曹 杰，梁東哲，趙雨森，辛 穎

(東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

溫室氣體是近十幾年來全球一直共同關(guān)注的重要問題，研究表明，大氣中的CH4和CO2是溫室氣體最主要的成分，它們對全球氣候變暖的貢獻(xiàn)分別為23%和70%[1]。由于工業(yè)發(fā)展，近年來CH4成為繼 CO2之后影響最大的溫室氣體。陸地生態(tài)系統(tǒng)中通氣狀況良好的土壤是甲烷最大的吸收匯，森林土壤是其中最大的甲烷的匯[2]。我國對CH4排放的研究多集中在濕地、草地和農(nóng)田[3-7]。沒有被人為開墾利用的土壤對大氣甲烷更表現(xiàn)為匯，對生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境研究是一個很好的典型區(qū)[8]。森林生態(tài)系統(tǒng)作為主要溫室氣體的匯之一，成為全球碳循環(huán)的研究熱點。

大興安嶺林區(qū)是我國北方森林典型分布區(qū)，具有重要的生態(tài)地位和作用。由于地理環(huán)境和氣候因素的特性，它也是我國森林火災(zāi)的多發(fā)區(qū)。特別是1987年特大森林火災(zāi)使上百萬公頃林地受害，嚴(yán)重改變了森林生態(tài)環(huán)境，形成了大面積的重度火燒跡地，很大程度上影響著該生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡[9]。本研究以大興安嶺重度火燒跡地上不同恢復(fù)年限的興安落葉松(Larixgmelinii)人工林土壤為對象，采取時空替代法，運用靜態(tài)箱-氣相色譜分析方法，研究重度火燒跡地在植被恢復(fù)過程中CH4通量特征及其影響因素。對我國火燒森林生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)過程中碳源匯數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，為大興安嶺森林生態(tài)系統(tǒng)在碳匯中的作用提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于大興安嶺地區(qū)林業(yè)管理局阿木爾林業(yè)局，該局在1987年遭受了重度火燒，形成了大面積的重度火燒跡地。地理位置52°15′03″-53°33′15″N，122°38′30″-124°05′05″E，海拔248～1 397 m。年平均降水400～500 mm，年平均氣溫-5℃左右，平均氣溫在0℃以下的月份長達(dá)8個月。屬寒溫帶大陸性氣候，全年無霜期90 d左右，晝夜溫差大。冬季寒冷而漫長，夏季短暫、降水集中，70%以上降水集中在7、8月。南部山地受地形影響，小氣候變化多端。土壤以棕色針葉林土為主，地帶性植被類型為寒溫帶針葉林。阿木爾林業(yè)局為中低丘陵區(qū)，森林覆蓋度大，空氣濕度大，山地有林地相對濕度大于無林地河谷平原，年平均相對濕度60%左右。地帶性植被類型為寒溫帶針葉林，主要喬木樹種有落葉松、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、白樺(Betulaplatyphylla)和山楊(Populusdavidiana)等；灌木種類主要有杜香(Ledumpalustre)、越橘(Vacciniumvitis-idaea)、刺玫(Rosadavurica)、興安杜鵑(Rhododendrondauricum)和胡枝子(Lespedezabicolor)等；草本有鹿蹄草(Pyrolacalliantha)、小葉章(Deyeuxiaangustifolia)和蚊子草(Filipendulapalmata)等[10]。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

1987年大興安嶺阿木爾林業(yè)局發(fā)生了特大森林火災(zāi)，遺留了大面積的重度火燒跡地，災(zāi)后重建陸續(xù)種植了大量的興安落葉松人工林。2017年5月中旬，通過實地踏查，選取重度火燒跡地上分別恢復(fù)了7、17、20 a和28 a的興安落葉松人工林為對象，以天然更新林分為對照，選擇具有典型代表性且立地條件基本一致的林分。各林分內(nèi)均按照品字型的設(shè)置方法分別設(shè)置3個大小為20 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地。所選樣地火燒前均為興安落葉松林(表1)。重度火燒跡地在人工造林后，連續(xù)3 a進(jìn)行撫育，之后再未受到人為活動干擾。在每個林分內(nèi)重復(fù)設(shè)置3個靜態(tài)箱。

表1 樣地基本概況Table 1 Basic situations of sample plots

2.2 樣品采集與測定

采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，靜態(tài)箱是由底座和頂箱組成，頂箱規(guī)格為50 cm×50 cm×50 cm，箱上設(shè)有采氣孔、測溫裝置，箱內(nèi)頂部安裝電扇保證箱內(nèi)氣體濃度平衡，外部包裹2 cm厚的保溫隔板。底座規(guī)格為50 cm×50 cm×25 cm，底座上部設(shè)有水槽，用于取樣時注水加以密封。在采集樣品前3周將靜態(tài)箱底座埋入采樣點，保證底座水平，整個觀測期間不再移動。

2017年6月初至2017年9月末，每月的上、中、下旬均進(jìn)行1次原位觀測，在每個采樣日9:00-11:00采集氣體樣品。9:00-11:00觀測獲得的土壤氣體通量值可用于代表當(dāng)日氣體通量[11-12]。蓋上靜態(tài)箱頂箱加水密封后，從0 min開始每隔10 min采集1次氣體樣品，共4次。用100 mL醫(yī)用注射器經(jīng)三通閥采集氣體，注入500 mL鋁箔防光照氣體采樣袋，并用冰袋和保溫箱進(jìn)行低溫儲存，采用Agilent 7890B氣相色譜儀進(jìn)行甲烷濃度分析。每次采集氣體樣品同時，使用土壤溫度水分記錄儀(路格L99-TWS-1)在靜態(tài)箱附近測定土壤表層濕度和溫度，使用手持大氣溫濕度測定儀器測定大氣溫濕度。

2.3 CH4通量計算

CH4通量按下式計算：

(1)

式中，F(xiàn)為CH4氣體通量/(μg·m-2·h-1)；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CH4氣體的密度/(kg·m-3)；V為靜態(tài)箱的體積/m3；A為靜態(tài)箱底部面積/m2，P為采樣時實際大氣壓/Pa；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓/Pa；T0為絕對溫度/℉；T為采樣時靜態(tài)箱內(nèi)的溫度/℉；dct/dt為CH4氣體濃度隨時間變化的回歸曲線斜率(R2≥0.9視為有效)；F為正值時表示土壤排放CH4，F(xiàn)為負(fù)值時表示土壤吸收CH4[13]。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS18.0、Excel 2010、WPS等數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖表制作。使用單因素方差分析法進(jìn)行方差分析。使用SPSS軟件計算土壤溫度、土壤濕度、大氣溫度、大氣濕度與土壤CH4通量之間的相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被恢復(fù)過程中CH4通量動態(tài)變化規(guī)律

在生長季期間，林分土壤CH4通量均呈現(xiàn)吸收狀態(tài)(圖1)?；謴?fù)28 a和20 a興安落葉松人工林及天然次生林土壤CH4通量均呈現(xiàn)先遞增后遞減的吸收狀態(tài)，恢復(fù)28 a的興安落葉松人工林CH4氣體通量的平均吸收量的峰值(95.993 μg·m-2·h-1)在7月，恢復(fù)20 a的興安落葉松人工林(85.356 μg·m-2·h-1)和天然次生林(99.935 μg·m-2·h-1)在8月達(dá)到CH4平均吸收量峰值?；謴?fù)17 a的興安落葉松人工林土壤CH4通量是先遞減后遞增的吸收狀態(tài)，7月的平均吸收量最低為41.367 μg·m-2·h-1，9月達(dá)到峰值為55.946 μg·m-2·h-1。恢復(fù)7 a的興安落葉松人工林呈現(xiàn)雙波峰的變化規(guī)律，7月最高的日平均吸收量為66.512 2 μg·m-2·h-1。在生長季期間，恢復(fù)28 a的興安落葉松人工林CH4氣體通量日平均吸收量高于恢復(fù)20、7 a和17 a，而介于恢復(fù)20 a和28 a的興安落葉松人工林之間。

圖1 植被恢復(fù)過程中CH4通量日均值Fig.1 Daily mean values of CH4 flux during vegetation restoration

在生長季，恢復(fù)了7、17、20 a和28 a的興安落葉松人工林土壤CH4通量的日平均值分別為-59.626、-49.886、-64.899 μg·m-2·h-1和-81.400 μg·m-2·h-1，CH4通量變化范圍分別是-87.603～-35.687、-67.093～-22.047、-136.100～-2.347 μg·m-2·h-1和-138.599～-55.832 μg·m-2·h-1。天然恢復(fù)30 a的天然次生林土壤CH4通量在生長季期間的日平均值為-68.691 μg·m-2·h-1，CH4通量變化范圍是-117.090～-12.346 μg·m-2·h-1。通過估算生長季期間各林分的CH4吸收總量，得出恢復(fù)了7、17、20 a和28 a的興安落葉松人工林每個生長季CH4吸收總量分別為174.583、146.066、196.025 mg·m-2和238.340 mg·m-2，天然次生林CH4吸收總量為201.128 mg·m-2。

由圖2可見，在生長季期間，恢復(fù)28 a和7 a的落葉松人工林CH4通量7月最高，天然次生林和恢復(fù)20 a的落葉松人工林CH4通量8月最高，恢復(fù)17 a的落葉松人工林CH4通量為9月最高。

圖2 植被恢復(fù)過程中CH4通量月均值Fig.2 Monthly mean CH4 flux during vegetation restoration

由表2可見，重度火燒跡地在植被恢復(fù)過程中，不同恢復(fù)年限興安落葉松人工林地土壤CH4通量存在顯著差異性(P=0.024<0.05)。其中恢復(fù)17 a與28 a興安落葉松人工林土壤CH4通量存在顯著差異(P=0.001<0.05)，與天然次生林土壤CH4通量也存在差異性(P=0.03<0.05)?；謴?fù)7 a和28 a興安落葉松人工林土壤CH4通量存在顯著差異(P=0.034<0.05)。

表2 植被恢復(fù)過程中CH4通量的顯著性Table 2 Significance of CH4 flux during vegetation restoration

3.2 土壤溫濕度與CH4通量之間的關(guān)系

3.2.1 土壤溫度與CH4通量之間的關(guān)系 研究區(qū)土壤溫度與土壤CH4通量之間具有較為顯著的相關(guān)性?；謴?fù)了7、17、20、28 a的興安落葉松人工林和天然次生林土壤CH4通量在生長季期間隨土壤溫度升高而增大，隨土壤溫度下降而減少的趨勢，土壤溫度對土壤CH4通量具有顯著的影響。林地表層土壤溫度(0～5 cm)與土壤CH4通量的相關(guān)性分析結(jié)果表明(表3)，大興安嶺重度火燒跡地在植被恢復(fù)過程中，恢復(fù)了7、20、28 a的興安落葉松人工林和天然次生林林地土壤CH4通量與0～5 cm土層的土壤溫度呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性?；謴?fù)了17 a的興安落葉松人工林土壤CH4通量與0～5 cm土層的土壤溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)(圖3)。

圖3 土壤溫度與土壤CH4通量的關(guān)系Fig.3 Relationship between soil temperature and CH4 flux

3.2.2 土壤濕度與CH4通量之間的關(guān)系 在生長季期間，土壤濕度對CH4通量的影響并不是很顯著，其中恢復(fù)28 a、20 a興安落葉松人工林和天然次生林的土壤CH4通量與土壤濕度之間的相關(guān)性不顯著?；謴?fù)7 a和17 a興安落葉松人工林土壤CH4通量與土壤濕度之間的相關(guān)性顯著(表3)。

3.3 大氣溫濕度與CH4通量之間的關(guān)系

由表3可知，大氣溫度、大氣濕度對土壤CH4通量的吸收沒有較大的影響。大氣溫度與土壤CH4通量相關(guān)性分析結(jié)果表明，重度火燒跡地植被恢復(fù)過程中林分土壤CH4通量與大氣溫度的相關(guān)性不顯著。大氣濕度與恢復(fù)28 a興安落葉松人工林土壤CH4通量呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)，恢復(fù)28 a和17 a興安落葉松人工林之間呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)。天然次生林、恢復(fù)20 a和7 a興安落葉松人工林土壤CH4通量與大氣濕度之間不存在顯著的相關(guān)性。

表3 土壤CH4通量與相關(guān)因子之間的相關(guān)性Table 3 Correlation between CH4 flux and related factors in soil

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

通過對大興安嶺重度火燒跡地上不同恢復(fù)年限的興安落葉松人工林以及天然恢復(fù)的天然次生林土壤CH4通量的動態(tài)變化及其影響因子的研究發(fā)現(xiàn)，在生長季(6月初至9月末)，大興安嶺地區(qū)重度火燒跡地經(jīng)過植被恢復(fù)后均為CH4的匯。植被恢復(fù)年限越長吸收CH4的總量越大，恢復(fù)28 a的興安落葉松人工林土壤對CH4的吸收超過了天然次生林。

重度火燒跡地在植被恢復(fù)過程中土壤CH4通量與土壤溫度之間存在顯著的相關(guān)性(P<0.05)?；謴?fù)7 a和17 a興安落葉松人工林土壤CH4通量與土壤濕度顯著相關(guān)(P<0.05)，恢復(fù)年限在20 a以上的興安落葉松人工林土壤CH4通量與土壤濕度不相關(guān)。

在大興安嶺地區(qū)，重度火燒跡地植被恢復(fù)過程中大氣溫度不是影響土壤CH4通量的主要因子，與土壤CH4通量之間不存在顯著的相關(guān)性。大氣濕度則與恢復(fù)28 a和17 a興安落葉松人工林土壤CH4通量之間呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

4.2 討論

4.2.1 CH4通量變化動態(tài) 在生長期間不同恢復(fù)年限的興安落葉松人工林和天然次生林CH4通量均為負(fù)值，表明大興安嶺重度火燒跡地經(jīng)過植被恢復(fù)后，發(fā)揮了森林對甲烷氣體碳匯的作用。而有研究表明，CH4的排放現(xiàn)象都出現(xiàn)在非生長季，這一時期土溫較低，甲烷氧化菌的活性可能受到影響，進(jìn)而甲烷的氧化過程有可能受到抑制[14]。生長期間由于適宜的土壤溫度和環(huán)境為甲烷氧化菌提供了較好的生存環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)了甲烷的氧化過程。恢復(fù)年限對CH4的吸收具有一定的影響，碳匯能力表現(xiàn)為恢復(fù)28 a的>恢復(fù)20 a的>恢復(fù)7 a的>恢復(fù)17 a的興安落葉松人工林。在生長期間(6-9月)，恢復(fù)7、17、20 a和28 a的興安落葉松人工林每個生長季CH4吸收總量分別為174.583、146.006、190.025 mg·m-2和238.340 mg·m-2，其中恢復(fù)28 a的興安落葉松人工林對CH4吸收能力最強(qiáng)。由于土壤CH4的吸收主要來源于土壤中微生物的活動，恢復(fù)年限越長的林分，其林分結(jié)構(gòu)越趨于穩(wěn)定，土壤中的微生物能得到更好的生存環(huán)境。良好穩(wěn)定的土壤環(huán)境和林分結(jié)構(gòu)使得不同恢復(fù)年限的人工林呈現(xiàn)出恢復(fù)年限越長土壤CH4碳匯能力越強(qiáng)的趨勢。對比興安落葉松人工林和天然次生林，由于恢復(fù)方式的不同，人工林和天然次生林林分結(jié)構(gòu)有很大的區(qū)別。天然次生林的枯枝落葉層中闊葉比例更多，更易于分解，為土壤微生物提供適宜的環(huán)境。研究可知人工恢復(fù)20 a的興安落葉松人工林每個生長季CH4吸收總量逐漸接近天然恢復(fù)的天然次生林(201.128 mg·m-2)，人工恢復(fù)了28 a的興安落葉松人工林CH4吸收總量已經(jīng)超過了天然次生林。

4.2.2 土壤溫濕度對與CH4通量之間的關(guān)系 在大興安嶺地區(qū)土壤溫度是影響土壤CH4通量的一個重要因素。有研究表明，影響土壤CH4通量的主要因子是土壤中甲烷氧化菌這一類型的土壤微生物活性[15]。土壤表層作為絕大多數(shù)土壤微生物的活動區(qū)域，是微生物生存繁衍的重要場所。甲烷氧化菌等與吸收甲烷相關(guān)的微生物生存繁衍需要良好的土壤環(huán)境，所以森林土壤適宜的溫度和濕度會促進(jìn)土壤對CH4的吸收。本研究表明，土壤溫度在一定范圍內(nèi)時，土壤中微生物的活性會隨溫度的變化而變化，進(jìn)而影響土壤CH4通量的變化，土壤溫度與土壤CH4通量之間的相關(guān)性是較高的。生長季期間，大興安嶺重度火燒跡地在植被恢復(fù)過程中，土壤CH4通量與土壤溫度之間就存在顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.05)?？赡苁且驗橥寥罍囟鹊纳呒涌炝送寥乐杏袡C(jī)質(zhì)的分解，使得土壤的含氧量升高，適宜的溫度和養(yǎng)分給甲烷氧化菌提供良好的生存環(huán)境，在增加菌群數(shù)量的同時也加強(qiáng)了微生物的活性，對微生物的生長及相關(guān)酶的合成具有重要的刺激作用，對土壤表層的氣體傳輸過程也有很大的影響[16]。還有學(xué)者利用線性回歸模型討論了各林分土壤CH4氧化速率與土壤相關(guān)性表明，土壤CH4氧化速率與土壤溫度因林分和土壤深度而異[17]。有研究表明，甲烷氧化菌的活性通常受氧的有效性限制[18]。

土壤水分是土壤溫室氣體重要的環(huán)境影響因子之一，但有研究表明土壤含水量與土壤甲烷吸收二者之間的關(guān)系不顯著[19]。土壤CH4通量可能會因為土壤濕度的不同而受到抑制或者促進(jìn)作用。研究中重度火燒跡地在人工恢復(fù)到7 a和17 a時，興安落葉松人工林土壤CH4通量與土壤濕度之間的相關(guān)性是顯著的(P<0.05)，恢復(fù)到20 a以上林地土壤CH4通量與土壤濕度之間不存在相關(guān)性。這可能是由于林齡的差異和森林小氣候的不同導(dǎo)致的。由于在研究區(qū)生長季期間降雨較為集中，樣地之間土壤濕度差異不大，在各種因子的協(xié)同作用下導(dǎo)致土壤濕度對CH4通量的變化并沒有起到關(guān)鍵的影響。

4.2.3 大氣溫濕度與CH4通量之間的關(guān)系 大興安嶺地區(qū)重度火燒跡地在植被恢復(fù)過程中，大氣溫度與土壤CH4通量之間不存在顯著的相關(guān)性，它不是影響土壤CH4通量的主要影響因子。這是由于大氣溫度并沒有直接影響土壤中微生物的活動，影響土壤微生物的關(guān)鍵因子為土壤溫度。雖然大氣溫度與土壤溫度之間具有一定的相關(guān)性，但其變化規(guī)律則與產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的活性沒有直接的相關(guān)性。

有研究表明，土壤CH4通量與相對濕度之間存在顯著的線性擬合關(guān)系并表現(xiàn)出隨濕度的增加而減少的關(guān)系[20]；而又有研究發(fā)現(xiàn)在荒漠草地、胡楊林地CH4通量與相對濕度之間并無顯著的相關(guān)性[21]。這主要是由于研究區(qū)域的地形特征、氣候特征以及植被類型等多方面因素造成的差異。也有研究表明，近地表CH4濃度會隨著空氣濕度的增加呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢[22]，但沒有說明土壤中CH4濃度是否也會呈現(xiàn)相關(guān)的變化趨勢。而由于北方森林小氣候的原因，空氣中的濕度隨早晚溫差的變化較大，而且空氣濕度與當(dāng)天是否有降雨也有直接的關(guān)系，沒有直接影響土壤CH4通量的變化。因此，在大興安嶺地區(qū)重度火燒跡地恢復(fù)到現(xiàn)階段的過程中，大氣濕度并不是影響土壤中CH4通量的變化主要因子。