全 文 ：第 4 期
N 0
.
4
草
A C T A
地 学
A G R E S T IA
报
S IN ICA
1 9 9 8 年
De c.
1 2 月
1 9 9 8
内蒙古羊草草原温室气体交换通量的
日变化特征研究
杜睿 ‘ 王庚辰 ‘ 刘 广仁 ‘ 王艳芬“
王跃思 ’ 吕达仁 ’ 陈佐忠 “
(
‘ 中国科学院大气物理研究所 , 北京 1 0 0 0 2 9)
(
2 中国科学院植物研究所 , 北京 1 0 0 0 9 3 )
摘要 : 本文探讨了草原主要温室气体收支的现场观测方法 。 通过对内蒙古羊草草原生态系统三
种主要温室气体 N ZO 、C H 。和 C O : 排放通量的现场观测 , 分析 、讨论了三种气体排放通量的 日变化特
征 , 指出羊草草地 N 2 0 排放与 C H 。吸收之间存在的拮抗效应 。
关祖词 : 温室气体 ; N ZO ; CH ; ; CO Z ; 排放通量
1 引言
草原生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分 , 在生物地球化学循环过程中起着重
要作用 , 尤其是近年来在气候与环境变化研究中 , 土壤一植被一大气相互作用及其对全球和
区域气候和 生态系统的影响已成为最重要的研究内容之一 。 草原生态系统温室气体的收支
及相关过程研究作为 IM G R A S S 国家重大科研项目的课题之一 。 已于一九九八年五月在中
国科学院植物研究所内蒙古草原生态系统定位研究站开始工作 。 对于草原温室气体的排放
研究 , 在世界范围内起步较晚 。 D en m ea d 等(1 9 7 9 )首次对未施肥的割草地从冬季到夏季近
五个月 N 20 的排放情况进行野外定位观测研究 , 发现在土壤含水量接近干土的情况下 , 草
地土壤仍可观测到有 N 20 的排放 。 他认为草地 N 20 的排放主要是与土壤含水量和表层土
壤温度存在着较密切的相关性 。 其后 , M os ier (1 9 81 )年在天然矮草草原 ,对 N ZO 夏季排放情
况进行了原位观测研究 , 提出了即使在干热的天气条件下 , 虽然草原排放 N ZO 的量很少 , 但
草原仍然是作为大气中 N ZO 的源而起作用 。 观测获得的天然无干扰状态下矮草草原 N ZO
排放通量平均值为 2 . 2 9 N ZO 一N /h m , /d 。 我国对于草原生态系统温室气体排放的研究起步
较国际更晚一些 。杜睿等 (1 9 9 5 )对内蒙古草原生态系统温室气体 N ZO 和 CH ‘ 的排放做了一
些初步研究工作 , Li u 等 (1 9 9 6) 对中国华北坝上草原土壤 N ZO 的排放进行了一些观测研究 。
由此可见 , 在世界范围内 , 由于选点较少 ,研究的草原类型较少 , 对草原温室气体排放的研究
工作还很不充分 。
本工作是温带半干旱草原温室气体收支研究工作的部分内容 , 其 目的是 : 一 、评价草地
温室气体排放的日变化特征 , 给出一个较为有代表性的日平均值 ;二 、找到一天 内比较具有
代表性的排放通量的测定时间 , 以此时的测定值近似代替日均值 , 因为在整个观测期内 , 不
可能每次观测都进行 日变化测定 。由于野外工作条件的限制 , 草原生态系统的温室气体排放
通量的 日变化研究报道较少 。 D en m e ad 等 (1 9 7 9) 研究澳大利亚草原观测发现随着表土温度
和含水量的增加 , N 20 排放量的日变化情况是 : 高峰值出现在温度较高的下午 , 而在表土温
第 4 期 杜 睿等 : 内蒙古羊草草原温室气体交换通量的 日变化特征研究
度较低的日出时 , N ZO 排放率最小 , 他们认为其排放主要是与土壤含水量及表土温度存在
着较密切的相关性 。 到 目前为止尚未有有关温带半干旱草原温室气体的通量 日变化的较系
统的观测研究 , 更重要的是对大气中三种重要的温室气体 N ZO , CO : 和 C H 4 同时进行的观
测研究结果尚未有文献报道 。
2 材料与方法
2
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1 自然概况
中国科学院植物研究所 内蒙古草原生态系统定位研究站 (简称“定位站 ” )位于内蒙古锡
林格勒草原白音锡勒牧场境 内(北纬 4 3 0 2 6‘一 4 4 0 0 5‘ , 东经 1 1 6 “0 4 ‘一 1 1 7 “ 0 5 ‘ ) 。属大陆性半干
旱温带草原气候 , 年均气温一 0 . 4 ℃ , 年降水量为 35 0 ~ 4 50 毫米 , 其中 70 %集中于 7 、 8 月份 。
冬春寒冷干燥多风 , 夏秋温暖湿润 , 无霜期仅为 90 ~ 1 10 天 。地带性土壤为栗钙土 ,有典型栗
钙土和暗栗钙土两个亚类 。 以大针茅 (St iP a g ra n di : ) 、克 氏针茅 (St z’P a kry lov l’) 和篙类为主
的群落和以羊草 、小禾草为主的群落 , 构成典型草原的主体 。 样地建群种为羊草 (L ey m us
c h in e n sis )
、优势种为冰草 (A g r州沙ron c r is ta t u m )
、大针茅 、糙隐子草 (Cl e is to g e n e s s q u a r ro s a )
和寸草苔 (Ca re x d u ri u scu la) 植物群落地上部生物量为 1 4 2 9 / m , 。
样地土壤为 暗栗钙土 , o一 1 0c m 土层中有机质含量 3 . 36 % 、全氮含量 。. 2 06 % 、全磷含
量 0 . 0 8 0 % 、土壤 pH 值 6 . 6 、土壤含水量 7 ~ 2 0 % 。
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2 设计与采样
2
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2
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1 在羊草样地围栏内选择 2 x Zm 样方作为三种温室气体 N ZO 、CO : 和 C H ; 通量原位
观测点 。 将三个采样箱按 1 . sm 间距分布 。
2
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2
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2 采样箱结构如图 1 所示 。 由采样箱体 (地上部分 )和箱基座 (地下部分 )构成 。 箱体侧
板及顶盖均有 sm m 厚有机玻璃板构成 , 外角包 15 m m 厚角铝 , 内衬有机玻璃方框 , 上盖加
直径 1 5c m 的混气扇 , 12 V I:兀 胶体电池供电。 其作用是使箱内气体混合均匀 。 采样管管内部
分为一根直径 3 . Zm m x 2 5c m 的不锈钢管 ,过壁连接采用 S w ag loc k 公司生产的专用过壁接
头 , 外管为体支直径 3 . Zm m x 7m 的 T ef lon 管 。 三 只测温探头分别安装在箱内 , 地表和箱内
土壤 1 0c m 处 。采样箱底座由 sm m 厚不锈钢板制成 , 上顶铆接铝槽 , 槽宽 1 0 m m , 内填闭孔高
弹性橡胶材料 。 采样箱组装后 ,所有接 口部均涂以硅胶密封 ,并检漏 。 将采样箱底座打入采
样位点 , 底座深 i Zem , 箱高 2 5 em , 箱体长宽 4 o x 4 oe m 。
2
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2
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3 在罩箱初时 、 30 分钟 、 1 小时分别用 1 0 0m l 医用注射器采集箱 内气体 5 0 m l
2
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2
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4 气体通量日变化观测 在 24 小时内选择一天具有典型代表的时段 :夜间 、凌晨 、清
晨 、午间 、正午 、午后 、下午 、傍晚和晚上 。 在罩箱 1 小时采样结束后 , 将箱罩挪开 1 ~ 3 小时使
被罩土壤和植物得以恢复 。
2
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3 N
Z
O
、
C O
: 与 CH 4 的分析沮1定
样品即时运回定位站实验室 , 用 H P 5 8 9 0 气相色谱仪 (美国惠谱公司研制生产 )分析测
定三种气体成分 。 测定分析系统主要由四部分组成 ,
2
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3
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1
2
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3
.
2
由高压气体钢瓶 、气体发生器及过滤器组成的气源部分 。
气体转向阀、压力和质流量控制阀 、粒子过滤器及六通二位阀组成的进样系统 。
草 地 学 报 19 9 8 年
温度探头(地表)
弹性橡胶密封
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温度探头(土城 10c m)
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丫~ rub , ,
1 2Cm
上
卜一一 4。。m -一刊
图 1 草原温室气体收支通t 采样箱结构图
F ig
.
1 S t r u e t u r e o f s a m p lin g e h a m b e r fo r
g r e e n h o u s e g a s r e v e n u e a n d e x p e n d itu r e flu x e s o f g ra s s la n d
2
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3
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3 分析柱及检测器组成的分离检测系统 。
2
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3
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4 由微机 、打印机及气相色谱仪控制及数据接收及处理软件组成的数据处理 系统 。
2
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3
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5 分析 系统由色谱柱及检测器构成色谱柱用于分离空气样品中的目标物质 N ZO 、CO Z
与 C H 4 。检测器的作用是检测三种物质是否存在及浓度的变化 , 并将信号传给数据接收及处
理 系统 , 即色谱工作站 。 N ZO 检测器为 E C D (电子捕获检测器 )分离柱内填充料为 80 一 10
目 Po r p a k Q , 载气为 A r 一C H ; (A r g o % , CH 4 1o % ) , 检测器温度 3 8 0 ℃ , 分离柱温度 6 5 ℃ , 进
样 口温度 37 5 C 。 CO : 与 CH ‘检测器为 FI D (氢焰离子化检测器 ) , 由于 FI D 仅对有机物有强
的响应信号 , 而对一般的无机成分没有响应 , 因此在 CO : 进入 FI D 前要经镍触媒转化器
(N i)
, 在 H : 的作用下生产 C H ; 而被检测
C O Z + 4H
, 不二沂牛二认CH 4 + ZH ZO
一 j 匕U 七 : 匕上U 七载气为高纯氮气 , 氢气 为燃气 , 空 气 为助燃气 , 流 速分别为 : 2 5m l/ m in , 4 om l/ m in ,
4 5 om l/ m in 检测器温度为 1 5 0 C , 分离柱温度为 6 5 C 。
2
.
4 通量的计算
在单位面积和单位时间内气体质量的变化即该气体的通量 , 用公式表示为 :
△m
一 A · △t 一
p
,
V
· △C
A
· △t
△C一 p . h . 下丁
‘. 含l
第 4 期 杜 密等 : 内蒙古羊草草原温室气体交换通量的 日变化特征研究
式中 F 为气体通量 (Fl u x) p 为试验室温度下的气体密度
△m 和 △C 分别是 △t 时间内的采集箱中变化的气体质量和混合比浓度
h
、
A
、
V 分别为箱高 、底面积和体积 △C /△t 为采集箱 内气体浓度的变化率
气体通量(F )为负值时表示土壤从大气中吸收该气体 , 为正值时表示土壤向大气排放
该气体
3 结果与分析
本文所给出的观测结果是 1 9 9 8 年 7 月 7 日晚上到第二天晚上 24 小时 内 , 在九个不同
典型时段内所采集的三种气体成分进行气相色谱分析所得 。 天气状况晴朗 , 时有透光薄云 ,
微风 。 图 2 、图 3 和图 4 分别给出羊草草原 N ZO 、CH 4 和 C O : 通量 日变化特征 。
3
.
I N
:
O 通童 日变化
7 0 r
n甘八Un”0一01ŽJ通二,d
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翻明
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30一 00 : 00- 03:
: 00 0 4
30一 0 6 : 0 0一 0 8 : 3 0一
: 3 0 0 7 : 0 0 0 9 : 3 0
10 : 4 0一 12 : 3 0一 15 :0 0一
1 1 :2 0 13 : 10 15 : 4 0
17 : 3 0一
18 : 3 0
采样时段 S a ID p li n g t i m e
图 2 N 2 0 通t 日变化规律
Fig
.
2 D iu r n a l v a r ia r io n in
’
N : 0 flu x fr o m L卿m u 、 c h in e n s i s g r a s s la n d 5 0 11一p la n t s y、t e m
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20 : 3卜 0 :加- 03 : 3卜 06 :加一 08 : 3卜 1 0 : 4企 1 2 : 30一 15 : 00一 1 7 : 30一
2 1 : 30 0 1 : 0 04 : 30 07 : (X) 0 9 : 30 1 1 : 20 13 : 10 15 :4 0 18 : 30
采样时段 Sa . p li n g t i m e
图 3 C H . 通t 日变化规律
Fi g
.
3 D i u r n a l v a r i a t io n i n CH 4 flu x fr o m L即m u s c hi n e n s i s g r a s s la n d 5 0 11一p la n t s ys t e m
草 地 学 报 1 99 8 年
由图 2 可 以看出 , N ZO 排放通量变化趋势为白天高 , 夜晚底 。 高峰值出现在午间 , 低峰
值出现在夜间凌晨 。 1 9 9 8 年 7 月 8 日 N 20 排放通量最高峰值为 62 . 7即g m 一 Zh 一‘ , 最低峰值
为 5 · 2 7拜g m 一 , h 一 ‘。 日均值为 1 4 . 6 3拌g m 一 , h 一 ‘。 资料表明 , 一天之内从上午 s 时到 1 0 时间 , 与
下午 15 时到 18 时间 N Z o 排放通量值比较接近其日均值 。
3
·
2 CH
‘ 通蚤 日变化规律
由图 3 可以看出 , 羊草草原土壤一植物系统与大气间 CH ; 交换方式主要以吸收方式进
行气体交换 。 羊草草原土壤对于 CH ; 的吸收通量表现为夜间大于白昼 。 CH ‘ 吸收峰值出现
在上午 , 而 中午前后观测到 CH 4 吸收的最低值 。 C H ; 吸收通量取高峰值为 21 3 . 69 拜g m 一 2
h 一 ‘, 最低峰值为 7 · 6 1拌g m 一’h 一 ‘旧 均值为一 6 6 . 3 9拜g m 一Zh 一 ‘。 夜间的 e H ‘吸收通量值较为接
近其日均值 。
3
.
3 C O
: 通蚤 日变化规律
60
尸es es es es es es - 月一一一一~一一- 一一一 -一一 ‘- 一 ~ 一一一一一一一 - ~ ~~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~~ ~ ~ ~ ~ ~ ,尹护昆己
o,口n‘
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一 1 0 0
20 : 30一 0 : 0卜 0 3 : 30- 06 : Ooes 08 : 3 0一 10 : 4企 12 : 30一 15 : 0 一 1 7 : 30 一
2 1 : 30 0 1 : 0 04 : 30 07 : 0 09 : 3 0 1 1
: 2 0 1 3 : 1 0 15 :4 0 18 : 30
采样时段 sa . p lin g t im e
图 4 C O : 通t 日变化规律
F ig
.
4 汤u r n a l v a r ia tio n in CO : flu x fr o m L勺m u s ch in e n sis g r a s s la n d 5 0 11一p la n t sy s te m
由图 4 可以看出 , 羊草草原土壤一植物系统与大气间 CO : 交换方式在一 日之内变化较
为 明显 。 由于植物本身 同时进行着呼吸和光合作用 , 而两种过程对于 CO : 则是互逆的 , 前者
排放 C O : , 后者吸收 C O : , 两者之间存在动态平衡 。在无可见光和温度较高的情况下 , 植物主
要以呼吸作用为主 , 排放 C O : 。 在有光照的情况下 , 植物进行光合作用而吸收 CO : 。当 日白天
CO
: 通量变化较为复杂 , 仅在早晨和下午出现 吸收 CO : , 其他时段均为排放 , 晚间呼吸作用
最强 , 夜间随着温度的降低呼吸作用随之减弱 。 在上午 8 到 n 时间呈现微弱排放 CO : 现
象 , 说明在较高温度下 , 植被土壤 系统呼吸作用很强 , 该现象可能与土壤本身的呼吸作用有
关 , 尚有待进一步研究 。
3
.
4 三种温室气体收支间的相互影响
图 5 为三种温室气体通量 日变化间的相互关系 。为便于看出三者间的相互影响 , 图中将
N
Z
O 通量值扩大 10 倍 , 将 CO : 值缩小 1 0 0 0 倍使得通量单位统一为 : 拌g m 一’h 一 ‘。 由图可以看
出 : N ZO 排放通量的两个最高峰值对应于 C H ; 吸收通量的两个最低峰值 , C H ; 吸收通量较
高时 , N ZO 的排放通量则较低 , 而 CO : 排放通量较高 。 这些结果虽然是初步的 , 但它们之间
第 4 期 杜 睿等 : 内蒙古羊草草原温室气体交换通量的日变化特征研究 2 6 3
的这种相互关系特征显然反映了草原温室气体排放与土壤微生物的活性以及植物本身的生
理特性有极强的相关性 。
7 00一 .一- 一一一一 ~ - 一一- - 一- - - ~ - 一一‘一一 - - ‘一 - 月6 0 05o4 003 0 020010 00一 10 0
一2 0 0
一3 0 0
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2
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, - C氏
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2 0 : 30 一 00 : 00一 03 : 30一 06 :0 0一 0 8 : 30一 10 : 4 0一 12 : 30一 1 5 : 0 0一 1 7 : 30 一
2 1 : 3 0 0 1 : 00 04 : 30 0 7 : 00 09 : 30 1 1 : 20 1 3 : 10 15 :4 0 1 8 : 30
采样时间 Sa m p lin g t im e
图 5 羊草草原土坡一植物一大气温空气体交换通t 日变化相互影响
F ig
.
5 T h e T n te r a lt io n o f d iu r n a l v a r ia tio n o f g r e e n h o u s e g a s e s e x e h a n g in g a m o n g
5 0 11
一
Pla n t a t m o s Phe r e o f Le 夕m u : ch in e n si: g r a s s la n d
4 结论
4
.
1 羊草草原 N ZO 排放通量 日变化趋势为白天强 , 夜间弱 。 正午前后为排放高峰期 。
4
.
2 羊草草原 CH ‘ 吸收通量 日变化趋势为白天弱 , 夜间强 。 正午前后为吸收低值期 。
4
.
3 羊草草原 N ZO 排放与 CH : 吸收两者之 间在 日变化特征中也出现有较明显的拮抗效
应 。
参 考 文 献
1 杜睿 、陈冠雄 、黄国宏 、卢昌艾 , 1 996 . 羊草草原和大针茅草原 N 2 0 和 C H ; 排放通量的初步研究 . 温室气
体浓度和排放监测及相关过程 . 北京 : 环境科学出版社 , 3 74 ~ 3 78
2 杜睿 、陈冠雄 , 1 997 . 不同放牧强度对草原生态系统温室气体 N ZO 和 C H ; 排放通量的影响 . 河南大学学
报 , 2 7 : 7 8~ 8 5
3 杜睿 、 陈冠雄 、 吕达仁 、王庚辰 , 1 9 9 7 . 内蒙古草原生态系统一大气间 N 2 0 和 CH 。 排放通量研究的初步
结果 . 气候与环境研究 , 2 (3 ) : 264 ~ 27 2
4 杜睿 、陈冠雄、 吕达仁、王庚辰 , 1 9 9 7 . 土壤含水量与温度对羊草草原 、大针茅典型草原土壤一植物系统
温室气体收支影响的初步研究 . 气候与环境研究 , 2 (3 ) : 2 73 ~ 27 9
5 De
n m e a d O T
,
E r e n e y J R
,
Sim p s o n J R
,
1 9 7 9
.
S t u d ie s o f n it r o u s o x id e e m iss io n fr o m a g r a ss s w a r d
.
5 0 11 S e i
.
So
e
.
A m
.
J
. ,
4 3
:
7 26一 7 2 8
6 Liu y e e t a l
. ,
1 9 9 6
.
N 2O e m is s io n fr o m fo r e st a n d g r a s s 1a n d s o il in n o r the r n C h in a
.
Pr o e e e d in g o f 2 n d
In t
,
J
o in t Se m i
n a r o n th e R e g io n a l R e p o s itio n Pr o e e s se s in th e A tm o s ph e r e
,
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1 4 一 1 7 , Be ijin g , C hi-
n a
.
1 8 ~ 2 1
7 M o
s ie r A R
,
S tillw w e llM
,
Po r t o n W J
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W
o o d m o n s ee R G
,
1 9 8 1
.
N it r o u s o x id e e m is s io n s fr o m a n a tiv e
s h o r tg r a s s Pr a irie
.
50 11 S
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.
A m
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J
. ,
4 5
:
6 1 7 一 6 1 9
2 6 4 草 地 学 报 1 9 9 8 年
T h e stu d y o n D iu r n a l V a r ia tio n in G r e e n h o u s e G a s R e v e n u e a n d
E x Pe n d itu r e F lu x e s o f Ley m u s e hin en sis G r a ss la n d
o f In n e r M o n g o lia
D u R u i
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a n g G e n g eh e n l L iu G u a n g r e n l
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a n g Y a n fe n Z W
a n g yu e s il L u D a r e n l C he n Z u o z h o n g Z
(’ In s t itu te o f A tm o s p h e rie Ph ys ies
,
C h in e se A e a d e m y o f Sc i
e n e e s , Be iji
n g 1 0 0 0 29 )
(“ In s tit u te o f BO
t a n y , C h in e s e A e a d e m y o f Sc i
e n e e s ,
Be ijin g 1 0 0 0 9 3 )
A b str a c t
:
T he Flu x e s o f th r e e im p o r ta n t g r e e n h o u s e g a se s (N ZO
,
CH ; a n d CO Z )w e r e me
a s u r e d in site
v ia e lo s e d e h a m be r te e h n iq u e o n J
u ly s
,
1 9 9 8
.
T he e h a r a e te ris tie o f d iu r n a l v a ria tio n in th o s e g r e e n h o u s e
g a se s flu x e s w e r e a n a ly z e d a n d dise u s se d
.
T h e r e s u lts s h o w t h a t th e r e w a s t r a d e 一 o ff b e tw e e n N : 0 e m is -
s io n a n d CH 。 e o n s u m Ptio n b y th e s te PPe 5 0 11
.
K ey w o r d s : G r e e n h o u se g a s ; N ZO ; C H ; ; C O Z ; Flu x