí)段基本與日平均線的出現(xiàn)時(shí)段保持一致。在年尺度上，土壤CH4通量代表性時(shí)段內(nèi)均值與日平均土壤CH4通量值線性擬合線基本位于1∶1線上（r2=0.885，P=0.000）。

5 結(jié)論

在整個(gè)觀測(cè)期土壤CH4通量代表性時(shí)段的選擇方面，本研究與前人的研究不同，大多數(shù)研究者在全年中只選取一個(gè)時(shí)間段作為土壤CH4通量測(cè)定代表性時(shí)段（劉玲玲等，2008；王穎，2009），或者只對(duì)生長(zhǎng)季的代表性時(shí)段進(jìn)行確定（馬秀枝等，2012）。而對(duì)本研究區(qū)來(lái)說(shuō)，該區(qū)季節(jié)變化明顯，溫度差異大，一個(gè)土壤CH4通量代表性時(shí)段不足以代表全年土壤CH4通量變化特征。此外，前人的研究大多數(shù)采取白天每2小時(shí)左右觀測(cè)1次、夜晚每3小時(shí)左右觀測(cè)1次（莫江明等，2005）的觀測(cè)方法，而溫室氣體處于動(dòng)態(tài)變化中，取樣的時(shí)間對(duì)土壤CH4通量的估算會(huì)造成差異，這種差異可達(dá)幾倍甚至幾十倍。與傳統(tǒng)的土壤CH4通量研究相比，本研究的一個(gè)顯著不同是其測(cè)定的高頻率與連續(xù)性。通過(guò)對(duì)土壤CH4通量連續(xù)不斷地觀測(cè)，并根據(jù)相對(duì)差異百分率的公式計(jì)算得到觀測(cè)的代表性時(shí)段。

綜上所述，研究區(qū)在生長(zhǎng)季應(yīng)選取8:00─9:00作為土壤 CH4通量代表性時(shí)段，而非生長(zhǎng)應(yīng)選取9:00─10:00作為土壤 CH4通量代表性時(shí)段。各月份的土壤CH4通量代表性時(shí)段平均值與24 h日平均值差值分別為0.42、0.21、0.19、0.31、0.90、0.12、0.10、0.16、0.17、0.15、和0.24 nmol·m-2·s-1，相對(duì)差異性范圍為-9.03%～5.71%，均在±10%以內(nèi)。在年尺度上的擴(kuò)展可以較好地代表日平均土壤CH4通量值（r2=0.885，P=0.000）。

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Representative Time Periods of Measuring Daily CH4Fluxes of Soil in Robinia psedudoacia Plantation in Low Hilly Areas of North China

ZHUANG Jingjing1,2, ZHANG Jinsong1,2*, MENG Ping1,2, ZHENG Ning1,2, JIA Changrong3, LI Jianxia3, LI Jianzhong3
1. Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry//Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation of the State Forestry Administration; Beijing 100091, China; 2. Collaborative Innovation Center of Sustainable Forestry in Southern China, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 3. Dagou-he National Forest Farm, Jiyuan 454650, China

A proper period of time on a day should be chose to measure CH4flux, and to take the measured average value to represent the daily average CH4fluxes. The short-term observed soil CH4flux data can also be effectively applied in the estimation of CH4fluxes at a longer time scale. In this study, we used an automatic observation system of soil CH4to collect the continuous day and night observational data in Robinia pseudoacacia L. plantation in low hilly areas of north China in November 2014 to October 2015. We obtained a total of 140 days of continuous data in growing season of May 2015 to October 2015 (82 days) and non-growing season of November 2014 to April 2015 (58 days). The mean daily variation of CH4flux was analyzed, and the relative percentage differences between the representative time and daily average in each month was calculated to select a time period which were within a relative percentage difference of ± 10% as the representative period. After the confirmation of the representative period, the mean CH4fluxes of soil between the representative time periods and daily was fitted, and the effectiveness of its annual scale was estimated and evaluated. The results show that: (1) the change range of the mean daily variation was -0.74～-1.16, -0.58～-0.79, -0.48～-0.67, -0.55～-0.86, -0.59～-1.49, -0.60～-0.72, -0.70～-0.80, -0.50～-0.66, -0.54～-0.71, -0.71～-0.85 and -0.84～-1.09 nmol·m-2·s-1, and the diurnal range was 0.42, 0.21, 0.19, 0.31, 0.90, 0.12 , 0.10, 0.16, 0.17, 0.15 and 0.24 nmol·m-2·s-1in each month, respectively; (2) the period of 8: 00─9: 00 was selected as the representative time in growing season; and 9: 00─10: 00 as the representative time in non-growing season; (3) The relative difference between the CH4fluxes of the representative period and daily average were 5.71% (forward), 4.50% (forward), -1.98% (negative), 3.11% (forward), 6.34% (forward), -7.37% (negative), -1.23% (negative), -9.03% (negative), -4.43% (negative), -0.71% (negative), 4.97% (forward) they were all within ± 10% in each months, respectively; (4) the fit result between the soil CH4flux of daily averages and the representative time showed that the minimum data of the difference of CH4flux appeared in September while the maximum appeared in July; (5) the selected representative period can represent the annual CH4flux of this study area (r2=0.885, P=0.000) when we accumulate soil CH4flux of selected representative period to annual scale.

representative; methane; season scale; period

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.11.006

Q948；X144

A

1674-5906（2015）11-1791-08

國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研項(xiàng)目（201404206）；中國(guó)林科院林業(yè)所所基金項(xiàng)目（RIF2014-09）

莊靜靜（1988年生）女，博士，主要從事森林土壤溫室氣體研究。E-mail: zhuangjingnd@126.com *通信作者。

2015-10-09

引用格式：莊靜靜, 張勁松, 孟平, 鄭寧, 賈長(zhǎng)榮, 李劍俠, 李建中. 華北低山丘陵區(qū)人工林土壤CH4通量測(cè)定代表性時(shí)段研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(11): 1791-1798.