大興安嶺興安落葉松林土壤CO2、CH4的晝夜變化特征1)

馬忠濤 張秋良 楊琳

(內蒙古農業大學，內蒙古,010020)

土壤是陸地生態系統中的最大碳庫，陸地生態系統在全球碳平衡和碳循環中起著至關重要的作用[1]，土壤環境的改變是加速土壤向大氣中排放溫室氣體的重要因素，同時也是加劇全球變暖進程的主要誘因之一[2]。森林作為陸地生態系統的主體，是全球碳循環的重要組成部分[3-4]，森林土壤作為全球的重要碳庫也成為了溫室氣體的主要排放源，對全球氣候變化以及碳動態變化具有重要作用[5]。由于土壤環境會受到多種環境因子的協同影響，導致土壤CO2、CH4這兩種溫室氣體的排放具有很強的時空異質性[6-7]。因此，在全球變化背景下，研究森林土壤溫室氣體的排放特征，了解土壤溫室氣體晝夜變化趨勢，有助于推動對未來氣候變化下碳循環過程的認識，從而采取科學措施應對氣候變化[8-10]。

目前國內外有關森林生態系統土壤溫室氣體通量的研究大多集中在熱帶、亞熱帶及溫帶地區[11-13]，大興安嶺北部林區位于寒溫帶，是我國面積最大的原始林區，興安落葉松(Larixgmelinii)是該區主要的地帶性植被，林分覆蓋面積為1.56×107hm2，占全國森林面積的13.2%。由于生長季短、溫度低、凍土活動層薄等特點，興安落葉松林區對全球氣候變暖可能會更加敏感[14]。本文以大興安嶺地區建群樹種興安落葉松林為研究對象，對2019年度春、夏、秋、冬四季的土壤CO2、土壤CH4及水熱因子(地表水汽摩爾分數、土壤10 cm溫度)晝夜變化進行連續原位觀測，分析土壤CO2、土壤CH4在不同季節的晝夜變化特征及對水熱因子的響應，以期為高緯度寒溫帶興安落葉松林生態系統地下碳循環機制及該區域碳源、匯效應研究提供理論依據和數據參考。

1 研究區概況

研究區域位于內蒙古自治區東北部的大興安嶺地區，國家野外科學觀測研究站內的試驗區，在根河林業局潮查林場境內(50°49′～50°51′N，121°30′～121°31′E)，地處大興安嶺西北坡，最高海拔2 029 m，最低海拔180 m。該區域屬于寒溫帶大陸性季風氣候，區域內有大面積的季節性凍土和多年凍土。年均日照2 594 h，冬季比較寒冷，并且長達7個月以上，植物生長季短暫，夏季只有2個月左右。在2007—2020年間，年最低氣溫出現在2018年，低至-46.2 ℃，年平均氣溫為-2.9 ℃。年降水量450～550 mm，60%集中在7、8月[12]。降雪期為當年9月末至次年5月初，降雪厚度20～40 cm，降雪量占全年降水總量的12%。全年地表蒸發量800～1200 mm，無霜期90～110 d。主要建群樹種為興安落葉松，伴生白樺，其中分布廣且具代表性的有杜鵑—興安落葉松林、越桔—興安落葉松林、杜香—興安落葉松林、草類—興安落葉松林及白樺—落葉松林等。土壤以棕色針葉林土為主，土層30～40 cm。

2 研究方法

2.1 樣地設置

在研究區內，選擇一塊面積為400 m2(20 m×20 m)的具有代表性的典型固定樣地，于2019年3月—2020年3月對土壤CO2、CH4進行長期連續原位觀測。由于測量系統配套設施的通道長度有限，并且測量通道數量有限，因此對樣地進行子樣地分割設計，將樣地按照5 m×5 m大小劃分為16個子樣地，并根據子樣地的立地條件及分布采用定點選擇4個子樣地，在每個子樣地中選取1個土壤呼吸測定點，以確保測量數據具有可靠性和代表性。在土壤呼吸測定點內將高10 cm、直徑20 cm的PVC土壤環一端壓入土壤5 cm深處，并清除地表植被與雜物。由于該地區降雪較多，而積雪會改變土層溫度，從而影響土壤理化性質的一系列變化，為了避免雪被覆蓋對土壤呼吸的影響，因此在降雪期間使用1 m×1 m的擋雪設備對土壤呼吸室進行防護，并定期清理積雪，這樣既避免積雪覆蓋對呼吸室觀測造成影響，同時保證觀測點內的環境不被破壞。

試驗樣地海拔高度813m，坡向為正北；樣地內主要喬木為興安落葉松(Larixgmelinii)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)，平均胸徑為10.01 cm，平均樹高為9.97 m，林齡為中林齡，郁閉度0.75；主要灌木為杜香(LedumpalustreL.)，株高0.31 m，蓋度39%。土壤以棕色針葉林土為主，土層30～40 cm，腐殖質層在10 cm左右，土壤密度為(1.32±0.06)g·m-3，土壤有機質質量分數為(42.74±0.92)g·kg-1。

2.2 土壤通量測定方法

本研究所采用的儀器為LGR全自動多通道長期土壤通量測量系統，包括SF-3000多通道控制單元、915-0011分析儀(UGGA)。為保護儀器，避免其受到極端天氣帶來的影響與損壞，全自動多通道長期土壤通量測量系統(SF-3000、UGGA)放置在樣地旁搭建的彩鋼屋內，由太陽板、風電以及蓄電池保證充足的電量。測量原理為動態氣室法，分4個通道(氣室)連續測量CO2和CH4兩種溫室氣體，每個氣室的測量時間為180 s，其中包括30 s的氣體平衡時間，以及150 s的有效測量時間，對4個通道進行依次循環測量。在測量過程中，使用3 min的測量周期，即每個測定點依次測量3 min并重復循環(30 s氣體平衡時間，150 s有效測量時間)，測量周期的選擇與其他使用類似儀器的學者相似[15-17]。與其他類型儀器相比，該套儀器可以實現多點位(多通道)長期連續觀測，測量頻率更高，數據連續性更好，并且觀測數據實時傳輸并顯示。

用氣相色譜儀分析本研究中的CO2和CH4濃度，并用氣體變動模型[18](公式1)將其轉化為通量。

氣體變動模型計算采用如下公式：

(1)

土壤10 cm溫度的測量由呼吸室內嵌的PT-1000溫度傳感器(德國)測量，水汽摩爾分數由LGR分析儀進行測量分析。通量觀測時間為2019年3月—2020年3月的春(4月15日—4月16日)、夏(7月19日—7月20日)、秋(10月13日—10月14日)、冬(1月15日—1月16日)四季晴朗的兩天進行48 h連續觀測。

2.3 數據處理

土壤溫室氣體自動測量系統所獲取的數據會因為氣室關閉不正?；蛎芊庑缘葐栴}出現數據的異常[19]，因此，當時間和CO2、CH4濃度線性回歸的R2值低于0.8時，認為數據可能存在問題并剔除[20]。通量數據利用Excel軟件進行異常值剔除及數據插補，根據氣體通量單位時間內正常變化速率的測算[21]，刪除了與相鄰數據差異大于5 μmol·m-2·s-1的CO2異常值和大于5 nmol·m-2·s-1的CH4異常值。

通量與地表溫度、水汽摩爾分數之間的關系由單因子回歸法進行分析，土壤凍結時期與土壤消融時期的CO2、CH4差異性采用單因素ANOVA分析，CO2、CH4的日通量計算方法為各測量點逐時累加再平均。

通量數據的整理工作由EXCEL完成，通量與地表溫度、水汽摩爾分數的回歸分析由SPSS17.0完成，圖形處理、繪制由ORIGIN2018完成。

3 結果與分析

3.1 CO2、CH4不同季節晝夜變化特征

興安落葉松林地表溫度、水汽摩爾分數晝夜變化監測結果表明(圖1)，地表溫度在白天逐漸升高，午后達到峰值，在夜晚逐漸下降，不同季節最低值出現的時間略有差異，但都集中在清晨06:00左右，呈現出明顯的單峰型變化特征。最高溫度和最低溫度的出現均有一定的滯后性，出現這種情況的原因是土壤的熱容量較大，導熱率遠低于空氣的流動交換，并且導致地表溫度晝夜極差較小，不同季節的晝夜極差均低于10 ℃。

圖1 不同季節土壤CO2和土壤CH4晝夜變化特征

地表水汽摩爾分數的晝夜變化差異較為明顯，與地表溫度的變化趨勢相近，白天逐漸增大，其峰值出現的時間較早，多在午時12:00時左右，夜間水汽摩爾分數變低，最小值出現在凌晨04:00左右。夏季水汽摩爾分數的晝夜極差遠高于春冬季，季節的差異只影響了地表溫度和水汽摩爾分數的變化范圍和晝夜極差，對晝夜變化特征沒有較大的影響，均呈現白天高，夜間低的單峰型變化特征。

本研究中土壤CO2、CH4通量值用單位時間、單位面積的濃度值表示。興安落葉松林土壤CO2通量具有明顯的晝夜變化特征，白天土壤CO2通量不斷增大，在午時達到峰值，之后開始下降，在夜間變化較為穩定。春季土壤CO2通量晝夜變化范圍為(0.77±0.12)～(2.07±0.33)μmo·m-2·s-1，日均值為(1.10±0.28)μmol·m-2·s-1；夏季土壤CO2通量晝夜變化范圍最大，為(1.91±0.3)～(5.35±0.85)μmol·m-2·s-1，日均值為(3.42±0.92)μmol·m-2·s-1；秋季土壤CO2通量晝夜變化范圍為(1.36±0.22)～(2.10±0.33)μmol·m-2·s-1，日均值為(1.77±0.22)μmol·m-2·s-1；冬季土壤CO2通量晝夜變化范圍最小，為(0.18±0.03)～(0.53±0.08)μmol·m-2·s-1，日均值為(0.24±0.06)μmol·m-2·s-1。夏季土壤CO2通量晝夜變化波動最大，冬季晝夜變化波動最小，同時其日均值大小為夏季最大，冬季最小。

土壤CO2通量在不同季節晝夜變化特征一致，均表現為白天高，夜間低的單峰型變化特征，其最大最小通量值出現的時間與地表溫度更為接近。由此可知，在沒有降雨的天氣時，地表溫度是影響土壤CO2通量變化的主導因素。溫度升高可以增進微生物的活性、加快土壤有機質分解，進而促進土壤呼吸作用。同時溫度的升高也影響植物的生長及其生理活動，增強根系的呼吸作用。

土壤CH4通量的晝夜變化與土壤CO2通量相比具有較大差異，監測結果表明，土壤CH4通量晝夜變化波動較小，夜間土壤CH4通量不斷增大，在零點左右出現最大值，白天土壤CH4通量不斷減小，在午時溫度最大時達到最小值，其白天減小趨勢與地表溫度變化趨勢一致。夏季土壤CH4通量晝夜變化范圍最大，為(3.23±0.51)～(7.31±2.35)nmol·m-2·s-1，日均值為(5.20±1.17)nmol·m-2·s-1，冬季土壤CH4通量晝夜變化范圍最小，為(0.29±0.07)～(0.69±0.20)nmol·m-2·s-1，日均值為(0.45±0.12)nmol·m-2·s-1。

3.2 CO2、CH4不同季節與溫度、水汽摩爾分數相關性

建立土壤10 cm溫度、地表水汽摩爾分數與土壤CO2、CH4的相關性分析，結果表明，土壤CO2通量與土壤10 cm溫度均呈現正相關關系，且不同季節的相關程度差異性明顯，冬季土壤CO2通量晝夜變化與土壤10 cm溫度無相關性，春、夏、秋季的土壤CO2晝夜變化具有明顯相關性，其中，秋季相關性達到極顯著(R2=0.795，P<0.01，n=48)圖1。土壤CO2晝夜變化與水汽摩爾分數基本無相關性，其主要原因是水汽摩爾分數不是控制土壤CO2晝夜變化的主導因素，同時也與試驗選取的晴朗天氣有關(表1、表2)。

表1 不同季節土壤CO2、CH4與土壤10 cm溫度相關性

表2 不同季節土壤CO2、CH4與水汽摩爾分數相關性

圖2 土壤CO2與土壤10 cm溫度、水汽摩爾分數的相關性

土壤CH4與水汽摩爾分數和土壤10 cm溫度的相關性分析表明，土壤CH4通量的晝夜變化與水熱因子的關系并不明顯，在春、夏、秋季土壤CH4通量與水汽摩爾分數、土壤10 cm溫度均無明顯的相關性，但在冬季土壤CH4晝夜變化與水汽摩爾分數、土壤10 cm溫度相關程度均較顯著。

興安落葉松林土壤CO2與土壤CH4日碳通量匯總結果表明，興安落葉松林為土壤CO2的釋放源，為土壤CH4的吸收匯，不同季節的日CO2排放量和CH4吸收量具有明顯差異，不同季節土壤CO2日排放量和土壤CH4吸收量的大小關系為夏季、秋季、春季、冬季(表3)。

表3 不同季節土壤CO2日排放量、土壤CH4日吸收量 mg·m2

4 結論與討論

土壤呼吸是一個相對復雜的過程[22-23]，受到大氣和土壤環境等多種因素的協同影響[24]，本研究表明土壤CO2和土壤CH4具有明顯的晝夜變化特征，晝夜差異性較大，白天變化浮動大，夜間波動較小，土壤CO2釋放速率白天強于夜間，土壤CH4吸收速率白天弱于夜間，該研究結果與吳夏等對桂林市巖溶區和牟長城等人對小興安嶺的研究結果一致[25-26]。大興安嶺興安落葉松林四季均為土壤CO2排放源，為土壤CH4吸收匯，這一結論與以往的研究結果相一致，好氣的自然土壤如森林、草原等都是CO2的強釋放源，同時具有吸收大氣CH4的能力[13，27]。溫濕度被認為是影響土壤CO2、CH4排放的主要因子，本研究結果表明，除冬季外，土壤CO2通量晝夜變化均與土壤10 cm溫度呈顯著的正相關性，土壤10 cm溫度是決定土壤CO2排放的主導因子，水汽摩爾分數在正常晴朗天氣時與土壤CO2相關性并不顯著，興安落葉松土壤CH4通量春夏秋3季晝夜變化與土壤10 cm溫度、水汽摩爾分數無明顯相關性。土壤CH4的晝夜變化與土壤10 cm、水汽摩爾分數的相關性均不明顯，而冬季，溫濕度是影響土壤CH4的主導因素，土壤CH4與土壤10 cm溫度、水汽摩爾分數呈現顯著相關性。其他學者的研究也證明了土壤CH4與水熱因子的相關性具有很強不確定性[8]，說明原位觀測很難明確土壤CH4的變化影響機制，在不同時間尺度對土壤CH4變化特征的控制因子的研究是今后要重視的科學問題。