通量梯度法在温室气体及同位素通量观测研究中的应用与展望

通量梯度法与涡度相关法均是微气象学的物质和能量通量观测方法, 在没有高频气体分析仪或下垫面风浪区较小的情况下, 通量梯度法可以有效观测生态系统(或土壤)与大气之间的温室气体及其同位素通量, 同时也可以作为涡度相关法的配套观测和有益补充。该文回顾了通量梯度法的基本原理、概念和假设, 重点综述了温室气体浓度梯度以及相关湍流扩散系数的观测与计算的方法和理论, 概述了通量梯度法在森林、农田、草地、湿地和水体等生态系统观测温室气体通量的应用进展, 特别是在稳定同位素通量观测中的应用, 最后从影响温室气体和同位素的浓度梯度以及湍流扩散系数测定与计算等方面概述了应用注意事项及建议。     

施氮对桉树人工林生长季土壤温室气体通量的影响

施肥是维持短期轮伐人工林生产量的重要手段,为了提高肥料利用效率,缓释氮肥逐渐成为广泛采用的氮肥种类。评估缓释肥施用对人工林生长季土壤温室气体通量的影响对于全面评估人工林施肥的环境效应具有重要意义。以我国南方广泛种植的桉树林为对象,采用野外控制实验研究了4种施氮处理(对照CK:0 kg/hm2;低氮L:84.2 kg/hm2;中氮M:166.8 kg/hm2;高氮H:333.7 kg/hm2)对土壤-大气界面3种温室气体(CO2、N2O和CH4)通量的影响,结果表明:(1)4种施氮水平下CO2排放通量、N2O排放通量和CH4吸收通量分别为276.84—342.84 mg m-2h-1、17.64—375.34μg m-2h-1和29.65—39.70μg m-2h-1;施氮显著促进了N2O的排放(P0.01),高氮处理显著增加CO2排放和显著减少CH4吸收(P0.05),且CO2排放通量与CH4吸收通量随着施氮量的增加分别呈现增加和减少的趋势;(2)生长季CO2和N2O排放呈现显著正相关(P0.01),CO2排放和CH4吸收呈现显著负相关(P0.05),N2O排放和CH4吸收呈现显著负相关(P0.01);(3)土壤温度和土壤水分是影响CO2、N2O排放通量和CH4吸收通量的主要环境因素。结果表明:施用缓释肥显著增加了桉树林生长季土壤N2O排放量,且高氮处理还显著促进CO2排放和显著抑制CH4吸收,上述研究结果可为人工林缓释肥对土壤温室气体通量评估提供参数。     

华南地区尾巨桉和马占相思人工林地表温室气体通量

为探索华南地区尾巨桉人工林和马占相思人工林地表温室气体的季节排放规律、排放通量和主控因子,采用静态箱-气相色谱法,对两种林型地表3种温室气体(CO_2、CH_4、N_2O)通量进行为期1年的逐月测定。结果表明:(1)尾巨桉人工林和马占相思人工林均为CO_2和N_2O的排放源,CH_4的吸收汇。马占相思林地表N_2O通量显著(P0.01)高于尾巨桉林,CO_2通量和CH_4通量无明显差异。(2)两种林型3种温室气体通量有着相似季节变化规律,地表CO_2通量均呈现雨季高旱季低的单峰规律;地表CH_4吸收通量表现为旱季高雨季低的单峰趋势;地表N_2O通量呈现雨季高旱季低且雨季内有两个峰值的排放规律。(3)地表CO_2、N_2O通量和土壤5 cm温度呈极显著(P0.01)正相关,3种温室气体地表通量同土壤含水量呈极显著(P0.01)或显著相关(P0.05)。(4)尾巨桉林和马占相思林温室气体年温室气体排放总量为31.014 t/hm~2和28.782 t/hm~2,均以CO_2排放占绝对优势(98.46%—99.15%),CH_4和N_2O处于次要地位。     

氮输入对天然湿地温室气体通量的影响及机制

天然湿地是温室气体的一个重要排放源、汇和转换器,在稳定全球气候变化中占据着重要的位置。近年来,由于化石燃料的燃烧、氮肥使用、工业废水排放等输入的氮元素,大量进入湿地生态系统,直接或间接地影响着温室气体的生产与排放。本文综述了国内外有关氮输入对天然湿地主要温室气体通量的影响及机制研究进展,重点论述了以下几个方面:1)氮输入对天然湿地主要温室气体通量的影响存在促进、抑制或影响不显著3种情况;2)氮输入对CO2、CH4、N2O产生的控制作用改变了温室气体产生与消耗的微生物过程,提高了湿地生态系统生产力,增加了生物量,影响了周围环境因子;3)天然湿地温室气体通量的变化是输入氮的种类与浓度、土壤理化性质、微生物活性、相关环境因子、氧化还原潜力等因子综合作用的结果。探讨了现有研究存在的主要问题,提出了未来重点研究的方向。     

沙埋对干旱沙区生物结皮覆盖土壤温室气体通量的影响

以腾格里沙漠东南缘自然植被区生长的两种典型生物结皮——藓类和藻类-地衣混生结皮覆盖土壤为对象,通过设置0(对照)、1 mm(浅层)和10 mm(深层)沙埋处理,研究了沙埋对该区结皮覆盖土壤温室气体通量的影响,并通过测定沙埋后土壤温度、水分的变化,初步探讨了沙埋影响生物结皮覆盖土壤温室气体通量的环境机制.结果表明: 沙埋显著增加了两类结皮覆盖土壤的CO₂释放通量和CH₄吸收通量(P<0.05);但对N₂O通量的影响因沙埋厚度和结皮类型的不同而异:深层沙埋(10 mm)显著增加了两类结皮覆盖土壤的N₂O吸收通量,浅层沙埋(1 mm)仅显著降低了藓类结皮覆盖土壤的N₂O吸收通量,而对混生结皮覆盖土壤的N₂O通量影响不显著.沙埋显著增加了两类结皮覆盖土壤的表层温度和0~5 cm深土壤湿度,从而增加了其CO₂释放通量.但是沙埋引起的土壤温湿度的变化与CH₄和N₂O通量变化的相关性不显著,说明沙埋引起的土壤温湿度变化不是影响其CH₄和N₂O通量的关键因子.     

鼎湖山针阔叶混交林地表温室气体排放的日变化

利用静态箱 -气相色谱法对鼎湖山针阔叶混交林地表 3种温室气体 CO2 、CH4 、N2 O通量进行了原位观测 .结果表明 ,鼎湖山针阔叶混交林地表为 CO2 、N2 O的排放源 ,为 CH4 的弱汇 ,通量日变幅分别是 4 88.99～ 70 0 .5 7,0 .0 4 9～ 0 .10 8mg/ (m2· h)和- 0 .0 2 5～ - 0 .0 5 3mg/ (m2 · h) ;地表凋落物分解释放 CO2 约占总排放的 1/ 3;凋落物层和林下灌木对 CH4 和 N2 O的通量无明显影响 ;CO2 、N2 O的 9∶ 0 0观测值与其日平均值有明显差异     

土地利用变化对土壤温室气体排放通量影响研究进展

土壤是大气中主要温室气体(如CO2、CH4和N2O)重要的源或汇,土地利用方式的改变将会导致土壤相关微环境及其生理生化过程发生改变,从而显著影响土壤中温室气体的产生与排放。在全球变化和土地利用大幅度改变的背景下,国际上已逐步开展了关于土地利用变化对土壤温室气体通量的研究。本文在简要介绍土地利用变化与土壤温室气体通量研究的基础上,重点论述了农田、草地和森林互换、湿地向农田转变、不同土地利用类型(森林、草地、湿地和农田)内部变化对3种土壤温室气体排放的影响,并从3种土壤温室气体产生的关键过程简单阐述其主要影响机理。根据目前研究中存在的不足,提出了今后需要加强的领域,以期更好地揭示土地利用变化对土壤温室气体通量的影响及作用机理,为今后深入开展相关研究提供参考。     

玉渡山水库生长季温室气体排放特征及其影响因素

为了探讨温带水库温室气体排放规律,采用静态箱-色谱分析法,研究了温带地区库龄10年内的北京玉渡山水库生长季3种温室气体CO2、CH4及N2O排放特征,及其影响因子。结果表明:样地类型、测定月份与样地类型交互作用对3种温室气体通量影响极显著,5月消落带CO2通量(664.31mg·m-2·h-1)达到最大,显著高于入库口和浅水区;8月消落带CH4通量(0.87mg·m-2·h-1)及N2O通量(3.05mg·m-2·h-1)最大;8月,切除消落带样地地上植物后,3种温室气体通量均有所降低。CO2通量与地下5cm地温、氧化还原电位和水体总氮显著正相关,与地上生物量和水体pH显著负相关;CH4通量与地表温度、地上生物量、水体pH呈显著相关,与水体总氮和水体铵态氮显著负相关;N2O通量与水体总氮含量显著相关,与水体pH显著负相关。采取平均估值法初步推测,在生长季,水库消落带、入库口及浅水区CO2排放量依次为15960、2160、-70kg·hm-2;CH4排放量依次20.04、-7.05、14.8kg·hm-2;N2O排放量依次83.42、3.79、-1.54kg·hm-2;表明消落带3种温室气体的排放量均较高,为玉渡山水库3种温室气体排放的重点区域。     

垃圾填埋场N_2O排放通量及测定方法研究进展

氧化亚氮(N2O)是第三大温室气体和最主要的臭氧层破坏气体.填埋是目前城市生活垃圾处理处置的主要方式,而垃圾填埋场是N2O的排放源之一.实验室研究和现场测定均表明,生活垃圾填埋场可以有高的N2O释放通量,但不同填埋场测定数据差异很大.目前,对生活垃圾填埋场N2O排放量的原位准确测定以及排放机理和重要性的认识仍有很多不足.本文概述了生活垃圾填埋场N2O排放研究现状,从垃圾堆体和覆土层两部分探讨了传统厌氧卫生填埋场的N2O产生和排放机理,并就此对新型脱氮型生物反应器填埋场做了相应探讨.最后,就静态箱法、涡度相关法等N2O通量测定方法在填埋场的适用性进行了讨论,并展望了填埋场N2O排放的研究方向.     

排放通量

CH₄在温室效应中起着重要作用,为估算中亚热带CH₄的源汇现状,评价森林生态系统对温室效应的影响,采用静态箱-气相色谱法研究了千烟洲红壤丘陵区人工针叶林的土壤CH₄ 排放通量特征及水热因子对其的影响。对2004年9月～2005年12月期间的观测结果分析表明 ：千烟洲人工针叶林土壤总体表现为大气CH₄的吸收汇,原状林地土壤(Forest soil)情况下,CH₄通量的变化为7.67～-67.17μg&#8226;m^-2&#8226;h^-1,平均为-15.53μg&#8226;m^-2&#8226;h^-1;无凋落物处理(Litter-free)情况下,CH₄通量的变化是9.31～-90.36 μg&#8226;m^-2&#8226;h^-1,平均为-16.53μg&#8226;m^-2&#8226;h^-1。 二者对土壤CH₄的吸收表现出明显的季节变化规律,秋>夏>冬>春,但无凋落物处理CH₄变化幅度较原状林地土壤大,无凋落物处理吸收高峰出现在10月,最低值出现在翌年3月,原状林地土壤则分别在9月和翌年2月,均提前1个月。对土壤CH₄吸收通量与温度和湿度的相关分析表明： 无论是原状林地土壤还是无凋落物处理情况下,土壤CH₄通量都与地下5 cm的温度和湿度相关性最高。偏相关分析反映了不同季节水热配置对土壤吸收CH₄通量的影响：冬季为12月～翌年2月,温度起主要作用;雨季3～6月,温度作用为主,随着温度的升高而升高,水分作用微弱;7～8月,CH₄吸收通量随着湿度的降低而增加,但高温限制了CH₄的吸收;秋季（9～11月）水热配置适宜,CH₄通量达到高峰值。总之,CH₄吸收通量随着温度的升高和 湿度的降低而增大,但温度过高会抑制其吸收。     

高寒草地土壤温室气体排放对放牧的响应研究进展

高寒草地生态系统具有独特的地理环境和气候特征,对放牧干扰十分敏感,在全球温室气体通量中贡献突出,研究高寒草地放牧对土壤温室气体排放的影响机制具有重要意义。本文总结高寒草地温室气体源/汇特征、不同放牧方式对土壤微环境和微生物群落结构的影响,发现高寒草地主要是CO₂源、CH₄汇、N₂O源。放牧通过家畜选择性采食、践踏和排泄物返还等多重机制作用于地上植物、土壤结构、温度、湿度和养分,进而影响地下微生物及温室气体通量。本文旨在为高寒草地生态系统健康发展和管理及缓解全球气候变化提供科学依据,并对未来研究方向进行展望。     

Annual emissions of greenhouse gases from sheepfolds in Inner Mongolia

Sheepfolds represent significant hot spot sources of greenhouse gases (GHG) in semi-arid grassland regions, such as Inner Mongolia in China. However, the annual contribution of sheepfolds to regional GHG emissions is still unknown. In order to quantify its annual contribution, we conducted measurements of carbon dioxide (CO₂), methane (CH₄) and nitrous oxide (N₂O) fluxes at two sheepfold sites in the Baiyinxile administrative region of Inner Mongolia for 1 year, using static opaque chamber and gas chromatography methods. Our data show that, at an annual scale, both sheepfolds functioned as net sources of CO₂, CH₄ and N₂O. Temperatures primarily determined the seasonal pattern of CO₂ emission; 60–84% of the CO₂ flux variation could be explained by temperature changes. High rates of net CH₄ emissions from sheepfold soils were only observed when animals (sheep and goats) were present. While nitrous oxide emissions were also stimulated by the presence of animals, pulses of N₂O emissions were also be related to rainfall and spring-thaw events. The total annual cumulative GHG emissions in CO₂ equivalents (CO₂: 1; CH₄: 25; and N₂O: 298) were quantified as 87.4?±?18.4 t ha^?1 for the sheepfold that was used during the non-grazing period (i.e., winter sheepfold) and 136.7?±?15.9 t ha^?1 used during the grazing period (i.e., summer sheepfold). Of the annual total GHG emissions, CH₄ release accounted for approximately 1% of emissions, while CO₂ and N₂O emissions contributed to approximately 59% and 40%, respectively. The total GHG emission factor (CO₂?+?CH₄?+?N₂O) per animal for the sheepfolds investigated in this study was 30.3 kg CO₂ eq yr^?1 head^?1, which translates to 0.3, 18.8 and 11.2 kg CO₂ eq yr^?1 head^?1 for CH₄, CO₂ and N₂O, respectively. Sheepfolds accounted for approximately 34% of overall N₂O emissions in the Baiyinxile administrative region, a typical steppe region within Inner Mongolia. The contribution of sheepfolds to the regional CO₂ or CH₄ exchange is marginal.     

青藏高原高寒草甸非生长季温室气体排放特征及其年度贡献

高寒草甸是青藏高原地区的主要植被类型,目前对其温室气体研究多集中于生长季.本文利用静态箱-气相色谱法,对非生长季高寒草甸温室气体排放特征及其与主要环境因子的关系进行了研究.结果表明:非生长季高寒草甸表现为CO2和N2O的源、CH4的汇.其中非生长季CO2通量平均值为89.33 mg·m-2·h-1,累积排放通量为280.01g· m-2;CH4通量平均值为-11.35 μg·m-2·h-1,累积吸收通量为124.74 mg·m-2;N2O通量平均值为8.02 μg·m-2·h-1,累积排放通量为39.51 mg·m-2.非生长季CO2、CH4和N2O累积排放通量分别占全年的13.33％、53.47％和62.67％.冻融期(2012年4月)CH4累积吸收通量较小,只占非生长季的4.5％;而CO2和N2O累积排放通量较大,分别占非生长季的25.8％和20.8％.非生长季CO2通量与温度(气温、5和10 cm土壤温度)和5 cm土壤湿度均存在显著正相关关系,而CH4和N2O通量仅与5 cm土壤湿度存在显著正相关.研究表明,虽然冻融期CH4累积吸收通量在非生长季累积量中比重较小,但非生长季CH4和N2O累积排放量却占全年累积排放量的1/2以上,在温室气体累积通量评估中不容忽视.     

内蒙古荒漠草原植物水分利用特征差异及对环境因子的响应

水分是干旱半干旱地区植被生长的主要限制因子,水分利用是反映植被对环境变化响应的关键生态水文过程。目前缺少对干旱半干旱区草原不同科、属植物水分利用特征差异的系统分析,且植物水分利用特征与环境因子的定量关系需要进一步研究。在内蒙古荒漠草原进行样带调查,采集7个样地0—100 cm深度土壤样品和15种植物根茎结合部(茎秆)、叶片样品,测定土壤水、植物水中δ²H和δ¹⁸O和植物叶片δ¹³C的同位素,利用MixSIAR模型确定不同科、属植物水分来源比例,分析不同科、属植物水分利用来源和水分利用效率的差异,并建立植物水分来源比例及水分利用效率与各环境因子的定量关系。结果表明：(1)禾本科和菊科植物主要利用0—30 cm深度土壤水(55.63%和51.84%),其叶片δ¹³C(-26.61‰和-27.91‰)均低于其他科(包括柽柳科、藜科和蔷薇科)(-26.36‰),且其他科主要利用60—100 cm深度土壤水(36.83%),水分利用策略更有利于在干旱条件下生存。(2)针茅属植物对0—30 cm深度土壤水的利用...     

内蒙古碱湖中紫色非硫光合细菌的分离和鉴定

从内蒙古碱湖水样中分离得到一株紫色非硫光合细菌,命名为JH1-6.对该菌株进行了形态学观察、生理生化鉴定、活细胞吸收光谱以及16S rDNA序列分析.16S rDNA序列分析结果表明该菌株与沼泽红假单胞菌的16S rDNA序列同源性高达99%,结合形态特征和生理生化特性以及活细胞吸收光谱特征等,确定菌株JH1- 6在分类地位上属于沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris).     

寒温带兴安落叶松林土壤温室气体通量的时间变异

采用静态箱/气相色谱(GC)法,对寒温带兴安落叶松林区6-9月生长季土壤CO2、CH4和N2O通量进行原位测定,研究了土壤温室气体通量的季节和昼夜变化及其与环境因子的关系.结果表明:在生长季,兴安落叶松林土壤为大气CH4的汇,吸收通量为22.3～107.8 μg CH4-C·m-2·h-1,6-9月月均甲烷吸收通量为(34.0±7.1)、(71.4±9.4)、(86.3±7.9)和(40.7-±6.2) μg·m-2·h-1;不同季节土壤CH4昼夜通量的变化规律相同,一天中均在10:00达到最大吸收高峰.土壤CO2日通量呈明显的双峰曲线,月均CO2通量大小顺序为7月＞8月＞6月＞9月.土壤N2O通量变异较大,在-9.1 ～31.7μg·m-2·h-1之间.土壤温度和湿度是影响CO2和CH4通量的重要因子,N2O通量主要受温度的影响.在兴安落叶松林区,10:00左右观测获得的温室气体地-气交换通量,经矫正后可以代表当日气体通量.     

内蒙古草原植被覆盖度遥感估算

以内蒙古锡林浩特市南部中国科学院草原生态系统定位研究站周围的草场为研究对象, 分析比较了统计模型和亚像元分解模型进行草地植被覆盖度(vegetation coverage, VC)遥感估算的适用性。结果表明, 根据Landsat-5 TM影像数据计算的比值植被指数(simple ratio vegetation index, SR)与观测的VC的相关性最高(R² = 0.761); 统计模型和亚像元分解模型生成的VC空间分布特征相似, 但亚像元分解模型得到的VC平均值比统计模型的结果高0.091; 在VC的低值和高值区, 两种方法得到的VC结果相似; 但在VC的中值区, 亚像元模型得到的结果较统计模型的结果偏高。