梁蕾，馬秀枝*，韓曉榮，李長生，張志杰

1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2. 呼和浩特市氣象局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010040

人類活動(dòng)排放的大氣溫室氣體導(dǎo)致全球氣溫持續(xù)上升。據(jù)IPCC第5次評(píng)估報(bào)告預(yù)測(cè)，21世紀(jì)末全球氣溫將上升 1.1—2.0 ℃，且增溫效應(yīng)不會(huì)就此停止（Melillo et al.，2002；IPCC，2013）。全球變暖會(huì)帶來前所未有的變化，如氣候帶的緯度性變化、全球生態(tài)系統(tǒng)地理分布格局的變化以及生態(tài)系統(tǒng)碳失衡等（Cornelissen et al.，2010）。森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫占全球總碳庫的 46%，土壤呼吸占陸地生態(tài)系統(tǒng)總呼吸的 69%，在調(diào)節(jié)全球碳平衡等中具有重要作用（魏書精等，2014）。CH4是大氣中僅次于CO2的溫室氣體，盡管在大氣中CH4的濃度遠(yuǎn)低于CO2，但由于它對(duì)遠(yuǎn)紅外線的吸收效果更明顯，在大氣中的滯留時(shí)間較長，從而導(dǎo)致CH4對(duì)氣候變化的增溫效應(yīng)是CO2的25倍。大量研究表明森林土壤是CH4重要的匯，每年吸收CH4的量約為 5.32—13.0 Tg（Yu et al.，2017），這一過程對(duì)大氣中的 CH4的降低有重大作用。N2O是大氣中排名第三的溫室氣體，其增溫效應(yīng)是CO2的298倍（Forster et al.，2007），而森林土壤則是N2O重要的排放源，每年向大氣中排放量約為2.4—5.7 Tg（Davidson et al.，2014）。

目前，有關(guān)氣溫升高對(duì)土壤呼吸的影響存在多種觀點(diǎn)和研究結(jié)論。多數(shù)研究認(rèn)為溫度升高加快土壤呼吸，如Rustad et al.（2001）在7種不同類型的森林生態(tài)系統(tǒng)中經(jīng)過 2—5年的增溫實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土壤溫度提高了 1.5—6 ℃，土壤呼吸增加了 7%—46%；Melillo et al.（2002）在同齡混交林中進(jìn)行了6年的增溫實(shí)驗(yàn)（氣溫提高5 ℃），發(fā)現(xiàn)土壤呼吸提高28%；熊沛等（2010）發(fā)現(xiàn)冬季增溫導(dǎo)致華山松林土壤呼吸增加31.4%。Liu et al.（2009）在中國半干旱草原研究發(fā)現(xiàn)增溫處理降低土壤含水量，導(dǎo)致土壤總呼吸、微生物呼吸和微生物量碳均下降，可見增溫對(duì)土壤呼吸的影響方向和程度受多種因子控制，存在較大時(shí)空變異（彭少麟等，2000）。

凋落物在土壤碳庫中有較高占比（Sayer，2006）。凋落物作為生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，直接影響土壤溫濕度，進(jìn)而影響土壤碳源輸入和土壤呼吸（張素彥等，2018）。其存在與否都會(huì)對(duì)土壤理化性質(zhì)造成一定的影響，當(dāng)去除凋落物后，土壤的局部環(huán)境發(fā)生變化，會(huì)間接影響土壤溫室氣體的排放（趙昕等，2014）。

內(nèi)蒙古大青山位于陰山山脈中段，在該地區(qū)進(jìn)行土壤呼吸研究較少，研究該地區(qū)模擬自然增溫以及凋落物對(duì)土壤溫室氣體的影響的相關(guān)研究更是甚少。目前基于模擬增溫下去除凋落物對(duì)土壤溫室氣體通量影響的研究還比較局限，只是考慮其中一種變量對(duì)土壤溫室氣體通量的影響，尚未進(jìn)一步探索耦合作用對(duì)其的影響。中國寒溫帶地區(qū)的森林土壤多表現(xiàn)為CO2和N2O的源和CH4的匯（馬秀枝等，2012），在模擬氣候變暖背景下以及去除凋落物對(duì)其溫室氣體有何影響，目前尚不清楚。因此，本研究選擇內(nèi)蒙古大青山油松人工林為研究對(duì)象，進(jìn)行增溫及去除凋落物不同處理，對(duì)其土壤溫室氣體通量特征進(jìn)行研究分析，以此為內(nèi)蒙古大青山地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)營管理以及研究溫室氣體排減技術(shù)及措施提供科學(xué)依據(jù)和理論參考 。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古大青山中段，地理坐標(biāo)為40°51′19″N，111°34′21″E，地處內(nèi)陸北緯中溫帶，屬典型大陸性半干旱季風(fēng)氣候，地勢(shì)較為陡峭，夏季溫和，冬季寒冷。全年降水少而集中，年平均降水量300—450 mm且主要集中在7—9月，占年降雨量的63%—68%。年蒸發(fā)量1800—2300 mm。年平均溫度10 ℃，極端高溫37 ℃，極端低溫-20.3 ℃。根據(jù)實(shí)地植物樣方調(diào)查，主要林下植被為羊草（Leymus chinensis）、小葉錦雞兒（Caragana microphylla）、隱子草（Cleistogenes Keng）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、鐵桿蒿（Artemisia gmelinii）、大針茅（Stipa grandis）、蒙古蕕（Caryopteris mongholica）、鐵線蓮（Clematis florida）等。區(qū)內(nèi)土壤主要為黃棕壤和黃褐土，人工林主要為油松中齡純林。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2020年5—10月，在內(nèi)蒙古大青山中段前坡烏素圖森林氣象站東側(cè)油松人工林區(qū)選取樣地，樣地位于呼市郊區(qū)攸攸板鄉(xiāng)烏素圖村西溝口的臺(tái)地上，距市區(qū)西北13 km處。東起郊區(qū)保合少鄉(xiāng)的面鋪窯溝，西至土左旗黑牛溝，南至山腳，北與武川縣接壤。在其相對(duì)平坦的地段設(shè)置4個(gè)10 m ×10 m樣方，各樣方間隔10 m，每個(gè)樣方布設(shè)對(duì)照（CK）和OTC模擬增溫（W）兩個(gè)大處理，每個(gè)大處理下設(shè)置保持凋落物和去除凋落物兩個(gè)小處理，即每個(gè)樣方內(nèi)有對(duì)照（CK）、模擬增溫（W）、去除凋落物（NL）、模擬增溫+去除凋落物（WNL）4個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)大處理重復(fù)4次，共設(shè)16個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。每個(gè)處理小區(qū)面積為1 m×1 m，每種處理下均設(shè)置4個(gè)靜態(tài)箱（包括頂箱和底座兩部分）?？紤]到野外沒有電力的情況，選取的是經(jīng)濟(jì)、簡單易行的開頂箱（OTC）增溫裝置，該模擬增溫裝置系以聚碳酸酯（透光率為 90%）為制作材料的八面體開頂增溫室（Open Top Chamber，OTC）。每個(gè)樣方內(nèi)設(shè)置一個(gè)OTC模擬增溫裝置，4個(gè)樣方共4個(gè)OTC模擬增溫裝置。OTC提前一年固定在增溫試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)，將對(duì)土壤等的擾動(dòng)降至最低。其中去除凋落物是將未分解層和半分解層全部清理。4月中旬完全處理后，每周至少清理一次，且每次采集氣體前3天完成準(zhǔn)備工作。靜態(tài)箱頂箱（40 cm×40 cm×40 cm）外部有保溫板，箱內(nèi)裝有溫度計(jì)和小風(fēng)扇。靜態(tài)箱底座（40 cm×40 cm×20 cm）于4月設(shè)置，底座插入地表5 cm以下，并用泥土將底座下端固定，待安裝2周后使用。采集氣體時(shí)，靜態(tài)箱頂箱與底座之間的水槽要加水密封，防止漏氣。

1.3 土壤溫室氣體采集和環(huán)境因子監(jiān)測(cè)

從2020年5—10月，選擇天氣晴好的09:00—12:00（當(dāng)?shù)貢r(shí)間）采集溫室氣體，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)間段內(nèi)的土壤溫室氣體通量最接近日平均通量，所以采用這個(gè)時(shí)間段內(nèi)的排放速率代表全天平均通量（Wu et al.，2019；梁東哲等，2019）。每個(gè)靜態(tài)箱采集氣體是在30 min時(shí)間內(nèi)每10 min采集1次，共計(jì)4次，每次取樣60 mL，分別注入鋁箔采樣袋。每次采樣的同時(shí)用秒表記錄抽氣時(shí)間，并讀取靜態(tài)箱上的溫度計(jì)測(cè)定箱內(nèi)溫度，用JM624型便攜式數(shù)字溫度計(jì)測(cè)定箱外溫度，箱內(nèi)溫度數(shù)值用于氣體通量計(jì)算，用箱外溫度代表此時(shí)林內(nèi)空氣溫度。在所有樣方內(nèi)隨機(jī)選取1個(gè)對(duì)照小區(qū)和1個(gè)OTC模擬增溫裝置內(nèi)各安裝1臺(tái)大氣及土壤溫濕度測(cè)定儀（萬諾云數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)）監(jiān)測(cè)大氣和土壤溫濕度變化。氣溫傳感器距地面 1.5 m，土壤溫濕度傳感器分設(shè)在5、10、20 cm 3個(gè)土層深度，自動(dòng)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集頻率為1/(0.5 h)。

根據(jù)天氣情況，7 d左右取樣一次。所有采集的氣體樣品盡快帶回實(shí)驗(yàn)室，于 1周內(nèi)用 Agilent 7890A型氣相色譜儀測(cè)定其CO2、CH4和NO2濃度。每次采集氣體的同時(shí)在靜態(tài)箱底座外圍進(jìn)行土樣的采取，隨機(jī)選3個(gè)點(diǎn)，分別取0—10 cm和10—20 cm的土壤等質(zhì)量混合，帶回實(shí)驗(yàn)室挑除草根、石子，然后土壤有機(jī)碳（SOC）的測(cè)定采用重鉻酸鉀-外加熱法進(jìn)行，土壤全氮（TN）的測(cè)定采用凱氏定氮法進(jìn)行。

1.4 溫室氣體通量計(jì)算

利用靜態(tài)箱-氣相色譜法測(cè)定土壤溫室氣體通量。靜態(tài)箱式法是用觀測(cè)箱罩住被測(cè)表面并用水密封底座，使靜態(tài)箱箱內(nèi)空氣與外界隔絕，然后定時(shí)測(cè)定箱內(nèi)空氣中被測(cè)氣體的濃度變化，計(jì)算該種氣體的交換通量。靜態(tài)箱式法通量計(jì)算公式一般表達(dá)為：

式中：

F——交換氣體通量；

ρ——箱內(nèi)氣體密度；

Δm和Δc——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——采樣箱底面積、靜態(tài)箱箱體體積和箱內(nèi)部地表到箱頂?shù)母叨龋?/p>

Δc/Δt——箱內(nèi)氣體濃度變化。F為正值時(shí)表示排放，為負(fù)值時(shí)表示吸收。

1.5 全球增溫潛勢(shì)（GWP）計(jì)算

全球增溫潛勢(shì)（GWP）以CO2作為參照氣體，在100 a時(shí)間尺度上評(píng)價(jià)各溫室氣體對(duì)全球氣候變化的相對(duì)影響。通過3種溫室氣體對(duì)100 a尺度的氣候變化產(chǎn)生的影響，從而得知其帶來的全球增溫潛勢(shì)，計(jì)算公式如下：

式中：

P——全球增溫潛勢(shì)（GWP）；

25和298——100 a時(shí)間尺度上CH4和N2O相對(duì)于CO2的GWP倍數(shù)（Wang et al.，2014）。

1.6 數(shù)據(jù)處理

選擇SPSS 20.0和Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析法對(duì)不同處理下的土壤溫濕度、土壤溫室氣體通量組間差異進(jìn)行分析，用Pearson法對(duì)土壤溫室氣體通量與環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析，并使用Origin-2018制圖。

2 結(jié)果分析

2.1 模擬增溫對(duì)大氣及土壤溫濕度的影響

大青山油松人工林生長季大氣溫濕度以及不同土層溫濕度變化如圖1所示。大青山油松人工林生長季大氣溫度和土壤溫度的變化趨勢(shì)相似。在CK的大氣平均溫度為17.10 ℃，5、10和20 cm土層平均溫度分別為16.79、16.37和15.78 ℃；大氣平均濕度為52.7%，土壤5、10和20 cm平均含水量分別為16.7%、18.2%和21.6%；大氣及土壤溫濕度最高值均出現(xiàn)在6—7月。

圖1 模擬增溫對(duì)大青山油松人工林大氣及土壤溫濕度的影響Figure 1 Effects of simulated warming on air and soil temperature and humidity of Pinus tabulaeformis Plantation in Daqing Mountain

在W處理下：大氣平均溫度為18.07 ℃，土壤5、10和 20 cm 平均溫度分別為 17.41、17.03和16.43 ℃；大氣平均濕度為 53.3%，土壤 5、10和20 cm平均含水量分別為11.8%、14.7%和11.5%。W處理較CK處理：大氣溫度升高0.97 ℃，土壤5、10和20 cm溫度分別升高0.62、0.66和0.65 ℃；大氣濕度升高0.6%，土壤5、10和20 cm含水量分別降低4.9%、3.6%和10.0%。與CK相比，模擬增溫后，土壤溫度和含水量均沒有顯著提升（P＞0.05）。總體來看，增溫對(duì)土壤含水量的影響高于土壤溫度，隨土壤深度增加，含水量差異先減后增。大氣溫度易受外界云層、樹蔭等環(huán)境擾動(dòng)影響，波動(dòng)較大，而土壤溫度較為穩(wěn)定，最大值出現(xiàn)時(shí)間較大氣溫度滯后。

2.2 增溫和去除凋落物對(duì)土壤溫室氣體通量的影響

2.2.1 增溫和凋落物去除對(duì)土壤CO2通量的影響

由圖2可知，大青山油松人工林4種處理下的土壤CO2通量生長季變化規(guī)律基本一致，整個(gè)生長季均表現(xiàn)為排放通量。4種處理下的土壤 CO2通量范圍為 224.19—601.15 mg·m-2·h-1。大青山油松人工林生長季CK、W、NL、WNL 4種處理按照土壤CO2通量平均值從大到小排序?yàn)椋篊K (406.57±7.82)mg·m-2·h-1＞W(wǎng) (383.58±7.06) mg·m-2·h-1＞NL (360.34±7.06) mg·m-2·h-1＞W(wǎng)NL (320.61±7.98) mg·m-2·h-1。W、NL、WNL較 CK土壤 CO2排放通量分別下降了5.51%、11.37%和21.14%，CK處理下的土壤CO2通量總量最高且顯著高于 WNL處理，W、NL以及WNL之間無顯著差異。

圖2 模擬增溫及凋落物去除對(duì)土壤CO2氣體通量的影響Figure 2 Effects of simulated warming and litter removal on soil CO2 gas flux

土壤CO2通量隨著季節(jié)變化有著明顯的差別，土壤CO2通量從5月開始呈增長趨勢(shì)，到6月下旬出現(xiàn)一個(gè)小的峰值，到8月中旬土壤CO2通量達(dá)到最大值，之后在9月末又出現(xiàn)一個(gè)小的峰值后開始下降，直到生長季末期下降到最低。CK（601.15 mg·m-2·h-1）、W（552.01 mg·m-2·h-1）、NL（486.35 mg·m-2·h-1）、WNL 420.80 mg·m-2·h-1）4 種處理下的土壤CO2通量排放高峰期集中在7月中旬到8月下旬。

2.2.2 增溫和去除凋落物對(duì)CH4通量的影響

由圖3可知，大青山油松人工林4種處理下的土壤CH4通量生長季變化規(guī)律基本一致，整個(gè)生長季土壤 CH4通量表現(xiàn)為吸收匯，4種處理下的土壤CH4通量吸收范圍為-28.45— -90.2 μg·m-2·h-1，波動(dòng)規(guī)律較為明顯。4種處理按照土壤 CH4通量平均值從大到小排序分別為：NL (-45.87±2.50) μg·m-2·h-1＞W(wǎng)NL (-51.87±2.35) μg·m-2·h-1＞CK (-57.72±1.98)μg·m-2·h-1＞ W (-59.30±2.16) μg·m-2·h-1。W 較 CK 土壤CH4吸收通量提高2.74%，NL和WNL較CK土壤CH4吸收通量分別降低20.53%和10.14%，CK處理下的土壤CH4通量顯著高于 NL，CK與其他兩種處理無顯著差異。

圖3 模擬增溫及凋落物去除對(duì)土壤CH4氣體通量的影響Figure 3 Effects of simulated warming and litter removal on soil CH4 gas flux

4種處理下的土壤CH4通量從5月開始均表現(xiàn)為CH4的弱吸收，吸收強(qiáng)度隨時(shí)間推移而逐漸增強(qiáng)；5月上旬表現(xiàn)為弱吸收，到6月上旬出現(xiàn)強(qiáng)吸收，到達(dá)最大值，6月下旬至8月持續(xù)表現(xiàn)為強(qiáng)吸收，之后在9月下旬又表現(xiàn)為弱吸收。土壤CH4通量曲線表現(xiàn)為 3 吸收峰型。CK（-77.76 μg·m-2·h-1）、W（-90.20 μg·m-2·h-1）、NL（-62.82 μg·m-2·h-1）、WNL（-80.41 μg·m-2·h-1）4 種處理下的土壤 CH4通量排放高峰期集中在6、7月。

2.2.3 增溫和去除凋落物對(duì)N2O通量的影響

由圖4可知，大青山油松人工林4種處理下的土壤N2O通量生長季變化趨勢(shì)大體相同，整個(gè)生長季均表現(xiàn)為排放通量。4種處理下的土壤N2O通量范圍為 3.94—10.78 μg·m-2·h-1，按照土壤 N2O 通量平均值從大到小排序分別為：CK (7.57±0.31)μg·m-2·h-1＞W(wǎng) (6.81±0.30) μg·m-2·h-1＞NL (6.57±0.27)μg·m-2·h-1＞W(wǎng)NL (5.93±0.23) μg·m-2·h-1。W、NL 以及 WNL較 CK土壤 N2O排放通量分別降低了10.04%、13.21%以及21.66%，CK處理下土壤N2O通量最高且顯著高于WNL，W、NL及WNL之間無顯著差異。

圖4 模擬增溫及凋落物去除對(duì)土壤N2O氣體通量的影響Figure 4 Effects of simulated warming and litter removal on soil CH4 gas flux

4種處理下土壤N2O通量隨著時(shí)間推移和溫度升高呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)且表現(xiàn)出相似的變化曲線，直至6月下旬達(dá)到最大排放峰值，之后緩慢下降，均表現(xiàn)為雙峰型。8月中旬排放值最低，之后在 9月又出現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的峰值后開始下降并維持在較低 水 平 。 CK （ 11.40 μg·m-2·h-1） 、 W （ 10.78 μg·m-2·h-1）、NL（8.98 μg·m-2·h-1）、WNL（8.55 μg·m-2·h-1）4種處理下的土壤 N2O 通量均在 2020年6月下旬達(dá)到最大排放值。

2.2.4 大青山油松人工林不同處理后的土壤增溫潛勢(shì)

由表1可知，生長季不同處理大青山油松人工林土壤溫室氣體的增溫潛勢(shì)排序與土壤CO2通量大小排序一致。在增溫效應(yīng)方面，CO2起著決定性作用。但不同處理后，土壤CO2通量均出現(xiàn)下降趨勢(shì)，而同時(shí)增溫和去除凋落物增溫潛勢(shì)最小。整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)，大青山油松人工林生長季4種處理下土壤是CO2、N2O的“源”和CH4的“匯”。

表1 大青山油松人工林4種處理下土壤溫室氣體增溫潛勢(shì)Table1 Warming potential of soil greenhouse gases under four treatments of Pinus tabulaeformis Plantation in Daqing Mountain t·hm-2

2.3 大青山油松人工林生長季土壤溫室氣體通量與環(huán)境因子、土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

由表2可知，大青山油松人工林土壤CO2通量在W和 CK兩種處理方式下與大氣溫濕度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與0—5、5—10和10—20 cm土壤溫濕度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），溫濕度是影響土壤CO2通量動(dòng)態(tài)的關(guān)鍵環(huán)境因子，在CK和W處理下土壤CO2通量與土壤TN（0—10 cm）呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與土壤TN（10—20 cm）呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。土壤CH4通量僅在 W 處理下與大氣濕度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），其他處理?xiàng)l件下與土壤理化性質(zhì)無顯著相關(guān)性。土壤N2O通量在W處理下與土壤TN（0—10、10—20 cm）呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），與其他處理?xiàng)l件下與環(huán)境因子無任何顯著相關(guān)性。

3 討論

3.1 土壤CO2通量特征及影響因素

森林土壤 CO2排放是土壤向大氣排放 CO2的主要方式之一，會(huì)受到土壤表層凋落物、土壤溫濕度以及土壤養(yǎng)分等因素影響。2020年生長季觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，大青山油松人工林土壤為CO2排放源，且在8月達(dá)到排放高峰期，這與Song et al.（2017）和吳祥文等（2020）的研究結(jié)果相同。生長季初期，4種處理下的土壤均出現(xiàn)短暫的高排放現(xiàn)象，其原因可能是由于冬季土壤凍結(jié)，植物呼吸以及土壤微生物活動(dòng)所產(chǎn)生的CO2被封存在土壤中；春季氣溫回升，凍結(jié)土壤隨溫度升高逐漸融化，據(jù) 2020年土壤監(jiān)測(cè)，3月15日0—5 cm土壤融化，3月22日5—10 cm土壤融化，4月1日10—20 cm土壤融化，土壤融化后封存的CO2得以釋放，形成小的排放高峰期，李攀等（2012）也得出相似結(jié)果。春末夏初氣溫持續(xù)升高，土壤融化后植物復(fù)蘇，自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸作用逐漸增強(qiáng)，土壤CO2通量隨之波動(dòng)增加。研究區(qū)夏季良好的水熱條件，促進(jìn)了根系呼吸和土壤微生物分解，土壤CO2達(dá)到排放高峰期（牟長城等，2010）。秋季氣溫降低，植被逐漸枯落，微生物活性降低，土壤 CO2通量隨之降低，這與黨旭升等（2015）的研究結(jié)果相似。本研究結(jié)果表明，自然狀態(tài)下的土壤CO2平均通量最高，增溫和去除凋落物次之，增溫＋去除凋落物最低，導(dǎo)致這種結(jié)果的原因可能是由于研究區(qū)位于半干旱區(qū)，而干旱半干旱區(qū)土壤呼吸對(duì)溫度的響應(yīng)程度則是依賴于土壤含水量，生態(tài)系統(tǒng)受水分條件限制明顯，特別是夏季，土壤微生物活性的下降是由于土壤含水量的降低所致（王新源等，2012）。增溫條件下土壤含水量影響土壤呼吸，在土壤含水量較高的條件下增溫促進(jìn)土壤呼吸作用，在土壤含水量較低的條件下則相反，這與本研究中在增溫情況下土壤含水量低（11.5%—14.7%）的條件下抑制土壤呼吸結(jié)果相一致（Peng et al.，2015）。凋落物是土壤CO2通量的重要影響因子，其輸入量的變化會(huì)對(duì)土壤呼吸造成顯著影響。本研究發(fā)現(xiàn)，去除凋落物后的土壤CO2通量均值相比于自然狀態(tài)降低了11.37%，去除凋落物后會(huì)使部分土壤微生物的活性降低，從而影響土壤CO2通量。針葉林在去除凋落物后使得土壤CO2通量下降，這與很多人對(duì)針葉林的研究結(jié)果相同（彭信浩等，2018；段北星等，2020）。增溫+去除凋落物相比于增溫保留凋落物和只去除凋落物的土壤CO2通量分別降低了16.42%和11.03%，而增溫+去除凋落物相比于自然狀態(tài)下土壤 CO2通量降低了 21.14%，這說明增溫＋去除凋落物后，土壤CO2通量的減少并不等于增溫和去除凋落物各自處理后的土壤CO2減少的通量之和，而是低于二者之和，這表明增溫+去除凋落物對(duì)土壤 CO2通量的影響存在耦合效應(yīng)，一方面可能是該處理后，使得植物生物量和活性碳輸入下降（李偉等，2016），從而減少了有機(jī)質(zhì)輸入，引起土壤呼吸下降；另一方面可能是該處理破壞了這種長期穩(wěn)定的狀態(tài)，使得土壤微環(huán)境發(fā)生變化，從而使CO2排放減少。當(dāng)然增溫和凋落物的交互作用對(duì)土壤CO2通量的影響是雙重性的，而且是長期效應(yīng)的結(jié)果，可能短時(shí)間內(nèi)會(huì)有時(shí)間變異性。通過2020年生長季對(duì)比發(fā)現(xiàn)，土壤CO2通量與土壤溫濕度變化相似，土壤CO2通量與各土層土壤溫度呈極顯著正相關(guān)（表 2），這與耿元波等（2010）研究結(jié)果相同。

表2 土壤溫室氣體通量與環(huán)境因子、土壤性質(zhì)相關(guān)性Table 2 Correlation of soil greenhouse gas flux with environmental factors and soil properties

3.2 土壤CH4通量特征及影響因素

CH4通量在土壤呼吸中既能表現(xiàn)為排放型通量也能表現(xiàn)為吸收型通量（仝川等，2012）。土壤水熱條件直接或間接改變厭氧產(chǎn)甲烷菌和好氧甲烷氧化菌的群落特征，影響土壤CH4通量，因此不同生態(tài)系統(tǒng)條件下水熱狀況的差異導(dǎo)致土壤CH4通量也各不相同。本研究發(fā)現(xiàn)，4種處理下土壤CH4通量均表現(xiàn)為吸收匯。生長季初期由于甲烷氧化菌在適宜的溫度下表現(xiàn)活躍，大量消耗甲烷，因此土壤CH4通量表現(xiàn)為弱吸收。到了6月由于雨季還未到，隨著氣溫升高蒸發(fā)作用加強(qiáng)，土壤出現(xiàn)短暫干旱期，有利于空氣中CH4和氧氣在土壤中傳播，增加CH4氧化吸收量（Song et al.，2012）。到了7月隨著雨季的到來，土壤含水量增加，土壤CH4吸收量相對(duì)減少。生長季后期，隨著冷空氣的到來，低溫減緩?fù)寥繡H4，土壤CH4吸收速率開始降低。增溫較自然狀態(tài)下土壤CH4吸收通量提高2.74%，去除凋落物和增溫＋去除凋落物較自然狀態(tài)土壤CH4吸收通量分別降低20.53%和10.14%，表明增溫促進(jìn)甲烷的吸收，增溫在促進(jìn)甲烷氧化菌群活性的同時(shí)，也對(duì)產(chǎn)甲烷菌群具有積極影響；另一方面增溫導(dǎo)致土壤含水量下降，提高土壤透氣性，促進(jìn)甲烷氧化菌的活性。而去除凋落物后，土壤部分裸露，會(huì)使得土壤溫度升高、含水量降低，可使得氧化CH4的細(xì)菌活動(dòng)增強(qiáng)，從而提高土壤CH4的吸收，而本研究中去除凋落物以及增溫＋去除凋落物后土壤CH4吸收通量降低，這可能由于本研究區(qū)年平均氣溫低，溫度升高會(huì)加快凋落物的分解轉(zhuǎn)化（Leitner et al.，2016；Fan et al.，2020），因此造成本研究區(qū)凋落物分解速率不及其他地區(qū)，從而抑制CH4的吸收。CH4在沼澤濕地受淹水狀況影響多為釋放源，在林地多為吸收匯，本研究區(qū)土壤CH4吸收通量為中等水平，與劉玲玲等（2008）研究結(jié)果相同。

3.3 土壤N2O通量特征及影響因素

通過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，生長季4種處理下土壤N2O通量均表現(xiàn)為排放源且通量值總體較小，呈弱排放趨勢(shì)。5—6月下旬，土壤N2O通量均出現(xiàn)排放高峰期。主要原因可能是冬季土壤膠粒外部被冰層所覆蓋，內(nèi)部仍留存未凍水膜形成厭氧環(huán)境，為反硝化反應(yīng)提供了良好的場所，產(chǎn)生N2O的同時(shí)又阻止其外釋，春末土壤融化，累計(jì)其中的N2O被釋放到大氣中（Fisher et al.，2019），而土壤解凍期含水量較高且富含大量活性碳、氮等營養(yǎng)底物，有利于N2O的產(chǎn)生。夏季植被生長旺盛，吸收利用大量的有效氮，植被與微生物之間形成競爭并占據(jù)優(yōu)勢(shì)，影響土壤硝化和反硝化作用（Li et al.，2020）；同時(shí)，隨著降雨頻繁，淺層土壤干濕交替，均影響土壤N2O排放速率（梁東麗等，2002）。生長季后期溫度下降，控制土壤N2O生產(chǎn)過程的酶活性也降低，土壤N2O通量逐漸減小。增溫、去除凋落物以及增溫＋去除凋落物后土壤 N2O通量均沒有顯著變化且低于自然狀態(tài)。可能增溫一方面促進(jìn)了植物對(duì)N2O的吸收，另一方面造成土壤水分降低，有利于土氣交換，促進(jìn)硝化過程，當(dāng)土壤更為干旱時(shí)，硝酸根的擴(kuò)散受到抑制，因此基于硝酸根的反硝化過程也受到影響，導(dǎo)致N2O排放減少。去除凋落物后降低了土壤中的養(yǎng)分來源，從而使得硝化作用和反硝化作用的原料減少，因此會(huì)讓土壤N2O排放降低（張秀君等，2002）。土壤TN含量會(huì)影響土壤內(nèi)的一些生化反應(yīng)，故影響 N2O氣體通量（Zhang et al.，2008），本研究表明土壤N2O通量與土壤TN呈顯著正相關(guān)。

4 結(jié)論

通過模擬增溫和去除凋落物實(shí)驗(yàn)，表明大青山油松人工林對(duì)氣候變化較為敏感，主要3種溫室氣體通量受到溫濕度以及凋落物等多因素的影響，增溫以及凋落物不僅直接影響溫室氣體通量，也導(dǎo)致其土壤更為復(fù)雜的水熱變化，直接或間接地影響了其森林生態(tài)過程，從而影響其區(qū)域溫室氣體通量。這種復(fù)雜的內(nèi)部調(diào)節(jié)機(jī)制使得森林生態(tài)系統(tǒng)維持相對(duì)的穩(wěn)定，短期增溫并沒有導(dǎo)致大青山油松人工林溫室氣體通量發(fā)生顯著改變。對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體通量的研究需要耦合多因素共同帶來的作用；大青山油松人工林溫室氣體通量沒有立即對(duì)氣候變化以及凋落物產(chǎn)生積極響應(yīng)，而是需要一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)整的時(shí)期。