高升華，張旭東,*，湯玉喜，陳吉泉，唐 潔，孫啟祥，唐學(xué)君,4

1 林木遺傳育種國家重點實驗室,中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所,北京 100091 2 湖南省林業(yè)科學(xué)院,長沙 410004 3 密執(zhí)安州立大學(xué), 全球變化與地球觀測中心, 地理系,美國東蘭辛 MI48823 4 國家林業(yè)局華東林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院,杭州 310019

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灘地人工林幼林不同時間尺度CH4通量變化特征
——基于渦度相關(guān)閉路系統(tǒng)的研究

高升華1，張旭東1,*，湯玉喜2，陳吉泉3，唐 潔2，孫啟祥1，唐學(xué)君1,4

1 林木遺傳育種國家重點實驗室,中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所,北京 100091 2 湖南省林業(yè)科學(xué)院,長沙 410004 3 密執(zhí)安州立大學(xué), 全球變化與地球觀測中心, 地理系,美國東蘭辛 MI48823 4 國家林業(yè)局華東林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院,杭州 310019

長江灘地是甲烷 (CH4) 排放的潛在熱點區(qū)域,然而目前其CH4通量的變化特征及控制因子尚未被揭曉?；跍u度相關(guān)閉路系統(tǒng)進行為期2年多的連續(xù)觀測,旨在揭示長江灘地楊樹 (Populusdeltoides) 人工林幼林CH4通量在不同時間尺度上的變化特征及其調(diào)控機理。結(jié)果顯示,全年和部分未淹水月份表現(xiàn)出白天排放強而夜間排放弱的平均日變化特征,且淹水前、淹水期間和退水后分別表現(xiàn)出日間雙峰型 (7:00和10:00)、日間與夜間各一峰的雙峰型 (10:00和23:00),以及典型的日間單峰型 (10:00)。淹水年份(2012年)在夏季 (6—8月)排放最強,在春末 (5月) 和秋末冬初 (11—12月) 排放最弱,而未淹水年份 (2013年) 在初夏 (6月)排放最強,在盛夏 (7月) 和秋末 (11月) 轉(zhuǎn)變?yōu)檩^弱的吸收。淹水年份的年排放量 ( (128.0±42.4) mmol/m2) 是未淹水年份( (51.5±29.1) mmol/m2) 的2.5倍。灘地人工林幼林CH4通量的日變化和季節(jié)變化最可能受到摩擦風(fēng)速、水位和土壤溫度的調(diào)節(jié),而年際間的巨大差異主要由淹水狀況決定。

甲烷通量；長江；灘地；渦度相關(guān)；楊樹人工林

大氣中甲烷(CH4)的濃度在經(jīng)歷短暫的停滯之后又繼續(xù)增長,已由2005年的1774 ppb上升到2011年的1802 ppb,且近100 a的增溫潛勢也增加至CO2的28倍[1]。CH4濃度這一變化引起人們對其源、匯及動態(tài)變化更加廣泛的關(guān)注。濱水區(qū)是全球濕地的重要組成部分,它一般指水生到陸生生態(tài)系統(tǒng)的過渡區(qū)域[2-3]。由于較高的地下水位[4-5]和間歇性淹水,濱水區(qū)往往是CH4通量的熱點地區(qū)[6]。同時,人類開墾、種植等活動所帶來的嚴(yán)重干擾和污染[7-8],使得濱水區(qū)土壤-大氣界面碳交換的生物地球化學(xué)過程更復(fù)雜。然而,目前對濱水區(qū)CH4通量的變化特征還所知甚少。

由于CH4主要以微生物為生產(chǎn)者,因此對CH4通量的觀測研究要比對CO2、H2O等氣體通量的觀測研究復(fù)雜得多[9]。靜態(tài)箱-氣相色譜法為CH4通量觀測的傳統(tǒng)方法,由于其較低的觀測頻率和過多的人工投入,使其難以在更小或更大的時間尺度上揭示CH4通量的變化特征。近10年,隨著高頻響應(yīng)的CH4濃度分析儀的陸續(xù)出現(xiàn),基于渦度相關(guān)法的CH4通量長期連續(xù)觀測研究在國際上日益增加[9-14]。近幾年在國內(nèi)也逐漸開展,但目前還未見文獻報道。

楊樹人工林是我國長江中下游灘地主要生態(tài)系統(tǒng)之一[15]。由于具有森林和濕地的雙重屬性,灘地楊樹人工林將可能同時具有吸收和排放CH4的潛力。有研究表明,灘地人工林的成熟林和采伐跡地在未淹水年份的生長旺季表現(xiàn)為CH4的匯,且皆伐短期內(nèi)降低了土壤吸收CH4的能力,甚至導(dǎo)致了土壤排放CH4[16]。然而,由于缺乏長時間尺度的CH4通量研究,目前尚難以全面評估長江灘地楊樹人工林對全球氣候變化的貢獻。本文運用渦度相關(guān)閉路系統(tǒng)對長江灘地美洲黑楊 (Populusdettoides)人工幼林進行連續(xù)2年多的CH4通量觀測,旨在揭示CH4通量的日、季節(jié)和年際的變化特征,并初步探討各時間尺度的調(diào)控因子。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省岳陽市君山區(qū)長江外灘 (29°31′35″N,112°55′22″E),海拔31 m,系中亞熱帶向北亞熱帶過渡的氣候區(qū),具有典型的季風(fēng)氣候特征,春夏多雨,秋季多旱,冬季寒冷,全年盛行北風(fēng)。年均氣溫16.8 ℃,年均降雨量1400 mm。土壤類型為江湖洲灘特有的潮土類型。2012年淹水40 d (2012年7月11日—8月20日),而2013年未淹水。

圖1 研究區(qū)圖、通量貢獻區(qū)和風(fēng)玫瑰圖(右上) Fig.1 Map of research area, footprint, and wind rose diagram (Top right)白色三角為通量塔位置；黑色虛線為研究區(qū)范圍,2個橢圓分別為基于FSAM模型[17]計算的2012 (外)和2013 (內(nèi))年平均通量貢獻區(qū)大小,其模型的輸入?yún)?shù)取當(dāng)年該參數(shù)的平均值；風(fēng)玫瑰圖為2012和2013年的風(fēng)向頻率

研究區(qū)面積60 hm2,呈南北向楔形,其中東西向?qū)捈s800 m,南北長約1500 m。成熟林樹種為美洲黑楊。該林地于2011年9月皆伐完畢。在成熟林采伐前,林下優(yōu)勢種為益母草 (Leonurusarternisia),其蓋度達90%以上[16]。新林于2012年1月末種植,樹種仍為美洲黑楊。2012年3月,平均樹高3.5 m,胸徑2.5 cm,至2013年10月,平均樹高7.0 m,胸徑10 cm。2012年2月至6月,林下植被主要有狗牙根 (Cynodondactylon)、堇菜 (Violaverecunda)、辣蓼 (Polygonumflaccidum)、風(fēng)輪菜 (Clinopodiumgracile)、益母草等。2012年9月至2013年3月和2013年4月至11月期間分別間作白菜 (Brassicapekinensis)和南瓜 (Cucurbitamoschata)。

1.2 觀測與分析方法

本研究采用渦度相關(guān)法 (Eddy Covariance Method) 進行通量觀測。通量觀測塔高30 m,以CSAT-3三維風(fēng)速儀 (Campbell Scientific, Inc., USA)觀測三維風(fēng)速,以LI-COR 7500 CO2/H2O分析儀 (LI-COR, Inc., USA) 觀測CO2和水汽濃度,以快速甲烷分析儀 (Fast Methane Analyzer, FMA) DLT-100 (Los Gatos Research, Inc. USA)分析CH4濃度。2012年3月至2013年2月觀測高度為6.5 m,2013年3月至2014年2月觀測高度為7.5 m。環(huán)境因子觀測包括地面以上部分和地面以下部分,主要包括輻射、降雨、空氣溫濕度、土壤溫度、土壤含水量、地下水位等[18]。采用HOBO水位溫度記錄儀 (Onset Computer Corporation, USA) 觀測地下水位。

FMA DLT-100是基于OA-ICOS (off-axis Integrated Cavity Out-put Spectroscopy) 技術(shù),其原理是通過高反射鏡面使激光在光腔中衰蕩,以使激光光程達到1—4 km,從而提高儀器對痕量氣體的檢測能力[14]。FMA DLT-100為閉路分析儀,采用Edwards XDS35i真空泵 (Edwards Limited, UK) 采氣。真空泵位于FMA DLT-100下游,采氣速度約40 L/min。采氣管采用內(nèi)壁鍍有特氟龍涂層的金屬管,內(nèi)徑約0.01 m,于進氣管的前段和后段分別安裝有5 μm和1 μm的換膜過濾器。約每7d更換1次濾膜。FMA正常工作時光腔氣壓通過調(diào)壓模塊保持在約190 hPa。當(dāng)光腔衰蕩時間降低至約6 μs時,將儀器搬回至實驗室進行鏡面清洗,并以2.0 μL/L空氣中CH4標(biāo)準(zhǔn)氣體進行校準(zhǔn)進行校準(zhǔn)。

本研究采用EdiRe軟件 (version 1.5.0.32；Robert Clement,University of Edinburgh,Edinburgh,UK；http://www.geos.ed.ac.uk/abs/research/micromet/EdiRe/) 進行通量計算和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。主要過程包括：去除了超出儀器測量范圍和超過4倍標(biāo)準(zhǔn)差的異常值,運用坐標(biāo)軸二次旋轉(zhuǎn)法使垂直風(fēng)速均值為零[19],超聲虛溫校準(zhǔn) (SND correction)[20],頻率損失校準(zhǔn),WPL校準(zhǔn)[21]等。其中CH4通量僅進行了潛熱校正而未進行顯熱校正[22]。主要使用最大協(xié)方差法確定矢量的延遲時間。然而,CH4的延遲時間經(jīng)常難以確定[23],因此本文在CH4信號延遲時間難以確定時,以固定延遲時間替代[19]。

主要通過以下方式對CH4通量數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制：(1) 刪除儀器處于非正常工作狀態(tài)的瞬時值,如氣壓不穩(wěn)定、光腔衰蕩時間過低 (<6 μs)、CH4濃度超出正常范圍 (<1.5或>3.5 μL/L) 等；(2) 計算每個半小時的通量貢獻率,并舍棄通量貢獻率低于80%的CH4數(shù)據(jù)；(3) 去除夜間摩擦風(fēng)速<0.1 m/s時的數(shù)據(jù)。最終2012年和2013年CH4通量數(shù)據(jù)保存率為31.2%和30.7%。

本文對不大于2h的CH4通量空缺以線性內(nèi)插法插補,對大于2h的空缺則選擇滑動窗平均日變化法 (gliding-window mean diurnal variations method)[24]進行插補,滑動窗口依次為7、14、30 d,對大于30 d的空缺不進行插補。本文以插補數(shù)據(jù)計算的累積通量為標(biāo)準(zhǔn)值,同時以未插補數(shù)據(jù)計算而得的累積通量作對比。

采用Multiple Imputation (MI) 法進行CH4月通量和年通量的不確定性分析。MI法是基于蒙特卡羅理論的一種方法[25],其原理是以若干個模擬值替代缺失值從而得到若干個插補數(shù)據(jù)集,不同階段的累計通量及不確定性則通過該若干個數(shù)據(jù)集進行統(tǒng)計計算獲取。目前該方法已被用于CO2和H2O[25]及CH4和N2O[11]通量的插補。本文通過此方法獲取月通量和年通量的95%的置信區(qū)間 (95% CI)。

土壤溫度 (Ts)、土壤含水量 (SWC)、水位 (WT)、摩擦風(fēng)速 (Ustar) 和總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力 (Gross Ecosystem Productivity,GEP) 被認(rèn)為是調(diào)節(jié)CH4通量的最可能的因子[10,12,26]。本文采用SAS 9.3 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,以Spearman相關(guān)系數(shù)檢驗不同時間尺度CH4通量與上述環(huán)境因子的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子

2012年平均氣溫 (15.9 ℃) 較2013年 (17.7 ℃) 低,但土壤溫度 (5 cm深,17.3 ℃) 較2013年 (15.2 ℃)高 (圖2)。2012年7月11日至8月20日淹水,最高水位2.8 m,而2013年最高地下水位為-0.57 m (6月7日)。淹水期間土壤表層溫度一直保持在25 ℃左右,土壤含水量 (SWC) 幾乎保持飽和狀態(tài) (約0.6)。而2013年同期的土壤溫度為全年最高 (>28 ℃),SWC則從7月6日的0.58一直下降至9月4日的0.38。2012年的降雨量主要集中于前9個月,年總降雨量為1860 mm。而2013年降雨量全年分布更均勻,年總降雨量為1670 mm。

圖2 環(huán)境因子變化Fig.2 Dynamics of environmental factorsTa:空氣溫度air temperature;Ts: 5 cm深處土壤溫度 soil temperature; SWC: 15 cm深處土壤體積含水量soil volumetric water content

2.2 CH4通量的日變化

在淹水月份 (2012年7月和8月),CH4通量具有較明顯的日變化規(guī)律,然而淹水前、淹水期間和退水后的日變化規(guī)律不同。淹水前,白天排放強度顯著高于夜間,分別于8:00和11:00出現(xiàn)峰值,9:00 出現(xiàn)日間最小值 (圖3)。淹水期間,清晨 (6:00—9:00) 和夜間 (19:00—23:00) 排放逐漸增加,并于9:00和23:00 達到峰值,下午14:00 出現(xiàn)全天最小值 (圖3)。退水后,通量表現(xiàn)為明顯的單峰型,峰值出現(xiàn)于10:00 (圖3)。通量變化幅度以退水后最大,淹水期間次之,淹水前最小。

未淹水時期,典型單日CH4通量的日變化規(guī)律不明顯,但部分月份的月平均日變化表現(xiàn)出一定的相似性,主要表現(xiàn)為白天排放強,而夜間排放弱,并于上午、中午或下午出現(xiàn)全天的最強排放 (圖3)。這一規(guī)律在2012和2013年全年平均日變化中也得以體現(xiàn) (圖3)。此外,在夜間、日出或日落、正午前后CH4的排放強度往往較弱,甚至出現(xiàn)CH4的吸收。然而,多數(shù)月份的月平均日變化并未明顯表現(xiàn)出上述規(guī)律 (圖3)。通量的平均日變化規(guī)律顯著與否與該月的通量強度并無直接關(guān)系 (圖3)。

圖3 CH4通量的平均日變化Fig.3 Mean diurnal changes of CH4 flux 所選月份的數(shù)據(jù)保持量均>55%。其中a, b, c為淹水前、淹水期間和退水后；d, e, f未表現(xiàn)出明顯的日變化特征；g, h, i, j, k, l表現(xiàn)出白天的通量較強而夜間較弱的特征

2.3 CH4通量的季節(jié)變化

2012年與2013年的月通量表現(xiàn)出不同的季節(jié)變化特征 (圖4)。2012年1月至3月排放強度基本穩(wěn)定,自3月開始逐漸減小,并于5月達到最小。然而自6月起急劇增加,并于8月達到最大。之后迅速回落,并逐漸降低至12月份。自2013年1月起逐漸增加至3月。于4月短暫回落后又逐漸回升直至6月。7月份表現(xiàn)出微弱的吸收,但于8月份又恢復(fù)至6月份的強度,之后逐漸減弱,并于11月達到最小。而之后的2個月又表現(xiàn)出較強的排放。

圖4 CH4通量的月際變化Fig.4 Dynamic of monthly CH4 fluxMDV和MI分別表示經(jīng)滑動窗平均日變化法和Multiple Imputation 法插補后計算的月通量值

由未插補數(shù)據(jù)計算而得的月通量變化與插補數(shù)據(jù)計算的結(jié)果基本表現(xiàn)一致。然而不同的是,前者顯示幼林于2013年7月排放強度極微弱,而從8月起表現(xiàn)為較強的吸收,并于9月份達到最大吸收值 (-7.6 mmol/m2)。插補后與未插補結(jié)果的差異主要由于儀器故障導(dǎo)致2013年8月和9月數(shù)據(jù)缺失過多。

總之,2012年排放高峰出現(xiàn)于淹水期間 (7—8月),但淹水前 (6月) 和淹水后 (9月) 均受到長江水位的影響而表現(xiàn)出相對較強的排放；最弱的排放出現(xiàn)于受水位影響較小的春末夏初 (5月) 和秋末冬初 (11和12月)。而2013年最強排放出現(xiàn)于初夏 (6月),而最弱排放出現(xiàn)于盛夏 (7月) 和秋末 (11月份)。結(jié)合未經(jīng)插補計算而得的通量變化情況推測,夏季 (7—9月) 將可能表現(xiàn)出一定強度的CH4吸收。

2.4 CH4通量的年際變化

2012年CH4排放量 ((128.0±42.4) mmol/m2) 是2013年 ((51.5±29.1) mmol/m2) 的2.5倍 (圖5),然而2012年淹水月份 (7、8月份) 的CH4排放量 ((107.3±11.3) mmol/m2) 占全年排放量的83.8%,是2013年同期排放量的16倍。而2012年未淹水月份的總排放量為20.7 mmol/m2,為2013年同期排放量的0.46倍。因此,灘地淹水與否是直接導(dǎo)致這2年通量巨大差異的最主要原因。

圖5 CH4通量的年際變化Fig.5 Interannual dynamic of CH4 flux

2.5 不同時間尺度CH4通量的影響因素

淹水期間,半小時通量與SWC、WT表現(xiàn)出極顯著的負相關(guān),而與Ustar表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)；而日通量與SWC和WT負相關(guān)性較大,但不顯著 (表1)。

未淹水期間,2012和2013年在半小時尺度、日尺度和月尺度通量上均具有不同的環(huán)境控制因子。半小時尺度上,2012年通量與Ts和WT具有極顯著正相關(guān)性,并與Ustar具有顯著正相關(guān)性；而2013年通量僅與Ustar具有極顯著正相關(guān)性。日尺度上,2012年通量與Ts和WT具有顯著正相關(guān)性,而2013年通量仍僅與Ustar具有顯著正相關(guān)性。在月尺度上,2012年通量與WT表現(xiàn)出較強的正相關(guān)性,而2013年通量未與任何變量表現(xiàn)出顯著相關(guān)性。

3 討論

目前的研究顯示,CH4通量的日變化特征較復(fù)雜。有學(xué)者將天然濕地CH4通量日變化規(guī)律總結(jié)為日間極大值型、夜間極大值型和隨機型[27],將稻田日變化規(guī)律總結(jié)為單峰型、雙峰型和無規(guī)則型[28],且這些變化特征主要根據(jù)大量的箱法觀測研究案例總結(jié)而出。而本研究基于渦度相關(guān)法的觀測結(jié)果顯示,本研究區(qū)幾乎表現(xiàn)出了上述所有的日變化特征,表明長江灘地CH4通量具有更復(fù)雜的日動態(tài)變化。Querino等基于渦度相關(guān)法的研究發(fā)現(xiàn),熱帶森林在日出后會出現(xiàn)持續(xù)5h的較強的CH4排放,歸因于夜間儲藏在冠層的氣體日出后被排放[29]。而本研究中部分月份和2個全年的平均日變化均顯示,在白天也呈現(xiàn)出持續(xù)數(shù)小時的較強排放 (圖2),但并非由于冠層夜間儲藏氣體的釋放 (因為冠層十分稀疏),而可能由于日出后大氣湍流加強,將土壤中夜間駐留的氣體緩慢帶出了土壤。

大多研究都表明CH4通量季節(jié)性變化明顯。典型的濕地生態(tài)系統(tǒng)以CH4排放為主,其排放高峰多集中于夏季[30-33]。而溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)以CH4吸收為主,其吸收強度以夏季最高,冬季最小[34]。而人工林生態(tài)系統(tǒng)的季節(jié)變化相對復(fù)雜。孫曉新等研究發(fā)現(xiàn),天然沼澤和排水造林的人工林CH4通量都有明顯的季節(jié)變化規(guī)律,但人工林CH4通量峰值出現(xiàn)的時間和頻率與天然沼澤不同,峰值相對較小,有吸收CH4的現(xiàn)象[35]。Zona等對由農(nóng)田轉(zhuǎn)變的楊樹人工林溫室氣體通量的研究顯示,CH4排放量以生長季最低,非生長季最高[11]。本站點此前的研究表明,灘地楊樹人工林成熟林在未淹水年份的生長季具有較強的CH4吸收能力,但皆伐后CH4吸收能力降低[16]。而本研究中未插補數(shù)據(jù)顯示2013年8—9月表現(xiàn)出較強吸收。因此推斷,今后未淹水年份的CH4通量將在夏季出現(xiàn)較弱的CH4排放,甚至將表現(xiàn)出一定強度的吸收。

由于環(huán)境因子常對CH4的產(chǎn)生和氧化同時產(chǎn)生影響,二者的動態(tài)平衡導(dǎo)致其對CH4通量的影響處于動態(tài)變化當(dāng)中[36-38],因此,CH4通量的調(diào)控機制往往十分復(fù)雜。一般認(rèn)為溫度、土壤水分、水位、湍流條件和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力是調(diào)節(jié)CH4通量的最可能的因子[10,12,26]。而濱水區(qū)處于水生和陸生生態(tài)系統(tǒng)的過渡區(qū)域,其CH4通量的調(diào)控則更加復(fù)雜。季節(jié)性淹水由于能對許多生物地球化學(xué)過程產(chǎn)生影響而被認(rèn)為是濱水區(qū)異質(zhì)性的主要驅(qū)動力[39]。地下水位是有氧和無氧區(qū)的分界線,因而此處CH4產(chǎn)生和氧化均十分活躍,為CH4排放的熱點位置[40]。而水位的變化會導(dǎo)致該熱點位置發(fā)生移動,同時會導(dǎo)致氣體傳輸距離的改變。本研究中,水位對2012年各時間尺度通量均產(chǎn)生顯著影響,而未對2013年通量產(chǎn)生影響,因為2012年水位的變化較2013年幅FCH4_hh,FCH4_d和FCH4_m分別為半小時、日平均通量和月平均通量 (nmol m-2s-1),均采用未經(jīng)插補的數(shù)據(jù);Ts：5 cm深處土壤溫度 soil temperature；SWC：15 cm深處土壤體積含水量 soil volumetric water content；WT：地下水位 water table；Ustar：摩擦風(fēng)速 friction velocity；GEP：總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力 gross ecosystem productivity；SCC：Spearman相關(guān)系數(shù),P為顯著性; ***表示P<0.0001,**表示P<0.001,*表示P<0.05度大得多 (圖2)。摩擦風(fēng)速是大氣湍流條件的重要指標(biāo),它同時對擴散和冒泡這2種CH4排放方式產(chǎn)生重要影響[10],而這兩種方式分別為未淹水和淹水時期CH4排放的主要途徑,因而本研究中摩擦風(fēng)速對2012年淹水和未淹水時期及2013年CH4通量均有顯著影響。Chu等在淡水濕地和玉米地中的研究發(fā)現(xiàn),摩擦風(fēng)速是半小時CH4通量的主要控制因素,而對更長時間尺度通量影響不明顯[10]。而本研究中摩擦風(fēng)速不僅對任何時期半小時通量具有顯著影響,而且對2013年的日通量也具有顯著影響。此外,摩擦風(fēng)速對CH4排放的影響常在氣體傳輸受阻時更顯著[10]。本研究中摩擦風(fēng)速對2013年通量影響更大,可能由于2013年具有更低的地下水位而導(dǎo)致CH4排出的阻力更大,同時更茂密的地表覆蓋使土壤表面湍流減弱而導(dǎo)致CH4擴散更慢,因而摩擦風(fēng)速的作用更顯著。土壤溫度是影響生物活性的重要因子,其同時對甲烷氧化菌和產(chǎn)甲烷菌的活性產(chǎn)生影響[37]。本研究中土壤溫度對2012年較小尺度通量產(chǎn)生顯著影響,而對2013年通量無影響,可能由于2012年地表植被覆蓋更少而導(dǎo)致土壤溫度波動更大 (圖2)。林下農(nóng)作物的間作活動對CH4通量可能產(chǎn)生影響。然而,本研究中,生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力對通量并未表現(xiàn)出顯著影響,而幼林期人工林的生產(chǎn)力主要來源于林下植被,因此可以推測林下作物的生長狀況對CH4通量影響不顯著。此外,土壤水分也未表現(xiàn)出對CH4通量的顯著影響,因此推測農(nóng)業(yè)灌溉活動對全年的不同時間尺度CH4通量影響不顯著,但灌溉和暴雨沖擊對CH4通量的短期影響不清楚。至于施肥對CH4通量的影響,本研究難以推斷。

表1 不同時間尺度的CH4通量與潛在控制因子的相關(guān)性

目前對CH4通量缺失數(shù)據(jù)尚無統(tǒng)一的插補方法。Chu等應(yīng)用邊緣分布抽樣法 (Marginal Distribution Sampling method, MDS)進行數(shù)據(jù)插補[10],而Zona等運用分時段線性外推法 (Linear Extrapolation)進行線性插補,而運用MI (Multiple Imputation)法進行不確定性估算[11]。MDS法和MI法均為基于Monte Carlo 技術(shù)的數(shù)據(jù)插補方法。本研究中由于CH4通量在不同時間尺度上具有一定的變化趨勢 (圖3,圖4),且數(shù)據(jù)的缺失在一天中并非均勻分布,因此在進行全年通量估算時應(yīng)對缺失值進行插補。本文運用滑動窗平均日變化法 (MDV) 插補計算的月通量和年通量與未經(jīng)插補而計算的通量和經(jīng)MI法插補而計算的通量均具有較好的一致性,由此可見MDV法用于本研究區(qū)CH4通量缺失值插補是可行的。

4 結(jié)論

本研究表明,灘地人工林幼林不同時間尺度上的CH4通量變化均表現(xiàn)出較大的變異性,主要體現(xiàn)在：(1) 全年和部分未淹水月份表現(xiàn)出白天排放強而夜間排放弱的日變化特征,而淹水前、淹水期間和退水后分別表現(xiàn)出日間雙峰型 (7:00和10:00)、日間與夜間各一峰的雙峰型 (10:00和23:00),以及典型的日間單峰型 (10:00),但多數(shù)未淹水月份未表現(xiàn)出明顯的日變化特征；(2) 淹水年份 (2012年) 在夏季 (6—8月)排放最強,在春末 (5月) 和秋末冬初 (11—12月) 排放最弱,而未淹水年份 (2013年) 在初夏 (6月) 排放最強,在盛夏 (7月) 和秋末 (11月) 轉(zhuǎn)變?yōu)檩^弱的吸收；(3) 淹水年份的年排放量 ((128.0±42.4) mmol/m2) 為未淹水年份 ((51.5±29.1) mmol/m2) 的2.5倍。灘地人工林幼林CH4通量的日變化和季節(jié)變化最可能受到摩擦風(fēng)速、水位和土壤溫度的調(diào)節(jié),而年際變化主要由淹水狀況決定。

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Dynamics and regulation of CH4fluxes in a poplar plantation on a floodplain

GAO Shenghua1, ZHANG Xudong1,*, TANG Yuxi2, CHEN Jiquan3, TANG Jie2, SUN Qixiang1, TANG Xuejun1,4

1 State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding, Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China 2HunanAcademyofForestry,Changsha410004,China3CenterforGlobalChangeandEarthObservationsandDepartmentofGeography,MichiganStateUniversity,EastLansing,MI48823,USA4EastChinaForestInventoryandPlanningInstitute,StateForestryAdministration,Hangzhou310019,China

Atmospheric methane (CH4) concentration has been rising in recent years after a short cease, resulting in an increased global warming potential 28 times that of CO2in 2011. This phenomenon has caused extensive concern about the atmospheric CH4sink and source as well as the dynamics of CH4flux at different temporal scales. In fact, changes in CH4flux are more complicated than those of CO2, owing to the complex interactions between biotic and abiotic regulations. In the past decade, the eddy covariance method has been widely used to assess changes in CH4flux and enhanced the understanding of the dynamics and regulations of the flux. The floodplain of the Yangtze River is a hotspot for CH4emission because of frequent water inundation, although limited evidence has been reported. In this study, CH4flux was continuously measured with a close-path eddy covariance system using a Fast Methane Analyzer (FMA DLT-100, Los Gatos Research, Inc. USA) for more than two years (January 2012—February 2014) in a youngPopulusdeltoidesplantation on a floodplain of the Yangtze River. Throughout the experiment, several environmental factors were observed in order to reveal CH4flux dynamics and the environmental controls at different temporal scales. This plantation was re-established in late January 2012 after clear-cutting of the former mature one, and the field was inundated with water in 2012 for approximately 40 d (July 11th-August 20th), but not in 2013. We found that CH4flux was highly variable at several temporal scales. At the half-hourly to daily scale during certain months of non-inundation and over both entire years, the mean diurnal exhibited similar patterns, i.e., the emissions were strong and reached their maximum during the day while they were weak at night. However, this pattern was not apparent in most non-inundation months. In the months of inundation (July-August 2012), the mean diurnal variations showed a double-peak pattern before and during inundation, while a single-peak pattern was observed after inundation. The two peaks before inundation appeared at 7:00 and 10:00, while those during inundation appeared at 10:00 and 23:00. The peak observed after inundation appeared at approximately 10:00. At the monthly to yearly scale, CH4fluxes in the two years exhibited patterns in seasonal variation. During the year of inundation (2012), the strongest emission appeared in summer (June-August), whereas the weakest emission appeared in late spring (May) and late autumn through early winter (November-December), at which point the system behaved as a CH4source. In the year without inundation (2013), the strongest emission appeared in early summer (June) while the weakest emissions were found in mid-summer (July) or late autumn (November). At the yearly scale, CH4emission in the inundation year ((128.0±42.4) mmol/m2) was 2.5 times of that in the non-inundation year ((51.5±29.1) mmol/m2), where the emission in the inundation months was responsible for 83.8% of the annual total. We also found that the CH4flux at the half-hourly and daily scales was mainly modulated by the friction velocity, water table, and soil temperature, whereas the large interannual difference was mainly determined by inundation frequency and magnitude.

methane flux; Yangtze River; floodplain; eddy covariance;Populusdeltoidesplantation

國家科技支撐計劃課題(2015BAD07B07；2015BAD07B04)

2015-03-22;

日期:2016-01-05

10.5846/stxb201503220546

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhxdcaf@163.com

高升華,張旭東,湯玉喜,陳吉泉,唐潔,孫啟祥,唐學(xué)君.灘地人工林幼林不同時間尺度CH4通量變化特征——基于渦度相關(guān)閉路系統(tǒng)的研究.生態(tài)學(xué)報,2016,36(18):5912-5921.

Gao S H, Zhang X D, Tang Y X, Chen J Q, Tang J, Sun Q X, Tang X J.Dynamics and regulation of CH4fluxes in a poplar plantation on a floodplain.Acta Ecologica Sinica,2016,36(18):5912-5921.