水熱條件對不同坡位興安落葉松林土壤CH4通量的影響

王博，王樹森*，羅于洋，劉波，李凱鋒，蘭小惠

水熱條件對不同坡位興安落葉松林土壤CH4通量的影響

王博1，王樹森1*，羅于洋1，劉波1，李凱鋒1，蘭小惠1

1. 內蒙古農業大學生態環境學院，內蒙古 呼和浩特 010010

興安落葉松林是我國北方最大的針葉林，在我國具有重要的碳匯地位，對我國以及全球的氣候變化具有重要影響。由于獨特的高寒高濕和多年凍土的特殊生態環境，興安落葉松林土壤中CH4的吸收與釋放的規律與眾不同。因此，開展對土壤CH4動態及其與環境關系的研究，對揭示興安落葉松林碳匯能力的形成、碳釋放動態以及興安落葉松林對氣候變化的作用具有重要的理論和實踐意義。作者于2011年5月到9月間在內蒙古根河國家生態站，在不同坡位的4種典型興安落葉松林群落中布設樣地，采用靜態箱-紅外氣體分析儀收集氣體并分析CH4通量的變化，同時測定不同深度的土壤溫度，測定土壤含水率。借助SAS方差分析、相關性分析等統計方法，對興安落葉松林土壤CH4通量的季節變化進行研究，同時分析土壤溫度及含水率對CH4通量的影響。結果表明，CH4的季節動態變化規律：坡頂CH4通量為春季釋放，夏季吸收，秋季釋放，吸收大于釋放，通量的平均值為-68.12 μg·m-2·h-1；坡上部CH4通量為春夏秋3季均吸收，通量的平均值為-342.49 μg·m-2·h-1；坡下部CH4通量為春季釋放，夏季吸收，秋季釋放，釋放大于吸收，通量的平均值為67.8 μg·m-2·h-1；坡腳CH4通量為春夏秋3季均釋放，通量的平均值為263 μg·m-2·h-1。總的來說，在生長季興安落葉松林土壤甲烷通量吸收大于釋放，說明地處寒溫帶的大興安嶺是CH4的匯。觀測期間CH4通量與溫度及土壤含水率均有一定的相關性，二者從不同角度影響CH4通量的變化，而隨著坡位的變化土壤水熱條件也隨之改變，這同樣是影響CH4通量的一個重要因素。

坡位；CH4通量；大興安嶺；興安嶺落葉松林

近些年來，隨著全球變暖導致各種氣候災難的不斷發生，人們開始意識到溫室氣體對環境的各種負面影響（CAI Z C, 2012），并開始積極采取節能減排措施來應對這一環境危機（陳碧輝等，2006）。而CH4作為一種溫室氣體對環境所施加的影響也日益受人們關注（曹廣民等，2010）。隨著大氣 CH4濃度的增加，一方面將通過輻射過程直接引起氣候變化，另一方面，與 CO2不同，大氣 CH4是一種化學活性物質，它的增加將會引起許多大氣化學過程的變化，并對大氣中的其它化學成分產生影響，從而間接地引起氣候變化（ZHANG X J，2000；ZHANG X J，2001；張秀君，2004）。自然界中的CH4氣體有很多來源，濕地（Dennis和Whigham，1999；董云社等，2003；Jonathan和David，2006）、草地（X.Wu等，2010）、稻田（蔡祖聰等，1994）、以及森林土壤都會產生大量的CH4（Li Haifang，2010），是大氣CH4重要的自然來源。目前很多對溫帶森林土壤的研究表明溫帶落葉森林是大氣中CH4的匯（張秀君，2004），證實了森林生態系統對調節大氣中溫室氣體含量具有重要的意義。目前對森林土壤CH4動態的研究主要集中于溫帶地區（張秀君，2004；徐慧等，1999；董云社等，2003）。其中，對大興安嶺興安落葉松林土壤甲烷也進行了一些研究，如馬秀枝、張秋良等對杜香落葉松林的甲烷氣體的日動態和積極變化進行了研究（馬秀枝等，2012），楊小丹、馬秀枝等對大興安嶺漸伐林的土壤甲烷的通量進行了研究（楊小丹等，2010；楊小丹，2010）。本文從天然林的角度，以起伏地形為切入點，通過野外實地觀測，對我國寒溫帶不同坡位興安落葉松林群落的森林土壤的CH4通量進行研究，為計算我國東北大興安嶺興安落葉松林的溫室氣體排放提供依據。

1 研究區概況

試驗區位于內蒙古大興安嶺森林生態系統國家野外科學觀測研究站原始林實驗區內，隸屬于內蒙古大興安嶺林業管理局根河林業局潮查林場。該站是國家林業局中國森林生態系統定位研究網絡（CFERN）和科技部國家野外科學觀測研究站的成員之一，是我國高緯度寒溫帶地區森林生態系統定位研究的重要基地。該站地理坐標為50°49′—50°51′N， 121°30′—121°31′E。試驗區面積1.1×104 hm2。有興安落葉松原始林3200 hm2，木材總蓄積50×104 m3。森林覆蓋率為75%。

該站屬寒溫帶濕潤氣候區，≥10 ℃年積溫1403℃，平均氣溫-5.4 ℃，最低氣溫-50 ℃，最高氣溫40 ℃，年降水量450～550 mm，60%集中在7—9月末至第二年5月初為降雪期，降雪厚度20～40 cm，降雪量占全年降水量的12%，全年地表蒸發量800～1200 mm。年均日照2594 h，無霜期80 d。

大興安嶺森林生態站地處大興安嶺西北坡根河上游，為典型寒溫帶北方林區，研究區仍保留原始林景觀。主要樹種為興安落葉松（Larix gmelinii），其面積占觀測區總面積的79%，樹高一般25～30 m，胸徑26～30 cm，蓄積為150～200 m3·hm-2，最大林齡180 a左右。

2 材料與方法

本實驗選取分帶明顯的典型坡面，對不同坡位4種興安落葉松林群落，從坡頂到坡底依次是杜香興安落葉松林、草類興安落葉松林、苔蘚興安落葉松林、柴樺興安落葉松林土壤CH4通量進行測定。每個群落設置3個隨機重復樣點，共12個采樣點。采用靜態箱（50 cm×50 cm×50 cm）進行氣體收集，靜態箱由頂箱和地箱組成。頂箱：進口304 K薄不銹鋼版制作，規格：長×寬×高×不銹鋼板厚度＝50 cm×50 cm×45 cm×1.5 mm，頂壁安裝有攪拌風扇，使箱內氣體混合均勻，箱側面安裝有電源插頭、取氣樣品接口，配有F46采氣管線，一頭與箱體有過壁接頭，另一頭與抽氣注射器連接；地箱：底座和水封槽焊接在一起。底座規格：長×寬×高×不銹鋼板厚度＝50 cm×50 cm×10 cm×2 mm；水封槽規格：長×寬×高×不銹鋼板厚度＝49 cm×49 cm×3 cm×2 mm；箱的四周側板下四邊制成刀口以便于插入土壤中。2010年5月至10月為觀測期，生長季內每月觀測一次。日動態觀測5月在杜香落葉松林進行，每3 h一次，共觀測8次。觀測CH4通量的同時記錄箱內溫度、土壤不同深度（0 cm、10 cm、20 cm）的溫度及土壤含水率。

氣體樣品采集采用國際上常用的采樣時間9:00—12:00時，30 min罩箱時間，即每個采樣箱各在罩箱0，15，30 min取氣體樣品3次。選擇晴天，取樣每月一次。氣體分析是把已裝好的氣樣和土樣用木箱或硬質紙箱密封，避免擠壓，寄到內蒙古農業大學氣象實驗室，用紅外線氣體分析儀測定其CH4濃度。

CH4通量的計算公式如下：式中：F為氣體通量，單位是μg·m-2·h-1；ρ為氣體密度（CH4密度為0.71 kg·m-3）；H為靜態箱高度；ΔC/Δt為采樣時氣體濃度隨時間變化的直線斜率（ΔC為t時刻箱內被測氣體的體積混合比濃度）。氣體通量為正值時說明氣體由土壤釋放進入大氣，負值則說明大氣中的氣體進入土壤被吸收消耗。

最后運用Microsoft office excel 2003和sas 9.0統計分析對氣體數據進行分析處理。

3 結果與分析

3.1 不同坡位興安落葉松林土壤CH4通量月變化

3.1.1 坡頂-杜香興安落葉松林

杜香興安落葉松林位于坡頂，地勢平緩。如圖1所示，坡頂落葉松群落土壤CH4吸收大于排放，土壤CH4通量月變化范圍是-29.54～4.47 μg·m-2·h-1，在6、7、8月土壤對CH4表現為持續吸收，吸收峰值出現在6、7月(-29.536和 -29.465 μg·m-2·h-1)；而在5月和9月表現為CH4的排放，其中，9月的通量排放值(4.473 μg·m-2·h-1)要高于5月(2.982 μg·m-2·h-1)。

圖1 坡頂CH4通量月變化Fig.1 Monthly variation of CH4flux in the top of hill

3.1.2 坡上部-草類興安落葉松林

坡上部主要為草類興安落葉松林，生境屬于中生，坡度較陡，所以土壤排水條件很好，營養物質流失嚴重，腐殖質層相對較薄。由圖2可知，坡上部土壤在整個生長季都表現為CH4的吸收，吸收范圍是-14.72到-172.15 μg·m-2·h-1，為單峰曲線，峰值出現在7月，而5月份吸收通量最低，為-14.721 μg·m-2·h-1。

圖2 坡上部CH4通量月變化fig.2 Monthly variation of CH4flux in upper part of slope

3.1.3 坡下部-苔蘚興安落葉松林

坡下部主要為苔蘚興安落葉松林，地形平緩，是興安落葉松林沼澤化最高的群落類型，土壤極度潮濕，甚至局部積水，有較厚的泥炭層。由圖3可知，坡下部土壤CH4通量呈吸收與排放交替出現的趨勢，總體來說吸收量小于排放量，在5、8、9月對土壤CH4表現為排放，6、7月吸收。9月份排放通量最高，值為37.079 μg·m-2·h-1，5月份排放值最低，為0.213 μg·m-2·h-1。

3.1.4 坡腳-柴樺興安落葉松林

坡腳主要為柴樺興安落葉松林，地勢低洼，生境屬于水濕型，土壤水分非常飽和。由于地勢較低，土壤長期積水，呈厭氧條件，形成了比較適合產CH4菌生存的環境，所以該坡位在生長季的土壤CH4通量特征以排放為主。由圖4可知，8月份排放通量值最高，為105.417 μg·m-2·h-1，7月份排放通量值最低，為12.319 μg·m-2·h-1。

3.2 溫度對不同坡位興安落葉松林群落CH4通量的影響

3.2.1 溫度對坡頂CH4通量的影響

如圖5，杜香興安落葉松林地下10 cm和地表溫度的變化趨勢呈雙峰曲線。夏季由于氣溫和土壤溫度不斷上升，土壤中CH4氧化菌的活性及數量會達到一年中的最高值，土壤對CH4的吸收在6到8月間明顯增強，所以6到8月土壤CH4的吸收通量與溫度的變化規律相似。9月進入秋季后土壤溫度降低，CH4氧化菌處于休眠狀態或已失去活性，土壤CH4的通量也由吸收轉變為排放。地下20 cm溫度在5月份開始下降，之后逐漸上升8月份溫度最高，與土壤CH4通量變化不一致。由此可見土壤CH4通量的變化與地下10 cm和地表溫度變化規律相似，二者之間存在密切的聯系。運用SAS9.0軟件對土壤溫度進行分析，如圖6，坡頂杜香興安落葉松林土壤CH4通量與地下10 cm(R2=0.819，P＜0.01)、地表(R2=0.526，P＜0.01)溫度存在極顯著相關關系。

3.2.2 溫度對坡上部CH4通量的影響

圖3 坡下部CH4通量月變化Fig. 3 Monthly variation of CH4flux in lower part of slope

圖4 坡腳CH4通量月變化Fig. 4 Monthly variation of CH4flux in the bottom of hill

圖5 坡頂不同深度土壤溫度月變化Fig.5 Monthly variation of soil temperature in different depth of the hill top

圖6 坡頂CH4通量與土壤溫度線性擬合Fig.6 Relation between CH4flux and soil temperature in hill top

如圖7，草類興安落葉松林地下10 cm和地表溫度從5月份開始上升6月份均表現為最高溫度，7月份逐漸降低，8月份又出現溫度小高峰接著又開始下降，溫度變化沒有明顯規律性，與土壤CH4通量變化趨勢不一致。地下20 cm溫度變化規律與通量一樣呈單峰曲線，溫度在7月達到最大，這說明較為深層的土壤溫度對CH4的吸收有影響。運用SAS9.0軟件對土壤溫度進行分析，如圖8，草類興安落葉松林(坡上部土壤CH4通量與地下20 cm（R2=0.532，P＜0.01）存在極顯著相關關系。

圖7 坡上部不同深度土壤溫度月變化Fig. 7 Monthly variation of soil temperature in different depth of upper part of slope

圖8 坡上部CH4通量與土壤溫度線性擬合Fig.8 Relation between CH4flux and soil temperature in upper part of slope

3.2.3 溫度對坡下部及坡腳CH4通量的影響

由圖9～圖12可知，苔蘚與柴樺興安落葉松林土壤CH4通量與土壤地下10 cm、地下20 cm和地表溫度都不存在相關關系。可能是因為坡下部與坡腳地勢低洼，常年積水，土壤沼澤化程度相對較高，較高的土壤含水率抑制了溫度對產CH4菌的影響效果。

3.3 水分對不同坡位興安落葉松林群落CH4通量的影響

圖9 坡下部不同深度土壤溫度月變化Fig. 9 Monthly variation of soil temperature in different depth of lower part of slope

圖10 坡下部CH4通量與土壤溫度線性擬合Fig. 10 Relation betweenCH4flux and soil temperature in lower part of slope

圖11 坡腳不同深度土壤溫度月變化Fig. 11 Monthly variation of soil temperature in different depth of the bottom of hill

圖12 坡腳CH4通量與土壤溫度線性擬合Fig. 12 Relation between CH4flux and soil temperature in the bottom of hill

國內外大多數研究認為土壤CH4吸收通量與土壤水分含量呈負相關關系，土壤含水率影響CH4在土壤中的擴散和土壤好氧層的深度。當土壤含水率達到某一關鍵值時，會對 CH4氧化菌產生一定影響，同時土壤含水率也會影響土壤的通氣性，過高的土壤含水率會阻礙土壤中氣體移動，影響土壤與大氣進行氣體交換。研究中發現4種群落的土壤含水率差異較明顯，從高到低依次為：柴樺落葉松林＞苔蘚落葉松林＞杜香落葉松林＞草類落葉松林，土壤CH4通量由高到低的順序為柴樺落葉松林（坡腳）＞苔蘚落葉松林（坡下部）＞0＞杜香落葉松林（坡頂）＞草類落葉松林（坡上部），二者變化趨勢相同。

圖13 坡頂CH4通量與土壤含水量擬合關系Fig. 13 Relation between CH4flux and soil water content in the top of hill

圖14 坡上部CH4通量與土壤含水量擬合關系Fig. 14 Relation between CH4flux soil water content in upper part of slope

運用SAS9.0軟件進行相關性分析，結果如圖13～圖16，杜香落葉松林（坡頂）與草類落葉松林（坡上部）土壤由于含水率適中，土壤中存在良好的有氧空間，適宜土壤CH4吸收，當含水率增大后逐漸形成厭氧環境，土壤CH4通量由吸收轉為排放，分別與土壤含水率存在顯著(R2=0.653，0.592，P＜0.01）關系。坡下部與坡腳群落土壤由于長期處于淹水狀態（土壤含水率＞79%），所以土壤含水率不再是土壤CH4通量的限制因子，二者之間無顯著相關關系(R2=0.045、0.253，P＞0.05)。

通過以上研究可知，興安落葉松林土壤含水率是影響CH4通量的重要因素，低含水率土壤是適宜CH4氧化吸收的環境。當含水率增大到一定水平時會直接導致CH4源匯的轉變。在本研究中，含水率在31%～63%的范圍內土壤均表現出對CH4的氧化吸收，高于此范圍的土壤均為CH4的排放源。但是有研究指出，15%～22%的土壤水分含量是適于CH4產生的條件，這與本研究結論不一致，其原因可能是大興安嶺地區在生長季因其植被覆蓋度高，土壤保水能力較強，土壤含水率普遍較高，特殊的地理條件是影響CH4通量的重要因素。

圖16 坡腳CH4通量與土壤含水量擬合關系Fig. 16 Relation between CH4flux soil water content in the bottom of hill

4 結論與討論

4.1 討論

在本研究中，杜香興安落葉松林土壤CH4通量在生長季表現為吸收大于釋放，其中在5月和9月釋放CH4，而馬秀枝等對大興安嶺杜香興安落葉松林CH4通量的研究結果是生長季均為吸收，且吸收的最大值為8月，生長季土壤含水率平均為29%（馬秀枝等，2012）。這種差異的原因可能是在本實驗觀測時5月和9月土壤含水率都非常高，達到了74%和67%，較高的土壤含水率會抑制甲烷氧化菌的活性和數量，為CH4的產生提供了良好的厭氧環境（孫樹臣等，2011）。草類興安落葉松林土壤在生長季表現為CH4吸收，這與徐慧等對長白山北坡生草森林土壤CH4通量的研究結果一致（徐慧等，1995）。草類興安落葉松林土壤平均含水率為整個坡面最低，在含水率較低的條件下，甲烷氧化菌占據優勢，在土壤水分未達田間持水量之前，其活性一直增強，從而導致土壤對大氣中CH4的吸收（李俊等，2005）。苔蘚興安落葉松林生境屬于死水沼澤向活水生境過度的中間類型，土壤潮濕，甚至局部積水，通量變化規律為春季釋放，夏季吸收，秋季釋放，這與同緯度小興安嶺興安落葉松泥炭蘚沼澤林CH4春夏季釋放，秋季吸收的變化不一致（牟長城等，2010）。丁維新等人提出當土壤含水率適宜時，溫度對CH4氧化的影響才能表現出來（丁維新和蔡祖聰，2003），我們實測6、7月土壤含水率低于春秋兩季，而此時土壤溫度較高，這可能是苔蘚興安落葉松林在夏季表現為CH4釋放的原因。柴樺興安落葉松林生境屬于水濕型，土壤水分非常飽和，平均土壤含水率為83%，是興安落葉松林沼澤化最高的群落類型，在整個生長季都強烈的釋放CH4，且秋季釋放通量最大，這與石蘭英等（石蘭英等，2010）對小興安嶺沼澤CH4釋放的研究結果一致。

在我們的實驗中，土壤水熱條件是影響落葉松林CH4通量的重要因素，通量的變化是兩種因素綜合影響的結果。土壤含水率是決定CH4釋放或吸收的主要因子，而土壤溫度主要影響通量大小（牟長城等，2010），當土體存在其他環境因子限制CH4形成與消耗時，溫度作用將不很明顯（徐星凱和周禮愷，1999）。4種落葉松林群落土壤CH4通量季節性的差異是由環境因素變化引起，而環境因素的不同，我們認為是由坡位不同導致的。

同一坡面，地理位置不同其地表植被、水熱條件、土壤類型也各異。不同的坡位覆蓋有不同的林下植被，林下植被群落的組成可以反映出該地帶的土壤理化性質、水熱條件等特征。坡上部由于坡度較為陡立，土壤不能很好的保存水分，土壤含水率最低，完全吸收CH4；坡腳地勢低洼，容易積水，土壤含水率最高，完全釋放CH4。由此可見因坡位不同引起的土壤含水率的變化直接導致土壤CH4源匯的轉變。坡頂與坡下部的土壤水分條件介于前二者之間，所以在生長季既有CH4的釋放也有CH4的吸收，海拔更低的坡下部含水率高于坡頂，所以前者以釋放為主，后者以吸收為主。綜合來看，溫度和土壤含水率是影響CH4通量的直接因素，而坡位不同會導致水熱條件發生變化，應該被考慮為影響CH4通量的一個重要因素。

4.2 結論

研究結果表明不同坡位興安落葉松林土壤CH4通量月變化存在顯著差異。杜香興安落葉松林土壤(坡頂)在5—9月CH4通量特征表現為吸收大于釋放，是CH4的匯；草類興安落葉松林(坡上部) CH4通量特征均表現為吸收，為CH4的匯；苔蘚興安落葉松林土壤(坡下部)CH4通量特征表現為釋放大于吸收，是CH4的源；柴樺興安落葉松林(坡下部)CH4通量特征均表現為釋放，是CH4的源 。研究區域中興安落葉松林土壤對CH4的吸收量要高于釋放量，說明興安落葉松林是溫室氣體重要的碳匯，可以有效的消除大氣中的CH4氣體。同時，可能是由于大興安嶺地處高緯度多年凍土區，這樣獨特的地理環境導致水熱條件對CH4通量的影響并沒有表現出明顯的規律性，這方面的問題還有待深入探討。

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Impact of water and temperature on soil CH4fluxes of Larix gmelinii of different slope positions

WANG Bo1, WANG Shusen1*, LUO Yuyang1, LIU Bo1, LI Kaifeng1, LAN Xiaohui1
Inner Mongolia Agricultural University College of Ecology and Environmental Science, Hohhot 010010, China

Larix gmelinii forest area is the largest of coniferous forests in north China, is an important carbon sink of China, and has important influence on Chinese sequstration and the global climate change. Because of its highly humid, cold and frozen environment, the dynamics of absorption and release of soil CH4in Larix gmelinii forest is different from others. Therefore, the research on soil CH4dynamics and its relationship with environment has an important theoretical and practical significance to reveal the local forest carbon dynamics and its effect on climate change. Study sites were selected in different slope positions of four kinds of typical Larix gmelinii forest communities in Inner Mongolia Genhe national ecological research station and done in May to September of 2011. The CH4were collected by static box and analyzed by an automatic cavity ring-down spectrophotometer, and measured the soil temperature of different depth and soil moisture content as well, Using variance, correlation analysis and other statistical methods, we studied the monthly changes of soil CH4fluxes, and analyzed the effect of soil temperature and moisture content on CH4fluxes. Results showed as follow: (1) Soil CH4in hilltop emitted in spring, uptook in summer, and released again in autumn in hilltop. Uptaking was greater than emission, the average flux of top slope is -68.12 μg·m-2·h-1. (2) Soil CH4in upper part of slope uptook in spring, summer and autumn, the average flux of upper part of slope is -342.49 μg·m-2·h-1, (3) Soil CH4in lower part of slope emitted in spring, uptook in summer, emitted again in autumn, emission is greater than absorption, the average flux of lower part of slope is 67.8 μg·m-2·h-1. (4) Soil CH4in bottom of hill emitted in spring, summer and autumn, the average flux of the bottom of slope is 263 μg·m-2·h-1. On the whole, the result of soil CH4fluxes of Larix gmelinii was absorption is greater than emission, this shows that Greater Higgnan Mountains which located in cold temperate zone is the sink of CH4. CH4fluxes has certain correlation with temperature and soil moisture content at all times during the observation, these two factors affect the change of CH4fluxes from different aspects, and with the change of slope positions, soil environmental conditions changed as well, this is also an important factor affecting CH4fluxes.

X14；S718.5

A

1674-5906（2014）02-0196-07

王博，王樹森，羅于洋，劉波，李凱鋒，蘭小惠. 水熱條件對不同坡位興安落葉松林土壤CH4通量的影響[J]. 生態環境學報, 2014, 23(2): 196-202.

WANG Bo, WANG Shusen, LUO Yuyang, LIU Bo, LI Kaifeng, LAN Xiaohui. Impact of water and temperature on soil CH4fluxes of Larix gmelinii of different slope positions [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(2): 196-202.

國家自然科學基金項目（30960076）；內蒙古自然基金項目（2009BS06，02）

王博（1989年生），男，碩士研究生，研究方向為森林溫室氣體及森林碳匯研究。E-mail：wbbrave@163.com。通信作者：王樹森，碩士生導師，研究方向為植物學及森林碳匯。E-mail：wsswtt@126.com

2013-10-30

Key wadrs: slope positions; CH4fluxes; greater higgnan mountains; Larix gmelinii