短期增温对内蒙古大青山油松人工林土壤温室气体通量的影响

张晓璞 马秀枝 李长生 吴天龙 吴昊 梁芝

摘要  ［目的］揭示內蒙古大青山土壤温室气体通量的变化趋势和影响，为温室气体在森林生态系统的排放机制和影响因素提供理论基础。［方法］利用OTC（开顶式增温箱）模拟大气温度升高，采用静态箱-气相色谱法野外原位观测土壤温室气体（CO2、CH4、N2O）通量的日动态、季节动态及年际动态的变化规律。［结果］模拟增温的条件下，5、10、20、40 cm土层土壤年均增温分别为1.13、2.16、1.21、0.70 ℃，大气年均增温0.61 ℃；增温处理下，5、10、20 cm土层土壤年均湿度分别降低4.64%、3.50%和8.43%，40 cm土层土壤湿度平均增加1.87%，大气湿度平均降低5.93%。增温降低了土壤有机碳、碱解氮、全氮、硝态氮含量、碳氮比，促进了铵态氮的转化。增温处理抑制了CO2通量排放，生长季CO2通量降低了25%。土壤CH4通量在生长季表现为大气CH4的汇，增温状态下的CH4通量平均吸收值略高于CK，一定程度上促进了CH4通量吸收。土壤N2O通量在生长季表现为大气N2O的源，生长季无显著差异，增温对N2O排放通量具有一定促进作用，但影响较小。［结论］该研究结果可为半干旱森林土壤温室气体通量排放研究提供参考依据。

关键词  模拟增温；油松人工林；温室气体；温带森林

中图分类号  S714  文献标识码  A  文章编号  0517-6611（2024）01-0105-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.01.022

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effect of Short-term Warming on Soil Greenhouse Gas Fluxes in Pinus tabulaeformis Plantations in Daqingshan， Inner Mongolia

ZHANG Xiao-pu1， MA Xiu-zhi1， LI Chang-sheng2 et al

（1.College of Forestry， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， Inner Mongolia 010018;2. Inner Mongolia Hohhot Meteorological Bureau， Hohhot， Inner Mongolia 010051）

Abstract  ［Objective］To reveal the changing trend and influence of soil greenhouse gas flux in Daqing Mountain， Inner Mongolia， and provide a theoretical basis for the emission mechanism and influencing factors of greenhouse gases in the forest ecosystem.［Method］In this experiment， OTC （open top heating chamber） was used to simulate the atmospheric temperature rise， and static chamber gas chromatography was used to observe the diurnal， seasonal and interannual dynamics of soil greenhouse gas （CO2， CH4， N2O） fluxes in situ.［Result］Under the condition of simulated warming， the average annual temperature of soil 5， 10， 20 and 40 cm was 1.13， 2.16， 1.21 and 0.70 ℃ respectively， and the average annual temperature of atmosphere was 0.61 ℃;under the warming treatment， the soil humidity at 5， 10 and 20 cm decreased by 4.64%， 3.50% and 8.43% annually， the soil humidity at 40 cm increased by 1.87% on average， and the atmospheric humidity decreased by 5.93% on average. Warming reduced soil organic carbon， alkali hydrolyzable nitrogen， total nitrogen， nitrate nitrogen， C/N content， and promoted the transformation of ammonium nitrogen. The warming treatment inhibited the emission of CO2 flux， and the CO2 flux in the growing season decreased by 25%. The soil CH4 flux in the growing season showed as a sink of atmospheric CH4， and the average absorption value of CH4 flux in the warming state was slightly higher than that in the control group， which promoted the absorption of CH4 flux to a certain extent. The soil N2O flux is the source of atmospheric N2O in the growing season， and there is no significant difference in the growing season. The warming has a certain promotion effect on N2O emission flux， but the influence is small.［Conclusion］The research results can provide a reference for researchers studying greenhouse gas emissions from semi-arid forest soil.

Key words  Simulated heating;Pinus tabulaeformis plantation;Greenhouse gas;Temperate forest

基金项目  内蒙古自然科学基金项目（2022MS03054）。

作者简介  张晓璞（1994—），男，内蒙古巴彦淖尔人，硕士研究生，研究方向：森林生态学。*通信作者，教授，博士，从事全球变化生态学研究。

收稿日期  2023-02-02；修回日期  2023-02-23

近一个世纪以来，全球气温不断升高，IPCC报告指出，全球气温每10年升高0.2 ℃［1］，从而引发越来越多的气候问题，如海平面升高、极端低温和高温的频发。造成气候变暖的罪魁祸首主要是CH4、N2O、CO2这3种温室气体，虽然CO2在空气中占据多数，但是CH4、N2O在空气中的浓度几十年来迅猛增长，增温势能数倍于CO2。因此，各国学者对生态环境气体通量变化的研究与日俱增，常用的是模拟增温装置试验。Livesley等［2］研究发现，不同森林类型会影响气体通量的排放。Rustad等［3］研究发现，增温提高土壤呼吸速率，长期增温则会降低CO2排放通量。Melillo等［4］研究证实了这一结论。据研究，内蒙古地区每10年增温0.47 ℃［5］，油松因耐干旱，及可涵养水源受到了人们的青睞。温室气体的排放会对整个大青山的森林生态系统产生极大影响，笔者利用OTC（开顶式增温箱）模拟大气温度升高，采用静态箱-气相色谱法野外原位观测土壤温室气体（CO2、CH4、N2O）通量的日动态、季节动态以及年际动态的变化规律，结合土壤理化性质，以内蒙古大青山油松人工林（Pinus tabuliformis）为研究对象，揭示土壤温室气体通量的变化趋势和影响，以期为温室气体在森林生态系统的排放机制和影响因素提供理论基础。

1  材料与方法

1.1  研究区概况

乌素图实验林场位于呼和浩特市境内，是内蒙古大青山国家级自然保护区的一部分。山体基岩主要由花岗岩、石英岩、砂页岩及砾岩组成。平均海拔1 700 m，属于温带半干旱大陆性季风气候，无霜期可达120 d，年平均气温约6.7 ℃，极端最高气温为38.0 ℃，特征整体较为干旱，年降水量在400 mm。春秋气候干旱且风沙较大，夏热冬燥，降水多集中于夏末秋初。主要植物有油松（Pinus tabuliformis）、白扦（Piceameyeri）、青扦（Picea wilsonii Mast.）、侧柏（Platycladus orientalis）。大青山油松人工林样地海拔1 160 m，树龄35 a，坡度13°，位于阴坡，胸径9.17 cm，树高9.29 m，枝下高1.66 m，东西冠幅3.40 m，南北冠幅3.87 m，郁闭度0.85。

1.2  试验设计

试验样地选取在内蒙古大青山乌素图国家森林公园附近，试验时间：2020年10月至2021年10月。采用开顶式生长室（Open Top Chamber，OTC）人工模拟的增温装置，由聚碳酸酯为材料制作的八面体开顶增温室，规格为：底部直径2.75 m，顶部直径1.50 m，高2.42 m。在平坦的地段设置4个10 m×10 m样方，编号1、2、3、4，各样方间隔10 m，每个样方布设对，设置模拟增温（W，Warming）和对照（CK，Control Check）2个处理，各处理重复4次，即4个W、4个CK，共8个试验小区；每个试验小区安装40 cm×40 cm的永久性土壤呼吸底座，嵌入土壤约5 cm，均配备静态箱（40 cm×40 cm×40 cm），配备保温板、电池和温度计。选取1个增温和1个对照小区，安装WN-30LDT多通道温湿度检测器检测土壤温湿度（ 5、10、20、40 cm）和空气温湿度（1.5 m），频率为0.5 h一次。

气体采集时间为2021年6—10月生长季，每隔7 d在晴朗天气的工作日进行采集，每组增温分别在0、10、20、30 min 4个时间点采集箱内气体。在9：00—10：00 开始试验，底座倒入一定量的水，将静态箱扣于呼吸底座上，接通风扇使气体循环，使用外接针管抽取60 mL气体，采样袋存储，用气象色谱仪获取气体通量峰面积，计算出气体通量值，室内试验用Agilent7890A 型气相色谱仪测定其CO2、CH4和NO2浓度。

1.3  试验方法

通过气象色谱仪测量CO2、CH4和 N2O的峰面积，计算气体通量，公式如下：

F=ΔmA·Δt=ρ·V·ΔcA·Δt=ρ·H·Δc/Δt（1）

式中，F表示气体交换通量，ρ为静态箱内气体密度，Δm和Δc分别表示在Δt时间内静态箱内气体质量和混合比浓度的变化，A、V、H分别表示静态箱的底面积、体积和高度，Δc/Δt表示箱内气体的浓度变化。F计算为负值表示吸收，正值则表示为排放。

2021年8月选取3个样地挖取40 cm土壤剖面，在0～10、10～20、20～40 cm 3个土层以环刀取土，测定铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）、土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）含量及土壤常规理化性质。

2  结果与分析

2.1  增温对土壤及大气温湿度的影响

5、10、20、40 cm土层土壤温度和大气温度表现为降低—升高—降低的单峰曲线变化，且增温处理＞CK。2021年1月下降到波谷，随后温度回升，7月达到峰值（图1）。研究可知，增温对5、10、20、40 cm土层土壤和大气温度具有促进作用，增温效果冬季＞夏季，大气增温则是夏季＞冬季。

5、10、20、40 cm土壤湿度及大气湿度表现为降低—升高—降低趋势的单峰曲线变化，且增温处理＜CK，2021年1月下降至最低点，8月达到峰值。研究可知，增温降低了不同土层湿度，5、10、20 cm土层湿度的增温效果夏季＞冬季，40 cm土层则夏季＜冬季。增温对大气湿度在7、8、9月有促进作用，其余月份均起到抑制作用（图1）。

2.2  增温对土壤化学性质的影响

由表1可知，碱解氮、全氮、有机碳、硝态氮在0～10、10～20 cm的增温处理低于CK；土壤铵态氮在0～10、10～20 cm的增温处理高于CK，相同土层不同处理间差异显著（P＜0.05）；C/N在0～10、10～20 cm的增温处理低于CK，且土层间均不存在显著差异（P＞0.05）。

2.3  增温对土壤温室气体的影响

2.3.1  增温对土壤CO2的影响。

从图2可知，增温处理和CK整体变化规律一致，呈“n”形分布。6月10、28日和9月3日CK低于增温处理，其余日期CK均大于增温处理。CO2排放通量由大到小为8月>9月>7月>6月>10月，8月达到峰值，8月22日达到当月最高点，此时增温处理和CK的CO2排放通量分别为525.8和602.7 μg/（m2·h）。由表2可知，CO2通量在6、7、10月间存在显著差异（P＜0.05），8月与9月间无显著差异（P>0.05）。

2.3.2  增温对土壤CH4的影响。

从图3可见，在生长季CH4通量表现为吸收状态，为大气CH4的汇，6月为吸收的峰值。整个生长季节CH4通量的平均吸收值增温处理小于CK，均值分别为-63.02和-56.35 μg/（m2·h）。增温处理的波峰和波谷分别在8月7日和6月28日，分别为-25.25、-181.02 μg/（m2·h），CK的波峰和波谷分别在6月10日和8月30日，分别为-29.00、-104.00 μg/（m2·h）。研究显示：增温处理和CK变化规律基本一致，生长季CH4通量表现为6月＞9月＞7月＞10月＞8月，可见增温促进了CH4通量吸收。由表2可知，CH4在生长季不存在显著差异性。

2.3.3  增温对土壤N2O的影响。

从图4可知，增温处理和CK整体变化规律一致，N2O通量平均值CK小于增温处理，6

月10日、6月28日、8月22日、9月10日、10月9日、10月15日、10月27日CK大于增温处理，其余时间段增温处理大于CK，生长季N2O通量表现为8月>6月>9月>7月>10月。7月整个N2O通量均低于平均线，8月22日达到峰值，此时增温处理和CK排放量分别为12.29和15.40 μg/（m2·h）。9月波动较大，10月趋于稳定。研究显示，N2O为森林的源，增温对其有一定促进作用，但是影响较小。由表2可见，N2O在生长季均不存在显著差异。

2.4  土壤气体通量与各因子之间的关系

由表3可知，在5、10、20、40 cm土层增温处理和CK土壤温度与CO2通量呈极显著正相关（P＜0.01），与土壤湿度呈显著或极显著正相关（P＜0.05、P＜0.01），与大气温、湿度呈显著正相关（P＜0.05），N2O、CH4与土壤和大气的相关性不显著（P＞0.05）。CO2、N2O、CH4与0～10、10～20 cm土层土壤全氮、有机碳均未呈现显著相关性（P＞0.05）。

3  討论

该研究结果显示，CO2通量排放会随着温度的升高而升高，用CO2作大气的源，CH4、N2O在生长季表现为森林的汇，这与杜睿等［6-8］的研究结果一致。温度和湿度显著影响CO2通量的排放，这与白炜［9］的研究结果一致。但与杨晶晶［10］在增温状态下促进CO2通量排放的研究结果相反，原因可能在于草地和高寒草地的温度差异较大，而该试验处于半干旱地区，不同纬度会影响到试验结果，干旱土壤会显著抑制土壤呼吸［11］。该生长季除了8月外，增温处理和CK均存在显著差异，对根系生物量、凋落物等具有促进作用。增温状态虽然温度有所升高，但湿度降低，植物和微生物在温度较高的情况下生长较好，土壤CO2的排放是温湿度二者共同作用下的结果。增温对浅层土壤的影响大于对深层土壤的影响，这与杨晶晶［10］的研究结果一致。土壤呼吸在表层作用居多，大部分植物微生物及草本植物的根茎集中在0～20 cm土层，取40 cm土层土壤几乎无植物根茎，深层土壤的水分较少，影响植物生长和光合作用，间接影响了土壤CO2通量的排放，这与王晨晨［12］的研究结果一致。岳淏伟［13］在研究中验证了微生物负反馈调节机制降低了土壤CO2的排放，也验证了这一结论。6月CH4吸收值明显高于其他月份，可能原因6月温度升高，但是相比7、8月降水较少，土壤水分增加会影响微生物的增加，从而增加了CH4吸收，这与陈哲［14］在冻土生态系统的研究结果一致。

该研究显示，土壤温湿度与土壤N2O表现为正相关，但是不显著，说明增温对N2O通量排放无明显影响。而崔倩［15］在大兴安岭的研究中发现，增温显著促进了N2O通量排放，可能原因是N2O通量排放取决于土壤的硝化、铵化作用，地表的凋落物较大青山种类丰富且较多，氮矿化速率大于大青山，造成显著差异。

4  结论

（1）模拟增温条件下，5、10、20、40 cm土层土壤年均增温分别为1.13、2.16、1.21、0.70 ℃，大气年均增温0.61 ℃，季节上土壤温度增温效果表现为冬季＞秋季＞春季＞夏季。增温处理下5、10、20 cm土壤湿度年均降低4.64%、3.50%和8.43%，40 cm土壤湿度平均增加1.87%，大气湿度平均降低5.93%。

（2）增温状态下降低了土壤有机碳、碱解氮、全氮、硝态氮含量与碳氮比，促进了铵态氮的转化。

（3）土壤CO2通量排放随温度的升高而升高，表现为大气CO2的源。2021年6—10月土壤CO2通量表现为8月＞9月＞7月＞6月＞10月，具有明显的季节变化规律。6、7、9、10月间存在显著差异（P＜0.05），8月与9月间则不存在显著差异。增温处理抑制了CO2通量排放，生长季CO2通量降低了25%，湿度和温度是土壤CO2通量的季节变化的关键因子。增温处理5、10、20、40 cm土层土壤温湿度CO2通量与CK呈极显著或显著正相关（P＜0.01、P＜0.05），与大气温湿度呈显著正相关（P＜0.05）。对土壤化学性质无明显影响。

（4）土壤CH4通量在生长季表现出明显的季节变化规律，为大气CH4的汇，CH4通量表现为6月＞8月＞9月＞10月＞7月，增温处理下的土壤及大气温湿度与其表现为负相关，但差异不显著（P＞0.05）。增温状态下的CH4通量略高于CK，说明增温在一定程度上促进了CH4通量吸收，但影响较小。土壤及大气温湿度和土壤化学性质对CH4通量吸收影响较小，说明不是限制CH4通量吸收的关键因子。

（5）土壤N2O通量在生长季表现出明显的季节变化规律，在生长季的排放表现为8月＞9月＞6月＞7月＞10月，表现为大气N2O的源，在生长季无显著差异。增温状态的N2O排放通量略高于CK，大气温度与其成正相关，CK则表现为负相关，差异均不显著（P＞0.05），说明增温有一定促进作用，但是影响较小。N2O通量排放与5、10、20、40 cm土层土壤温湿度呈现正相关，差异均不显著（P＞0.05）。

参考文献

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