华南地区4种典型人工林土壤CO2和CH4通量研究

李海防

（1. 桂林理工大学旅游学院，广西 桂林 541004；2. 中国科学院华南植物园，广东 广州 510650）

华南地区4种典型人工林土壤CO2和CH4通量研究

李海防1,2

（1. 桂林理工大学旅游学院，广西 桂林 541004；2. 中国科学院华南植物园，广东 广州 510650）

采用静态箱/气相色谱分析技术对中国科学院鹤山丘陵综合开放试验站尾叶桉纯林（Eucalyptus urophylla, EUp）、厚荚相思纯林（Acacia crassicarpa, ACp）、10个树种混交林（Tp）和30个树种混交林（THp）4种林型的土壤CO2和CH4排放通量进行了原位测定，研究纯林和混交林对土壤温室气体排放的影响。结果表明：4种林型土壤都是CO2的源，但对CH4而言，可能是源，也可能是汇。CO2和CH4排放通量季节波动幅度较大；4种林型土壤CO2和CH4通量在湿季均维持较高水平；峰值均出现在湿季，旱季则趋于降低，且相对稳定。由于EUp和ACp纯林土壤微生物碳（Microbial Biomass Carbon，MBC）比混交林高，导致Eup（130.67 mg·m－2·h－1）和Acp（134.65 mg·m－2·h－1）土壤CO2通量显著高于Tp（111.39 mg·m－2·h－1）和THp（108.53 mg·m－2·h－1）。在4种林型中，尾叶桉和厚荚相思对土壤NO3-N和NH4-N快速吸收，土壤CH4排放通量较低。土壤温度、湿度、MBC、NO3-N和NH4-N都是影响土壤CO2和CH4通量的重要因子。

森林土壤；CO2通量；CH4通量；纯林；混交林

温室气体是指地球大气中导致温室效应的气体，主要包括CO2和CH4等。近几十年来，大气中的温室气体在逐年增加[1～2]。据IPCC（2001）估计，大气中CO2和CH4年均增长速度分别达到0.5%和0.8%，全球增温效应越来越明显[3]。在温室气体的所有排放源中，其主要源是土壤[4]。土壤有机碳（Soil Organic Carbon，SOC）经土壤微生物的矿化作用，以CO2形式释放到大气中[5]。土壤CH4排放是甲烷产生菌和甲烷氧化菌共同作用的结果[6]。土壤CO2和CH4通量受土壤温度[7～8]、湿度[9～10]、质地[11～12]、微生物量[13]、可溶性氮[14～16]等多种因素的影响。此外，植被类型变化能通过改变上述各种环境因素，进而影响土壤CO2和CH4通量[17]。

人工林是我国森林类型的重要组成部分，据全国绿化委员会发布的《2007年中国国土绿化状况公报》显示，我国人工林面积达0.62亿hm2，占世界人工林面积的1/3，居世界第一；且主要是一些速生纯林，如桉树（Eucalyptussp.）、马尾松（Pinus massoniana）林以及相思树（Acaciasp.）林等[18]，而混交林则相对较少。在华南人工林产区，纯林和混交林林型变化对土壤温室气体排放有什么影响，相关的研究还不多，有些研究结果还有待进一步证实[19]。因而，研究纯林和混交林土壤CO2和CH4通量变化，探寻林型变化对CO2和CH4通量影响机制，对丰富人工林生态系统碳固定及固碳减排理论与技术，实现经济转型和减小温室气体排放具有重要的理论意义和实践意义。

本研究以中国科学院鹤山丘陵综合开放试验站典型人工林为研究对象，原位系统测定尾叶桉纯林（E. urophyllaplantation，EUp）、厚荚相思纯林（A. crassicarpaplantation，ACp）、10个树种混交林（10-species-mixed plantation，Tp）、30个树种混交林（30-species-mixed plantation，简写：THp）林下土壤CO2和CH4通量，对CO2和CH4通量和环境因子的关系进行探讨，探究人工纯林和混交林在温室气体排放中的作用。

1 研究地区与研究方法

1.1 自然概况

实验选在中国科学院鹤山丘陵综合开放试验站共和样地。该站位于广东省鹤山市，112° 54′ E，22° 41′ N，地形多为海拔100 m以下的丘陵地。试验站所在地属南亚热带季风气候，年均太阳辐射4 350.5 MJ/（m2·a）；年平均气温21.7 ℃，极端最高温37.5 ℃，极端最低温0 ℃。年均降水量为1 800 mm，有明显的干、湿季之分，干季为10月到翌年3月，湿季为4月到9月；年均蒸发量为1 638.8 mm。丘陵地土壤为赤红壤，属强酸性土壤。人工林建于2005年春，造林前皆为荒草地，面积约50 hm2，有尾叶桉纯林、厚荚相思纯林、10个树种混交林和30个树种混交林等不同林型；每个林型有3个重复，每个重复样地面积约1 hm2（表1）。林下灌草主要为芒萁（Dicranopteris dichotoma）、乌毛厥（Blechnum orientale）和岗松（Baeckea frutescens）等。

表1 4种人工林样地概况Table 1 General situation of four plantations

1.2 研究方法

1.2.1 实验设计 在研究区选取EUp、ACp、Tp和THp 4种林型为研究对象。在每块样地建立1个10 m×10 m的小区，共计12个小区（4个林型×3个重复）。

1.2.2 采样方法

1.2.2.1 土壤温室气体采样 土壤CO2和CH4排放通量用静态箱/气相色谱法进行测定。土壤温室气体采样从2007年6月开始到2008年5月结束。每两个星期采样一次。每个试验小区设置2个静态箱，箱体由PVC管制成，内径22 cm，高20 cm。不锈钢底座固定于采气样点，整个生长季节不再移动。每次采样都在9:00开始[8]，将采气箱放在不锈钢底座凹槽中，加水密封，扣箱后用100 mL塑料注射器于0、10、20、30 min抽取箱内气体，采集的气样迅速带回实验室进行气相色谱分析。

1.2.2.2 表层土壤采样 表层土样分别于2007年9月和2008年3月干湿季各取样一次。在每个小区内随机选取6个点，在每一点用直径8.5 cm的采土器取0 ～ 10 cm深的表土，每个小区土样由6次取样混和而成。土样立即带回实验室，其中，用于理化性质分析的样品风干磨细，过孔径2 mm筛；分析土壤微生物生物量的样品放入－4℃的冰箱保存。

1.2.3 测定方法

1.2.3.1 土壤温室气体测定 采集的气样在24 h内用HP5890气相色谱仪分析CO2和CH4浓度。温室气体通量的计算是通过气体浓度随时间的变化，计算单位地表面积的气体排放通量。土壤温室气体排放通量用以下公式计算：

式中，dc/dt为观测时间箱内气体浓度随时间变化的直线斜率；M为气体的摩尔质量（g/mol）；V0为标准状态下（温度273 K，气压1 013 hPa）气体的摩尔体积（22.41×10－3m3）；T0和P0分别为标准状态下的空气绝对温度（K）和气压（hPa），P为采样点的气压（hPa），T为采样时的绝对温度（K），H为采样箱的高度（cm）。

1.2.3.2 土壤温湿度测定 在抽取土壤温室气体气样的同时，在静态箱底座处随机选取3个测定点，用土壤温度计（Fisher Scientific）和湿度计（TK1-Basic, Delta-T Devices Ltd, Cambridge, UK）分别测定地表0 ～ 10 cm土壤温湿度。

1.2.3.3 土壤理化性质及微生物碳的测定[20]土壤pH值采用土壤pH计水浸液测定法；土壤SOC含量采用重铬酸钾氧化法；土壤NH4-N采用靛酚兰比色法进行测定；土壤NO3-N采用酚二磺酸比色法；土壤微生物碳（Microbial Biomass Carbon，MBC）采用氯仿熏蒸，KCL浸提容量分析法。

1.3 数据处理

应用SPSS13.0软件进行单因素方差分析，用LSD法检验不同处理对土壤CO2和CH4排放及土壤理化性质影响差异的显著性。

2 结果与讨论

2.1 土壤CO2和CH4排放通量季节动态变化

研究结果表明，4种林型土壤CO2和CH4排放通量分别在32.85 ～ 225.99 mg·m－2·h－1和－45.56 ～ 189.42 μg·m－2·h－1变化，该范围与前人研究结果基本相符[21～22]。从图1可以看出，CO2排放通量都为正值，4种林型土壤都是CO2的源。但CH4排放通量在湿季多为正值，在干季多为负值，表明地表土壤根据外界环境的变化，土壤在CH4的源与汇之间变化。CO2和CH4通量均具有明显的季节变化趋势，在湿季（4－9月）明显较高，而在干季（10月到翌年3月）则趋于降低，且保持相对稳定。

一般认为，土壤温度和湿度是影响土壤温室气体排放的主要环境因子[23]。从图1可以看出，CO2和CH4通量峰值均出现在湿季（图1）。在湿季，土壤微生物和土壤根系活性较高，CO2和CH4通量易受其他环境因子影响，因而波动幅度较大[23]。CH4的产生通常要求厌氧环境，在湿季，降雨量较大，随着土壤湿度的增加，CH4排放通量加大，降雨使土壤湿度达到最佳湿度时，就会出现吸收CH4峰值[24]。CO2和CH4通量在干季降低的主要原因是由于地表土壤温湿度降低，土壤微生物和土壤根系活性下降，土壤微生物呼吸和根呼吸都处于抑制状态，导致温室气体通量下降，这与前人的研究结果一致[25]。

图1 4种人工林土壤CO2和CH4排放通量月动态变化Figure 1 Monthly variations of soil CO2and CH4fluxes in four plantations

2.2 4种人工林土壤理化性质分析

研究结果表明，纯林和混交林对土壤理化性质有重要的影响（表2）。EUp和ACp纯林地表土壤湿度显著（P＜ 0.01）高于Tp和THp混交林，而土壤温度则相对较低（P ＜ 0.05）。这是因为尾叶桉和厚荚相思是典型的速生树种，生长速度快，郁闭度高（表1），地表土壤通透度较低，光照较弱，导致地表温度略低；同时，温度降低减缓土壤水分蒸发散失，土壤湿度较高。纯林和混交林对土壤pH没有明显影响，4种林型土壤pH没有显著差异（表2）。表2结果表明，EUp和ACp纯林土壤SOC含量与Tp和THp相比并不显著。一般认为，土壤SOC含量与植被凋落物的输入密切相关，速生树种年生长量高于慢生树种，地面凋落物输入量大，土壤SOC含量一般较高[26]，但在本实验中，由于造林时间较短，这可能是土壤SOC差异不显著的主要原因。在EUp和ACp纯林，林下土壤NO3-N和NH4-N含量明显较低（表2），这可能是由于速生林对NO3-N和NH4-N需求较高的缘故。龚珊珊等人研究指出，由于速生林对土壤养分的大量消耗，桉树林下土壤有效氮的含量显著减少[27]。土壤MBC虽然仅占土壤有机C总量的1% ～ 4%，但它却是土壤养分转化的活性库或源，是C素循环和周转的重要媒介[28]。土壤MBC含量反映了土壤微生物的生物量。与Tp和THp混交林相比，EUp和ACp纯林林下环境在一定程度上有利于土壤微生物的生存繁衍，土壤MBC明显较高（表2）。

表2 4种人工林下土壤理化性质Table 2 Soil physical and chemical characteristics of four plantations

2.3 影响土壤CO2和CH4通量的主要因素

由图2结果表明，纯林和混交林林下土壤CO2年通量具有明显的规律性，林型变化对土壤CO2排放有重要影响。EUp（130.67 mg·m－2·h－1）和ACp（134.65 mg·m－2·h－1）纯林土壤CO2通量显著高于Tp（111.39 mg·m－2·h－1）和THp（108.53 mg·m－2·h－1）混交林。一般认为，土壤CO2排放是土壤生物化学过程的结果，所有能直接或间接影响生物化学过程的环境因子都能影响土壤CO2的排放[24]。根据一年的实验观测数据，得出CO2通量与各环境因子的相关系数矩阵（表3）。结果表明，土壤CO2通量与表层土壤温度和湿度具有显著正相关性，这与很多人的研究结果相一致[7,29]。从表2和表3也看出，4种林型MBC含量差异显著（P ＜ 0.05），且CO2通量与MBC含量呈正相关性（r = 0.560，n = 6）。这说明，在4种林型中，由于尾叶桉和厚荚相思为速生树种，与Tp和THp混交林相比，林下土壤温度较低，但土壤湿度较大（表2）。土壤温度和土壤湿度作为影响土壤温室气体排放的重要因子，可能在EUp和ACp林下土壤创造一个有利于土壤微生物的小环境[30～31]，MBC显著增高，微生物活性较强，因而土壤CO2通量增高。表3还表明，土壤CO2通量与SOC的相关并不显著，且在表2中，EUp和ACp速生林土壤SOC含量与混交林相比也不显著。但很多研究表明[2,16]，土壤SOC是影响土壤CO2通量的重要因子。在本实验中，土壤SOC含量对CO2通量影响不显著，这可能是由于实验时间较短，效果还不显著的缘故。

从图2可以看出，EUp（－3.47 μg·m－2·h－1）和ACp（－1.39 μg·m－2·h－1）纯林土壤CH4通量都是负值，为C H4的汇；而Tp（7.14 μg·m－2·h－1）和THp（12.7 μg·m－2·h－1）混交林土壤CH4通量皆为正值，为CH4的源。土壤CH4通量是甲烷产生菌和甲烷氧化菌共同作用的结果，与土壤中众多环境因素有密切的关系[24]。表2结果表明，Tp和THp混交林地表土壤温度显著高于EUp和ACp纯林，而土壤湿度则显著降低。一般认为，CH4排放与土层5 cm处温度密切相关，土壤温度越高，CH4排放通量越大[32]。由于CH4产生菌多为嗜热菌，在常温下，随土温升高，土壤产甲烷细菌活性迅速增强，甲烷排放速率迅速上升[6]。但同时，CH4通量与土壤含水量也密切相关，过高或过低的土壤湿度都不利于土壤中甲烷氧化细菌的活动，当土壤水分处于过饱和时，甲烷氧化菌受到抑制而产甲烷细菌活动增强，土壤CH4通量增强[22]。在本实验中（表3），CH4排放通量与土壤温度表现为显著正相关，但与土壤湿度不相关，这说明土壤水分对CH4通量影响尚弱，随土壤温度升高CH4通量逐渐增大。前人研究表明，较高的土壤温度和中等湿度（25% ～ 35%）下，CH4氧化能力最高。当土壤湿度低于5%时，CH4氧化完全停止（抑制甲烷氧化菌的生长），CH4净排放增大[24]。土壤温度和湿度的组合作用直接影响土壤甲烷氧化菌和甲烷产生菌的活性，进而影响土壤CH4的排放[30]。

土壤中可溶性N含量也是影响土壤CH4通量的主要因素。从表2可以看出，由于速生树种对土壤NO3-N和NH4-N的大量吸收利用，土壤NO3-N和NH4-N含量在EUp（5.55 mg/kg, 4.35 mg/kg）和ACp（8.12 mg/kg, 5.32 mg/kg）都显著低于Tp（8.45 mg/kg, 6.07 mg/kg）和THp（10.03 mg/kg, 6.87 mg/kg）。由图2结果显示，EUp和ACp纯林CH4排放通量为负值，是CH4的汇。而Tp和THp混交林为正值，是CH4的源。这说明，土壤NO3-N和NH4-N含量的降低，可能不利于CH4的净排放。前人研究表明，增施氮肥能改变土壤微生物的区系及其活性，降低甲烷氧化菌的氧化速率，导致CH4净排放增加[33～34]。但在本实验中，土壤NO3-N和NH4-N含量是本底值水平的降低，其对CH4通量的影响机制可能与增施氮肥并不相同，其影响机理还有待于进一步研究证实。一般认为，有机肥对甲烷排放的影响程度与其C/N比值高低有直接关系，有机肥C/N越高，土壤产CH4潜力和排放能力就越大，但在本实验中，4种林型林下土壤SOC含量并无显著差异，SOC不是影响CH4通量变化的主要原因（表3）。

表3 土壤CO2和CH4排放通量与环境因子的相互关系Table 3 Correlation of soil CO2and CH4fluxes and environmental factors

3 结论

综合以上分析，得出以下结论：

（1）4种林型土壤都是CO2的源，但对CH4而言，可能是源，也可能是汇。CO2和CH4排放通量季节波动幅度较大，4个林型土壤CO2和CH4通量在湿季均维持较高水平，峰值均出现在湿季，在旱季则趋于降低，且相对稳定。

（2）与10树种和30个树种的混交林相比，由于尾叶桉和厚荚相思纯林土壤MBC较大，EUp和ACp速生林下土壤CO2通量显著高于Tp和THp混交林；但对CH4通量而言，由于速生树种对土壤NO3-N和NH4-N的快速吸收，EUp和ACp速生林CH4通量都降低。

（3）表层土壤温度和湿度是影响土壤温室气体排放的启动因子和关键因子；土壤MBC、NO3-N和NH4-N也是影响土壤温室气体排放的主要因子，它们对土壤温室气体通量的影响是相互影响，相互制约的。

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Study on Soil CO2and CH4Fluxes in Four Typical Plantations in Southern China

LI Hai-fang1,2
（1. College of Tourism，Guilin University of Technology，Guilin 541004, China; 2. South China Botanical Garden，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510650, China）

Soil CO2and CH4fluxes in Eucalyptus urophylla plantation (EUp)，Acacia crassicarpa plantation (ACp)，10-species-mixed plantation (Tp) and 30-species-mixed plantation (THp) were measured in situ using the static chamber and GS technique in Heshan Hilly Land Interdisciplinary Experimental Station, Guangdong province. The results showed that soil of the four types of plantation tested was sources of CO2fluxes, but for CH4they might be source or sink. The CO2and CH4fluxes varied widely in a year, kept a relatively high level during the rainy season and also a relatively lower level in the dry season in the tested plantations. The peak values of CO2and CH4fluxes all appeared in the rainy season. Compared to Tp and THp，the CO2fluxes were significantly higher in EUp and ACp for the higher values of microbial biomass carbon (MBC). As for CH4，soil CH4fluxes were lower in EUp and ACp than those in Tp and THp for the fast uptake of NO3-N and NH4-N. The results indicated that soil temperature，soil moisture，MBC，NO3-N and NH4-N might all be important to control soil CO2and CH4fluxes.

forest soil; soil CO2and CH4fluxes; pure plantation; mixed plantation

S714

A

1001-3776（2011）02-0006-07

2010-10-01；

2011-01-18

国家自然科学基金重点项目“华南地区受损丘陵生态系统植被和土壤恢复机理及格局优化研究”（30630015）

李海防（1974－），男，山东莱阳人，博士，副教授，从事生态学及景观生态学研究。