寒温带兴安落叶松林土壤CO气体通量变化特征研究

王皓左，张秋良

(内蒙古农业大学 林学院，内蒙古 呼和浩特 010019)

目前，温室效应导致的气候变化问题已由研究CO2与气候变化的焦点扩展到多种痕量气体与气候变化之间的关系研究，非CO2的含碳痕量气体如CO在很大程度上主导着大气的化学成分平衡，继而直接或间接地影响大气环境与气候变化[1-2]。CO既是污染气体也是间接的温室气体，大气中CO体积分数已达到10-6的量级[3]，每排放100 Tg的CO其造成的全球变暖潜能(GWP)与排放5 Tg的CH4等价[4]，CO还会消耗大气中大量的羟基自由基(-OH)并间接地影响CH4与O3，加剧温室效应与酸雨的形成[5]。

森林生态系统是全球碳循环过程的重要参与者，是地球陆地上最大的生态系统，它维持着地表86%的植物碳库和73%的土壤碳库[6-7]，碳库的源汇作用直接影响温室气体的吸收与释放。大兴安岭地区拥有中国最大的天然林原始林区，其对温室气体的源汇作用研究及对北方的生态战略定位至关重要，作为我国重要的森林资源储备区，该森林土壤对温室气体的汇源作用具有一定的代表性，森林土壤中温室气体通量的小幅度变化都会影响到整个大气中温室气体的浓度大小，进而对整个生态系统的物质循环与结构功能转化产生影响[8]。本研究采用动态箱-气相色谱法，对大兴安岭典型兴安落叶松林进行定点连续观测，研究寒温带兴安落叶松林土壤CO气体通量的源汇作用及影响因子，为深入探讨寒温带森林土壤温室气体的排放提供科学理论依据与数据支撑。

1 研究区概况

研究区设在内蒙古大兴安岭森林生态系统国家野外科学观测研究站(50°49′—50°51′N，121°30′—121°31′E)，位于内蒙古大兴安岭根河林业局潮查林场境内，平均海拔826 m。该地为寒温带北方针叶林生态系统，具有明显寒温带大陆性季风气候，夏秋短暂，无霜期90 d，冬季寒冷漫长，年均气温-5.4 ℃，年均降水量500 mm，主要集中在6—9月。地带性土壤为棕色针叶林土，土层薄，有常年永冻土，地带性植被为兴安落叶松，生长从5月中旬开始，9月末进入生长末期[9]。

试验样地选择典型兴安落叶松天然过伐更新林(表1)，立地和生境条件基本相同，设置面积为 30 m × 80 m长方形样地，林分郁闭度 0.8，乔木平均年龄为 40 a。主要乔木为兴安落叶松(Larixgmelinii)，平均胸径10.0 cm，平均树高 9.92 m，中林龄；伴生有少量白桦(Betulaplatyphylla)，灌木丛以杜香(Ledumpalustre)为优势种，草本以小叶章(Deyeuxiapurpurea)与红花鹿蹄草(Pyrolaasarifoliasubsp.incarnata)为主。

表1 样地类型基本情况

2 材料与方法

2.1 数据采集原理

在试验样地内，使用加拿大ABB-LGR生产的动态箱CO气体分析仪测量CO和N2O的浓度(ppb)并记录干湿摩尔分数，自动监测实时大气温度。该仪器的电子温度探针和水分传感器可实时连续对土壤表层10 cm处温度与湿度(体积含水量%)进行测定。气体采集需保持土壤及所埋土壤环在整个观测期内位置不变，以减少实验误差。

CO闭路排放通量采用公式进行计算：

2.2 试验设计与气体采集时间

在样地中均匀布设10 m × 10 m、间隔为5 m的5个小样区，每个小样区布设1个直径 19.1 cm、高 10.0 cm、露出地面2～3 cm的土壤呼吸环。

于2020年6—9月进行连续观测，每10 d为一旬，每旬选择2 d晴朗无风的晴好天气进行土壤CO气体通量观测，观测时间为国际温室气体通用观测时间9∶00—12∶00。另外，分别于6—9月每月15日左右进行土壤CO气体通量日变化观测，每3 h观测1次，1 d中共取得8次数据。同时通过CO气体分析仪自带10 cm土壤温湿度探针测定土壤10 cm处土壤温湿度值，该气体分析仪还可实时测定空气温度并存储记录。

2.3 数据分析

采用SPSS 19.0 软件进行统计分析，利用单因素方差进行方差分析，利用线性回归进行相关性分析，采用Excel结合Origin进行图表制作。

3 结果与分析

3.1 土壤温湿度变化特征

土壤温湿度是土壤温室气体排放的重要影响因子。在研究期内，土壤温度随时间变化各月的日变化特征形式基本相同，不同时期观测的日峰值时间段均集中在 12∶00—15∶00，总体呈现单峰曲线变化，白天的土壤温度高于晚间(图1)，9∶00—12∶00 土壤温度逐渐增加，在 12∶00—15∶00 达到土壤温度峰值，在 15∶00 之后土壤温度持续降低，0∶00—3∶00 达到土壤温度谷值，随后从 3∶00 起逐步升高。各月的土壤日均温大小排序依次为7月>6月>8月>9月。

图1 兴安落叶松林土壤温湿度日变化

土壤湿度随时间变化各月的日变化特征形式不相同，6月，从 9∶00 开始土壤湿度由高向低缓慢递减，在 12∶00—15∶00 达到全天土壤湿度谷值，从 18∶00 开始至第2 d 6∶00 始终维持在一个较高的水平，无显著变化趋势。7月，从 9∶00 开始土壤湿度由高向低逐渐递减，同样无显著变化趋势。8月，9∶00—15∶00 呈先增高后降低的小幅变化，在 18∶00至第2 d 6∶00 维持在较高且相对稳定的土壤湿度区间内(13.1%～15.7%)。9月，9∶00—15∶00 同样先增高后降低。综上，土壤湿度各月日变化的谷值均为12∶00—15∶00，而日变化的峰值则集中在 18∶00 至第2 d 6∶00，这与白天植物蒸腾作用与土壤的水分蒸散作用强度有关，即土壤温度达到当日最高时土壤湿度呈当日最低。

研究期内土壤温湿度变化(图2)所示，土壤温度在6月变化较为稳定，6月下旬开始土壤温度逐渐升高，7月中旬达到生长季土壤温度峰值(29.02 ℃)，7月下旬土壤温度平缓持续降低，9月土壤温度维持在 11.1～18.5 ℃ 之间，并有持续下降的趋势，生长季的土壤温度整体呈现先升高后降低的单峰曲线趋势。土壤湿度从6月上旬开始大幅降低，中下旬较稳定。7月上旬土壤湿度大幅波动下降，在7月中旬达到生长季土壤湿度谷值(1.9%)，7月下旬进入降雨期土壤湿度小幅度升高，8月与9月土壤湿度变化相对较大，主要与降雨季到来有关，生长季的土壤湿度整体无明显变化趋势。

图2 兴安落叶松林土壤温湿度月变化

3.2 土壤CO气体通量变化特征

观测期间，CO浓度日变化除6月外均呈单峰曲线规律，先升高后降低(图3)，从2020年6—9月采样的4组时间点中，CO日排放速率最高为6月中旬9∶00—12∶00，此时通量值为 122.89±32.51 μg·m-2·h-1，表现为排放状态；7月、8月、9月的 12∶00 同样为该日CO气体通量最高的时刻，除6月 9∶00 CO气体通量为强排放，其他月份 9∶00 CO气体通量均为负值吸收状态。随着月份的推移，CO日平均通量呈现逐月递减的趋势，6月中旬CO的日平均通量为 33.74 μg·m-2·h-1，呈排放状态，也是6—9月日平均通量的最高值；7月中旬日平均通量为-22.95 μg·m-2·h-1，呈现“汇”状态，8月CO的日平均通量为-28.44 μg·m-2·h-1，9月CO的日平均通量是4个月中最低值，为-58.78 μg·m-2·h-1，总体6—9月的CO日平均通量变化呈由高到低的下降趋势。CO气体通量日变化幅度大小依次为6月> 7月> 8月> 9月。

图3 兴安落叶松林土壤CO气体通量日变化特征

兴安落叶松林土壤CO气体通量在生长季内月变化呈现逐渐下降、由源转汇的趋势，与土壤温度变化趋势基本相同(图4)。生长季各月份CO气体通量大小排序为6月(82.64 μg·m-2·h-1)>8月(69.84 μg·m-2·h-1)> 7月(64.67 μg·m-2·h-1)> 9月(-50.99 μg·m-2·h-1)，整个生长季土壤CO气体通量月变化呈双峰曲线变化，总体表现为由高到低的变化特征。CO气体通量排放峰值出现在6月上旬，吸收峰值在9月中旬，为负值。6月是冻融期结束的生长季初期，冻土开始融化，万物复苏植被生长，此时的CO排放效应最为显著，这可能是由于5、6月是大兴安岭春季森林防火季，该段时间天干物燥，森林火灾频繁发生，因此可能与火灾的多发有相应的关系。6月末到7月初CO气体通量出现细微的波动，总体维持在弱源、弱汇交替的两种状态。7月中旬到8月上旬，CO排放维持在一个次高的水平，这可能是由于7、8月是植被生长旺季，气温增温明显，土壤含水量增加，微生物以及菌落活性增强，有利于CO的生成与排放。从8月下旬开始，尤其是9月，CO排放以8月22日为转折点，CO日最高值由源转汇。

图4 兴安落叶松林土壤CO气体通量与土壤温度月变化特征

3.3 CO气体通量与土壤温湿度关系

土壤CO气体通量与土壤温度呈显著正相关关系(图5)。研究表明：土壤温度(T10)是影响土壤CO浓度的关键因子，线性回归方程为Y= 7.247 9T10-98.208(R2=0.127，P<0.01)，土壤温度的升高会加大土壤CO气体通量值，但仅适用于6—8月，9月以后随着土壤温度的升高，CO气体通量值并无增长趋势且持续下降，可能土壤开始上冻，土壤温度可以解释一部分的土壤CO气体通量变化，但不能完全解释其通量变化特征。CO气体通量与土壤湿度(W10)无显著相关，线性回归方程为Y= 0.544 1W10+ 33.495(R2=0.001)，分析造成无显著相关的原因可能是大兴安岭地区属高纬度寒温带区域，土壤水分含量处于该地区化学氧化有机物质与微生物活性水分含量需要的临界下限，因此无法影响土壤CO气体通量值。通过二元一次线性分析，土壤温湿度协同控制对于土壤CO气体通量具有显著影响，Y=10.501T10+481.877W10-217.986(R2=0.194，P<0.01)，二者可共同解释 19.4% 的土壤CO气体通量变化。

图5 土壤CO气体通量与土壤温湿度的关系

3.4 CO气体通量与气象因子的关系

通过对土壤CO气体通量与气象因子空气温度(T)、相对湿度(HR)、光合有效辐射(PAR)进行多元一次线性回归分析(表2)，除大气湿度对土壤CO气体通量影响微弱，光合有效辐射与大气温度与土壤CO呈显著正相关，气象因子影响程度依序为光合有效辐射(PAR)> 空气温度(T)> 相对湿度(HR)，三者可共同解释CO气体通量变异的 52.9%(表2)，线性回归方程为Y=4.547T+0.314PAR+5.540HR-667.636(R2=0.529，P<0.01)。

表2 土壤CO气体通量与气象因子间的多元线性回归相关系数

4 讨论与结论

4.1 讨论

除森林土壤外，冻土也是CO重要的存储排放源，适当的湿度与温度会促进CO气体的产生[10]，大兴安岭地区分布有大量高纬度冻土，温室效应的影响以及冻土季节性融化使得冻土排放温室气体的现象逐渐受人们重视[11]，已有研究表明大兴安岭兴安落叶松林土壤温室气体的排放受土壤温湿度影响显著，包括CO2、CH4、N2O等[12-13]，但对土壤CO气体的源汇研究非常少，尤其是大兴安岭作为东北最大的寒温带原始林区，研究该地区的CO气体通量具有典型的意义。

石麟等[14]研究认为大兴安岭地区土壤CO主要来源于碳氢化合物的氧化，与土壤温湿度相关性均不显著，不能完全解释土壤温湿度是否是土壤CO的主要影响因子。通过本试验研究发现土壤CO在生长季6、7、8月与土壤温度有显著相关性，与Rich等[15]研究CO气体产生与温度有一定相关性一致。从9月开始进入冻融期时相关性逐渐减弱，说明虽然有一定的相关性，确实无法完整地解释土壤温湿度会影响土壤CO气体通量。亚热带地区对土壤CO气体通量的研究中发现，当土壤温度变化在20～40 ℃范围时，土壤产生CO强度与温度增加呈正相关关系，同时土壤生成CO强度范围为23～230 ng·cm-2·s-1，这是由于在高温情况下土壤中的耐干旱菌活动频繁有利于CO的生成，并且可见光照射强度的增加有利于CO的生成，有利于增加光化学反应，从而导致土壤释放CO[16]，与本文对气象因子与土壤CO气体通量相关性研究结论一致。大兴安岭属寒温带地区，平均温度过低可能是影响土壤CO气体通量与土壤温度相关性的重要原因之一，土壤湿度则与石麟等[14]、董云社等[17]研究结论一致，与土壤CO气体通量无明显相关性[18]。

根据土壤CO气体通量的日、月变化特征研究，除6月CO呈现显著排放特征外，其余3个月CO平均通量均为负值，说明土壤对CO的作用主要为吸收作用，与董云社等[17]对温带森林土壤CO研究及德国非森林土壤[19]吸收大气CO结果一致，与石麟等[14]对大兴安岭地区月CO气体通量变化规律一致。

森林生态系统中对CO气体认识深度还不够，相关研究较少。森林生态系统是CH4最大的汇，但对CO气体的源汇作用缺乏长期观测与结论支撑。大兴安岭林区作为我国北疆的绿色屏障，生态效益显著，研究大兴安岭森林CO气体将对控制潜在含碳温室气体有着重要的意义。

4.2 结论

(1)在大兴安岭兴安落叶松林生长季内，土壤CO气体通量各月差异明显，呈现明显的单峰曲线趋势，峰值出现时间为 12∶00 左右，6月排放最高，然后逐月递减，在9月全天持续为负值。

(2)土壤温度各月日变化趋势同月变化趋势一致，呈单峰曲线趋势，先升高后降低，土壤湿度随降雨变化趋势不稳定，日变化特征表现为夜间土壤湿度高于日间土壤湿度，月变化特征表现为7、8月雨季到来高于6、9月。

(3)寒温带兴安落叶松林土壤CO气体通量与土壤温度从相关性来看存在一定正相关，但却无法完整解释全年度土壤温度是控制土壤CO气体的主要控制因子，与土壤湿度无显著相关性。土壤温度与土壤湿度协同控制可以解释 19.4% 的土壤CO气体通量变化。

(4)土壤CO气体受气象因子影响显著，尤其是光合有效辐射(PAR)和空气温度(T)，与相对湿度(HR)无显著相关，以上3个气象因子可以共同解释 52.9% 的土壤CO气体通量变化。