亞熱帶森林土壤溫室氣體排放速率的間接測定方法
【專利摘要】一種亞熱帶森林土壤溫室氣體排放速率的間接測定方法，按如下五個(gè)步驟進(jìn)行：一是因素的確定，確定影響森林土壤溫室氣體排放的四個(gè)關(guān)鍵因素，分別為土壤水分含量、土壤溫度、土壤水溶性有機(jī)碳含量和土壤微生物量碳含量；二是野外測定土壤溫室氣體(CO2、N2O和CH4)的排放速率、土壤水分含量、土壤溫度、土壤水溶性有機(jī)碳含量和土壤微生物量碳含量；三是建立關(guān)系式；四是依據(jù)關(guān)系式測定相關(guān)參數(shù)；五是依據(jù)關(guān)系式和實(shí)測得到的數(shù)據(jù)，計(jì)算土壤溫室氣體(CO2、N2O和CH4)的排放速率。本方法與其他以單一影響因素建立的相對(duì)測定方法相比，提高了可靠性；與靜態(tài)箱法相比，數(shù)值偏差范圍較小，減少了野外工作量，降低了測定成本，顯著提高了測定效率。
【專利說明】亞熱帶森林土壤溫室氣體排放速率的間接測定方法【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明涉及一種測定森林土壌溫室氣體排放速率的方法，尤其是一種通過測定土壤溫度、土壌水分含量、土壌水溶性有機(jī)碳含量、土壌微生物量碳含量，建立多元線性關(guān)系式來間接測定土壤溫室氣體排放速率的方法。
【背景技木】
[0002]大氣二氧化碳濃度升高會(huì)直接導(dǎo)致大氣吸收太陽的長波輻射的増加，引起全球性的氣溫上升，使氣候激烈波動(dòng)。極地永凍冰層的快速融化，大大減少陸地面積，威脅著人類與陸地生物的居住安全。因此，減少二氧化碳排放，成為全球的研究熱點(diǎn)。
[0003]森林地上部分植被碳庫儲(chǔ)存了全球80 %的地上碳儲(chǔ)量，森林土壤碳庫儲(chǔ)存了全球土壤碳儲(chǔ)量的40%左右。因此，森林在調(diào)節(jié)全球氣候、維持全球碳平衡中具有十分重要的作用。
[0004]大氣中CO2、CH4和N2O對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率占了近80%，是溫室效應(yīng)的主要貢獻(xiàn)者。其中CO2對(duì)增強(qiáng)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率最大，約占56%，是最重要的溫室氣體。其次是CH4,其溫室效應(yīng)潛能是CO2的25倍，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率約占15%。據(jù)估計(jì)，大氣中每年有5%~20%的0)2、15%~30%的CH4、80%~90%的N2O來源于土壌。因此測定土壤溫室氣體排放速率對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能具有非常重要的意義。
[0005]從上個(gè)世紀(jì)初開始，人們就一直關(guān)注著土壌溫室氣體，隨之而來的是尋找某種合適的方法來測定土壌溫室氣體的排放速率?，F(xiàn)有技術(shù)的土壌溫室氣體排放速率的測定分為直接法和間接法。
[0006]直接法通常是通過測定土壌表面釋放出來氣體的C02、N2O和CH4濃度。具體有靜態(tài)氣室法，是指用觀測箱蓋住一 定面積的被測表面并密封，使觀測箱內(nèi)部空氣與外界沒有任何交換，然后對(duì)箱內(nèi)氣體的濃度進(jìn)行分析。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是便于對(duì)較大空間變異性的氣體通量的測量，該方法的缺點(diǎn)是密閉箱體會(huì)對(duì)被測表面的自然狀態(tài)產(chǎn)生干擾，而且測量面積也相對(duì)較??；動(dòng)態(tài)氣室法，部分解決了密閉氣室法應(yīng)用過程中存在的問題，將箱體在兩端開ロ后，通過測量入口處和出口處氣體濃度的變化，計(jì)算被測表面的氣體通量。但此方法對(duì)箱體內(nèi)外的氣壓和被測氣體的濃度要求很高，因此限制了其應(yīng)用。
[0007]間接法是通過測定其他相關(guān)指標(biāo)來推算土壌溫室氣體排放例如，土壤總的新陳代謝，可以從凈初級(jí)生產(chǎn)量中扣除地上食草動(dòng)物所消耗的能量進(jìn)行估算。也有研究者用土壌中的三磷酸腺苷(ATP)含量估算土壤CO2排放，認(rèn)為土壤CO2排放與ATP濃度有較明顯的線性關(guān)系。而這種關(guān)系一般只適于特定的生態(tài)系統(tǒng)，有較大的時(shí)空局限性，測定結(jié)果也難以和其它方法直接比較。
[0008]目前國內(nèi)外的研究報(bào)告表明，土壤溫室氣體排放與土壤溫度和土壤水分含量關(guān)系密切。另外，土壌活性碳庫的含量也在一定程度上影響了土壌溫室氣體排放速率。土壌水溶性有機(jī)碳(WSOC)微生物量碳(MBC)是兩種非常重要的土壤活性碳庫。其中土壤水溶性有機(jī)碳(WSOC)是指通過0.45pm濾孔，且能溶解于水的、具有不同分子量大小的碳化合物。土壤水溶性有機(jī)碳是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的碳組分，他們可以被土壤微生物分解，可以在土壤中迅速轉(zhuǎn)化成其它組分。在森林土壤中，水溶性有機(jī)碳是土壤有機(jī)碳庫礦化的中間態(tài)，它們含量的高低可以很大程度上影響礦化的最終產(chǎn)物和數(shù)量。微生物量碳(MBC)是土壤有機(jī)庫中的活性部分，可以反映土壤的微生物活性。與土壤總有機(jī)質(zhì)相比，微生物量碳土壤管理措施如翻耕、秸桿培養(yǎng)的變化響應(yīng)快，可以作為土壤總有機(jī)質(zhì)變化的早期指標(biāo)和活性有機(jī)質(zhì)變化的指標(biāo)。綜上所述，土壤溫度、土壤水分、土壤水溶性有機(jī)氮含量和土壤微生物量碳含量是影響土壤溫室氣體排放四個(gè)關(guān)鍵因素，上述四個(gè)因素的相對(duì)大小可以反映土壤溫室氣體排放速率的高低。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0009]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中土壤溫室氣體速率測定方法存在的上述不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種森林土壤溫室氣體排放速率的間接測定方法。
[0010]解決上述技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:本森林土壤溫室氣體排放速率的間接測定方法按下列步驟進(jìn)行:
[0011]一、因素的確定:
[0012]依據(jù)土壤溫室氣體排放與土壤因素的相關(guān)性，確定影響土壤溫室氣體排放的四個(gè)關(guān)鍵因素為土壤溫度、土壤水分含量、土壤水溶性有機(jī)碳含量和土壤微生物量碳含量，將上述四個(gè)因素作為自變量，土壤溫室氣體排放速率作為因變量；
[0013]二、野外測定的頻度與方法:
[0014](I)森林樣地的選擇:根據(jù)纟韋度、海拔、光照、坡位和坡向各項(xiàng)選擇1-3個(gè)森林代表性地段，選其中間位置的地段，排除路邊和溝邊的地段，在選定的地段中布置小區(qū)，在小區(qū)中測定相關(guān)指標(biāo)；
[0015](2)取樣與測定:每月取樣1-3次，選擇晴朗天氣的上午9:00-11:00進(jìn)行實(shí)地測量，具體是測定土壤溫度，利用溫度探頭插入土層5cm處直接測定，同時(shí)在選定的樣點(diǎn)周圍按“S”形5點(diǎn)采樣法采集土層深度為0-20cm的土壤樣品l_2kg，混勻，帶回實(shí)驗(yàn)室在一周內(nèi)進(jìn)行分析測定土壤水分含量、土壤水溶性有機(jī)碳含量和土壤微生物量碳含量；
[0016](3) 土壤排放的溫室氣體的采集與濃度的測定:利用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定，即先用靜態(tài)箱法采集氣體，然后利用島津GC-2014型氣相色譜儀測定采集氣體中的土壤溫室氣體，即C02、N20、CH4的濃度，然后換算成氣體排放速率；
[0017](4) 土壤水分含量的測定:土壤水分含量采用烘干法進(jìn)行測定；
[0018](5) 土壤水溶性有機(jī)碳含量的測定:稱取土壤樣品20.0Og,加入去離子水40mL，在 25°C環(huán)境中震蕩30min后，置于高速離心機(jī)中以3500r ?min^1轉(zhuǎn)速離心20min，通過0.45 y m 濾膜抽濾到50mL的塑料瓶中，濾液中的有機(jī)碳濃度用島津公司生產(chǎn)的TOC-Vmi型有機(jī)碳分析儀測定；
[0019](6) 土壤微生物量碳含量的測定:土壤微生物量碳含量采用氯仿熏蒸直接提取法測定，未熏蒸土壤和熏蒸后土壤均用土液比為1: 5、濃度為0.5mol L—1的K2SO4溶液浸提， 濾液中碳含量采用前速的有機(jī)碳分析儀測定；土壤微生物量碳含量以熏蒸和未熏蒸土樣
0.5mol L-1K2SO4提取液中碳含量之差除以系數(shù)得到，即:BC = Ec/0.45。其中，Ec為熏蒸土樣與未熏蒸土樣提取液碳含量之差，0.45為浸提系數(shù)；[0020]三、建立關(guān)系式:
[0021]根據(jù)一年內(nèi)每次測定的土壤溫室氣體，即C02、N20和CH4的排放速率、土壤溫度、土壤水分含量、土壤水溶性有機(jī)碳含量和土壤微生物量碳含量的數(shù)值，利用美國斯坦福大學(xué)研發(fā)的SPSS統(tǒng)計(jì)軟件分別建立C02、N20和CH4排放速率與四個(gè)影響因素之間的多元線性關(guān)系，得到函數(shù)關(guān)系式為:
[0022]Yc02 = a1X1+b1X2+c1X3+d1X4+e1
[0023]YN2?！?a.2\i~^h2^2~^C2^3~^^-2^4^e2
[0024]Ych4 一 agXi+bgXg + CgXg + dgXA+Cg
[0025]Yc02，YN20, Ych4分別為CO2，N2O與CH4的排放速率夂、X2、X3、X4分別為土壤溫度、土壤水分含量、土壤水溶性有機(jī)碳含量、土壤微生物量碳含量；a、b、C、d、e為系數(shù)；
[0026]四、依據(jù)關(guān)系式測定相關(guān)參數(shù):
[0027]依據(jù)步驟三的關(guān)系式，在野外實(shí)測土壤攝氏溫度；土壤水分百分比含量；土壤水溶性有機(jī)碳含量，單位為mg k^1 ;土壤微生物量碳含量，單位為mg k^1 ；
[0028]五、依據(jù)關(guān)系式和測定的參數(shù)，計(jì)算土壤溫室氣體排放速率:
[0029]依據(jù)步驟三的關(guān)系式和步驟四野外實(shí)測的土壤溫度、土壤水分含量、土壤水溶性有機(jī)碳含量和土壤微生物量碳含量數(shù)據(jù)，乘以各自的系數(shù)相加，計(jì)算土壤溫室氣體C02、N2O和CH4的排放速率。欲求得排放量，則再乘以排放時(shí)間即可。
[0030]本發(fā)明的有益效果是`為森林土壤溫室氣體排放提供了一種簡單易行的測定方法，與其他以單一影響因素建立的相對(duì)測定方法相比，提高了數(shù)據(jù)的可靠性；與靜態(tài)箱法相比，數(shù)值偏差范圍較小，減少了野外工作量，降低了測定成本，顯著提高了測定效率。
【【具體實(shí)施方式】】
[0031]本發(fā)明下面結(jié)合實(shí)例予以進(jìn)一步詳述:本方法所說的五個(gè)步驟，概言之，步驟一至三為間接測定前的基礎(chǔ)工作，其目的是建立函數(shù)關(guān)系式，步驟四為實(shí)測工作，兩者密不可分。一旦函數(shù)關(guān)系式確立，以后只需進(jìn)行實(shí)測工作即可。下面以每月實(shí)測一次的板栗林為例，將本方法作一介紹:
[0032]對(duì)板栗林進(jìn)行土壤溫室氣體排放速率的間接測定按以下五個(gè)步驟進(jìn)行:
[0033]一、因素的確定:
[0034]依據(jù)土壤溫室氣體排放與土壤因素的相關(guān)性，確定影響土壤溫室氣體排放的四個(gè)關(guān)鍵因素為土壤溫度、土壤水分含量、土壤水溶性有機(jī)碳含量和土壤微生物量碳含量，將上述四個(gè)因素作為自變量，土壤溫室氣體排放速率作為因變量；
[0035]本方法選擇上述四個(gè)影響因素的原因如下:從目前的研究來看，土壤溫室氣體排放主要受土壤溫度、水分含量、有機(jī)質(zhì)數(shù)量和質(zhì)量、光合產(chǎn)物的分配、土壤結(jié)構(gòu)和土壤生物以及植被生產(chǎn)力的影響。其中土壤溫度與土壤水分含量對(duì)土壤溫室氣體排放的影響尤為顯著。但其影響會(huì)受到土壤有機(jī)碳庫高低的影響。鑒于此，我們?cè)黾恿送寥浪苄蕴己亢屯寥牢⑸锪刻己窟@兩個(gè)指標(biāo)。此外，上述四個(gè)指標(biāo)，從測定方法來看，相對(duì)比較簡單，可以大大提聞分析效率。
[0036]二、野外測定的頻度與方法:
[0037](I)森林樣地的選擇:根據(jù)纟韋度、海拔、光照、坡位和坡向各項(xiàng)選擇一個(gè)森林代表性地段，選其中間位置的地段，排除路邊和溝邊的地段，在選定的地段中布置小區(qū)，在小區(qū)中測定相關(guān)指標(biāo)；
[0038](2)取樣與測定:毎月取樣一次，選擇睛朗天氣的上午9:00-11:00進(jìn)行實(shí)地測量，具體是測定土壌溫度，利用溫度探頭插入土層5cm處直接測定，同時(shí)在選定的樣點(diǎn)周圍按“S”形5點(diǎn)采樣法采集土層深度為0-20cm的土壤樣品l_2kg，混勻，帶回實(shí)驗(yàn)室在一周內(nèi)進(jìn)行分析測定土壌水分含量、土壌水溶性有機(jī)碳含量和土壌微生物量碳含量；
[0039](3) 土壤排放的溫室氣體的采集與濃度的測定:利用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定，即先用靜態(tài)箱法采集氣體，然后利用島津GC-2014型氣相色譜儀測定采集氣體中的土壌溫室氣體，即C02、N20、CH4的濃度，然后換算成溫室氣體排放速率；
[0040]土壤溫室氣體排放速率的計(jì)算方法如下:
【權(quán)利要求】
1.一種亞熱帶森林土壤溫室氣體排放速率的間接測定方法，其特征是按如下步驟進(jìn)行:一、因素的確定:依據(jù)土壤溫室氣體排放與土壤因素的相關(guān)性，確定影響土壤溫室氣體排放的四個(gè)關(guān)鍵因素為土壤溫度、土壤水分含量、土壤水溶性有機(jī)碳含量和土壤微生物量碳含量，將上述四個(gè)因素作為自變量，土壤溫室氣體排放速率作為因變量；二、野外測定的頻度與方法:(1)森林樣地的選擇:根據(jù)纟韋度、海拔、光照、坡位和坡向各項(xiàng)選擇1-3個(gè)森林代表性地段，選其中間位置的地段，排除路邊和溝邊的地段，在選定的地段中布置小區(qū)，在小區(qū)中測定相關(guān)指標(biāo)；(2)取樣與測定:每月取樣1-3次，選擇晴朗天氣的上午9:00-11:00進(jìn)行實(shí)地測量，具體是測定土壤溫度，利用溫度探頭插入土層5cm處直接測定，同時(shí)在選定的樣點(diǎn)周圍按“S” 形5點(diǎn)采樣法采集土層深度為0-20cm的土壤樣品l_2kg，混勻，帶回實(shí)驗(yàn)室在一周內(nèi)進(jìn)行分析測定土壤水分含量、土壤水溶性有機(jī)碳含量和土壤微生物量碳含量；(3)土壤排放的溫室氣體的采集與濃度的測定:利用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定，即先用靜態(tài)箱法采集氣體，然后利用島津GC-2014型氣相色譜儀測定采集氣體中的土壤溫室氣體，即C02、N2O, CH4的濃度，然后換算成氣體排放速率；(4)土壤水分含量的測定:土壤水分含量采用烘干法進(jìn)行測定；(5)土壤水溶性有機(jī)碳含量的測定:稱取土壤樣品20.00g，加入去離子水40mL，在25°C 環(huán)境中震蕩30min后，置于高速離心機(jī)中以3500r ? mirf1轉(zhuǎn)速離心20min,通過0.45 y m濾膜抽濾到50mL的塑料瓶中，濾液中的有機(jī)碳濃度用島津公司生產(chǎn)的TOC-Vmi型有機(jī)碳分析儀測定；(6)土壤微生物量碳含量的測定:土壤微生物量碳含量采用氯仿熏蒸直接提取法測定，未熏蒸土壤和熏蒸后土壤均用土液比為1: 5、濃度為0.5mol L—1的K2SO4溶液浸提， 濾液中碳含量采用前速的有機(jī)碳分析儀測定；土壤微生物量碳含量以熏蒸和未熏蒸土樣0.5mol L-1K2SO4提取液中碳含量之差除以系數(shù)得到，即:BC = Ec/0.45。其中，Ec為熏蒸土樣與未熏蒸土樣提取液碳含量之差，0.45為浸提系數(shù)；三、建立關(guān)系式:根據(jù)一年內(nèi)每次測定的土壤溫室氣體，即C02、N20和CH4的排放速率、土壤溫度、土壤水分含量、土壤水溶性有機(jī)碳含量和土壤微生物量碳含量的數(shù)值，利用美國斯坦福大學(xué)研發(fā)的SPSS統(tǒng)計(jì)軟件分別建立CO2、N2O和CH4排放速率與四個(gè)影響因素之間的多元線性關(guān)系， 得到函數(shù)關(guān)系式為:Yc02 — 3-1Xj+b ^2+0^3+(1^4+6 JYn2o — ^^Xi+bgXa+CgXg+c^XA+eaYqm — a3Xi+b3X2+c3X3+d3X4+e3Ycq2，Yn20, Ych4分別為CO2，N2O與CH4的排放速率J1、X2、X3> X4分別為土壤溫度、土壤水分含量、土壤水溶性有機(jī)碳含量、土壤微生物量碳含量；a、b、c、d、e為系數(shù)；四、依據(jù)關(guān)系式測定相關(guān)參數(shù):依據(jù)步驟三的關(guān)系式，在野外實(shí)測土壤攝氏溫度；土壤水分百分比含量；土壤水溶性有機(jī)碳含量，單位為mg kg-1 ;土壤微生物量碳含量,單位為mg kg-1 ； 五、依據(jù)關(guān)系式和測定的參數(shù)，計(jì)算土壤溫室氣體排放速率: 依據(jù)步驟三的關(guān)系式，和步驟四野外實(shí)測的土壤溫度、土壤水分含量、土壤水溶性有機(jī)碳含量和土壤微生物量碳含量數(shù)據(jù)，乘以各自的系數(shù)相加，計(jì)算土壤溫室氣體C02、N2O和CH4的排放速率。欲求得排放`量，則再乘以排放時(shí)間即可。
【文檔編號(hào)】G01N5/04GK103604720SQ201310557708
【公開日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】李永夫, 姜培坤, 周國模, 吳家森, 王戰(zhàn)磊, 陳永剛, 劉娟 申請(qǐng)人:浙江農(nóng)林大學(xué)