任樂(lè)，馬秀枝，范雪松

1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 100093；2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 100093

不同經(jīng)營(yíng)方式及生境對(duì)大興安嶺高緯度林區(qū)生長(zhǎng)盛季森林土壤CO2、CH4、N2O通量的影響

任樂(lè)1，馬秀枝2*，范雪松1

1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 100093；2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 100093

為了確定不同森林經(jīng)營(yíng)利用方式（原始林、皆伐林、漸伐林）及不同生境（有林地、無(wú)林地、濕地）對(duì)于森林土壤-大氣主要溫室氣體通量的影響，于2013年生長(zhǎng)盛季（7─8月），在內(nèi)蒙古大興安嶺興安落葉松（Larix gmelinii）林區(qū)選取了16塊樣地，采用靜態(tài)箱/氣相色譜法進(jìn)行了土壤-大氣溫室氣體通量的原位觀測(cè)。氣體監(jiān)測(cè)的同時(shí)，測(cè)定了土壤濕度和各層土壤溫度以及各樣地土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：大興安嶺興安落葉松林區(qū)生長(zhǎng)盛季 CH4通量平均值為C(-133.6±62.3) μg·m-2·h-1。沼澤濕地（PD2和PD7）CH4表現(xiàn)為釋放，CH4通量平均值為C(130.0±41.0) μg·m-2·h-1，其它14個(gè)樣地土壤CH4為吸收，吸收通量變化范圍為C(-242.0～-42.6) μg·m-2·h-1，變異系數(shù)為47%。所有樣地CO2的地-氣通量變化范圍是 C(94.9～1164.0) μg·m-2·h-1，平均值為 C(671.3±324.3) μg·m-2·h-1，變異系數(shù)是 48%。所有樣地 N2O通量的范圍是N(1.2～21.6) μg·m-2·h-1，平均值為N(7.3±6.1) μg·m-2·h-1，變異系數(shù)為84%。通過(guò)數(shù)據(jù)分析顯示，大興安嶺林區(qū)生長(zhǎng)盛季不同經(jīng)營(yíng)方式及不同生境對(duì)森林土壤-大氣CH4、CO2、N2O通量均無(wú)顯著相關(guān)性。CH4通量與土壤各層溫度及各層濕度并未發(fā)現(xiàn)有顯著相關(guān)性，僅顯示CH4通量與土壤有機(jī)質(zhì)（SOC）呈正相關(guān)關(guān)系、土壤全氮（TN）呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；CO2通量與土壤5 cm處溫度顯著相關(guān)（P=0.042 3），與土壤0 cm及10 cm處溫度無(wú)顯著相關(guān)性，CO2通量與土壤各層溫度呈正相關(guān)關(guān)系，與腐殖質(zhì)層、0～10 cm 以及10～20 cm土壤濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與SOC、TN呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；N2O通量與土壤各層溫度、濕度及SOC均呈正相關(guān)關(guān)系，與TN呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

興安落葉松林；CO2、CH4、N2O；不同經(jīng)營(yíng)方式；不同生境

陸地生態(tài)系統(tǒng)是溫室氣體CH4、CO2和N2O主要的源和匯（Chapius-Lardy等，2007）。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，占陸地總面積的1/3(4.1×109hm2)，在我國(guó)森林面積占土地面積的23.7%（齊玉春等，2002)。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)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(qū)（孫向陽(yáng)和徐化成，2001；沙麗清等，2004；莫江明等，2006）。大興安嶺北部林區(qū)位于寒溫帶，是我國(guó)面積最大的原始林區(qū)。興安落葉松（Larix gmelinii）是該區(qū)主要的地帶性植被，林分覆蓋面積為1.56×107hm2，占全國(guó)森林面積的13.2%（蔣延玲和周廣勝，1999），對(duì)溫室氣體的排放和吸收有重要的影響作用。

眾所周知土壤中的氣體的產(chǎn)生和消耗都是由于微生物活動(dòng)的結(jié)果，但是土壤與大氣之間的通量卻與土壤理化性質(zhì)參數(shù)有關(guān)，比如N含量、碳氮比、溫度以及含水量（Smith等，2003；Lilly等，2009）。研究發(fā)現(xiàn)成熟云杉林（Picea abies(L.)Karst.）中，在影響土壤CO2排放的所有非生物因素中，土壤濕度變化是影響土壤 CO2排放變化的極其重要因素（Subke等，2003）。還有研究指出溫度是影響土壤CO2排放的最主要因素之一，兩者之間有較明顯的關(guān)系，許多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明溫度與 CO2排放有顯著的指數(shù)函數(shù)相關(guān)關(guān)系（Raich和 Schlesinger，1992），其中5和10 cm土層溫度對(duì)土壤CO2排放影響最大。

Li等（2008）的研究表明，在不同緯度、不同海拔地區(qū)，由于土壤溫度和濕度的差異，以及不同植被條件的影響，土壤地表CO2通量的變化范圍很大。肖冬梅等（2004）和傅民杰等（2009）的研究也表明，不同緯度地區(qū)N2O的釋放也有顯著差異，其平均通量和累積釋放量均隨緯度升高而下降。受土壤溫度和水分的影響，森林土壤CH4、CO2和N2O通量往往呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化。

因此，為了更好的了解大興安嶺林區(qū)不同森林經(jīng)營(yíng)方式及不同生境下土壤-大氣CH4、CO2和N2O通量的空間變異情況，本研究于2013年7月19日至8月15日期間，對(duì)內(nèi)蒙古大興安嶺高緯度興安落葉松（Larix gmelinii）林區(qū)土壤開(kāi)展了CH4、CO2和N2O通量的原位觀測(cè)研究，確定大興安嶺高緯度興安落葉松林區(qū)土壤-大氣溫室氣體通量的空間變異，為該地區(qū)溫室氣體通量的總體核算提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地處內(nèi)蒙古海拉爾市根河市，依托內(nèi)蒙古大興安嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站試驗(yàn)區(qū)（50°49′～50°51′N，121°30′～121°31′E），試驗(yàn)區(qū)面積1.1萬(wàn) hm2，其中原始林3200 hm2。該地區(qū)屬寒溫帶半濕潤(rùn)氣候區(qū)。冬季（平均氣溫<10 ℃）長(zhǎng)達(dá)9個(gè)月，夏季（平均氣溫≥22 ℃）不超過(guò)1個(gè)月。≥10 ℃年積溫1403 ℃，全年最高氣溫40 ℃，極端最低氣溫-50 ℃，全年平均溫度為-5.4 ℃。年降水量450～550 mm，其中60%集中在7月、8月。9月末至次年5月初為降雪期，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(fā)量800～1200 mm，年均日照2594 h，全年無(wú)霜期80 d。土壤凍結(jié)狀態(tài)從9月下旬到次年的5月初，凍結(jié)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)7個(gè)多月。該區(qū)土壤以棕色針葉林土為主，土壤表層有較厚的枯枝落葉層，厚度達(dá)5～8 cm。土壤pH為4.5～6.5，腐殖質(zhì)層一般在10 cm左右。由于當(dāng)?shù)睾錆駶?rùn)，苔蘚枯枝落葉層發(fā)育較厚，滯水性強(qiáng)，使土壤在生長(zhǎng)季處于濕潤(rùn)狀態(tài)，灰化現(xiàn)象不明顯，土層30～40 cm石礫較多。興安落葉松林郁閉度為0.8。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

于2013年生長(zhǎng)季7月19日─8月15日，在興安落葉林3種森林經(jīng)營(yíng)利用方式下，又分別按照不同坡度和坡位共選取了 16塊樣地，分別涵蓋該林區(qū)的原始林、漸伐林及皆伐林3種不同經(jīng)營(yíng)方式，人工林、無(wú)林地及沼澤3種不同生境。其中包括原始林4塊樣地，即PD1、LPL-Y、LPL-M1和LPL-N；漸伐林兩塊樣地，PD3和PD4；皆伐林6塊樣地，PD5、PD6、PD8、HL-M、HL-N和HL-O；人工林1塊樣地，PD9；無(wú)林地1塊樣地，PD10；沼澤濕地2塊樣地，PD2和PD7，樣地具體信息見(jiàn)表1。

表1 興安落葉松林樣地基本信息Table 1 The basic information of sample plots in Larix gmelinii Forest

在面積為10 m×10 m的樣地中，選擇3個(gè)間隔相等的點(diǎn)，并且要求3個(gè)點(diǎn)能代表該樣地的基本情況。在每個(gè)樣方內(nèi)，于試驗(yàn)開(kāi)始前一周將采樣箱基座插入采樣點(diǎn)，盡量不破壞原有植被，以便使人為擾動(dòng)對(duì)微量氣體交換的影響降到最低。各樣地基本情況介紹如下：

興安落葉松研究區(qū)內(nèi)選擇3種不同森林經(jīng)營(yíng)利用方式，即原始林、漸伐林、皆伐林以及3種不同的生境，即人工林、無(wú)林地和沼澤濕地內(nèi)分別設(shè)置樣地。進(jìn)行土壤-大氣溫室氣體通量（CO2、CH4、N2O）的原位觀測(cè)。

原始林：?jiǎn)棠緦咏Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要為興安落葉松林，有時(shí)混生少量白樺，郁閉度0.6～0.8。灌木層以杜香（palustre）占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，間有聚集分布的杜斯越橘和越橘（Vaccinium vitisidaed），高40～50 cm，層蓋度76%以上，因杜香等灌木根系在土壤中形成較厚的盤(pán)結(jié)層，草本植物難以生長(zhǎng)，只有少數(shù)的小葉章（Deyeuxia -anguttifolia）、紅花鹿蹄草（incamatd）、苔草（Carex spp）等。蘚被層較發(fā)達(dá)，蓋度40%以上，厚度5～15 cm，海拔838 m。

漸伐林：?jiǎn)棠緦咏Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要為興安落葉松林，有時(shí)混生少量白禪，郁閉度 0.6。灌木層以杜香為主，間有聚集分布的杜斯越橘和越橘，高10～20 cm，層蓋度95%以上，因杜香等灌木根系在土壤中形成較厚的盤(pán)結(jié)層，草本植物難以生長(zhǎng)，只有少數(shù)的小葉章、紅花鹿蹄草、笞草等。蘚被層較發(fā)達(dá)，蓋度40%以上，厚度5～15 cm。海拔822 m。

皆伐林：?jiǎn)棠緦咏Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要為興安落葉松林，有時(shí)混生少量白樺，郁閉度0.7。灌木層以杜香占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，間有聚集分布的杜斯越橘和越橘，高10～20 cm，層蓋度85%，因杜香等灌木根系在土壤中形成較厚的盤(pán)結(jié)層，草本植物難以生長(zhǎng)，只有少數(shù)的小葉章、紅花鹿蹄草、苔草等。蘚被層較發(fā)達(dá)，蓋度40%以上，厚度5～15 cm。海拔825 m。

人工林：?jiǎn)棠緦咏Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要為興安落葉松林，有時(shí)泥生少量白禪，郁閉度 0.6。灌木層以杜香占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，間有聚集分布的杜斯越橘和越橘，高40～50 cm，層蓋度60%以上，因杜香等灌木根系在土壤中形成較厚的盤(pán)結(jié)層，草本植物難以生長(zhǎng)，只有少數(shù)的小葉章、紅花鹿蹄草、苔草等。蘚被層較發(fā)達(dá)，蓋度40%以上，厚度5～15 cm。海拔781 m。

無(wú)林地：過(guò)度采伐跡地。沒(méi)有喬灌木。以草本為主，蓋度30%。海拔734 m

沼澤地：主要河谷低洼地區(qū)，長(zhǎng)期積水，喬木樹(shù)種少，只有凸處少有落葉松林，無(wú)灌木，草本層，塔頭苔草為主，蓋度80%，海拔734 m。

1.3 樣品采集和氣體通量測(cè)定

采用靜態(tài)箱氣相色譜法，靜態(tài)箱由厚 2.0 mm的不銹鋼板制成，箱體規(guī)格為40 cm×40 cm ×40 cm，包括地箱和頂箱兩部分。地箱邊緣設(shè)有水槽，于每次觀測(cè)前，首先在水槽中加入適量的水，后將頂箱置于地箱上，上下箱體用水槽中的水密封。采用30 min罩箱時(shí)間，即每個(gè)采樣箱分別在罩箱后的 0、10、20和30 min抽取氣體樣品。采樣容器為100 mL帶三通閥的醫(yī)用注射器，將注射器與箱體一側(cè)的三通閥相連，抽取30～60 mL氣體樣品放入氣袋，同時(shí)記錄采樣時(shí)間。氣體樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，一周之內(nèi)用安捷特 7890A氣相色譜儀分析 CO2、CH4和N2O濃度。于7─8月期間選取晴好天氣的9:00─11:00時(shí)段采集氣體，采集氣體的同時(shí)測(cè)定土壤濕度、土壤表層、5、10、15、20和25 cm處溫度，利用鋁盒法測(cè)定表層土壤（0～20 cm）含水量。同時(shí)記錄氣壓和箱內(nèi)溫度，其他氣象資料來(lái)自大興安嶺生態(tài)站的自動(dòng)和人工氣象站。其中PD1-PD10為1號(hào)凍土丼到 10號(hào)凍土丼，LPL-Y、LPL-M1和LPL-N分別為杜香幼齡林、杜香中齡林和杜香近熟林，HL-M、HL-N和HL-O分別為草類中齡林、草類近熟林和草類過(guò)熟林。

通量是指單位時(shí)間通過(guò)某單位面積界面輸送的物理量。氣體交換通量（F）計(jì)算公式：

式中：ρ為箱內(nèi)氣體密度；Δm和ΔC分別為Δt時(shí)間內(nèi)箱內(nèi)氣體質(zhì)量和混合比濃度的變化；A、V、H分別為采樣箱的底面積、體積和氣室高度；ΔC/Δt為箱內(nèi)氣體濃度變化。當(dāng)F為負(fù)值時(shí)表示吸收，F(xiàn)為正值時(shí)表示排放。氣體通量計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)公式中引入箱內(nèi)溫度和氣壓值，對(duì)氣體濃度進(jìn)行校正。

1.4 土壤物理、化學(xué)性質(zhì)測(cè)定

SOC（土壤有機(jī)質(zhì)）的測(cè)定：取5～15 cm土層土壤，采用重鉻酸鉀容量法，在外加熱的條件下（油浴溫度為180 ℃，沸騰5 min），用一定濃度的重鉻酸鉀-硫酸溶液氧化土壤有機(jī)質(zhì)，剩余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵來(lái)滴定，從所消耗的重鉻酸鉀量，計(jì)算有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

NT（土壤總氮）的測(cè)定：樣品在加速劑的參與下，用濃硫酸消煮時(shí)，各種含氮有機(jī)化合物，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的高溫分解反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為氨與硫酸結(jié)合成硫酸銨。堿化后蒸餾出來(lái)的氨用硼酸吸收，以標(biāo)準(zhǔn)酸溶液滴定，求得土壤全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

堿解氮的測(cè)定：在擴(kuò)散皿中，用 1.0 mol·L-1NaOH水解土壤，使易水解態(tài)氮堿解轉(zhuǎn)化為NH3，NH3擴(kuò)散后為H3BO3所吸收。H3BO3吸收液中的再用標(biāo)準(zhǔn)算滴定，由此計(jì)算土壤中堿解氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

土壤濕度：采用鋁盒法測(cè)定土壤含水量。用鋁盒取樣，并稱重，用烘箱在105 ℃下烘至恒重，計(jì)算樣品中損失的質(zhì)量與烘干土質(zhì)量的比例，即得土壤含水量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用SAS 9.0統(tǒng)計(jì)軟件做相關(guān)性分析，利用多元回歸分析和方差分析測(cè)定CH4、CO2和N2O通量與土壤參數(shù)的相關(guān)性分析，以及CH4、CO2和N2O通量在不同經(jīng)營(yíng)方式下的差異性分析。

2 結(jié)果分析

2.1 不同生境下土壤CH4通量

在所選擇的所有樣地中（除沼澤濕地），總的CH4通量平均估計(jì)值為 C(-133.6±62.3) μg·m-2·h-1。14個(gè)樣地（除了PD2和PD7）CH4通量變化范圍為C(-242.0～-42.6) μg·m-2·h-1，變異系數(shù)為47%。在沼澤濕地 CH4通量平均值為 C(130.0±41.0) μg·m-2·h-1（表2），并且甲烷表現(xiàn)為釋放。變異系數(shù)范圍為6%～83%。由統(tǒng)計(jì)分析得出甲烷通量與土壤濕度、溫度以及其他土壤參數(shù)沒(méi)有顯著相關(guān)性。

表2 興安落葉松林各樣地土壤-大氣溫室氣體通量Table 2 Flux of greenhouse gas between soil and atmosphere in Larix gmelinii Forest

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的整合，在原始林、漸伐林和皆伐林3種不同森林經(jīng)營(yíng)方式中，原始林CH4通量平均值為C(-99.3±60.0) μg·m-2·h-1，漸伐林CH4通量平均值為C(-159.1±25.1) μg·m-2·h-1，皆伐林CH4通量平均值為C(-170±55.0) μg·m-2·h-1（表4），由統(tǒng)計(jì)分析得出原始林、漸伐林和皆伐林之間沒(méi)有顯著性差異（P=0.1734）。

表3 興安落葉松林樣地土壤性質(zhì)Table 3 Soil properties of sample plots in Larix gmelinii Forest

表4 興安落葉松林各樣地土壤-大氣溫室氣體通量Table 4 Effect of forest management on soil GHG flux in Larix gmelinii Forest

在人工林、無(wú)林地和沼澤3種不同生境中，無(wú)林地CH4通量平均值為C(-44.4±31.9) μg·m-2·h-1，人工林CH4通量平均值為C(-91.1±5.9) μg·m-2·h-1，沼澤CH4通量平均值為C(130±41.0) μg·m-2·h-1（表4），沼澤中甲烷表現(xiàn)為釋放，而無(wú)林地和人工林表現(xiàn)為吸收，不同生境中的甲烷通量并未表現(xiàn)出顯著性差異（P=0.2004）。

2.2 不同生境下土壤CO2通量

在所有樣地里 CO2的通量范圍是C(94.9～1164.0) μg·m-2·h-1，平均值為C(671.3±324.3) μg·m-2·h-1，變異系數(shù)是 48%。變異系數(shù)范圍在5%～66%。在皆伐林6號(hào)凍土丼測(cè)到的CO2通量最高，達(dá)到 C(1164.0±416.0) μg·m-2·h-1，而在沼澤濕地中 2號(hào)凍土丼測(cè)到的 CO2通量最少，為C(94.4±44.8) μg·m-2·h-1（表2）。對(duì)于所有調(diào)查樣地中，CO2通量與土壤濕度沒(méi)有顯著相關(guān)性，僅表現(xiàn)為隨濕度的增加CO2通量而減少的趨勢(shì)（圖1）。隨溫度的升高，CO2通量呈增加趨勢(shì)（圖2）。CO2通量與土壤5 cm處溫度顯著相關(guān)（P=0.0423）。其他土壤參數(shù)與土壤CO2的釋放也并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)顯著相關(guān)性。

圖1 CO2通量與土壤濕度的關(guān)系Fig. 1 Correlation between soil moisture and CO2emissions

圖2 CO2通量與土壤溫度的關(guān)系Fig. 2 Correlation between soil temperature and CO2emissions

不同森林經(jīng)營(yíng)方式下，原始林CO2通量平均值為C(535.0±245) μg·m-2·h-1，漸伐林CO2通量平均值為C(685.9±237.2) μg·m-2·h-1，皆伐林CO2通量平均值為C(828.3±219.2) μg·m-2·h-1，皆伐林CO2通量達(dá)到最高，而原始林CO2通量最低（表4），由統(tǒng)計(jì)分析得出原始林、漸伐林和皆伐林3種不同森林經(jīng)營(yíng)方式下 CO2通量沒(méi)有顯著性差異（P=0.3675）。

不同生境下的無(wú)林地、人工林和沼澤的CO2通量平均值分別為：C(474.4±89.3) μg·m-2·h-1、C(446.8±125.2) μg·m-2·h-1，C(114.3±27.5) μg·m-2·h-1（表 4），經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析表明無(wú)林地、人工林和沼澤 3種不同生境下 CO2通量沒(méi)有顯著性差異（P=0.0791）。

2.3 不同生境下土壤N2O通量

各樣地土壤 N2O 通量的變化范圍是N(1.2～21.6) μg·m-2·h-1，平均值為 N(7.3±6.1) μg·m-2·h-1（表2），變異系數(shù)為84%，變異系數(shù)范圍為8%～133%。其中樣地PD5的變異性達(dá)到最高。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析表明，N2O通量與土壤溫度、土壤濕度沒(méi)有顯著相關(guān)性，N2O通量與土壤0～10、10～20 cm溫度及濕度呈正相關(guān)變化趨勢(shì)。N2O通量與SOC、TN也無(wú)顯著相關(guān)性，N2O通量與SOC呈正相關(guān)變化趨勢(shì)（圖5），與TN呈負(fù)相關(guān)變化趨勢(shì)（圖6）。

在原始林、漸伐林和皆伐林3種不同經(jīng)營(yíng)方式中，原始林N2O通量為N(5.0±3.8) μg·m-2·h-1，漸伐林N2O通量為N(4.2±2.1) μg·m-2·h-1，皆伐林N2O通量為N(8.7±6.5) μg·m-2·h-1。皆伐林N2O通量值最高。原始林和漸伐林N2O通量值相近（表4）。由統(tǒng)計(jì)分析得出，原始林、漸伐林和皆伐林3種不同經(jīng)營(yíng)方式對(duì)N2O通量沒(méi)有顯著性差異（P=0.4569）。

無(wú)林地 N2O 通量平均值為 N(18.7±20.7) μg·m-2·h-1，人工林 N2O 通量平均值為 N(3.3±3.0) μg·m-2·h-1，沼澤 N2O 通量平均值為 N(9.0±4.0) μg·m-2·h-1，顯然在無(wú)林地、人工林和沼澤3種不同生境下無(wú)林地的 N2O通量高于人工林和沼澤（表4）。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，無(wú)林地、人工林和沼澤 3種不同生境對(duì) N2O通量沒(méi)有顯著性差異（P=0.3418）。

2.4 氣體通量與土壤性質(zhì)、環(huán)境因子之間的相關(guān)分析

本實(shí)驗(yàn)的土壤為典型森林土壤，為酸性土壤，pH的范圍為4.94～6.01，SOC在33.04～99.15 g·kg-1，SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低的是PD4，而質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的樣地為L(zhǎng)PL-N。TN的范圍則差異較大，在2.03～22.64 g·kg-1，其中HL-M質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，PD4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻高達(dá)22.64 g·kg-1。由于SOC和TN范圍的差異，造成各樣地碳氮比范圍也較大，為 1.5～27.7。各樣地堿解氮變化范圍為：0.16～0.39，各個(gè)樣地間堿解氮的含量差異較小，其中LPLY樣地中堿解氮含量最高，而PD1樣地中堿解氮最低（表2）。在實(shí)驗(yàn)期間由于降雨較頻繁，所以造成土壤濕度較大。氣體通量與土壤的SOC、TN、pH以及堿解氮之間通過(guò)SAS軟件分析并無(wú)顯著相關(guān)性，但是各氣體通量隨各土壤性質(zhì)呈現(xiàn)一定的變化趨勢(shì)。CH4通量隨SOC的增加呈增加趨勢(shì)，隨TN的增加呈減少趨勢(shì)。CO2通量隨SOC增加呈現(xiàn)減少趨勢(shì)（圖3），隨TN的增加也呈減少趨勢(shì)（圖4）。N2O通量與SOC含量呈線性正相關(guān)（圖5），N2O通量與TN含量呈負(fù)相關(guān)（圖6）。各通量與pH和堿解氮并無(wú)任何相關(guān)關(guān)系。

圖3 CO2通量與SOC的關(guān)系Fig. 3 Correlation between SOC and CO2emissions

圖4 CO2通量與TN的關(guān)系Fig. 4 Correlation between TN and CO2emissions

原始林、漸伐林和皆伐林3種不同森林經(jīng)營(yíng)方式中，原始林的SOC為73.7 g·kg-1，高于漸伐林及皆伐林，而漸伐林的 SOC達(dá)到最低值，為 50.2g·kg-1。原始林、漸伐林和皆伐林TN值分別為：7.3、13.6、6.4 g·kg-1。所以原始林的碳氮比達(dá)到最大值，為 10.1，漸伐林的碳氮比最小，僅為 3.7，皆伐林的碳氮比與原始林相近，為 9.2。原始林、漸伐林和皆伐林3種不同經(jīng)營(yíng)方式的pH值相近，分別為5.44、5.37、5.62。由于本次野外調(diào)查期間降雨頻繁，導(dǎo)致該區(qū)的濕度在各個(gè)樣地WFPS均很大，并且彼此間濕度差異很?。ū?）。由統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，在本實(shí)驗(yàn)下的原始林、漸伐林和皆伐林3種不同經(jīng)營(yíng)方式下土壤的SOC、TN、pH以及堿解氮沒(méi)有顯著性差異，不同經(jīng)營(yíng)方式與CH4通量、CO2通量及N2O通量無(wú)顯著性差異。

圖5 N2O通量與SOC的關(guān)系Fig. 5 Correlation between SOC and N2O emissions

圖6 N2O通量與TN的關(guān)系Fig. 6 Correlation between TN and N2O emissions

3 討論

3.1 土壤性質(zhì)對(duì)土壤溫室氣體的影響

很多研究表明土壤濕度和溫度對(duì)CO2通量有重要作用。在我們的野外調(diào)查中，CO2與溫度呈正相關(guān)，隨溫度的增加 CO2通量也呈增加趨勢(shì)。但是CO2通量?jī)H與 5 cm深度土壤溫度存在顯著相關(guān)性（P=0.0423），與王飛（2013）研究的有關(guān)對(duì)杜香-興安落葉松林土壤呼吸速率與土壤溫度之間呈極顯著的相關(guān)關(guān)系，而且5 cm土壤溫度與土壤呼吸之間的相關(guān)性要好于10 cm土深的土壤溫度，也就是說(shuō)土壤深度5 cm的地溫能夠更好反映溫度對(duì)土壤呼吸的影響這一結(jié)果一致。賈淑霞（2009）對(duì)興安落葉松林的研究也得出一致的結(jié)果。在其余土壤層次的溫度沒(méi)有顯著相關(guān)性。還有許多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明溫度與CO2排放有顯著的指數(shù)函數(shù)相關(guān)關(guān)系，其中10 cm和5 cm土層溫度對(duì)土壤CO2排放影響最大。馬秀枝（2012）等的研究也得出CO2通量與土壤溫度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

地表 CO2通量與土壤濕度之間呈現(xiàn)線性負(fù)相關(guān)，但是相關(guān)性不顯著，解釋率較低，該結(jié)論與張磊（2013）的研究結(jié)果一致。陳全勝等（2004）對(duì)高寒草地表層土壤（0～20 cm）水分研究結(jié)果也表明水分狀況對(duì)土壤呼吸有一定程度的影響，從而影響 CO2通量。同時(shí)，在 Inclan（2007）與 Dilustro（2005）的研究中分別顯示，土壤含水率對(duì)土壤地表 CO2通量的影響存在一個(gè)臨界值（12% cm3H20cm-3soil），當(dāng)土壤濕度低于這個(gè)臨界值時(shí)，地表CO2通量與土壤濕度成正的線性關(guān)系，高于臨界值時(shí)，則影響不明顯。由于在該研究時(shí)間段內(nèi)，該地區(qū)降雨頻繁導(dǎo)致土壤濕度偏大，可能導(dǎo)致土壤濕度高于了某一臨界值而導(dǎo)致與CO2通量的關(guān)系成負(fù)相關(guān)且沒(méi)有顯著相關(guān)性。CO2通量顯示與SOC、TN呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。謝軍飛和李玉娥（2002）研究表明pH值存在最適范圍，超出這個(gè)范圍時(shí)，會(huì)導(dǎo)致溫室氣體的排放大幅度減少，而本研究各樣地pH值相近，所以并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)pH值對(duì)溫室氣體通量造成影響。

在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)各個(gè)樣地中，PD2 和 PD7為沼澤濕地，僅有這兩個(gè)樣地是CH4的源，其他樣地則均為CH4的匯。與陳全勝（2004）研究得到的土壤含水量的增大，CH4由吸收轉(zhuǎn)為排放研究結(jié)果一致。在研究中，CH4通量沒(méi)有顯示出與土壤溫度和濕度有任何相關(guān)性。而徐星凱和周禮愷（1999）研究表明，土壤水分含量明顯影響CH4通量，并且隨土壤水分增加，CH4通量呈增加趨勢(shì)。本研究并沒(méi)有得出水分與CH4通量的相關(guān)關(guān)系可能是由于土壤濕度超出臨界值，對(duì)CH4通量的影響不顯著。CH4通量隨SOC的增加呈增加趨勢(shì)，隨TN的增加呈減少趨勢(shì)。

通過(guò)對(duì)14個(gè)樣地（除PD2和PD7外），N2O通量隨0～10、10～20 cm的土壤濕度的增加呈增加趨勢(shì)，但是卻沒(méi)有顯示顯著的相關(guān)性。這一研究結(jié)果與Christensen（2008）等研究的N2O通量隨土壤水分的增加而增加，而高水分含量條件下N2O的產(chǎn)生并非與土壤含水量成正比這一結(jié)果一致。N2O通量在土壤5 cm和10 cm處溫度顯示隨溫度升高通量增加的趨勢(shì)，同樣地，沒(méi)有顯著相關(guān)性。該研究結(jié)果劉碩等（2013）研究得出的針葉林和針闊混交林土壤 N2O的排放通量隨溫度和土壤含水量升高而增加結(jié)果一致。N2O通量與TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)，與Zhisheng Yao等（2010）研究的結(jié)果相反。而N2O通量與SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈線性正相關(guān)。而各個(gè)樣地的CO2通量與N2O通量變化趨勢(shì)一致。這一研究結(jié)果與Zhisheng Yao等（2010）研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

（1）CH4通量在7─8月間與土壤溫度、土壤濕度以及土壤性質(zhì)均未發(fā)現(xiàn)有顯著相關(guān)關(guān)系，僅表現(xiàn)為隨CH4通量隨SOC的增加呈增加趨勢(shì)，隨TN的增加呈減少趨勢(shì)。

（2）CO2通量在7─8月間與土壤濕度沒(méi)有顯著相關(guān)性，僅表現(xiàn)為隨濕度的增加CO2通量而減少的趨勢(shì)。隨溫度的升高，CO2通量呈增加趨勢(shì)。CO2通量與土壤5 cm處溫度顯著相關(guān)（P=0.0423）。其他土壤參數(shù)與土壤CO2的釋放也并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)顯著相關(guān)性，僅表現(xiàn)為隨SOC的增加而減少，隨TN的增加而減少。

（3）N2O通量在7─8月間隨0～10、10～20 cm的土壤濕度的增加呈增加趨勢(shì)，但是卻沒(méi)有顯示顯著的相關(guān)性。N2O通量在土壤5 cm和10 cm處溫度顯示隨溫度升高通量增加的趨勢(shì)，同樣地，沒(méi)有顯著相關(guān)性。N2O通量與TN呈負(fù)相關(guān)，而N2O通量與SOC呈線性正相關(guān)。而各個(gè)樣地的CO2通量與N2O通量變化趨勢(shì)一致。

（4）不同森林經(jīng)營(yíng)方式及不同生境在 7─8月間對(duì)CH4通量、CO2通量以及N2O通量沒(méi)有顯著性差異，不同森林經(jīng)營(yíng)方式及不同生境，土壤性質(zhì)即SOC、TN、堿解氮以及pH與CH4通量、CO2通量以及N2O通量沒(méi)有顯著相關(guān)性。

CHAPIUS-LARDY L, WRAGE N, METAY A, et al. 2007. Soils, a sink for N2O[J]. Global Change Biol, 13(1): 1-17.

CHRISTENSEN T R, FRIBORG T, JOHANSSON M. 2008. Trace gas budgets of high arctic permafrost regions [C] Proceedings, NICOP: 251-256.

DILUSTRO J J, COLLINS B, DUNCAN L, et al. 2005. Moisture and soil texture effects on Soil CO2efflux components in southeastern mixed pine forests[J]. Forest Ecology and Management, 204(1): 87-97.

INCLAN R, DELA TORRE D, BENITO M, et al. 2007. Soil CO2efflux in a mixed pine-oak forest in Valsain (Central Spain)[J]. Scientific World Journal, 7(s1): 166-174.

LILLY A, BALL B C, MCTAGGART I P, et al. 2009. Spatial modeling of nitrous oxide emissions at the national scale using soil, climate and land use information[J]. Global Change Biol, 15(9): 2321-2332.

LI Y L, OTIENO D, OWEN K, et al. 2008. Temporal variability in soil CO2emission in an orchard forest ecosystem[J]. Pedosphere, 18(3): 273-283.

SMITH K A, BALL T, CONEN F, et al. 2003. Exchange of greenhouse gases between soil and atmosphere: interactions of soil physical factors and biological processes[J]. European Journal of Soil Science, 54(4): 779-791.

SUBKE J A, REICHSTEIN M, TENHUNEN J D. 2003. Explaining temporal variation in soil CO2efflux in a mature spruce forest in Southern Germany [J]. Soil Biology & Biochemistry, 35(11): 1467-1483.

RAICH J W, SCHLESINGER W H. 1992. The Global carbon dioxide flux in soil respiration and its relationship to vegetation [J]. Tellus, 44B(2): 81-99.

ZHISHENG YAO, BENJAMIN WOLF, WEIWEI CHEN, et al. 2010. Spatial variability of N2O, CH4and CO2fluxes within the Xilin River catchment of Inner Mongolia, China: a soil core study[J]. Plant and Soil, 331(1-2): 341-359.

鮑士旦. 2000. 土壤農(nóng)化分析[M]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社.

陳全勝, 李凌浩, 韓興國(guó), 等. 2004. 典型溫帶草原群落土壤呼吸溫度敏感性與土壤水分的關(guān)系[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 24(4): 831-836.

傅民杰, 王傳寬, 王穎, 等. 2009. 氣候暖化對(duì)解凍期不同緯度興安落葉松林土壤氧化亞氮釋放的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 20(7): 1635-1642.

蔣延玲, 周廣勝. 1999. 中國(guó)主要森林生態(tài)系統(tǒng)公益的評(píng)估[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 23(5): 426-432.

賈淑霞. 2009. 落葉松和水曲柳人工林土壤、根系和土壤微生物呼吸研究[D]. 哈爾濱: 東北林業(yè)大學(xué): 48-49.

劉碩, 李玉娥, 萬(wàn)運(yùn)帆, 等. 2013. 溫度和土壤含水量對(duì)溫帶森林土壤溫室氣體排放的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 22(7): 1093-1098.

莫江明, 方運(yùn)霆, 李德軍, 等. 2006. 鼎湖山主要森林土壤 CO2排放和CH4吸收特征[J]. 廣西植物, 26(2): 142-147.

馬秀枝, 張秋良, 李長(zhǎng)生, 等. 2012. 寒溫帶興安落葉松林土壤溫室氣體通量的時(shí)間變異[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 23(8): 2149-2156.

齊玉春, 羅輯, 董云社, 等. 2002. 貢嘎山山地暗針葉林帶森林土壤溫室氣體N2O和CH4排放研究[J]. 中國(guó)科技(D輯), 32(11): 934-941.

孫向陽(yáng), 徐化成. 2001. 北京低山區(qū)兩種人工林土壤中N2O排放通量的研究[J]. 林業(yè)科學(xué), 37(5): 57-63.

沙麗清, 鄭征, 唐建維, 等. 2004. 西雙版納熱帶季節(jié)雨林的土壤呼吸研究[J]. 中國(guó)科學(xué)(D輯), 34(2): 167-174.

王飛. 2013. 興安落葉松天然林碳密度與碳平衡研究[D]. 內(nèi)蒙古呼和浩特: 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué): 103-104.

謝軍飛, 李玉娥. 2002. 農(nóng)田土壤溫室氣體排放機(jī)理與影響因素研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象, 23(4): 47-52.

肖冬梅, 王淼, 姬蘭柱, 等. 2009. 長(zhǎng)白山闊葉紅松林土壤N2O排放通量的變化特征[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 23(5): 46-52.

徐星凱, 周禮愷. 1999. 土壤源CH4氧化的主要影響因子與減排措施[J].生態(tài)農(nóng)業(yè)研究, 7: 18-22.

張磊. 2013. 亞熱帶杉木林土壤溫室氣體排放對(duì)氮磷添加的響應(yīng)[D]. 西南大學(xué): 22-23.

Effect of N2O, CH4and CO2Fluxes in the Thriving Season of Larix gmelinii Forest in Cold-temperate Zone under Different Forest Management and Topographic Condition

REN Le1, MA XiuZhi2*, FAN Xuesong1
1. College of Ecology and Environmental Science, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010019, China ; 2. College of Forest, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010019, China

In order to identify the effects of different forest management (virgin forest, clear-cutting forest and successive cutting forest) and topographic conditions (forestland, non-forest land, marshland) on soil-atmosphere exchange of greenhouse gases, nitrous oxide (N2O), methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) fluxes of soil cores from 16 representative sites were determined in situ of Larix gmelinii Forest of Inner Mongolia, and the relative soil properties such as soil moisture, soil temperature in each soil layer was measured simultaneously. The soil average CH4fluxes in the thriving growing season was (-133.6±62.3) μg·m-2·h-1. Strong CH4emission was found in two wetlands (PD2 and PD7), whereas CH4showed soil sink in other 14 sample sites, with a range from -242.0 to -42.6 μg·m-2·h-1and CV of 47%.CO2emissions from all sites ranged from 94.9 to 1164.0 μg C·m-2·h-1, with a mean value of (671.3±324.3) μg C·m-2·h-1and a CV of 48%. Soil N2O emissions across all of the investigated sites ranged from 1.2 to 21.6 μg N·m-2·h-1, with a mean of (7.3±6.1) μg N·m-2·h-1and a CV of 84%. Different forest management and different habitats have no obvious effects on soil N2O, CH4and CO2fluxes. There is no correlation was found between soil CH4flux and soil temperature and soil moisture at each depths, but CH4flux is positively correlated with soc, but negatively with soil TN. CO2flux is negatively related with soil moisture in each layer, and positively correlated with soil temperature at 5 cm depth(P=0.042 3). Positive correlation was found between N2O flux and soil moisture, temperature, and SOC, but negatively with soil TN.

Larix gmelinii forest; CO2; CH4; N2O; different forest management; different habitat

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.03.003

Q948

A

1674-5906（2015）03-0378-09

任樂(lè)，馬秀枝，范雪松. 不同經(jīng)營(yíng)方式及生境對(duì)大興安嶺高緯度林區(qū)生長(zhǎng)盛季森林土壤CO2、CH4、N2O通量的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(3): 378-386.

REN Le, MA XiuZhi, FAN Xuesong. Effect of N2O, CH4and CO2Fluxes in the Thriving Season of Larix gmelinii Forest in Cold-temperate Zone under Different Forest Management and Topographic Condition [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(3): 378-386.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31160117；31260119）

任樂(lè)（1990年生），女，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)樯稚鷳B(tài)學(xué)。E-mail: 623349271@qq.com *通信作者：馬秀枝（1974年生），女，副教授，主要從事生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)以及溫室氣體相關(guān)研究。E-mail: luckmxy@imau.edu.cn

2014-11-26