水热条件对不同坡位兴安落叶松林土壤CH4通量的影响

王博，王树森*，罗于洋，刘波，李凯锋，兰小惠

水热条件对不同坡位兴安落叶松林土壤CH4通量的影响

王博1，王树森1*，罗于洋1，刘波1，李凯锋1，兰小惠1

1. 内蒙古农业大学生态环境学院，内蒙古 呼和浩特 010010

兴安落叶松林是我国北方最大的针叶林，在我国具有重要的碳汇地位，对我国以及全球的气候变化具有重要影响。由于独特的高寒高湿和多年冻土的特殊生态环境，兴安落叶松林土壤中CH4的吸收与释放的规律与众不同。因此，开展对土壤CH4动态及其与环境关系的研究，对揭示兴安落叶松林碳汇能力的形成、碳释放动态以及兴安落叶松林对气候变化的作用具有重要的理论和实践意义。作者于2011年5月到9月间在内蒙古根河国家生态站，在不同坡位的4种典型兴安落叶松林群落中布设样地，采用静态箱-红外气体分析仪收集气体并分析CH4通量的变化，同时测定不同深度的土壤温度，测定土壤含水率。借助SAS方差分析、相关性分析等统计方法，对兴安落叶松林土壤CH4通量的季节变化进行研究，同时分析土壤温度及含水率对CH4通量的影响。结果表明，CH4的季节动态变化规律：坡顶CH4通量为春季释放，夏季吸收，秋季释放，吸收大于释放，通量的平均值为-68.12 μg·m-2·h-1；坡上部CH4通量为春夏秋3季均吸收，通量的平均值为-342.49 μg·m-2·h-1；坡下部CH4通量为春季释放，夏季吸收，秋季释放，释放大于吸收，通量的平均值为67.8 μg·m-2·h-1；坡脚CH4通量为春夏秋3季均释放，通量的平均值为263 μg·m-2·h-1。总的来说，在生长季兴安落叶松林土壤甲烷通量吸收大于释放，说明地处寒温带的大兴安岭是CH4的汇。观测期间CH4通量与温度及土壤含水率均有一定的相关性，二者从不同角度影响CH4通量的变化，而随着坡位的变化土壤水热条件也随之改变，这同样是影响CH4通量的一个重要因素。

坡位；CH4通量；大兴安岭；兴安岭落叶松林

近些年来，随着全球变暖导致各种气候灾难的不断发生，人们开始意识到温室气体对环境的各种负面影响（CAI Z C, 2012），并开始积极采取节能减排措施来应对这一环境危机（陈碧辉等，2006）。而CH4作为一种温室气体对环境所施加的影响也日益受人们关注（曹广民等，2010）。随着大气 CH4浓度的增加，一方面将通过辐射过程直接引起气候变化，另一方面，与 CO2不同，大气 CH4是一种化学活性物质，它的增加将会引起许多大气化学过程的变化，并对大气中的其它化学成分产生影响，从而间接地引起气候变化（ZHANG X J，2000；ZHANG X J，2001；张秀君，2004）。自然界中的CH4气体有很多来源，湿地（Dennis和Whigham，1999；董云社等，2003；Jonathan和David，2006）、草地（X.Wu等，2010）、稻田（蔡祖聪等，1994）、以及森林土壤都会产生大量的CH4（Li Haifang，2010），是大气CH4重要的自然来源。目前很多对温带森林土壤的研究表明温带落叶森林是大气中CH4的汇（张秀君，2004），证实了森林生态系统对调节大气中温室气体含量具有重要的意义。目前对森林土壤CH4动态的研究主要集中于温带地区（张秀君，2004；徐慧等，1999；董云社等，2003）。其中，对大兴安岭兴安落叶松林土壤甲烷也进行了一些研究，如马秀枝、张秋良等对杜香落叶松林的甲烷气体的日动态和积极变化进行了研究（马秀枝等，2012），杨小丹、马秀枝等对大兴安岭渐伐林的土壤甲烷的通量进行了研究（杨小丹等，2010；杨小丹，2010）。本文从天然林的角度，以起伏地形为切入点，通过野外实地观测，对我国寒温带不同坡位兴安落叶松林群落的森林土壤的CH4通量进行研究，为计算我国东北大兴安岭兴安落叶松林的温室气体排放提供依据。

1 研究区概况

试验区位于内蒙古大兴安岭森林生态系统国家野外科学观测研究站原始林实验区内，隶属于内蒙古大兴安岭林业管理局根河林业局潮查林场。该站是国家林业局中国森林生态系统定位研究网络（CFERN）和科技部国家野外科学观测研究站的成员之一，是我国高纬度寒温带地区森林生态系统定位研究的重要基地。该站地理坐标为50°49′—50°51′N， 121°30′—121°31′E。试验区面积1.1×104 hm2。有兴安落叶松原始林3200 hm2，木材总蓄积50×104 m3。森林覆盖率为75%。

该站属寒温带湿润气候区，≥10 ℃年积温1403℃，平均气温-5.4 ℃，最低气温-50 ℃，最高气温40 ℃，年降水量450～550 mm，60%集中在7—9月末至第二年5月初为降雪期，降雪厚度20～40 cm，降雪量占全年降水量的12%，全年地表蒸发量800～1200 mm。年均日照2594 h，无霜期80 d。

大兴安岭森林生态站地处大兴安岭西北坡根河上游，为典型寒温带北方林区，研究区仍保留原始林景观。主要树种为兴安落叶松（Larix gmelinii），其面积占观测区总面积的79%，树高一般25～30 m，胸径26～30 cm，蓄积为150～200 m3·hm-2，最大林龄180 a左右。

2 材料与方法

本实验选取分带明显的典型坡面，对不同坡位4种兴安落叶松林群落，从坡顶到坡底依次是杜香兴安落叶松林、草类兴安落叶松林、苔藓兴安落叶松林、柴桦兴安落叶松林土壤CH4通量进行测定。每个群落设置3个随机重复样点，共12个采样点。采用静态箱（50 cm×50 cm×50 cm）进行气体收集，静态箱由顶箱和地箱组成。顶箱：进口304 K薄不锈钢版制作，规格：长×宽×高×不锈钢板厚度＝50 cm×50 cm×45 cm×1.5 mm，顶壁安装有搅拌风扇，使箱内气体混合均匀，箱侧面安装有电源插头、取气样品接口，配有F46采气管线，一头与箱体有过壁接头，另一头与抽气注射器连接；地箱：底座和水封槽焊接在一起。底座规格：长×宽×高×不锈钢板厚度＝50 cm×50 cm×10 cm×2 mm；水封槽规格：长×宽×高×不锈钢板厚度＝49 cm×49 cm×3 cm×2 mm；箱的四周侧板下四边制成刀口以便于插入土壤中。2010年5月至10月为观测期，生长季内每月观测一次。日动态观测5月在杜香落叶松林进行，每3 h一次，共观测8次。观测CH4通量的同时记录箱内温度、土壤不同深度（0 cm、10 cm、20 cm）的温度及土壤含水率。

气体样品采集采用国际上常用的采样时间9:00—12:00时，30 min罩箱时间，即每个采样箱各在罩箱0，15，30 min取气体样品3次。选择晴天，取样每月一次。气体分析是把已装好的气样和土样用木箱或硬质纸箱密封，避免挤压，寄到内蒙古农业大学气象实验室，用红外线气体分析仪测定其CH4浓度。

CH4通量的计算公式如下：式中：F为气体通量，单位是μg·m-2·h-1；ρ为气体密度（CH4密度为0.71 kg·m-3）；H为静态箱高度；ΔC/Δt为采样时气体浓度随时间变化的直线斜率（ΔC为t时刻箱内被测气体的体积混合比浓度）。气体通量为正值时说明气体由土壤释放进入大气，负值则说明大气中的气体进入土壤被吸收消耗。

最后运用Microsoft office excel 2003和sas 9.0统计分析对气体数据进行分析处理。

3 结果与分析

3.1 不同坡位兴安落叶松林土壤CH4通量月变化

3.1.1 坡顶-杜香兴安落叶松林

杜香兴安落叶松林位于坡顶，地势平缓。如图1所示，坡顶落叶松群落土壤CH4吸收大于排放，土壤CH4通量月变化范围是-29.54～4.47 μg·m-2·h-1，在6、7、8月土壤对CH4表现为持续吸收，吸收峰值出现在6、7月(-29.536和 -29.465 μg·m-2·h-1)；而在5月和9月表现为CH4的排放，其中，9月的通量排放值(4.473 μg·m-2·h-1)要高于5月(2.982 μg·m-2·h-1)。

图1 坡顶CH4通量月变化Fig.1 Monthly variation of CH4flux in the top of hill

3.1.2 坡上部-草类兴安落叶松林

坡上部主要为草类兴安落叶松林，生境属于中生，坡度较陡，所以土壤排水条件很好，营养物质流失严重，腐殖质层相对较薄。由图2可知，坡上部土壤在整个生长季都表现为CH4的吸收，吸收范围是-14.72到-172.15 μg·m-2·h-1，为单峰曲线，峰值出现在7月，而5月份吸收通量最低，为-14.721 μg·m-2·h-1。

图2 坡上部CH4通量月变化fig.2 Monthly variation of CH4flux in upper part of slope

3.1.3 坡下部-苔藓兴安落叶松林

坡下部主要为苔藓兴安落叶松林，地形平缓，是兴安落叶松林沼泽化最高的群落类型，土壤极度潮湿，甚至局部积水，有较厚的泥炭层。由图3可知，坡下部土壤CH4通量呈吸收与排放交替出现的趋势，总体来说吸收量小于排放量，在5、8、9月对土壤CH4表现为排放，6、7月吸收。9月份排放通量最高，值为37.079 μg·m-2·h-1，5月份排放值最低，为0.213 μg·m-2·h-1。

3.1.4 坡脚-柴桦兴安落叶松林

坡脚主要为柴桦兴安落叶松林，地势低洼，生境属于水湿型，土壤水分非常饱和。由于地势较低，土壤长期积水，呈厌氧条件，形成了比较适合产CH4菌生存的环境，所以该坡位在生长季的土壤CH4通量特征以排放为主。由图4可知，8月份排放通量值最高，为105.417 μg·m-2·h-1，7月份排放通量值最低，为12.319 μg·m-2·h-1。

3.2 温度对不同坡位兴安落叶松林群落CH4通量的影响

3.2.1 温度对坡顶CH4通量的影响

如图5，杜香兴安落叶松林地下10 cm和地表温度的变化趋势呈双峰曲线。夏季由于气温和土壤温度不断上升，土壤中CH4氧化菌的活性及数量会达到一年中的最高值，土壤对CH4的吸收在6到8月间明显增强，所以6到8月土壤CH4的吸收通量与温度的变化规律相似。9月进入秋季后土壤温度降低，CH4氧化菌处于休眠状态或已失去活性，土壤CH4的通量也由吸收转变为排放。地下20 cm温度在5月份开始下降，之后逐渐上升8月份温度最高，与土壤CH4通量变化不一致。由此可见土壤CH4通量的变化与地下10 cm和地表温度变化规律相似，二者之间存在密切的联系。运用SAS9.0软件对土壤温度进行分析，如图6，坡顶杜香兴安落叶松林土壤CH4通量与地下10 cm(R2=0.819，P＜0.01)、地表(R2=0.526，P＜0.01)温度存在极显著相关关系。

3.2.2 温度对坡上部CH4通量的影响

图3 坡下部CH4通量月变化Fig. 3 Monthly variation of CH4flux in lower part of slope

图4 坡脚CH4通量月变化Fig. 4 Monthly variation of CH4flux in the bottom of hill

图5 坡顶不同深度土壤温度月变化Fig.5 Monthly variation of soil temperature in different depth of the hill top

图6 坡顶CH4通量与土壤温度线性拟合Fig.6 Relation between CH4flux and soil temperature in hill top

如图7，草类兴安落叶松林地下10 cm和地表温度从5月份开始上升6月份均表现为最高温度，7月份逐渐降低，8月份又出现温度小高峰接着又开始下降，温度变化没有明显规律性，与土壤CH4通量变化趋势不一致。地下20 cm温度变化规律与通量一样呈单峰曲线，温度在7月达到最大，这说明较为深层的土壤温度对CH4的吸收有影响。运用SAS9.0软件对土壤温度进行分析，如图8，草类兴安落叶松林(坡上部土壤CH4通量与地下20 cm（R2=0.532，P＜0.01）存在极显著相关关系。

图7 坡上部不同深度土壤温度月变化Fig. 7 Monthly variation of soil temperature in different depth of upper part of slope

图8 坡上部CH4通量与土壤温度线性拟合Fig.8 Relation between CH4flux and soil temperature in upper part of slope

3.2.3 温度对坡下部及坡脚CH4通量的影响

由图9～图12可知，苔藓与柴桦兴安落叶松林土壤CH4通量与土壤地下10 cm、地下20 cm和地表温度都不存在相关关系。可能是因为坡下部与坡脚地势低洼，常年积水，土壤沼泽化程度相对较高，较高的土壤含水率抑制了温度对产CH4菌的影响效果。

3.3 水分对不同坡位兴安落叶松林群落CH4通量的影响

图9 坡下部不同深度土壤温度月变化Fig. 9 Monthly variation of soil temperature in different depth of lower part of slope

图10 坡下部CH4通量与土壤温度线性拟合Fig. 10 Relation betweenCH4flux and soil temperature in lower part of slope

图11 坡脚不同深度土壤温度月变化Fig. 11 Monthly variation of soil temperature in different depth of the bottom of hill

图12 坡脚CH4通量与土壤温度线性拟合Fig. 12 Relation between CH4flux and soil temperature in the bottom of hill

国内外大多数研究认为土壤CH4吸收通量与土壤水分含量呈负相关关系，土壤含水率影响CH4在土壤中的扩散和土壤好氧层的深度。当土壤含水率达到某一关键值时，会对 CH4氧化菌产生一定影响，同时土壤含水率也会影响土壤的通气性，过高的土壤含水率会阻碍土壤中气体移动，影响土壤与大气进行气体交换。研究中发现4种群落的土壤含水率差异较明显，从高到低依次为：柴桦落叶松林＞苔藓落叶松林＞杜香落叶松林＞草类落叶松林，土壤CH4通量由高到低的顺序为柴桦落叶松林（坡脚）＞苔藓落叶松林（坡下部）＞0＞杜香落叶松林（坡顶）＞草类落叶松林（坡上部），二者变化趋势相同。

图13 坡顶CH4通量与土壤含水量拟合关系Fig. 13 Relation between CH4flux and soil water content in the top of hill

图14 坡上部CH4通量与土壤含水量拟合关系Fig. 14 Relation between CH4flux soil water content in upper part of slope

运用SAS9.0软件进行相关性分析，结果如图13～图16，杜香落叶松林（坡顶）与草类落叶松林（坡上部）土壤由于含水率适中，土壤中存在良好的有氧空间，适宜土壤CH4吸收，当含水率增大后逐渐形成厌氧环境，土壤CH4通量由吸收转为排放，分别与土壤含水率存在显著(R2=0.653，0.592，P＜0.01）关系。坡下部与坡脚群落土壤由于长期处于淹水状态（土壤含水率＞79%），所以土壤含水率不再是土壤CH4通量的限制因子，二者之间无显著相关关系(R2=0.045、0.253，P＞0.05)。

通过以上研究可知，兴安落叶松林土壤含水率是影响CH4通量的重要因素，低含水率土壤是适宜CH4氧化吸收的环境。当含水率增大到一定水平时会直接导致CH4源汇的转变。在本研究中，含水率在31%～63%的范围内土壤均表现出对CH4的氧化吸收，高于此范围的土壤均为CH4的排放源。但是有研究指出，15%～22%的土壤水分含量是适于CH4产生的条件，这与本研究结论不一致，其原因可能是大兴安岭地区在生长季因其植被覆盖度高，土壤保水能力较强，土壤含水率普遍较高，特殊的地理条件是影响CH4通量的重要因素。

图16 坡脚CH4通量与土壤含水量拟合关系Fig. 16 Relation between CH4flux soil water content in the bottom of hill

4 结论与讨论

4.1 讨论

在本研究中，杜香兴安落叶松林土壤CH4通量在生长季表现为吸收大于释放，其中在5月和9月释放CH4，而马秀枝等对大兴安岭杜香兴安落叶松林CH4通量的研究结果是生长季均为吸收，且吸收的最大值为8月，生长季土壤含水率平均为29%（马秀枝等，2012）。这种差异的原因可能是在本实验观测时5月和9月土壤含水率都非常高，达到了74%和67%，较高的土壤含水率会抑制甲烷氧化菌的活性和数量，为CH4的产生提供了良好的厌氧环境（孙树臣等，2011）。草类兴安落叶松林土壤在生长季表现为CH4吸收，这与徐慧等对长白山北坡生草森林土壤CH4通量的研究结果一致（徐慧等，1995）。草类兴安落叶松林土壤平均含水率为整个坡面最低，在含水率较低的条件下，甲烷氧化菌占据优势，在土壤水分未达田间持水量之前，其活性一直增强，从而导致土壤对大气中CH4的吸收（李俊等，2005）。苔藓兴安落叶松林生境属于死水沼泽向活水生境过度的中间类型，土壤潮湿，甚至局部积水，通量变化规律为春季释放，夏季吸收，秋季释放，这与同纬度小兴安岭兴安落叶松泥炭藓沼泽林CH4春夏季释放，秋季吸收的变化不一致（牟长城等，2010）。丁维新等人提出当土壤含水率适宜时，温度对CH4氧化的影响才能表现出来（丁维新和蔡祖聪，2003），我们实测6、7月土壤含水率低于春秋两季，而此时土壤温度较高，这可能是苔藓兴安落叶松林在夏季表现为CH4释放的原因。柴桦兴安落叶松林生境属于水湿型，土壤水分非常饱和，平均土壤含水率为83%，是兴安落叶松林沼泽化最高的群落类型，在整个生长季都强烈的释放CH4，且秋季释放通量最大，这与石兰英等（石兰英等，2010）对小兴安岭沼泽CH4释放的研究结果一致。

在我们的实验中，土壤水热条件是影响落叶松林CH4通量的重要因素，通量的变化是两种因素综合影响的结果。土壤含水率是决定CH4释放或吸收的主要因子，而土壤温度主要影响通量大小（牟长城等，2010），当土体存在其他环境因子限制CH4形成与消耗时，温度作用将不很明显（徐星凯和周礼恺，1999）。4种落叶松林群落土壤CH4通量季节性的差异是由环境因素变化引起，而环境因素的不同，我们认为是由坡位不同导致的。

同一坡面，地理位置不同其地表植被、水热条件、土壤类型也各异。不同的坡位覆盖有不同的林下植被，林下植被群落的组成可以反映出该地带的土壤理化性质、水热条件等特征。坡上部由于坡度较为陡立，土壤不能很好的保存水分，土壤含水率最低，完全吸收CH4；坡脚地势低洼，容易积水，土壤含水率最高，完全释放CH4。由此可见因坡位不同引起的土壤含水率的变化直接导致土壤CH4源汇的转变。坡顶与坡下部的土壤水分条件介于前二者之间，所以在生长季既有CH4的释放也有CH4的吸收，海拔更低的坡下部含水率高于坡顶，所以前者以释放为主，后者以吸收为主。综合来看，温度和土壤含水率是影响CH4通量的直接因素，而坡位不同会导致水热条件发生变化，应该被考虑为影响CH4通量的一个重要因素。

4.2 结论

研究结果表明不同坡位兴安落叶松林土壤CH4通量月变化存在显著差异。杜香兴安落叶松林土壤(坡顶)在5—9月CH4通量特征表现为吸收大于释放，是CH4的汇；草类兴安落叶松林(坡上部) CH4通量特征均表现为吸收，为CH4的汇；苔藓兴安落叶松林土壤(坡下部)CH4通量特征表现为释放大于吸收，是CH4的源；柴桦兴安落叶松林(坡下部)CH4通量特征均表现为释放，是CH4的源 。研究区域中兴安落叶松林土壤对CH4的吸收量要高于释放量，说明兴安落叶松林是温室气体重要的碳汇，可以有效的消除大气中的CH4气体。同时，可能是由于大兴安岭地处高纬度多年冻土区，这样独特的地理环境导致水热条件对CH4通量的影响并没有表现出明显的规律性，这方面的问题还有待深入探讨。

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Impact of water and temperature on soil CH4fluxes of Larix gmelinii of different slope positions

WANG Bo1, WANG Shusen1*, LUO Yuyang1, LIU Bo1, LI Kaifeng1, LAN Xiaohui1
Inner Mongolia Agricultural University College of Ecology and Environmental Science, Hohhot 010010, China

Larix gmelinii forest area is the largest of coniferous forests in north China, is an important carbon sink of China, and has important influence on Chinese sequstration and the global climate change. Because of its highly humid, cold and frozen environment, the dynamics of absorption and release of soil CH4in Larix gmelinii forest is different from others. Therefore, the research on soil CH4dynamics and its relationship with environment has an important theoretical and practical significance to reveal the local forest carbon dynamics and its effect on climate change. Study sites were selected in different slope positions of four kinds of typical Larix gmelinii forest communities in Inner Mongolia Genhe national ecological research station and done in May to September of 2011. The CH4were collected by static box and analyzed by an automatic cavity ring-down spectrophotometer, and measured the soil temperature of different depth and soil moisture content as well, Using variance, correlation analysis and other statistical methods, we studied the monthly changes of soil CH4fluxes, and analyzed the effect of soil temperature and moisture content on CH4fluxes. Results showed as follow: (1) Soil CH4in hilltop emitted in spring, uptook in summer, and released again in autumn in hilltop. Uptaking was greater than emission, the average flux of top slope is -68.12 μg·m-2·h-1. (2) Soil CH4in upper part of slope uptook in spring, summer and autumn, the average flux of upper part of slope is -342.49 μg·m-2·h-1, (3) Soil CH4in lower part of slope emitted in spring, uptook in summer, emitted again in autumn, emission is greater than absorption, the average flux of lower part of slope is 67.8 μg·m-2·h-1. (4) Soil CH4in bottom of hill emitted in spring, summer and autumn, the average flux of the bottom of slope is 263 μg·m-2·h-1. On the whole, the result of soil CH4fluxes of Larix gmelinii was absorption is greater than emission, this shows that Greater Higgnan Mountains which located in cold temperate zone is the sink of CH4. CH4fluxes has certain correlation with temperature and soil moisture content at all times during the observation, these two factors affect the change of CH4fluxes from different aspects, and with the change of slope positions, soil environmental conditions changed as well, this is also an important factor affecting CH4fluxes.

X14；S718.5

A

1674-5906（2014）02-0196-07

王博，王树森，罗于洋，刘波，李凯锋，兰小惠. 水热条件对不同坡位兴安落叶松林土壤CH4通量的影响[J]. 生态环境学报, 2014, 23(2): 196-202.

WANG Bo, WANG Shusen, LUO Yuyang, LIU Bo, LI Kaifeng, LAN Xiaohui. Impact of water and temperature on soil CH4fluxes of Larix gmelinii of different slope positions [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(2): 196-202.

国家自然科学基金项目（30960076）；内蒙古自然基金项目（2009BS06，02）

王博（1989年生），男，硕士研究生，研究方向为森林温室气体及森林碳汇研究。E-mail：wbbrave@163.com。通信作者：王树森，硕士生导师，研究方向为植物学及森林碳汇。E-mail：wsswtt@126.com

2013-10-30

Key wadrs: slope positions; CH4fluxes; greater higgnan mountains; Larix gmelinii