CN103604720B - 亚热带森林土壤温室气体排放速率的间接测定方法 - Google Patents

Abstract

一种亚热带森林土壤温室气体排放速率的间接测定方法，按如下五个步骤进行：一是因素的确定，确定影响森林土壤温室气体排放的四个关键因素，分别为土壤水分含量、土壤温度、土壤水溶性有机碳含量和土壤微生物量碳含量；二是野外测定土壤温室气体(CO2、N2O和CH4)的排放速率、土壤水分含量、土壤温度、土壤水溶性有机碳含量和土壤微生物量碳含量；三是建立关系式；四是依据关系式测定相关参数；五是依据关系式和实测得到的数据，计算土壤温室气体(CO2、N2O和CH4)的排放速率。本方法与其他以单一影响因素建立的相对测定方法相比，提高了可靠性；与静态箱法相比，数值偏差范围较小，减少了野外工作量，降低了测定成本，显著提高了测定效率。

Description

亚热带森林土壤温室气体排放速率的间接测定方法

【技术领域】

本发明涉及一种测定森林土壤温室气体排放速率的方法，尤其是一种通过测定土壤温度、土壤水分含量、土壤水溶性有机碳含量、土壤微生物量碳含量，建立多元线性关系式来间接测定土壤温室气体排放速率的方法。

【背景技术】

大气二氧化碳浓度升高会直接导致大气吸收太阳的长波辐射的增加，引起全球性的气温上升，使气候激烈波动。极地永冻冰层的快速融化，大大减少陆地面积，威胁着人类与陆地生物的居住安全。因此，减少二氧化碳排放，成为全球的研究热点。

森林地上部分植被碳库储存了全球80％的地上碳储量，森林土壤碳库储存了全球土壤碳储量的40％左右。因此，森林在调节全球气候、维持全球碳平衡中具有十分重要的作用。

大气中CO₂、CH₄和N₂O对温室效应的贡献率占了近80％，是温室效应的主要贡献者。其中CO₂对增强温室效应的贡献率最大，约占56％，是最重要的温室气体。其次是CH₄，其温室效应潜能是CO₂的25倍，对温室效应的贡献率约占15％。据估计，大气中每年有5％～20％的CO₂、15％～30％的CH₄、80％～90％的N₂O来源于土壤。因此测定土壤温室气体排放速率对于准确评价生态系统的碳汇功能具有非常重要的意义。

从上个世纪初开始，人们就一直关注着土壤温室气体，随之而来的是寻找某种合适的方法来测定土壤温室气体的排放速率。现有技术的土壤温室气体排放速率的测定分为直接法和间接法。

直接法通常是通过测定土壤表面释放出来气体的CO₂、N₂O和CH₄浓度。具体有静态气室法，是指用观测箱盖住一定面积的被测表面并密封，使观测箱内部空气与外界没有任何交换，然后对箱内气体的浓度进行分析。这种方法的优点是便于对较大空间变异性的气体通量的测量，该方法的缺点是密闭箱体会对被测表面的自然状态产生干扰，而且测量面积也相对较小；动态气室法，部分解决了密闭气室法应用过程中存在的问题，将箱体在两端开口后，通过测量入口处和出口处气体浓度的变化，计算被测表面的气体通量。但此方法对箱体内外的气压和被测气体的浓度要求很高，因此限制了其应用。

间接法是通过测定其他相关指标来推算土壤温室气体排放例如，土壤总的新陈代谢，可以从净初级生产量中扣除地上食草动物所消耗的能量进行估算。也有研究者用土壤中的三磷酸腺苷(ATP)含量估算土壤CO₂排放，认为土壤CO₂排放与ATP浓度有较明显的线性关系。而这种关系一般只适于特定的生态系统，有较大的时空局限性，测定结果也难以和其它方法直接比较。

目前国内外的研究报告表明，土壤温室气体排放与土壤温度和土壤水分含量关系密切。另外，土壤活性碳库的含量也在一定程度上影响了土壤温室气体排放速率。土壤水溶性有机碳(WSOC)微生物量碳(MBC)是两种非常重要的土壤活性碳库。其中土壤水溶性有机碳(WSOC)是指通过0.45μm滤孔，且能溶解于水的、具有不同分子量大小的碳化合物。土壤水溶性有机碳是陆地生态系统中最活跃的碳组分，他们可以被土壤微生物分解，可以在土壤中迅速转化成其它组分。在森林土壤中，水溶性有机碳是土壤有机碳库矿化的中间态，它们含量的高低可以很大程度上影响矿化的最终产物和数量。微生物量碳(MBC)是土壤有机库中的活性部分，可以反映土壤的微生物活性。与土壤总有机质相比，微生物量碳土壤管理措施如翻耕、秸秆培养的变化响应快，可以作为土壤总有机质变化的早期指标和活性有机质变化的指标。综上所述，土壤温度、土壤水分、土壤水溶性有机氮含量和土壤微生物量碳含量是影响土壤温室气体排放四个关键因素，上述四个因素的相对大小可以反映土壤温室气体排放速率的高低。

【发明内容】

针对现有技术中土壤温室气体速率测定方法存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是提供一种森林土壤温室气体排放速率的间接测定方法。

解决上述技术问题采用如下技术方案：本森林土壤温室气体排放速率的间接测定方法按下列步骤进行：

一、因素的确定：

依据土壤温室气体排放与土壤因素的相关性，确定影响土壤温室气体排放的四个关键因素为土壤温度、土壤水分含量、土壤水溶性有机碳含量和土壤微生物量碳含量，将上述四个因素作为自变量，土壤温室气体排放速率作为因变量；

二、野外测定的频度与方法：

(1)森林样地的选择：根据纬度、海拔、光照、坡位和坡向各项选择1-3个森林代表性地段，选其中间位置的地段，排除路边和沟边的地段，在选定的地段中布置小区，在小区中测定相关指标；

(2)取样与测定：每月取样1-3次，选择晴朗天气的上午9:00-11:00进行实地测量，具体是测定土壤温度，利用温度探头插入土层5cm处直接测定，同时在选定的样点周围按“S”形5点采样法采集土层深度为0-20cm的土壤样品1-2kg，混匀，带回实验室在一周内进行分析测定土壤水分含量、土壤水溶性有机碳含量和土壤微生物量碳含量；

(3)土壤排放的温室气体的采集与浓度的测定：利用静态箱-气相色谱法测定，即先用静态箱法采集气体，然后利用岛津GC-2014型气相色谱仪测定采集气体中的土壤温室气体，即CO₂、N₂O、CH₄的浓度，然后换算成气体排放速率；

(4)土壤水分含量的测定：土壤水分含量采用烘干法进行测定；

(5)土壤水溶性有机碳含量的测定：称取土壤样品20.00g，加入去离子水40mL，在25℃环境中震荡30min后，置于高速离心机中以3500r·min^-1转速离心20min，通过0.45μm滤膜抽滤到50mL的塑料瓶中，滤液中的有机碳浓度用岛津公司生产的TOC-V_CPH型有机碳分析仪测定；

(6)土壤微生物量碳含量的测定：土壤微生物量碳含量采用氯仿熏蒸直接提取法测定，未熏蒸土壤和熏蒸后土壤均用土液比为1∶5、浓度为0.5mol L^-1的K₂SO₄溶液浸提，滤液中碳含量采用前速的有机碳分析仪测定；土壤微生物量碳含量以熏蒸和未熏蒸土样0.5mol L^-1K₂SO₄提取液中碳含量之差除以系数得到，即：B_C＝E_C/0.45。其中，E_C为熏蒸土样与未熏蒸土样提取液碳含量之差，0.45为浸提系数；

三、建立关系式：

根据一年内每次测定的土壤温室气体，即CO₂、N₂O和CH₄的排放速率、土壤温度、土壤水分含量、土壤水溶性有机碳含量和土壤微生物量碳含量的数值，利用美国斯坦福大学研发的SPSS统计软件分别建立CO₂、N₂O和CH₄排放速率与四个影响因素之间的多元线性关系，得到函数关系式为：

Y_CO2＝a₁X₁+b₁X₂+c₁X₃+d₁X₄+e₁

Y_N2O＝a₂X₁+b₂X₂+c₂X₃+d₂X₄+e₂

Y_CH4＝a₃X₁+b₃X₂+c₃X₃+d₃X₄+c₃

Y_CO2，Y_N2O，Y_CH4分别为CO₂，N₂O与CH₄的排放速率；X₁、X₂、X₃、X₄分别为土壤温度、土壤水分含量、土壤水溶性有机碳含量、土壤微生物量碳含量；a、b、c、d、e为系数；

四、依据关系式测定相关参数：

依据步骤三的关系式，在野外实测土壤摄氏温度；土壤水分百分比含量；土壤水溶性有机碳含量，单位为mg kg^-1；土壤微生物量碳含量，单位为mg kg^-1；

五、依据关系式和测定的参数，计算土壤温室气体排放速率：

依据步骤三的关系式和步骤四野外实测的土壤温度、土壤水分含量、土壤水溶性有机碳含量和土壤微生物量碳含量数据，乘以各自的系数相加，计算土壤温室气体CO₂、N₂O和CH₄的排放速率。欲求得排放量，则再乘以排放时间即可。

本发明的有益效果是为森林土壤温室气体排放提供了一种简单易行的测定方法，与其他以单一影响因素建立的相对测定方法相比，提高了数据的可靠性；与静态箱法相比，数值偏差范围较小，减少了野外工作量，降低了测定成本，显著提高了测定效率。

【具体实施方式】

本发明下面结合实例予以进一步详述：本方法所说的五个步骤，概言之，步骤一至三为间接测定前的基础工作，其目的是建立函数关系式，步骤四为实测工作，两者密不可分。一旦函数关系式确立，以后只需进行实测工作即可。下面以每月实测一次的板栗林为例，将本方法作一介绍：

对板栗林进行土壤温室气体排放速率的间接测定按以下五个步骤进行：

一、因素的确定：

依据土壤温室气体排放与土壤因素的相关性，确定影响土壤温室气体排放的四个关键因素为土壤温度、土壤水分含量、土壤水溶性有机碳含量和土壤微生物量碳含量，将上述四个因素作为自变量，土壤温室气体排放速率作为因变量；

本方法选择上述四个影响因素的原因如下：从目前的研究来看，土壤温室气体排放主要受土壤温度、水分含量、有机质数量和质量、光合产物的分配、土壤结构和土壤生物以及植被生产力的影响。其中土壤温度与土壤水分含量对土壤温室气体排放的影响尤为显著。但其影响会受到土壤有机碳库高低的影响。鉴于此，我们增加了土壤水溶性碳含量和土壤微生物量碳含量这两个指标。此外，上述四个指标，从测定方法来看，相对比较简单，可以大大提高分析效率。

二、野外测定的频度与方法：

(1)森林样地的选择：根据纬度、海拔、光照、坡位和坡向各项选择一个森林代表性地段，选其中间位置的地段，排除路边和沟边的地段，在选定的地段中布置小区，在小区中测定相关指标；

(2)取样与测定：每月取样一次，选择晴朗天气的上午9:00-11:00进行实地测量，具体是测定土壤温度，利用温度探头插入土层5cm处直接测定，同时在选定的样点周围按“S”形5点采样法采集土层深度为0-20cm的土壤样品1-2kg，混匀，带回实验室在一周内进行分析测定土壤水分含量、土壤水溶性有机碳含量和土壤微生物量碳含量；

(3)土壤排放的温室气体的采集与浓度的测定：利用静态箱-气相色谱法测定，即先用静态箱法采集气体，然后利用岛津GC-2014型气相色谱仪测定采集气体中的土壤温室气体，即CO₂、N₂O、CH₄的浓度，然后换算成温室气体排放速率；

土壤温室气体排放速率的计算方法如下：

$F=\mathrm{\ρ}\frac{V}{A}\frac{P}{P_0}\frac{T_0}{T}\frac{{\mathrm{dC}}_t}{d_t}$

式中，F为CO₂排放通量，V为箱体体积，A为箱体底面积，为单位时间取样箱内CO₂浓度的变化量，ρ为标准状态下CO₂的浓度，T₀和P₀分别为标准状态下的空气绝对温度和气压，P和T为测定时箱内的实际气压和气温；

(4)土壤水分含量的测定：土壤水分含量采用烘干法进行测定；具体做法如下：称取样品土10.00g并均匀铺入称量瓶中称重，将称量瓶盖子打开，置于已经预热至105±2℃的烘箱中烘烤12h，盖好瓶盖，移至干燥器内冷却至室温，立即称重；

土壤水分含量的计算公式如下：

$w\%=\frac{m_1-m_2}{m_2-m_0}\×100\%$

式中，w％为土壤水分含量，m₀为称量瓶重量，m₁为样品土重量，m₂为烘干土重量；

(5)土壤水溶性有机碳含量的测定：称取土壤样品20.00g，加入去离子水40mL，在25℃环境中震荡30min后，置于高速离心机中以3500r·min^-1转速离心20min，通过0.45μm滤膜抽滤到50mL的塑料瓶中，滤液中的有机碳浓度用岛津公司生产的TOC-V_CPH型有机碳分析仪测定；

(6)土壤微生物量碳含量的测定：土壤微生物量碳含量采用氯仿熏蒸直接提取法测定，未熏蒸土壤和熏蒸后土壤用土液比为1∶5、浓度为0.5mol L^-1的K₂SO₄溶液浸提，滤液中碳含量采用前述的有机碳分析仪测定；土壤微生物量碳含量以熏蒸和未熏蒸土样0.5mol L^-1K₂SO₄提取液中碳含量之差除以系数得到，即：B_C＝E_C/0.45。其中，E_C为熏蒸土样与未熏蒸土样提取液碳含量之差，0.45为浸提系数；

三、建立关系式：

板栗林土壤一年内测定的土壤温室气体，即CO₂、N₂O和CH₄的排放速率、土壤温度、土壤水分含量、土壤水溶性有机碳含量和土壤微生物量碳含量的数值如表1所示。

(表1)

利用SPSS软件分别建立CO₂、N₂O和CH₄排放速率与土壤温度、土壤水分含量、土壤水溶性有机碳含量和土壤微生物量碳含量之间的多元线性关系，得到各系数值和函数关系式为：

Y_CO2＝10.46X₁-5.89X₂+2.23X₃+0.61X₄+30.58

Y_N2O＝1.08X₁+2.26X₂-0.15X₃-0.068X₄-23.71

Y_CH4＝-3.14X₁+2.88X₂+0.89X₃-0.14X₄-86.36

Y_CO2，Y_N2O，Y_CH4分别为CO₂，N₂O与CH₄排放速率；X₁、X₂、X₃、X₄分别为土壤温度、土壤水分含量、土壤水溶性有机碳含量、土壤微生物量碳含量；

四、依据关系式测定相关参数：

依据步骤三的关系式，在野外选择板栗林地进行6次测定，土壤温度(单位：℃)、土壤水分含量(单位：％)、土壤水溶性有机碳含量(单位：mg kg^-1)和土壤微生物量碳含量(mg kg^-1)；同时分别用静态箱法作为参照进行测定，时间跨度为3个月。结果如表2所示：

(表2)

五、依据关系式和测定的参数，计算土壤温室气体排放速率：

依据步骤三的关系式和步骤四野外实测的土壤温度、土壤水分含量、土壤水溶性有机碳含量和土壤微生物量碳含量数据，乘以各自的系数相加，计算出土壤温室气体(CO₂、N₂O和CH₄)排放速率(见表3)，欲求得排放量，则再乘以排放时间即可。并与静态箱法测定的数据进行比较，相对偏差小于10％(见表3)。因此本方法可靠性好。

(表3)

对于其他树种的林地温室气体排放速率的测定，也可参考本方法制定相应的关系式和系数进行。

Claims (1)

1.一种亚热带森林土壤温室气体排放速率的间接测定方法，其特征是按如下步骤进行：

一、因素的确定：

依据土壤温室气体排放与土壤因素的相关性，确定影响土壤温室气体排放的四个关键因素为土壤温度、土壤水分含量、土壤水溶性有机碳含量和土壤微生物量碳含量，将上述四个因素作为自变量，土壤温室气体排放速率作为因变量；

二、野外测定的频度与方法：

(1)森林样地的选择：根据纬度、海拔、光照、坡位和坡向各项选择1-3个森林代表性地段，选其中间位置的地段，排除路边和沟边的地段，在选定的地段中布置小区，在小区中测定相关指标；

(2)取样与测定：每月取样1-3次，选择晴朗天气的上午9:00-11:00进行实地测量，具体是测定土壤温度，利用温度探头插入土层5cm处直接测定，同时在选定的样点周围按“S”形5点采样法采集土层深度为0-20cm的土壤样品1-2kg，混匀，带回实验室在一周内进行分析测定土壤水分含量、土壤水溶性有机碳含量和土壤微生物量碳含量；

(3)土壤排放的温室气体的采集与浓度的测定：利用静态箱-气相色谱法测定，即先用静态箱法采集气体，然后利用岛津 GC-2014型气相色谱仪测定采集气体中的土壤温室气体，即CO₂、N₂O、CH₄的浓度，然后换算成气体排放速率；

(4)土壤水分含量的测定：土壤水分含量采用烘干法进行测定；

(5)土壤水溶性有机碳含量的测定：称取土壤样品20.00g，加入去离子水40mL，在25℃环境中震荡30min后，置于高速离心机中以3500r·min^-1转速离心20min，通过0.45μm滤膜抽滤到50mL的塑料瓶中，滤液中的有机碳浓度用岛津公司生产的TOC-V_CPH型有机碳分析仪测定；

(6)土壤微生物量碳含量的测定：土壤微生物量碳含量采用氯仿熏蒸直接提取法测定，未熏蒸土壤和熏蒸后土壤均用土液比为1∶5、浓度为0.5mol L^-1的K₂SO₄溶液浸提，滤液中碳含量采用前述的有机碳分析仪测定；土壤微生物量碳含量以熏蒸和未熏蒸土样0.5mol L^-1K₂SO₄提取液中碳含量之差除以系数得到，即：B_C＝E_C/0.45，其中，E_C为熏蒸土样与未熏蒸土样提取液碳含量之差，0.45为浸提系数；

三、建立关系式：

根据一年内每次测定的土壤温室气体，即CO₂、N₂O和CH₄的排放速率、土壤温度、土壤水分含量、土壤水溶性有机碳含量和土壤微生物量碳含量的数值，利用美国斯坦福大学研发的SPSS统计软件分别建立CO₂、N₂O和CH₄排放速率与四个影响因素之间的多元线性关系，得到函数关系式为：

Y_CO2＝a₁X₁+b₁X₂+c₁X₃+d₁X₄+e₁

Y_N2O＝a₂X₁+b₂X₂+c₂X₃+d₂X₄+e₂

Y_CH4＝a₃X₁+b₃X₂+c₃X₃+d₃X₄+e₃

Y_CO2，Y_N2O，Y_CH4分别为CO₂，N₂O与CH₄的排放速率；X₁、X₂、X₃、X₄分别为土壤温度、土壤水分含量、土壤水溶性有机碳含量、土壤微生物量碳含量；a、b、c、d、e为系数；

四、依据关系式测定相关参数：

依据步骤三的关系式，在野外实测土壤摄氏温度；土壤水分百分比含量；土壤水溶性有机碳含量，单位为mg kg^-1；土壤微生物量碳含量，单位为mg kg^-1；

五、依据关系式和测定的参数，计算土壤温室气体排放速率：

依据步骤三的关系式，和步骤四野外实测的土壤温度、土壤水分含量、土壤水溶性有机碳含量和土壤微生物量碳含量数据，乘以各自的系数相加，计算土壤温室气体CO₂、N₂O和CH₄的排放速率，欲求得排放量，则再乘以排放时间即可。