張宇鴻， 沈 燕， 黃志宏， 張 強(qiáng)， 王 瑤

(中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

亞熱帶三種林型甲烷通量及其影響因子

張宇鴻， 沈 燕， 黃志宏， 張 強(qiáng)， 王 瑤

(中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

利用靜態(tài)箱-氣相色譜法，觀測(cè)中亞熱帶三種森林類型(杉木人工林(CL)、青岡-石櫟常綠闊葉林(CG)和馬尾松-石櫟針闊葉混交林(PM))土壤CH4通量，及土壤溫度、含水率、土壤有機(jī)質(zhì)(SOC)和全氮含量等相關(guān)因子。結(jié)果表明：亞熱帶三種森林類型土壤CH4通量總體變化趨勢(shì)相似，均表現(xiàn)出一定的月變化規(guī)律，冬季高、春夏季逐漸降低。其通量平均值為-1.71 μg/(m2·h)(CL)，-4.14 μg/(m2·h)(CG)和-9.48 μg/(m2·h)(PM)，均表現(xiàn)為大氣CH4的匯。土壤CH4通量與土壤溫度(地表、地下5 cm和地下10 cm)之間相關(guān)性顯著(p<0.01)。杉木林和馬尾松-石櫟林土壤CH4通量與土壤5 cm含水率顯著相關(guān)(p<0.05)。土壤CH4通量與青岡-石櫟林SOC含量，杉木林、馬尾松-石櫟林的全氮含量的相關(guān)性顯著(p<0.05)。

亞熱帶森林土壤； CH4通量； 影響因子

大氣中溫室氣體濃度的急劇增加是導(dǎo)致當(dāng)今全球氣候變暖的主要原因之一。20世紀(jì)以來(1906年—2005年)全球平均氣溫上升了0.74 ℃，且近50年的增長(zhǎng)趨勢(shì)幾乎是近100年的兩倍[1]。甲烷(CH4)是僅次于二氧化碳(CO2)的溫室氣體，對(duì)全球變暖貢獻(xiàn)率達(dá)到 18%～20%[2]，并且CH4分子具有很強(qiáng)的紅外吸收能力，其單分子增溫潛勢(shì)是CO2的25倍[3]，是65萬年以來的最高值[4]。其增長(zhǎng)趨勢(shì)的持續(xù)對(duì)于全球環(huán)境將造成長(zhǎng)期和潛在的影響，已經(jīng)直接威脅到人類的生存環(huán)境和健康。

本研究以亞熱帶三種森林生態(tài)系統(tǒng)(杉木人工林、馬尾松-石櫟針闊葉混交林，青岡-石櫟常綠闊葉混交林)為研究對(duì)象，對(duì)三種森林生態(tài)系統(tǒng)土壤CH4通量進(jìn)行觀測(cè)，比較三種森林生態(tài)系統(tǒng)土壤CH4的通量差異，研究其通量變化特征及其影響因子，為亞熱帶森林土壤CH4通量觀測(cè)以及地區(qū)CH4收支估算提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究地位于湖南省長(zhǎng)沙縣大山?jīng)_省級(jí)森林公園(28°23′58″—28°24′58″N，113°17′46″—113°19′08″E)，海拔高度在55～350 m。具有典型的亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候特征，1月平均氣溫為4.7 ℃，7月平均氣溫為30.3 ℃，年平均氣溫約為17.1 ℃。受亞洲高壓和副熱帶高氣壓交替影響顯著，夏冬季長(zhǎng)，春秋季短。春季晝夜溫差較大，3月下旬至5月中旬，冷暖空氣交錯(cuò)，陰雨連綿雨水充沛。夏季炎熱，高溫酷暑雨水較少且持續(xù)至入秋，而冬季嚴(yán)寒較少。土壤為棕紅色森林土，以紅壤為主。植被類型多樣，次生植物群落結(jié)構(gòu)合理，群落外貌季節(jié)性變化顯著，針闊葉林交替變化，形成豐富多彩的季相特征[12]。

本研究選自研究區(qū)域內(nèi)主要的三種森林類型，杉木(Cunninghamialanceolata)人工林、馬尾松-石櫟(Pinusmassoniana-Lithocarpusglaber)針闊葉混交林、青岡-石櫟(Cyclobalanopsisglauca-Lithocarpusglaber)常綠闊葉林進(jìn)行土壤CH4通量測(cè)定。三種森林類型的的林分特征見表1。

表1 三種森林類型的林分特征Tab 1 Standcharacteristicsofthreeforesttypes森林類型主要樹種組成比例株數(shù)密度(株/hm2)坡向坡度(°)平均胸徑(cm)平均樹高(m)pH容重(g/cm3)CL杉木Cunninghamialanceolata10628東南2423 65(5～36)19 63(4 5～28)4 021 40CG石櫟Lithocarpusglaber3575西北2212 019 74 121 28青岡Cyclobalanopsisglauca2246(4～44)(1～27 2)馬尾松Pinusmassoniana2122杉木Cunninghamialanceolata2151其他樹種+366PM馬尾松Pinusmassoniana6588西南159 438 484 081 35石櫟Lithocarpusglaber21120(4～28)(3～6 3)其他樹種+75

2 研究方法

2.1氣樣采集、CH4濃度測(cè)定和通量計(jì)算

在三種不同林分中選取海拔、坡度等大致相同的一塊固定樣地。每個(gè)樣地共設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，觀測(cè)其土壤CH4通量，同時(shí)觀測(cè)記錄其相關(guān)環(huán)境因子。取樣箱為PVC材質(zhì)的圓柱體，由底箱和頂箱組成。其中頂箱為直徑30 cm，高30 cm，底箱高度為20 cm，而直徑與頂箱相同。在其外部貼有一層反光鋁箔，以避免陽(yáng)光直射對(duì)箱體內(nèi)部環(huán)境造成影響，頂箱上表面設(shè)有采氣孔及測(cè)溫裝置，取樣時(shí)則將底座和頂箱相扣，密封以形成密閉空間。在試驗(yàn)開始前將底座埋入樣地，埋入深度約10 cm。試驗(yàn)從2015年1月開始，每月兩次采樣，一般間隔為15天，如遇天氣情況特殊稍做調(diào)整。每次取樣時(shí)間為上午09∶00至12∶00之間。氣樣采集時(shí)間為30 min，分別在取樣箱安置完畢后每隔10 min用10 mL硬質(zhì)玻璃真空管收取箱內(nèi)氣體樣品。

將采集的氣體樣品帶回實(shí)驗(yàn)室用Agilent 7890B型氣相色譜儀進(jìn)行濃度分析。CH4使用FID檢測(cè)器，CH4通量計(jì)算方法為以下公式。其中，F(xiàn)為CH4通量(μg/(m2·h))，ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CH4的密度，V為采樣靜態(tài)箱體積，A為底箱面積，P為樣點(diǎn)大氣壓，T為采樣時(shí)的絕對(duì)溫度，P0和T0分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和絕對(duì)溫度，dct/dt為靜態(tài)箱內(nèi)CH4濃度在單位時(shí)間內(nèi)的變化速率。

2.2相關(guān)環(huán)境因子分析

在采集氣體樣品時(shí)，同時(shí)用土壤溫濕度速測(cè)儀測(cè)定樣點(diǎn)附近地表溫度、土壤5 cm和10 cm深處溫度，土壤5 cm和10 cm深處含水率，并記錄樣點(diǎn)的氣溫、氣壓等。采集靜態(tài)箱附近0～10 cm土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室分析其土壤有機(jī)質(zhì)和土壤全氮含量等。

2.3數(shù)據(jù)處理

用SPSS 10.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用單因素方差分析(One-way ANOVA)比較不同森林類型土壤CH4通量及顯著性。分析不同深度土壤溫濕度及土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量與土壤CH4通量的相關(guān)性，確定影響土壤CH4通量變化主要因子。

3 結(jié)果與分析

3.1不同森林類型地表CH4通量的比較

從對(duì)不同森林類型地表CH4通量2015年1月至2015年8月的觀測(cè)，杉木林地表CH4通量變化范圍為41.32～-59.8 μg/(m2·h)，其通量平均值為-1.71 μg/(m2·h)，青岡-石櫟林地表CH4通量變化范圍為32.25～-37.68 μg/(m2·h)，其通量平均值為-4.14 μg/(m2·h)，馬尾松-石櫟林地表CH4通量變化范圍為9.74～-41.93 μg/(m2·h)，其通量平均值為-9.48 μg/(m2·h)。方差分析表明：三種森林類型土壤CH4通量之間的差異顯著(p<0.05)。

3.2不同森林類型土壤CH4通量季節(jié)變化

三種不同林型土壤表CH4通量有著一定的季節(jié)變化規(guī)律(如圖1)。在冬季(1—2月)，三種森林土壤CH4均呈現(xiàn)排放狀態(tài)，而在春季(3—5月)以及夏季(6—8月)土壤CH4通量呈現(xiàn)一定波動(dòng)曲線，總體含量減少轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)吸收狀態(tài)。其中杉木林土壤CH4排放量在2月出現(xiàn)一個(gè)較大的峰值(26.67 μg/(m2·h))，而后迅速下降至3.03 μg/(m2·h)。春季其通量波動(dòng)幅度較小，直到進(jìn)入夏季土壤CH4開始呈現(xiàn)吸收狀態(tài)，7月達(dá)到吸收最大值-28.73 μg/(m2·h)；青岡-石櫟林土壤CH4排放量則在1月出現(xiàn)最大值(16.52 μg/(m2·h))之后持續(xù)下降，從春季開始土壤CH4一直呈現(xiàn)吸收狀態(tài)，5月達(dá)到吸收的峰值(-14.42 μg/(m2·h))，進(jìn)入夏季出現(xiàn)小幅度波動(dòng)后在8月達(dá)到-18.87 μg/(m2·h)的吸收值；馬尾松-石櫟林的土壤CH4排放量很低，除冬季出現(xiàn)部分排放(3.63 μg/(m2·h))，其余月份均表現(xiàn)為土壤吸收CH4，同時(shí)也在7月達(dá)到最大吸收值。

圖1 三種林型土壤CH4通量的月變化動(dòng)態(tài)Fig.1 Monthly pattern of soil CH4 flux of three forest types

3.3三種林型土壤CH4通量的影響因子

3.3.1 溫度對(duì)土壤CH4通量的影響 溫度是影響CH4排放與吸收的一個(gè)重要因素。在對(duì)地表溫度、土壤5 cm和10 cm深處溫度與土壤CH4通量的相關(guān)分析結(jié)果表明(見表2)，杉木林、青岡-石櫟林和馬尾松-石櫟林土壤CH4通量與地下5 cm溫度、地下10 cm溫度及地表溫度呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)。地下5 cm以上土壤微生物活動(dòng)最旺盛，合適的溫度利于甲烷氧化菌活動(dòng)，從而促進(jìn)土壤CH4的吸收，所以地下5 cm溫度與甲烷吸收通量相關(guān)性最好[13]。在一定溫度范圍內(nèi)，溫度的升高會(huì)促進(jìn)土壤CH4的吸收，從圖2可以看到三種林型CH4通量變化隨著地下5 cm溫度升高吸收通量增加，土壤溫度處于20～30 ℃時(shí)，土壤對(duì)CH4的氧化明顯大于處在土壤溫度15 ℃以下時(shí)。

表2 三種林型CH4通量與不同溫度和濕度的相關(guān)系數(shù)Tab 2 CorrelationsofCH4fluxunderdifferenttemperaturesandmoisture杉木林CL青岡-石櫟林CG馬尾松-石櫟林PM地下5cm溫度-0 634??-0 653??-0 641??地下10cm溫度-0 610??-0 611??-0 627??地表溫度-0 584??-0 607??-0 607??地下5cm含水率0 425?0 3760 476?地下10cm含水率0 2890 3710 414? ??：p<0 01，?：p<0 05

圖2 三種林型CH4通量與土壤地下5 cm溫度之間的關(guān)系Fig.2 Correlations of CH4 flux of three forests and soil temperature at 5 cm depth

續(xù)圖2 三種林型CH4通量與土壤地下5 cm溫度之間的關(guān)系Continued Fig.2 Correlations of CH4 flux of three forests and soil temperature at 5 cm depth

3.3.2 土壤含水率對(duì)土壤CH4通量的影響 從圖3可以看出三種林型CH4通量和地下5 cm含水率的月變化動(dòng)態(tài)，整個(gè)測(cè)定可以分為冬季、春季和夏季階段，三種林型土壤含水率整體呈現(xiàn)出冬春季上升夏季下降的趨勢(shì)，總體含水率大小為：杉木林>青岡-石櫟林>馬尾松-石櫟林。方差分析表明：三種森林類型土壤含水率之間的差異顯著(p<0.05)。杉木林土壤含水率一直保持在15%以上，2月土壤含水率最高時(shí)，其土壤CH4通量呈現(xiàn)高排放值。青岡-石櫟林和馬尾松-石櫟林總體土壤含水率變化差異不大，變化范圍都在9%～22%之間，冬季和夏季土壤含水率低于15%時(shí)，分別出現(xiàn)土壤CH4的排放和吸收兩種不同狀態(tài)。通過對(duì)樣地內(nèi)CH4通量與土壤含水率的相關(guān)分析表明(見表2)，杉木林和馬尾松-石櫟林土壤CH4通量與土壤5 cm含水率呈顯著相關(guān)(p<0.05)，而與土壤10 cm含水率相關(guān)性不顯著(p>0.05)。青岡-石櫟林土壤CH4通量與土壤含水率之間相關(guān)性不顯著(p>0.05)。

圖3 三種林型CH4通量和土壤5 cm含水率的月變化動(dòng)態(tài)Fig.3 Monthly pattern of soil CH4 flux and soil moisture at 5 cm depth

3.3.3 土壤有機(jī)質(zhì)、全氮與土壤CH4通量的關(guān)系 土壤活性有機(jī)質(zhì)是微生物生長(zhǎng)的速效基質(zhì)，其含量高低直接影響土壤微生物的活性，從而影響溫室氣體的排放[14]。甲烷氧化菌和產(chǎn)甲烷菌的活性同時(shí)受到土壤有機(jī)質(zhì)的影響。在對(duì)三種林型土壤CH4通量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量的相關(guān)分析中(見表3)，三種林型土壤CH4通量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量呈負(fù)相關(guān)。其中青岡林土壤CH4通量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，杉木林和馬尾松林土壤CH4通量則與土壤全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)。而土壤C/N與三種林型土壤CH4通量的相關(guān)性不顯著。

表3 三種林型CH4通量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮的關(guān)系Tab 3 CorrelationsofCH4fluxandtotalorganiccarbonandtotalnitrogen杉木林CL青岡林-石櫟CG馬尾松林-石櫟PM有機(jī)質(zhì)-0 292-0 436?-0 313全氮-0 463?-0 328-0 429?C/N0 289-0 3520 135

4 討論與結(jié)論

(1)本研究中杉木林、青岡-石櫟林和馬尾松-石櫟林土壤在地理位置相近，相同氣候條件下，均表現(xiàn)為大氣CH4的匯。三種森林類型月均土壤CH4通量大小為杉木林>青岡-石櫟林>馬尾松-石櫟林。森林類型對(duì)土壤CH4吸收有著一定的影響，土壤CH4吸收量為針葉林<常綠闊葉林<針闊葉混交林。莫江明等[15]對(duì)南亞熱帶不同森林土壤CH4的吸收速率的研究也與本研究相同。闊葉林型和針闊混交林型土壤CH4通量低于針葉林。Menyailo等[16]研究六個(gè)常見樹種發(fā)現(xiàn)闊葉林樹種氧化甲烷能力明顯高于針葉林，針葉林的酸性土壤中甲烷氧化菌的數(shù)量遠(yuǎn)低于闊葉林可能是造成這一現(xiàn)象的原因之一[17]。三種林型土壤CH4通量均表現(xiàn)出一定季節(jié)變化規(guī)律，冬季排放量增加，春夏季逐漸呈現(xiàn)土壤甲烷的吸收狀態(tài)，且三種林型土壤CH4通量總體趨勢(shì)相似。這與肖冬梅等[18]報(bào)道的地表土壤氧化甲烷夏秋季明顯高于冬春季，Borken等[19]報(bào)道的地表甲烷氧化速率7—8月最高、12至次年3月最低等結(jié)果是一致的。

(2)三種森林類型的土壤CH4通量與土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)且均與土壤5 cm深處溫度的相關(guān)性最顯著，在觀測(cè)期內(nèi)隨土壤溫度升高排放減少。溫度對(duì)土壤氧化甲烷影響很大，因?yàn)榻^大多數(shù)甲烷氧化細(xì)菌都是中溫型微生物，因而土壤氧化甲烷的能力與溫度密切相關(guān)，過高或過低的溫度條件都會(huì)抑制甲烷氧化[20]。Dunfield等[21]的研究表明，土壤甲烷氧化的最適溫度為25～35 ℃，超過37℃時(shí)大多數(shù)甲烷氧化細(xì)菌停止生長(zhǎng)。本研究中，三種森林類型土壤所處環(huán)境溫度變化范圍約為2～30 ℃之間，溫度處于15 ℃以下時(shí)，土壤大多處于甲烷的排放狀態(tài)，土壤溫度達(dá)到20 ℃以后，吸收量大幅增加，土壤對(duì)甲烷總體呈現(xiàn)吸收狀態(tài)。由于研究樣地春季時(shí)間較短，冬季夏季較長(zhǎng)，氣溫差異明顯，導(dǎo)致本地區(qū)土壤甲烷通量變化受溫度影響較大。陳葦?shù)萚22]發(fā)現(xiàn)CH4排放速率的晝夜變化與土壤5 cm及10 cm土層溫度的變化，其中5 cm土層溫度與甲烷排放速率的相關(guān)性最高。這也與本研究中相關(guān)性分析結(jié)果相同。由此可見，本研究中土壤溫度是影響該地區(qū)土壤CH4通量的主要因子。

(3)土壤含水率是土壤CH4通量的重要影響因素。青岡-石櫟林與土壤含水率相關(guān)性不顯著，但杉木林和馬尾松-石櫟林土壤CH4通量與土壤5 cm含水率有一定的相關(guān)關(guān)系。含水率的差異一方面是通過影響土壤中CH4和O2的擴(kuò)散速率，另一方面甲烷氧化菌和產(chǎn)甲烷菌的活性都需要一定的水分來維持[23-24]。當(dāng)土壤含水率達(dá)不到甲烷氧化菌生存最適環(huán)境，其活性降低；但土壤含水率過高時(shí)，形成厭氧環(huán)境土壤孔隙被水分阻礙；而產(chǎn)甲烷菌是一種厭氧菌，在這種厭氧環(huán)境其活性增強(qiáng)。本研究三種森林類型含水率在9%～30%之間，杉木林和馬尾松-石櫟林土壤含水率的降低有利于其土壤CH4的氧化。這可能是因?yàn)橥寥浪畡?shì)降低，通氣狀況改善，有利于大氣CH4和O2進(jìn)入土壤促進(jìn)CH4氧化。青岡-石櫟林的土壤含水率與其土壤CH4通量相關(guān)性不高，可能是由于林中枯枝落葉層較厚，且土壤結(jié)構(gòu)較為疏松，水分對(duì)其土壤通氣狀況影響較小。

(4)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量與三種森林類型均呈負(fù)相關(guān)。青岡-石櫟林與土壤有機(jī)質(zhì)含量，杉木林、馬尾松-石櫟林與土壤全氮含量的相關(guān)性顯著，但三種森林類型與土壤C/N的相關(guān)性還未體現(xiàn)。Singh等[25]的研究也表明，土壤吸收大氣甲烷與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮間為負(fù)相關(guān)關(guān)系。周存宇等[26]對(duì)鼎湖山的研究中發(fā)現(xiàn)CH4通量與森林土壤的性質(zhì)有密切關(guān)系，土壤容重越小、有機(jī)質(zhì)含量越多則土壤吸收CH4通量越高。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤微生物呼吸的底物，其濃度的大小直接影響著土壤中微生物酶反應(yīng)的速率[27]。這可能是因?yàn)殚熑~林地土壤有機(jī)質(zhì)含量豐富，這為土壤微生物提供了充足的活動(dòng)底物，促進(jìn)了微生物產(chǎn)CH4的速度[18]。土壤全氮含量則因?yàn)橥寥乐屑淄檠趸枰欢康S持其活性所需氮源[28]，但當(dāng)土壤氮飽和時(shí)，氮素就會(huì)抑制甲烷氧化。此外，氮含量過高還改變了土壤微生物的區(qū)系及其活性，降低其對(duì)CH4的氧化速率，導(dǎo)致CH4凈排放增加[29]。多種環(huán)境因子綜合影響著土壤CH4通量的變化，其交互作用有待今后進(jìn)一步的分析研究。

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Factorsaffectingmethanefluxesofthreeforestsinsubtropics

ZHANG Yuhong， SHEN Yan， HUANG Zhihong， ZHANG Qiang， WANG Yao

(College of Life Science and Technology， Central South University of Forestry and Technology， Changsha 410004， China)

Soil methane fluxes were measured by static chamber-gas chromatograph technique in subtropical three forest types(Cunninghamialanceolata，Pinusmassoniana-LithocarpusglaberandCyclobalanopsisglauca-Lithocarpusglaber).Related environmental factors were recorded including soil temperature，soil moisture，soil organic carbon and total nitrogen.Results showed that the soil methane fluxes of three subtropical forest types presented a similar trend in seasonal dynamics with the highest in winter and lower in spring and summer.The average methane flux was-1.71 μg/(m2·h) forCunninghamialanceolata(CL)，-4.14 μg/(m2·h) forCyclobalanopsisglauca-Lithocarpusglaber(CG)，and -9.48 μg/(m2·h) forPinusmassoniana-Lithocarpusglaber(PM)，respectively.These indicated the forests were the sink of methane.Soil methane fluxes were significant correlated with soil temperature(soil surface temperature，5cm and 10 cm depth soil temperature)(p<0.01).Soil methane flux was significant correlated with soil moisture at 5cm depth in CL and PM stands(p<0.05)，with SOC in CG，and with soil total nitrogen in CG and PM(p<0.05).

subtropical forest soil； methane flux； affecting factor

2015-11-06

國(guó)家林業(yè)局948項(xiàng)目“森林土壤甲烷監(jiān)測(cè)與模擬技術(shù)引進(jìn)”(2013-4-57)。

張宇鴻(1990-)，女，湖南省長(zhǎng)沙市人，在讀碩士，主要從事森林生態(tài)學(xué)研究。

沈 燕，博士，副教授；E-mail：13873340123@163.com

S 714.3

A

1003-5710(2016)01-0026-07

10.3969/j.issn.1003-5710.2016.01.000

(文字編校：龔玉子)