賈高輝，許 全，楊 懷，楊 秋，李意德，劉文杰

(1.海南省農(nóng)林環(huán)境過程與生態(tài)調控重點實驗室, 海南 海口 570228；2.海南大學生態(tài)與環(huán)境學院， 海南 ?？?570228； 3.國際竹藤中心， 北京 100102；4.海南尖峰嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站， 廣東 廣州 510520)

土壤甲烷通量是土壤碳循環(huán)的關鍵環(huán)節(jié)，在全球氣候變暖中起著重要作用。大氣-土壤甲烷凈通量是土壤中甲烷生成與氧化這兩個相反過程共同作用的結果。甲烷產(chǎn)生過程可概括為復雜有機碳首先降解為簡單的底物，然后通過產(chǎn)甲烷菌的甲烷生成作用產(chǎn)生甲烷[1]。土壤甲烷氧化菌的氧化過程是甲烷吸收的關鍵環(huán)節(jié)，土壤甲烷氧化菌對大氣甲烷的氧化雖然僅占全球甲烷匯的5%～15%，但該過程是消耗大氣甲烷的唯一生物匯，對大氣甲烷濃度具有極其重要的影響[2]。森林土壤被認為是大氣甲烷最有效的匯，熱帶森林面積約占全球陸地面積的11.8%，其貢獻約為整個水分非飽和土壤甲烷吸收的80%[3]?？梢?，準確估算熱帶森林土壤甲烷通量在預測未來氣候變化中有重要意義。

林窗對土壤甲烷通量有何影響，已成為熱帶森林土壤甲烷通量估算中亟待解決的科學問題。受高強度臺風的影響，熱帶森林中林窗的增加已是一個不爭的事實[4]。研究表明，土壤溫度和水分對土壤甲烷通量有著重要的影響[5]。林窗作為一種干擾，它的形成改變了森林小氣候、土壤的水熱條件和分解者群落結構[6]，可能會改變森林土壤甲烷通量。海南島是我國熱帶森林的主要分布區(qū)之一，在全國熱帶森林中占有重要的份額，其面積約1.47×106hm2，其中天然林面積約0.61×106hm2[7]。本研究以海南島尖峰嶺熱帶山地雨林中自然干擾形成的林窗為研究對象，旨在明晰林窗土壤甲烷通量月變化特征及其影響因素，以期為精準估算熱帶山地雨林土壤碳通量提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海南島樂東縣尖峰嶺國家級自然保護區(qū)(18.20°～18.57°N， 108.41°～109.12°E)，屬典型的熱帶季風氣候，具有明顯的干、濕兩季，每年5月進入雨季，直到10月結束，11月起進入旱季，持續(xù)到來年4月。該區(qū)年平均降水量2 449 mm，年平均氣溫19.8 ℃，≥10 ℃年積溫7 200 ℃[8]。土壤類型以磚紅壤-黃壤為主，該區(qū)域生境異質性較高，物種組成豐富，結構復雜，寄生和附生植物居多，以樟科(Lauraceae)(9屬29種)、 殼斗科(Fagaceae)(3屬23種)、 山礬科(Symplocaceae)(1屬7種)、 木犀科(Oleaceae)(3屬5種)和桃金娘科(Myrtaceae)(3屬9種)等植物為主，熱帶山地雨林是海南島最占優(yōu)勢的植被類型[9]。

1.2 樣地設置

尖峰嶺熱帶山地雨林60 hm2大樣地中林窗所占比例為21.3%，因此，該區(qū)域是研究林窗對土壤甲烷通量影響的理想場所。2011年9月29日的臺風“納沙”為當年海南最強臺風，在大樣地附近產(chǎn)生了兩個較大的林窗，另外選取面積(700 m2)、形成時間、地形大致相同的4個林窗,該6個林窗所處海拔高度基本一致，樣地內土壤類型均為磚黃壤-黃壤，主要植物為四蕊三角瓣花[Prismatomeristetrantra(Roxb.) K. Schum]、 大葉蒲葵[Livistonasaribus(Lour.) Merr. ex A. Chev]等， 其地理位置信息見表1。

表1 尖峰嶺熱帶山地雨林林窗的地理位置信息 Table 1 Geographical information of tropical montane rainforest canopy gaps in Jianfengling

在每個林窗和林下分別布設6個(林窗中心附近)和4個(選取距林緣5～10 m， 郁閉度較好的林下)土壤呼吸環(huán)(土壤呼吸環(huán)插入土壤中的深度為10 cm)。林窗樣品采集時間為2018年1至12月，每月月末測定1次土壤甲烷通量。凋落物框布設在林窗和林下各土壤呼吸環(huán)1 m范圍內，規(guī)格為0.5 m×0.5 m，各布設3個。測定土壤甲烷通量的同時收集凋落物框內的凋落物，并編號裝入固定的收集袋內，帶回實驗室稱重分析。每月在各土壤呼吸環(huán)0.5 m范圍內隨機采集5鉆土壤，各混成1份土壤樣品，帶回實驗室，去除植物殘體、根系和大塊石櫟等土樣中可見雜物，分取一部分鮮土過2 mm篩后于4 ℃冰箱內冷藏保存，用于土壤酶活性、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮等的分析。另一部分鮮土在實驗室內自然風干，磨細后過0.15 mm篩，進行土壤有機碳(soil organic carbon, SOC)、 全氮(total nitrogen, TN)、 全磷(total phosphorus, TP)等理化性質的分析。

1.3 樣品分析

每月在天氣晴朗的條件下，采用便攜式溫室氣體分析儀(iM-2400， 加拿大ABB公司， 加拿大)對土壤甲烷通量進行測定，同時用自帶的溫度傳感器測定土壤表層5 cm的溫度。測定時間9:00～12:00，在此期間的土壤甲烷通量接近全天的平均值，每個呼吸環(huán)測定1次的時間為170 s，共測定3次，取其平均值。土壤含水量用烘干法測定；土壤過氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法測定；土壤脲酶活性用苯酚-次氯酸鈉比色法測定；土壤蔗糖酶活性用3，5-二硝基水楊酸比色法測定。采用氯化鉀作為浸提液浸取鮮土樣，采用全自動流動分析儀(Proxima1022/1/1， 愛利安斯科學儀器公司， 法國)測定濾液銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。SOC含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；土壤TN、土壤TP含量采用半微量開氏法提取，采用全自動流動分析儀測定。凋落物質量在65 ℃條件下烘至恒重，稱重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，用Origin軟件作圖，用單樣(K-S)方法進行正態(tài)分布檢驗，運用配對樣本T檢驗比較林窗和林下旱、雨季的土壤甲烷通量差異。結構方程模型方法較傳統(tǒng)的統(tǒng)計分析方法，具有能夠同時分析系統(tǒng)內多個變量間的因果關系,并明確給出各關系強度大小的優(yōu)點[10]。利用AMOS 17.0軟件對模型中各變量間的關系進行探索，選擇模型后對模型進行修正和正態(tài)性檢驗。最佳結構模型和標準化路徑系數(shù)確定后，再用Visio 2010軟件對其進行繪制。

2 結果與分析

2.1 林窗和林下土壤理化性質和酶活性特征

海南島尖峰嶺熱帶山地雨林林窗和林下的土壤理化性質和酶活性差異見表2。林窗和林下的土壤溫度、土壤含水量、TP含量、蔗糖酶活性、脲酶活性和凋落物質量均存在極顯著差異(P<0.01)；過氧化氫酶活性存在顯著性差異(P<0.05)；SOC、TN、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量不存在顯著差異(P>0.05)。

表2 林窗和林下土壤理化性質和酶活性差異Table 2 Differences of physicochemical properties and enzyme activities between inside and outside the canopy gaps

注：同列據(jù)后不同小字母表示差異達0.05顯著水平；不同大寫字母表示差異達0.01極顯著水平。Note: different small letters in the same column indicate significant differences (P<0.05), and different capital letters indicate extremely significant differences (P<0.01).

2.2 林窗和林下土壤甲烷通量的月變化

林窗和林下土壤甲烷通量的月變化特征如圖1所示，其年平均甲烷通量分別為(-0.37±0.26)和(-0.36±0.24) nmol·m-2·s-1(負值僅代表甲烷吸收， 下同)，無顯著差異。1至12月，甲烷通量表現(xiàn)出先減少后增加趨勢：從雨季初期(5月)開始下降，到雨季中期(7月)達到較低的平穩(wěn)值直至雨季末期(10月)，其中9月略微上升；從旱季初期(11月)開始上升，到旱季中期(1月)達到較高的平穩(wěn)值直至旱季末期(3月)。林窗土壤甲烷通量在8月達到最小值(-0.05±0.03) nmol·m-2·s-1，5月達到最大值(-0.72±0.09) nmol·m-2·s-1;林下土壤甲烷通量在7月達到最小值(-0.05±0.02) nmol·m-2·s-1，在1月達到最大值(-0.74±0.09) nmol·m-2·s-1。林窗旱季土壤的月平均甲烷通量為(-0.51±0.20) nmol·m-2·s-1，明顯高于雨季的(-0.25±0.25) nmol·m-2·s-1(P<0.01)；林下旱季土壤的月平均甲烷通量為(-0.51±0.22) nmol·m-2·s-1，明顯高于雨季的(-0.25±0.20) nmol·m-2·s-1(P<0.01)。

圖1 林窗和林下土壤甲烷通量的月變化特征Figure 1 Monthly changing characteristics of soil methane flux inside and outside the canopy gaps

2.3 土壤甲烷通量的環(huán)境影響因子模型研究

2.3.1 全年林窗和林下土壤甲烷通量最佳調控路徑 為了探討林窗和林下土壤甲烷通量的最佳調控路徑的異同，對其調控路徑進行單獨分析(圖2)。圖中單向箭頭代表單向影響，雙向箭頭表示兩者相關，實線代表正向影響，虛線代表負向影響，為了更直觀清晰，用線條的粗細程度代表各標準路徑系數(shù)的大小(下同)。經(jīng)統(tǒng)計測試[極大似然法，卡方檢驗(chi-square test,2)=5.86, 卡方自由度比(chi square value/degrees of freedom, CMIN/df)=1.47， 擬合優(yōu)度指數(shù)(goodness of fit index, GFI)=0.99，比較擬合指數(shù)(comparative fit index, CFI)=0.99， 近似誤差均方根(root mean square error of approximation, RMSEA)<0.05]，全年林窗土壤甲烷通量的最佳調控路徑模型擬合較好，解釋了甲烷通量53%的變異。路徑分析表明,土壤含水量和TP含量對甲烷通量具有直接和負向的調控，土壤的硝態(tài)氮含量和凋落物質量對甲烷通量具有直接和正向的調控。調控甲烷通量的總效應最大的因子是土壤含水量，標準路徑系數(shù)為-0.65。 經(jīng)過統(tǒng)計測試(2=6.48, CMIN/df=1.62, GFI=0.98, CFI=0.96, RMSEA<0.05)，全年林下土壤甲烷通量的最佳調控路徑模型擬合較好，解釋了甲烷通量21%的變異。路徑分析表明，土壤含水量對甲烷通量具有直接和負向的調控，SOC含量、脲酶活性和蔗糖酶活性對甲烷通量具有直接和正向的調控。調控甲烷通量的總效應最大的因子是土壤含水量，標準路徑系數(shù)為-0.38。

圖2 全年土壤甲烷通量的最佳路徑模型Figure 2 Optimal path model of soil methane flux throughout the year

2.3.2 旱季林窗和林下土壤甲烷通量最佳調控路徑 經(jīng)統(tǒng)計測試(2=4.23, CMIN/df=1.06, GFI=0.97,CFI=1.00,RMSEA<0.05)，旱季林窗土壤甲烷通量的最佳調控路徑模型擬合較好，解釋了甲烷通量50%的變異。路徑分析表明，土壤含水量和TP含量對甲烷通量具有直接和負向的調控，土壤脲酶活性和凋落物質量對甲烷通量具有直接和正向的調控。調控甲烷通量的總效應最大的因子是土壤含水量，標準路徑系數(shù)為-0.74(圖3)。經(jīng)統(tǒng)計測試(2=1.52, CMIN/df=0.51, GFI=0.99, CFI=1.00,RMSEA<0.05)，旱季林下土壤甲烷通量的最佳調控路徑模型擬合較好，且解釋了甲烷通量28%的變異。路徑分析表明，土壤含水量對甲烷通量具有直接和負向的調控，SOC、硝態(tài)氮含量和過氧化氫酶活性對甲烷通量具有直接和正向的調控。調控甲烷通量的總效應最大的因子是土壤含水量，標準路徑系數(shù)為-0.51(圖3)。

2.3.3 雨季林窗和林下土壤甲烷通量最佳調控路徑 經(jīng)統(tǒng)計測試(2=1.58, CMIN/df=0.79, GFI=0.99, CFI=1.00, RMSEA<0.001)，雨季林窗土壤甲烷通量的最佳調控路徑模型擬合較好，且解釋了甲烷通量63%的變異。路徑分析表明，土壤溫度和SOC含量對甲烷通量具有直接和正向的調控，土壤含水量對甲烷通量具有直接和負向的調控。調控甲烷通量的總效應最大的因子是土壤溫度，標準路徑系數(shù)為0.66(圖4)。經(jīng)統(tǒng)計測試(2=0.26, CMIN/df=0.26, GFI=1.00, CFI=1.00, RMSEA<0.001)，雨季林下土壤甲烷通量的最佳調控路徑模型擬合較好，且解釋了甲烷通量45%的變異。路徑分析表明，土壤溫度對甲烷通量具有直接和正向的調控，SOC含量對甲烷通量具有直接和負向的調控。調控甲烷通量總效應最大的因子是土壤溫度，標準路徑系數(shù)為0.66(圖4)。

圖3 旱季土壤甲烷通量的最佳路徑模型Figure 3 Optimal path model of soil methane flux throughout the dry season

圖4 雨季土壤甲烷通量的最佳路徑模型Figure 4 Optimal path model of soil methane flux throughout the rainy season

3 討論與結論

海南島尖峰嶺熱帶山地雨林表現(xiàn)出土壤甲烷匯，林窗和林下土壤的年平均甲烷通量分別為(-0.37±0.26) nmol·m-2·s-1(-1.40 kg·hm-2·a-1)和(-0.36±0.24) nmol·m-2·s-1(-1.36 kg·hm-2·a-1)，與其他熱帶區(qū)域相比，與巴西[11](-1.29 kg·hm-2·a-1)、印度尼西亞[12](-1.85 kg·hm-2·a-1)森林的土壤甲烷通量相當，低于馬來西亞[13](-3.68 kg·hm-2·a-1)、澳大利亞[14](-2.76 kg·hm-2·a-1)森林；同時也與我國鼎湖山[15](-0.90 kg·hm-2·a-1)森林相當，均低于長白山闊葉紅松林(-4.2 kg·hm-2·a-1)[16]，表明了溫帶森林土壤大氣本底甲烷氧化速率均高于熱帶與亞熱帶森林，這可能是由于森林類型和不同氣候條件引起的。

尖峰嶺熱帶山地雨林林窗和林下的土壤甲烷通量月變化特征無顯著差異，整體呈現(xiàn)出旱季大于雨季(圖1)。SINGHetal[17]在印度季節(jié)性干旱地區(qū)的研究也表明，旱季甲烷吸收明顯比雨季高。在鼎湖山的研究也發(fā)現(xiàn)，土壤甲烷的吸收速率在研究期間通常表現(xiàn)為冬季最高,而在夏季最低的現(xiàn)象[15]。本研究結果表明，在旱季土壤甲烷通量主要受土壤含水量的影響(圖3)，整個旱季降雨極少，土壤的通氣狀況良好，有利于提高土壤氧化大氣的能力。熱帶森林具有雨熱同期的現(xiàn)象，一方面促進了植物的大量有機碳輸入土壤，為甲烷的產(chǎn)生提供了充足的碳源，另一方面有利于增強土壤微生物的活性，加快土壤中氧的消耗，降低土壤氧化還原電位，為產(chǎn)甲烷菌的生長提供適宜的環(huán)境[18]。

土壤溫度作為影響土壤甲烷通量的主要環(huán)境因子之一被廣泛關注。本研究結果表明，在雨季林窗和林下土壤溫度對甲烷通量起正向的調控作用(圖4)。楊晶晶[19]對亞熱帶森林甲烷通量研究表明，土壤溫度的升高對甲烷通量具有促進作用。房彬等[20]對西南喀斯特地區(qū)灌叢林土壤甲烷通量研究也發(fā)現(xiàn)，甲烷通量與土壤溫度呈極顯著正相關關系。溫度主要通過影響甲烷單加氧酶活性和氣體在土壤中的擴散過程來影響甲烷氧化能力。在熱帶森林地區(qū)，雨季土壤含水量一般較為充足，此時關鍵的瓶頸因子是土壤溫度，隨著溫度升高，土壤微生物活動旺盛，有利于提高甲烷氧化菌的活性，從而促進土壤甲烷吸收。

土壤含水量是甲烷和氧氣兩種氣體擴散的限制因子，本研究發(fā)現(xiàn)，基于全年和旱季尺度下的土壤含水量對土壤甲烷都起到負向調控作用(圖2， 圖3)。土壤空隙中存在空氣和水，在土壤孔隙一定的情況下，空氣和水是此消彼漲，較高的土壤濕度會減少土壤空氣，進而使土壤氧氣擴散受到限制，從而減低土壤甲烷氧化菌對大氣的甲烷氧化速率。有研究表明，當氧氣濃度小于3×10-6g分子時，土壤微生物活動就會從好氣過程變?yōu)橄託膺^程，此時甲烷氧化細菌受到抑制[21]。CZEPIELetal[22]研究發(fā)現(xiàn)，森林最大土壤甲烷氧化速率出現(xiàn)的土壤的濕度范圍是30%～51%，WHALENetal[23]認為主要是因為該范圍的土壤濕度可以維持一個最大的微生物生物量，所以甲烷氧化速率較高。

本研究表明，全年和旱季林下土壤的甲烷通量受SOC的正向調控(圖2， 圖3)。周存宇等[24]對鼎湖山的研究表明，土壤有機質含量越多則土壤吸收甲烷越高。孟勇等[25]分析了熱帶原始林和次生林林下和林窗土壤碳釋放的差異性，認為主要是土壤含水量及SOC的不同引起的。SOC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的微生物氧化甲烷的速率[20]。然而，本研究中雨季的林下SOC負向調控著甲烷通量(圖3)，可能是雨季在水分不是主要限制性因素后，各種微生物活性增加，影響甲烷通量的因素較多，土壤含水量較高導致氧氣含量下降，且林下的SOC也為其他微生物提供了充足的碳源，使其與甲烷氧化菌競爭有限的氧氣，導致甲烷吸收減少。

全年林窗和旱季林下土壤硝態(tài)氮正向調控著甲烷通量(圖2， 圖3)，甲烷氧化菌從土壤中同化無機氮時比較偏好硝態(tài)氮，只有在高硝態(tài)氮條件下才會抑制土壤甲烷的氧化吸收。張裴雷等[26]研究表明，增加土壤硝態(tài)氮能夠促進高寒草甸土壤甲烷吸收，因為硝態(tài)氮的輸入增加了凋落物歸還量，有利于改善甲烷氧化菌的營養(yǎng)狀況和提高活性，進而促進土壤甲烷的吸收。BODELIER[27]研究表明，土壤硝態(tài)氮的累積導致土壤氨氧化細菌的增加，進而促進土壤甲烷的吸收。

本研究表明，無論旱、雨季，林窗和林下土壤的甲烷通量均不存在顯著差異。正如上文所述，尖峰嶺熱帶山地雨林土壤甲烷通量主要受到土壤溫度、土壤含水量、SOC和硝態(tài)氮含量影響(圖2， 圖3)。土壤溫度和土壤含水量對甲烷通量的影響是兩個互逆過程(圖3， 圖4)，林窗相對于林下具有高溫低濕的土壤環(huán)境使得其更容易促進甲烷的吸收。但是本研究也發(fā)現(xiàn)林窗的凋落物質量顯著低于林下(表2)，林下凋落物的增加為土壤氧化菌提供了豐富的底物，從而也使得林下土壤比林窗表現(xiàn)出更易于土壤的甲烷吸收。上述過程的共同作用可能使得林窗和林下土壤甲烷通量沒有出現(xiàn)顯著差異。當然，影響林窗和林下土壤甲烷排放的直接調控因子是土壤甲烷生成菌和甲烷氧化菌的活性和豐度，林窗的形成是否能影響土壤甲烷生成菌和氧化菌有待進一步研究。

林窗在提高森林的更新速率、優(yōu)化森林結構功能和應對全球氣候變化等過程中都扮演著重要角色[28]。目前，在林窗對森林小氣候、細根及枯落物分解、土壤養(yǎng)分、物種組成及多樣性等方面均有研究[29]。林窗形成的時間、形狀、大小和分布都有可能對林窗的功能造成不同的影響，本研究所選取的林窗和林下土壤甲烷沒有顯著的差異，可能跟林窗類型有關。后期對林窗影響土壤甲烷通量的研究可以考慮從林窗的特征上著手，這對更加深入了解林窗對氣候變化的影響具有重要作用。