大兴安岭兴安落叶松林土壤CO2、CH4的昼夜变化特征1)

马忠涛 张秋良 杨琳

(内蒙古农业大学，内蒙古,010020)

土壤是陆地生态系统中的最大碳库，陆地生态系统在全球碳平衡和碳循环中起着至关重要的作用[1]，土壤环境的改变是加速土壤向大气中排放温室气体的重要因素，同时也是加剧全球变暖进程的主要诱因之一[2]。森林作为陆地生态系统的主体，是全球碳循环的重要组成部分[3-4]，森林土壤作为全球的重要碳库也成为了温室气体的主要排放源，对全球气候变化以及碳动态变化具有重要作用[5]。由于土壤环境会受到多种环境因子的协同影响，导致土壤CO2、CH4这两种温室气体的排放具有很强的时空异质性[6-7]。因此，在全球变化背景下，研究森林土壤温室气体的排放特征，了解土壤温室气体昼夜变化趋势，有助于推动对未来气候变化下碳循环过程的认识，从而采取科学措施应对气候变化[8-10]。

目前国内外有关森林生态系统土壤温室气体通量的研究大多集中在热带、亚热带及温带地区[11-13]，大兴安岭北部林区位于寒温带，是我国面积最大的原始林区，兴安落叶松(Larixgmelinii)是该区主要的地带性植被，林分覆盖面积为1.56×107hm2，占全国森林面积的13.2%。由于生长季短、温度低、冻土活动层薄等特点，兴安落叶松林区对全球气候变暖可能会更加敏感[14]。本文以大兴安岭地区建群树种兴安落叶松林为研究对象，对2019年度春、夏、秋、冬四季的土壤CO2、土壤CH4及水热因子(地表水汽摩尔分数、土壤10 cm温度)昼夜变化进行连续原位观测，分析土壤CO2、土壤CH4在不同季节的昼夜变化特征及对水热因子的响应，以期为高纬度寒温带兴安落叶松林生态系统地下碳循环机制及该区域碳源、汇效应研究提供理论依据和数据参考。

1 研究区概况

研究区域位于内蒙古自治区东北部的大兴安岭地区，国家野外科学观测研究站内的试验区，在根河林业局潮查林场境内(50°49′～50°51′N，121°30′～121°31′E)，地处大兴安岭西北坡，最高海拔2 029 m，最低海拔180 m。该区域属于寒温带大陆性季风气候，区域内有大面积的季节性冻土和多年冻土。年均日照2 594 h，冬季比较寒冷，并且长达7个月以上，植物生长季短暂，夏季只有2个月左右。在2007—2020年间，年最低气温出现在2018年，低至-46.2 ℃，年平均气温为-2.9 ℃。年降水量450～550 mm，60%集中在7、8月[12]。降雪期为当年9月末至次年5月初，降雪厚度20～40 cm，降雪量占全年降水总量的12%。全年地表蒸发量800～1200 mm，无霜期90～110 d。主要建群树种为兴安落叶松，伴生白桦，其中分布广且具代表性的有杜鹃—兴安落叶松林、越桔—兴安落叶松林、杜香—兴安落叶松林、草类—兴安落叶松林及白桦—落叶松林等。土壤以棕色针叶林土为主，土层30～40 cm。

2 研究方法

2.1 样地设置

在研究区内，选择一块面积为400 m2(20 m×20 m)的具有代表性的典型固定样地，于2019年3月—2020年3月对土壤CO2、CH4进行长期连续原位观测。由于测量系统配套设施的通道长度有限，并且测量通道数量有限，因此对样地进行子样地分割设计，将样地按照5 m×5 m大小划分为16个子样地，并根据子样地的立地条件及分布采用定点选择4个子样地，在每个子样地中选取1个土壤呼吸测定点，以确保测量数据具有可靠性和代表性。在土壤呼吸测定点内将高10 cm、直径20 cm的PVC土壤环一端压入土壤5 cm深处，并清除地表植被与杂物。由于该地区降雪较多，而积雪会改变土层温度，从而影响土壤理化性质的一系列变化，为了避免雪被覆盖对土壤呼吸的影响，因此在降雪期间使用1 m×1 m的挡雪设备对土壤呼吸室进行防护，并定期清理积雪，这样既避免积雪覆盖对呼吸室观测造成影响，同时保证观测点内的环境不被破坏。

试验样地海拔高度813m，坡向为正北；样地内主要乔木为兴安落叶松(Larixgmelinii)、白桦(BetulaplatyphyllaSuk.)，平均胸径为10.01 cm，平均树高为9.97 m，林龄为中林龄，郁闭度0.75；主要灌木为杜香(LedumpalustreL.)，株高0.31 m，盖度39%。土壤以棕色针叶林土为主，土层30～40 cm，腐殖质层在10 cm左右，土壤密度为(1.32±0.06)g·m-3，土壤有机质质量分数为(42.74±0.92)g·kg-1。

2.2 土壤通量测定方法

本研究所采用的仪器为LGR全自动多通道长期土壤通量测量系统，包括SF-3000多通道控制单元、915-0011分析仪(UGGA)。为保护仪器，避免其受到极端天气带来的影响与损坏，全自动多通道长期土壤通量测量系统(SF-3000、UGGA)放置在样地旁搭建的彩钢屋内，由太阳板、风电以及蓄电池保证充足的电量。测量原理为动态气室法，分4个通道(气室)连续测量CO2和CH4两种温室气体，每个气室的测量时间为180 s，其中包括30 s的气体平衡时间，以及150 s的有效测量时间，对4个通道进行依次循环测量。在测量过程中，使用3 min的测量周期，即每个测定点依次测量3 min并重复循环(30 s气体平衡时间，150 s有效测量时间)，测量周期的选择与其他使用类似仪器的学者相似[15-17]。与其他类型仪器相比，该套仪器可以实现多点位(多通道)长期连续观测，测量频率更高，数据连续性更好，并且观测数据实时传输并显示。

用气相色谱仪分析本研究中的CO2和CH4浓度，并用气体变动模型[18](公式1)将其转化为通量。

气体变动模型计算采用如下公式：

(1)

土壤10 cm温度的测量由呼吸室内嵌的PT-1000温度传感器(德国)测量，水汽摩尔分数由LGR分析仪进行测量分析。通量观测时间为2019年3月—2020年3月的春(4月15日—4月16日)、夏(7月19日—7月20日)、秋(10月13日—10月14日)、冬(1月15日—1月16日)四季晴朗的两天进行48 h连续观测。

2.3 数据处理

土壤温室气体自动测量系统所获取的数据会因为气室关闭不正常或密封性等问题出现数据的异常[19]，因此，当时间和CO2、CH4浓度线性回归的R2值低于0.8时，认为数据可能存在问题并剔除[20]。通量数据利用Excel软件进行异常值剔除及数据插补，根据气体通量单位时间内正常变化速率的测算[21]，删除了与相邻数据差异大于5 μmol·m-2·s-1的CO2异常值和大于5 nmol·m-2·s-1的CH4异常值。

通量与地表温度、水汽摩尔分数之间的关系由单因子回归法进行分析，土壤冻结时期与土壤消融时期的CO2、CH4差异性采用单因素ANOVA分析，CO2、CH4的日通量计算方法为各测量点逐时累加再平均。

通量数据的整理工作由EXCEL完成，通量与地表温度、水汽摩尔分数的回归分析由SPSS17.0完成，图形处理、绘制由ORIGIN2018完成。

3 结果与分析

3.1 CO2、CH4不同季节昼夜变化特征

兴安落叶松林地表温度、水汽摩尔分数昼夜变化监测结果表明(图1)，地表温度在白天逐渐升高，午后达到峰值，在夜晚逐渐下降，不同季节最低值出现的时间略有差异，但都集中在清晨06:00左右，呈现出明显的单峰型变化特征。最高温度和最低温度的出现均有一定的滞后性，出现这种情况的原因是土壤的热容量较大，导热率远低于空气的流动交换，并且导致地表温度昼夜极差较小，不同季节的昼夜极差均低于10 ℃。

图1 不同季节土壤CO2和土壤CH4昼夜变化特征

地表水汽摩尔分数的昼夜变化差异较为明显，与地表温度的变化趋势相近，白天逐渐增大，其峰值出现的时间较早，多在午时12:00时左右，夜间水汽摩尔分数变低，最小值出现在凌晨04:00左右。夏季水汽摩尔分数的昼夜极差远高于春冬季，季节的差异只影响了地表温度和水汽摩尔分数的变化范围和昼夜极差，对昼夜变化特征没有较大的影响，均呈现白天高，夜间低的单峰型变化特征。

本研究中土壤CO2、CH4通量值用单位时间、单位面积的浓度值表示。兴安落叶松林土壤CO2通量具有明显的昼夜变化特征，白天土壤CO2通量不断增大，在午时达到峰值，之后开始下降，在夜间变化较为稳定。春季土壤CO2通量昼夜变化范围为(0.77±0.12)～(2.07±0.33)μmo·m-2·s-1，日均值为(1.10±0.28)μmol·m-2·s-1；夏季土壤CO2通量昼夜变化范围最大，为(1.91±0.3)～(5.35±0.85)μmol·m-2·s-1，日均值为(3.42±0.92)μmol·m-2·s-1；秋季土壤CO2通量昼夜变化范围为(1.36±0.22)～(2.10±0.33)μmol·m-2·s-1，日均值为(1.77±0.22)μmol·m-2·s-1；冬季土壤CO2通量昼夜变化范围最小，为(0.18±0.03)～(0.53±0.08)μmol·m-2·s-1，日均值为(0.24±0.06)μmol·m-2·s-1。夏季土壤CO2通量昼夜变化波动最大，冬季昼夜变化波动最小，同时其日均值大小为夏季最大，冬季最小。

土壤CO2通量在不同季节昼夜变化特征一致，均表现为白天高，夜间低的单峰型变化特征，其最大最小通量值出现的时间与地表温度更为接近。由此可知，在没有降雨的天气时，地表温度是影响土壤CO2通量变化的主导因素。温度升高可以增进微生物的活性、加快土壤有机质分解，进而促进土壤呼吸作用。同时温度的升高也影响植物的生长及其生理活动，增强根系的呼吸作用。

土壤CH4通量的昼夜变化与土壤CO2通量相比具有较大差异，监测结果表明，土壤CH4通量昼夜变化波动较小，夜间土壤CH4通量不断增大，在零点左右出现最大值，白天土壤CH4通量不断减小，在午时温度最大时达到最小值，其白天减小趋势与地表温度变化趋势一致。夏季土壤CH4通量昼夜变化范围最大，为(3.23±0.51)～(7.31±2.35)nmol·m-2·s-1，日均值为(5.20±1.17)nmol·m-2·s-1，冬季土壤CH4通量昼夜变化范围最小，为(0.29±0.07)～(0.69±0.20)nmol·m-2·s-1，日均值为(0.45±0.12)nmol·m-2·s-1。

3.2 CO2、CH4不同季节与温度、水汽摩尔分数相关性

建立土壤10 cm温度、地表水汽摩尔分数与土壤CO2、CH4的相关性分析，结果表明，土壤CO2通量与土壤10 cm温度均呈现正相关关系，且不同季节的相关程度差异性明显，冬季土壤CO2通量昼夜变化与土壤10 cm温度无相关性，春、夏、秋季的土壤CO2昼夜变化具有明显相关性，其中，秋季相关性达到极显著(R2=0.795，P<0.01，n=48)图1。土壤CO2昼夜变化与水汽摩尔分数基本无相关性，其主要原因是水汽摩尔分数不是控制土壤CO2昼夜变化的主导因素，同时也与试验选取的晴朗天气有关(表1、表2)。

表1 不同季节土壤CO2、CH4与土壤10 cm温度相关性

表2 不同季节土壤CO2、CH4与水汽摩尔分数相关性

图2 土壤CO2与土壤10 cm温度、水汽摩尔分数的相关性

土壤CH4与水汽摩尔分数和土壤10 cm温度的相关性分析表明，土壤CH4通量的昼夜变化与水热因子的关系并不明显，在春、夏、秋季土壤CH4通量与水汽摩尔分数、土壤10 cm温度均无明显的相关性，但在冬季土壤CH4昼夜变化与水汽摩尔分数、土壤10 cm温度相关程度均较显著。

兴安落叶松林土壤CO2与土壤CH4日碳通量汇总结果表明，兴安落叶松林为土壤CO2的释放源，为土壤CH4的吸收汇，不同季节的日CO2排放量和CH4吸收量具有明显差异，不同季节土壤CO2日排放量和土壤CH4吸收量的大小关系为夏季、秋季、春季、冬季(表3)。

表3 不同季节土壤CO2日排放量、土壤CH4日吸收量 mg·m2

4 结论与讨论

土壤呼吸是一个相对复杂的过程[22-23]，受到大气和土壤环境等多种因素的协同影响[24]，本研究表明土壤CO2和土壤CH4具有明显的昼夜变化特征，昼夜差异性较大，白天变化浮动大，夜间波动较小，土壤CO2释放速率白天强于夜间，土壤CH4吸收速率白天弱于夜间，该研究结果与吴夏等对桂林市岩溶区和牟长城等人对小兴安岭的研究结果一致[25-26]。大兴安岭兴安落叶松林四季均为土壤CO2排放源，为土壤CH4吸收汇，这一结论与以往的研究结果相一致，好气的自然土壤如森林、草原等都是CO2的强释放源，同时具有吸收大气CH4的能力[13，27]。温湿度被认为是影响土壤CO2、CH4排放的主要因子，本研究结果表明，除冬季外，土壤CO2通量昼夜变化均与土壤10 cm温度呈显著的正相关性，土壤10 cm温度是决定土壤CO2排放的主导因子，水汽摩尔分数在正常晴朗天气时与土壤CO2相关性并不显著，兴安落叶松土壤CH4通量春夏秋3季昼夜变化与土壤10 cm温度、水汽摩尔分数无明显相关性。土壤CH4的昼夜变化与土壤10 cm、水汽摩尔分数的相关性均不明显，而冬季，温湿度是影响土壤CH4的主导因素，土壤CH4与土壤10 cm温度、水汽摩尔分数呈现显著相关性。其他学者的研究也证明了土壤CH4与水热因子的相关性具有很强不确定性[8]，说明原位观测很难明确土壤CH4的变化影响机制，在不同时间尺度对土壤CH4变化特征的控制因子的研究是今后要重视的科学问题。