李海防

（1. 桂林理工大學(xué)旅游學(xué)院，廣西 桂林 541004；2. 中國(guó)科學(xué)院華南植物園，廣東 廣州 510650）

華南地區(qū)4種典型人工林土壤CO2和CH4通量研究

李海防1,2

（1. 桂林理工大學(xué)旅游學(xué)院，廣西 桂林 541004；2. 中國(guó)科學(xué)院華南植物園，廣東 廣州 510650）

采用靜態(tài)箱/氣相色譜分析技術(shù)對(duì)中國(guó)科學(xué)院鶴山丘陵綜合開放試驗(yàn)站尾葉桉純林（Eucalyptus urophylla, EUp）、厚莢相思純林（Acacia crassicarpa, ACp）、10個(gè)樹種混交林（Tp）和30個(gè)樹種混交林（THp）4種林型的土壤CO2和CH4排放通量進(jìn)行了原位測(cè)定，研究純林和混交林對(duì)土壤溫室氣體排放的影響。結(jié)果表明：4種林型土壤都是CO2的源，但對(duì)CH4而言，可能是源，也可能是匯。CO2和CH4排放通量季節(jié)波動(dòng)幅度較大；4種林型土壤CO2和CH4通量在濕季均維持較高水平；峰值均出現(xiàn)在濕季，旱季則趨于降低，且相對(duì)穩(wěn)定。由于EUp和ACp純林土壤微生物碳（Microbial Biomass Carbon，MBC）比混交林高，導(dǎo)致Eup（130.67 mg·m－2·h－1）和Acp（134.65 mg·m－2·h－1）土壤CO2通量顯著高于Tp（111.39 mg·m－2·h－1）和THp（108.53 mg·m－2·h－1）。在4種林型中，尾葉桉和厚莢相思對(duì)土壤NO3-N和NH4-N快速吸收，土壤CH4排放通量較低。土壤溫度、濕度、MBC、NO3-N和NH4-N都是影響土壤CO2和CH4通量的重要因子。

森林土壤；CO2通量；CH4通量；純林；混交林

溫室氣體是指地球大氣中導(dǎo)致溫室效應(yīng)的氣體，主要包括CO2和CH4等。近幾十年來(lái)，大氣中的溫室氣體在逐年增加[1～2]。據(jù)IPCC（2001）估計(jì)，大氣中CO2和CH4年均增長(zhǎng)速度分別達(dá)到0.5%和0.8%，全球增溫效應(yīng)越來(lái)越明顯[3]。在溫室氣體的所有排放源中，其主要源是土壤[4]。土壤有機(jī)碳（Soil Organic Carbon，SOC）經(jīng)土壤微生物的礦化作用，以CO2形式釋放到大氣中[5]。土壤CH4排放是甲烷產(chǎn)生菌和甲烷氧化菌共同作用的結(jié)果[6]。土壤CO2和CH4通量受土壤溫度[7～8]、濕度[9～10]、質(zhì)地[11～12]、微生物量[13]、可溶性氮[14～16]等多種因素的影響。此外，植被類型變化能通過改變上述各種環(huán)境因素，進(jìn)而影響土壤CO2和CH4通量[17]。

人工林是我國(guó)森林類型的重要組成部分，據(jù)全國(guó)綠化委員會(huì)發(fā)布的《2007年中國(guó)國(guó)土綠化狀況公報(bào)》顯示，我國(guó)人工林面積達(dá)0.62億hm2，占世界人工林面積的1/3，居世界第一；且主要是一些速生純林，如桉樹（Eucalyptussp.）、馬尾松（Pinus massoniana）林以及相思樹（Acaciasp.）林等[18]，而混交林則相對(duì)較少。在華南人工林產(chǎn)區(qū)，純林和混交林林型變化對(duì)土壤溫室氣體排放有什么影響，相關(guān)的研究還不多，有些研究結(jié)果還有待進(jìn)一步證實(shí)[19]。因而，研究純林和混交林土壤CO2和CH4通量變化，探尋林型變化對(duì)CO2和CH4通量影響機(jī)制，對(duì)豐富人工林生態(tài)系統(tǒng)碳固定及固碳減排理論與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和減小溫室氣體排放具有重要的理論意義和實(shí)踐意義。

本研究以中國(guó)科學(xué)院鶴山丘陵綜合開放試驗(yàn)站典型人工林為研究對(duì)象，原位系統(tǒng)測(cè)定尾葉桉純林（E. urophyllaplantation，EUp）、厚莢相思純林（A. crassicarpaplantation，ACp）、10個(gè)樹種混交林（10-species-mixed plantation，Tp）、30個(gè)樹種混交林（30-species-mixed plantation，簡(jiǎn)寫：THp）林下土壤CO2和CH4通量，對(duì)CO2和CH4通量和環(huán)境因子的關(guān)系進(jìn)行探討，探究人工純林和混交林在溫室氣體排放中的作用。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 自然概況

實(shí)驗(yàn)選在中國(guó)科學(xué)院鶴山丘陵綜合開放試驗(yàn)站共和樣地。該站位于廣東省鶴山市，112° 54′ E，22° 41′ N，地形多為海拔100 m以下的丘陵地。試驗(yàn)站所在地屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，年均太陽(yáng)輻射4 350.5 MJ/（m2·a）；年平均氣溫21.7 ℃，極端最高溫37.5 ℃，極端最低溫0 ℃。年均降水量為1 800 mm，有明顯的干、濕季之分，干季為10月到翌年3月，濕季為4月到9月；年均蒸發(fā)量為1 638.8 mm。丘陵地土壤為赤紅壤，屬?gòu)?qiáng)酸性土壤。人工林建于2005年春，造林前皆為荒草地，面積約50 hm2，有尾葉桉純林、厚莢相思純林、10個(gè)樹種混交林和30個(gè)樹種混交林等不同林型；每個(gè)林型有3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)樣地面積約1 hm2（表1）。林下灌草主要為芒萁（Dicranopteris dichotoma）、烏毛厥（Blechnum orientale）和崗松（Baeckea frutescens）等。

表1 4種人工林樣地概況Table 1 General situation of four plantations

1.2 研究方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 在研究區(qū)選取EUp、ACp、Tp和THp 4種林型為研究對(duì)象。在每塊樣地建立1個(gè)10 m×10 m的小區(qū)，共計(jì)12個(gè)小區(qū)（4個(gè)林型×3個(gè)重復(fù)）。

1.2.2 采樣方法

1.2.2.1 土壤溫室氣體采樣 土壤CO2和CH4排放通量用靜態(tài)箱/氣相色譜法進(jìn)行測(cè)定。土壤溫室氣體采樣從2007年6月開始到2008年5月結(jié)束。每?jī)蓚€(gè)星期采樣一次。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)設(shè)置2個(gè)靜態(tài)箱，箱體由PVC管制成，內(nèi)徑22 cm，高20 cm。不銹鋼底座固定于采氣樣點(diǎn)，整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)不再移動(dòng)。每次采樣都在9:00開始[8]，將采氣箱放在不銹鋼底座凹槽中，加水密封，扣箱后用100 mL塑料注射器于0、10、20、30 min抽取箱內(nèi)氣體，采集的氣樣迅速帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行氣相色譜分析。

1.2.2.2 表層土壤采樣 表層土樣分別于2007年9月和2008年3月干濕季各取樣一次。在每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取6個(gè)點(diǎn)，在每一點(diǎn)用直徑8.5 cm的采土器取0 ～ 10 cm深的表土，每個(gè)小區(qū)土樣由6次取樣混和而成。土樣立即帶回實(shí)驗(yàn)室，其中，用于理化性質(zhì)分析的樣品風(fēng)干磨細(xì)，過孔徑2 mm篩；分析土壤微生物生物量的樣品放入－4℃的冰箱保存。

1.2.3 測(cè)定方法

1.2.3.1 土壤溫室氣體測(cè)定 采集的氣樣在24 h內(nèi)用HP5890氣相色譜儀分析CO2和CH4濃度。溫室氣體通量的計(jì)算是通過氣體濃度隨時(shí)間的變化，計(jì)算單位地表面積的氣體排放通量。土壤溫室氣體排放通量用以下公式計(jì)算：

式中，dc/dt為觀測(cè)時(shí)間箱內(nèi)氣體濃度隨時(shí)間變化的直線斜率；M為氣體的摩爾質(zhì)量（g/mol）；V0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（溫度273 K，氣壓1 013 hPa）氣體的摩爾體積（22.41×10－3m3）；T0和P0分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣絕對(duì)溫度（K）和氣壓（hPa），P為采樣點(diǎn)的氣壓（hPa），T為采樣時(shí)的絕對(duì)溫度（K），H為采樣箱的高度（cm）。

1.2.3.2 土壤溫濕度測(cè)定 在抽取土壤溫室氣體氣樣的同時(shí)，在靜態(tài)箱底座處隨機(jī)選取3個(gè)測(cè)定點(diǎn)，用土壤溫度計(jì)（Fisher Scientific）和濕度計(jì)（TK1-Basic, Delta-T Devices Ltd, Cambridge, UK）分別測(cè)定地表0 ～ 10 cm土壤溫濕度。

1.2.3.3 土壤理化性質(zhì)及微生物碳的測(cè)定[20]土壤pH值采用土壤pH計(jì)水浸液測(cè)定法；土壤SOC含量采用重鉻酸鉀氧化法；土壤NH4-N采用靛酚蘭比色法進(jìn)行測(cè)定；土壤NO3-N采用酚二磺酸比色法；土壤微生物碳（Microbial Biomass Carbon，MBC）采用氯仿熏蒸，KCL浸提容量分析法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS13.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，用LSD法檢驗(yàn)不同處理對(duì)土壤CO2和CH4排放及土壤理化性質(zhì)影響差異的顯著性。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤CO2和CH4排放通量季節(jié)動(dòng)態(tài)變化

研究結(jié)果表明，4種林型土壤CO2和CH4排放通量分別在32.85 ～ 225.99 mg·m－2·h－1和－45.56 ～ 189.42 μg·m－2·h－1變化，該范圍與前人研究結(jié)果基本相符[21～22]。從圖1可以看出，CO2排放通量都為正值，4種林型土壤都是CO2的源。但CH4排放通量在濕季多為正值，在干季多為負(fù)值，表明地表土壤根據(jù)外界環(huán)境的變化，土壤在CH4的源與匯之間變化。CO2和CH4通量均具有明顯的季節(jié)變化趨勢(shì)，在濕季（4－9月）明顯較高，而在干季（10月到翌年3月）則趨于降低，且保持相對(duì)穩(wěn)定。

一般認(rèn)為，土壤溫度和濕度是影響土壤溫室氣體排放的主要環(huán)境因子[23]。從圖1可以看出，CO2和CH4通量峰值均出現(xiàn)在濕季（圖1）。在濕季，土壤微生物和土壤根系活性較高，CO2和CH4通量易受其他環(huán)境因子影響，因而波動(dòng)幅度較大[23]。CH4的產(chǎn)生通常要求厭氧環(huán)境，在濕季，降雨量較大，隨著土壤濕度的增加，CH4排放通量加大，降雨使土壤濕度達(dá)到最佳濕度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)吸收CH4峰值[24]。CO2和CH4通量在干季降低的主要原因是由于地表土壤溫濕度降低，土壤微生物和土壤根系活性下降，土壤微生物呼吸和根呼吸都處于抑制狀態(tài)，導(dǎo)致溫室氣體通量下降，這與前人的研究結(jié)果一致[25]。

圖1 4種人工林土壤CO2和CH4排放通量月動(dòng)態(tài)變化Figure 1 Monthly variations of soil CO2and CH4fluxes in four plantations

2.2 4種人工林土壤理化性質(zhì)分析

研究結(jié)果表明，純林和混交林對(duì)土壤理化性質(zhì)有重要的影響（表2）。EUp和ACp純林地表土壤濕度顯著（P＜ 0.01）高于Tp和THp混交林，而土壤溫度則相對(duì)較低（P ＜ 0.05）。這是因?yàn)槲踩~桉和厚莢相思是典型的速生樹種，生長(zhǎng)速度快，郁閉度高（表1），地表土壤通透度較低，光照較弱，導(dǎo)致地表溫度略低；同時(shí)，溫度降低減緩?fù)寥浪终舭l(fā)散失，土壤濕度較高。純林和混交林對(duì)土壤pH沒有明顯影響，4種林型土壤pH沒有顯著差異（表2）。表2結(jié)果表明，EUp和ACp純林土壤SOC含量與Tp和THp相比并不顯著。一般認(rèn)為，土壤SOC含量與植被凋落物的輸入密切相關(guān)，速生樹種年生長(zhǎng)量高于慢生樹種，地面凋落物輸入量大，土壤SOC含量一般較高[26]，但在本實(shí)驗(yàn)中，由于造林時(shí)間較短，這可能是土壤SOC差異不顯著的主要原因。在EUp和ACp純林，林下土壤NO3-N和NH4-N含量明顯較低（表2），這可能是由于速生林對(duì)NO3-N和NH4-N需求較高的緣故。龔珊珊等人研究指出，由于速生林對(duì)土壤養(yǎng)分的大量消耗，桉樹林下土壤有效氮的含量顯著減少[27]。土壤MBC雖然僅占土壤有機(jī)C總量的1% ～ 4%，但它卻是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的活性庫(kù)或源，是C素循環(huán)和周轉(zhuǎn)的重要媒介[28]。土壤MBC含量反映了土壤微生物的生物量。與Tp和THp混交林相比，EUp和ACp純林林下環(huán)境在一定程度上有利于土壤微生物的生存繁衍，土壤MBC明顯較高（表2）。

表2 4種人工林下土壤理化性質(zhì)Table 2 Soil physical and chemical characteristics of four plantations

2.3 影響土壤CO2和CH4通量的主要因素

由圖2結(jié)果表明，純林和混交林林下土壤CO2年通量具有明顯的規(guī)律性，林型變化對(duì)土壤CO2排放有重要影響。EUp（130.67 mg·m－2·h－1）和ACp（134.65 mg·m－2·h－1）純林土壤CO2通量顯著高于Tp（111.39 mg·m－2·h－1）和THp（108.53 mg·m－2·h－1）混交林。一般認(rèn)為，土壤CO2排放是土壤生物化學(xué)過程的結(jié)果，所有能直接或間接影響生物化學(xué)過程的環(huán)境因子都能影響土壤CO2的排放[24]。根據(jù)一年的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，得出CO2通量與各環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)矩陣（表3）。結(jié)果表明，土壤CO2通量與表層土壤溫度和濕度具有顯著正相關(guān)性，這與很多人的研究結(jié)果相一致[7,29]。從表2和表3也看出，4種林型MBC含量差異顯著（P ＜ 0.05），且CO2通量與MBC含量呈正相關(guān)性（r = 0.560，n = 6）。這說明，在4種林型中，由于尾葉桉和厚莢相思為速生樹種，與Tp和THp混交林相比，林下土壤溫度較低，但土壤濕度較大（表2）。土壤溫度和土壤濕度作為影響土壤溫室氣體排放的重要因子，可能在EUp和ACp林下土壤創(chuàng)造一個(gè)有利于土壤微生物的小環(huán)境[30～31]，MBC顯著增高，微生物活性較強(qiáng)，因而土壤CO2通量增高。表3還表明，土壤CO2通量與SOC的相關(guān)并不顯著，且在表2中，EUp和ACp速生林土壤SOC含量與混交林相比也不顯著。但很多研究表明[2,16]，土壤SOC是影響土壤CO2通量的重要因子。在本實(shí)驗(yàn)中，土壤SOC含量對(duì)CO2通量影響不顯著，這可能是由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短，效果還不顯著的緣故。

從圖2可以看出，EUp（－3.47 μg·m－2·h－1）和ACp（－1.39 μg·m－2·h－1）純林土壤CH4通量都是負(fù)值，為C H4的匯；而Tp（7.14 μg·m－2·h－1）和THp（12.7 μg·m－2·h－1）混交林土壤CH4通量皆為正值，為CH4的源。土壤CH4通量是甲烷產(chǎn)生菌和甲烷氧化菌共同作用的結(jié)果，與土壤中眾多環(huán)境因素有密切的關(guān)系[24]。表2結(jié)果表明，Tp和THp混交林地表土壤溫度顯著高于EUp和ACp純林，而土壤濕度則顯著降低。一般認(rèn)為，CH4排放與土層5 cm處溫度密切相關(guān)，土壤溫度越高，CH4排放通量越大[32]。由于CH4產(chǎn)生菌多為嗜熱菌，在常溫下，隨土溫升高，土壤產(chǎn)甲烷細(xì)菌活性迅速增強(qiáng)，甲烷排放速率迅速上升[6]。但同時(shí)，CH4通量與土壤含水量也密切相關(guān)，過高或過低的土壤濕度都不利于土壤中甲烷氧化細(xì)菌的活動(dòng)，當(dāng)土壤水分處于過飽和時(shí)，甲烷氧化菌受到抑制而產(chǎn)甲烷細(xì)菌活動(dòng)增強(qiáng)，土壤CH4通量增強(qiáng)[22]。在本實(shí)驗(yàn)中（表3），CH4排放通量與土壤溫度表現(xiàn)為顯著正相關(guān)，但與土壤濕度不相關(guān)，這說明土壤水分對(duì)CH4通量影響尚弱，隨土壤溫度升高CH4通量逐漸增大。前人研究表明，較高的土壤溫度和中等濕度（25% ～ 35%）下，CH4氧化能力最高。當(dāng)土壤濕度低于5%時(shí)，CH4氧化完全停止（抑制甲烷氧化菌的生長(zhǎng)），CH4凈排放增大[24]。土壤溫度和濕度的組合作用直接影響土壤甲烷氧化菌和甲烷產(chǎn)生菌的活性，進(jìn)而影響土壤CH4的排放[30]。

土壤中可溶性N含量也是影響土壤CH4通量的主要因素。從表2可以看出，由于速生樹種對(duì)土壤NO3-N和NH4-N的大量吸收利用，土壤NO3-N和NH4-N含量在EUp（5.55 mg/kg, 4.35 mg/kg）和ACp（8.12 mg/kg, 5.32 mg/kg）都顯著低于Tp（8.45 mg/kg, 6.07 mg/kg）和THp（10.03 mg/kg, 6.87 mg/kg）。由圖2結(jié)果顯示，EUp和ACp純林CH4排放通量為負(fù)值，是CH4的匯。而Tp和THp混交林為正值，是CH4的源。這說明，土壤NO3-N和NH4-N含量的降低，可能不利于CH4的凈排放。前人研究表明，增施氮肥能改變土壤微生物的區(qū)系及其活性，降低甲烷氧化菌的氧化速率，導(dǎo)致CH4凈排放增加[33～34]。但在本實(shí)驗(yàn)中，土壤NO3-N和NH4-N含量是本底值水平的降低，其對(duì)CH4通量的影響機(jī)制可能與增施氮肥并不相同，其影響機(jī)理還有待于進(jìn)一步研究證實(shí)。一般認(rèn)為，有機(jī)肥對(duì)甲烷排放的影響程度與其C/N比值高低有直接關(guān)系，有機(jī)肥C/N越高，土壤產(chǎn)CH4潛力和排放能力就越大，但在本實(shí)驗(yàn)中，4種林型林下土壤SOC含量并無(wú)顯著差異，SOC不是影響CH4通量變化的主要原因（表3）。

表3 土壤CO2和CH4排放通量與環(huán)境因子的相互關(guān)系Table 3 Correlation of soil CO2and CH4fluxes and environmental factors

3 結(jié)論

綜合以上分析，得出以下結(jié)論：

（1）4種林型土壤都是CO2的源，但對(duì)CH4而言，可能是源，也可能是匯。CO2和CH4排放通量季節(jié)波動(dòng)幅度較大，4個(gè)林型土壤CO2和CH4通量在濕季均維持較高水平，峰值均出現(xiàn)在濕季，在旱季則趨于降低，且相對(duì)穩(wěn)定。

（2）與10樹種和30個(gè)樹種的混交林相比，由于尾葉桉和厚莢相思純林土壤MBC較大，EUp和ACp速生林下土壤CO2通量顯著高于Tp和THp混交林；但對(duì)CH4通量而言，由于速生樹種對(duì)土壤NO3-N和NH4-N的快速吸收，EUp和ACp速生林CH4通量都降低。

（3）表層土壤溫度和濕度是影響土壤溫室氣體排放的啟動(dòng)因子和關(guān)鍵因子；土壤MBC、NO3-N和NH4-N也是影響土壤溫室氣體排放的主要因子，它們對(duì)土壤溫室氣體通量的影響是相互影響，相互制約的。

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Study on Soil CO2and CH4Fluxes in Four Typical Plantations in Southern China

LI Hai-fang1,2
（1. College of Tourism，Guilin University of Technology，Guilin 541004, China; 2. South China Botanical Garden，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510650, China）

Soil CO2and CH4fluxes in Eucalyptus urophylla plantation (EUp)，Acacia crassicarpa plantation (ACp)，10-species-mixed plantation (Tp) and 30-species-mixed plantation (THp) were measured in situ using the static chamber and GS technique in Heshan Hilly Land Interdisciplinary Experimental Station, Guangdong province. The results showed that soil of the four types of plantation tested was sources of CO2fluxes, but for CH4they might be source or sink. The CO2and CH4fluxes varied widely in a year, kept a relatively high level during the rainy season and also a relatively lower level in the dry season in the tested plantations. The peak values of CO2and CH4fluxes all appeared in the rainy season. Compared to Tp and THp，the CO2fluxes were significantly higher in EUp and ACp for the higher values of microbial biomass carbon (MBC). As for CH4，soil CH4fluxes were lower in EUp and ACp than those in Tp and THp for the fast uptake of NO3-N and NH4-N. The results indicated that soil temperature，soil moisture，MBC，NO3-N and NH4-N might all be important to control soil CO2and CH4fluxes.

forest soil; soil CO2and CH4fluxes; pure plantation; mixed plantation

S714

A

1001-3776（2011）02-0006-07

2010-10-01；

2011-01-18

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“華南地區(qū)受損丘陵生態(tài)系統(tǒng)植被和土壤恢復(fù)機(jī)理及格局優(yōu)化研究”（30630015）

李海防（1974－），男，山東萊陽(yáng)人，博士，副教授，從事生態(tài)學(xué)及景觀生態(tài)學(xué)研究。