不同恢復方式下大興安嶺重度火燒跡地林地土壤溫室氣體通量

梁東哲,趙雨森,曹 杰,辛 穎

東北林業大學林學院, 哈爾濱 150040

自1750年以來,溫室氣體CO2、CH4和N2O的濃度均已大幅增加,分別為40%、150%和20%[1],目前仍以0.4%、0.6%和0.3%的速率增長[2]。森林作為陸地生態系統的主體,占全球陸地面積的27.7%[3],是維持生態平衡的重要保障。森林土壤是大氣溫室氣體重要的源和匯,排放到大氣中的CO2量每年約為2.51×103g/m2[4],每年吸收的CH4約為9.16 (±3.84) Tg[5],同時排放的N2O約為2.4—5.7 Tg/a[6-7]。因此,研究森林土壤溫室氣體排放規律及其影響因子,對減緩溫室氣體排放具有重要意義。

大興安嶺林區是我國面積最大的林區,是我國東北平原重要的生態屏障,具有特殊的生態地位。同時大興安嶺林區又是我國森林火災頻發區和“東北亞”環境敏感區[8],1965—2010年總過火林地面積為3.4×106hm2,其中重度火燒面積占到了43.91%[9]。1987年的“五·六”大火嚴重破壞了當地的生態環境、動植物資源和森林后備資源,使得該地區森林覆蓋率從76%下降至61.5%,重度與中度火燒跡地生物多樣性消失殆盡[10]。因其位于我國最北部,生長季較短,屬于寒溫帶季風氣候區,受大陸季風氣候的影響,春、秋兩季干旱少雨,干冷氣候致使災后土壤結構長期惡化[11],森林資源恢復十分困難。植被恢復初期,重度火燒跡地形成大面積山楊(Populusdavidian)白樺(Betulaplatyphylla)次生林,有樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)母樹地段幼苗大量產生,落葉松(Larixgmelinii)跡地未更新[12]?，F經30年的植被恢復,已形成大面積的天然次生林和人工林。

火燒跡地森林生態系統功能的恢復是諸多專家學者關注的焦點,大家希望通過生物、生態及工程技術措施,使其盡快恢復到一定的或原有的甚至更高的水平[13]。目前,該地區火燒跡地的研究主要有植被恢復模式的探討[14]及不同恢復方式[15]和恢復過程中土壤性質[16-17]等研究,對于火燒跡地土壤溫室氣體通量的研究較少,不同恢復措施下的土壤溫室氣體通量的研究未見報道。本研究選取3種恢復方式的林地土壤為研究對象,探討3種恢復方式下林地土壤CO2、N2O和CH4通量的生長季變化規律,以評估不同恢復方式林地土壤溫室氣體的排放潛力,為大興安嶺地區制定碳排放決策和火燒跡地生態修復提供科學依據。

1材料與方法1.1研究區概況

研究地區位于大興安嶺地區阿木爾林業局(122°38′30″—124°15′05″E,52°15′03″—53°33′15″N,平均海拔500—800 m),東西寬約50 km,南北長約160 km,邊境線長約74 km,為1987年“五·六”大火重災區。屬于寒溫帶大陸性氣候,夏季短暫炎熱,冬季漫長寒冷。年均溫-2.6 ℃,最高氣溫40 ℃;年均降水量429—527 mm,年降雨多集中于7—8月,降雪期一般從9月下旬開始至次年5月上旬。全年無霜期95 d左右,冰封期180—200 d。土壤以棕色針葉林土為主,另有沼澤土和泥炭土。土壤礫石含量較大,土層普遍較薄。根據實地踏查,在大興安嶺地區阿木爾林業局選擇1987年重度火燒后分別經過人工更新、天然更新和人工促進天然更新的3種林地土壤為研究對象,于每種林地內分別呈“品”字形設置3塊20 m×30 m標準樣地用于林分調查,每個標準樣地內設置1個氣體采樣點。所選林地在1987年“五·六”大火重度火燒前均為落葉松林,人工更新為1989年在重度火燒跡地上栽植落葉松,造林時苗齡為2 a,每公頃3300株;天然更新林地在恢復過程中未受任何人為活動干擾;人工促進天然更新是在天然更新的基礎上穴狀整地,促進植被恢復。樣地基本概況見表1。

1.2 樣品采集

2017年6月3日開始至9月21日止,采用靜態箱/氣相色譜法每隔10 d對3種恢復方式林地土壤進行溫室氣體(CO2、CH4、N2O)通量原位觀測,于每個采樣日9:00—11:00時段對氣體進行采集[18]。在采樣箱罩箱后分別于0、10、20、30 min用帶有三通閥的100 mL醫用注射器采集氣體,并分別注入500 mL氣體采集袋。氣體樣品帶回實驗室用氣相色譜儀(美國安捷倫GC7890B)對CO2、CH4和N2O濃度進行分析。每次取樣同時測定箱內溫度,0—5 cm土壤濕度、溫度(ZDR-20T)和大氣溫濕度(TES-1360A)。

于觀測期每月下旬在每個底座周圍2 m附近采用梅花點采樣法采集0—20 cm層土壤樣品,風干、研磨和過篩后將每個樣地土壤樣品等質量混合,測定土壤基本性質。土壤pH采用pH計水浸液測定法;土壤有機碳含量使用元素分析儀(vario TOC,德國Elementar)測定;土壤全氮含量使用連續流動分析儀(AA3,德國SEAL)測定。

表1 樣地基本概況

1.3 溫室氣體計算

用下式計算溫室氣體通量：

式中,Ft為氣體通量,M為氣體的摩爾質量,P0和T0為理想氣體標準狀態下的大氣壓和溫度,V0為標準狀態下的摩爾體積,H為采樣箱高度,P和T為采樣時的實際氣壓和氣溫,dc/dt為氣體濃度隨時間變化的回歸曲線斜率。當Ft為正值時表示排放,Ft為負值時表示吸收。

生長季溫室氣體通量的估算方法為6—9月各旬平均排放通量×10加和[19]。

本研究選擇100年尺度來計算土壤溫室氣體排放的全球增溫潛勢(GWP)：

GWP=25×(CH4)+298×(N2O)+1×(CO2)

式中,25和298分別為CH4和N2O在百年尺度上相對于CO2的GWP倍數[20]。

1.4數據處理

用Excel 2010對數據進行初步整理,采用SPSS 18.0進行統計分析,利用鄧肯多重比較(Duncan)分析不同恢復方式數據均值組間差異,用Pearson法分析CO2、CH4和N2O通量與環境因子之間的相關性。利用Origin 2015作圖。圖表中數據為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1不同恢復方式對環境因子的影響

由圖1可見,3種恢復方式環境因子變化規律基本一致。土壤溫度差異不大,人工更新林內土壤溫度略高于其他2種恢復方式。人工更新林內大氣濕度較天然更新和人工促進天然更新分別高5.69%和7.23%(表2)。而在生長季人工更新林地土壤5 cm濕度顯著低于其他2種恢復方式,天然更新和人工促進天然更新林地土壤濕度較為接近,后者土壤濕度最高。

3種恢復方式林地土壤pH生長季變化規律一致,6月pH最小,7月達到生長季最大值(圖1),人工促進天然更新林地土壤pH顯著高于其他2種恢復方式(表2)。不同恢復方式對林地土壤有機碳含量影響顯著(表2),人工更新較天然更新顯著提高53.37%,天然更新較人工促進天然更新顯著(P<0.01)提高105.59%。生長季3種恢復方式林地土壤全氮變化規律基本一致,均與7月達到生長季最小值(圖1),3種恢復方式林地土壤全氮含量差異顯著(表2)。

恢復方式的不同影響林分結構和植被類型,進而對土壤濕度和土壤理化性質產生顯著影響,但對大氣濕度與土壤溫度影響較小。

2.2恢復方式對林地土壤溫室氣體通量的影響

2.2.1N2O通量

生長季3種恢復方式下林地土壤均表現為N2O的源。排放通量分別為：天然更新((17.81±15.12) μg m-2h-1)[21]>人工促進天然更新((10.80±7.96) μg m-2h-1)>人工更新((10.37±5.52) μg m-2h-1)。人工更新和人工促進天然更新較天然更新林地土壤N2O排放通量分別下降了41.77%和39.36%,說明人為干預會一定程度降低土壤N2O的排放。天然更新林地土壤N2O通量顯著高于人工更新和人工促進天然更新,人工更新與人工促進天然更新之間無顯著差異(表2)。

生長季3種恢復方式林地土壤N2O排放通量呈明顯單峰變化,峰值均出現在8月份,表現為：天然更新(58.43 μg m-2h-1)>人工促進天然更新(29.47 μg m-2h-1)>人工更新(26.87 μg m-2h-1)。6月和9月林地土壤N2O排放通量較低。天然更新林地土壤排放通量峰值出現在8月中旬,人工更新和人工促進天然更新峰值均出現在8月下旬。

圖1 生長季3種恢復方式林地環境因子變化Fig.1 Changes in environmental factors for the three recovery modes during the growing season

2.2.2CH4通量

生長季3種恢復方式林地土壤均表現為CH4的匯。天然更新、人工更新和人工促進天然更新林地土壤CH4通量分別為((-68.69±27.79) μg m-2h-1)[21]、((-81.40±23.67) μg m-2h-1)、((-65.55±21.26) μg m-2h-1)。其中人工更新林地土壤CH4吸收通量較天然更新和人工促進天然更新分別高出18.50%和24.18%,說明人工更新林地土壤對大氣CH4的吸收能力較好,天然更新較人工促進天然更新高4.79%。人工更新林地土壤CH4吸收通量顯著高于人工促進天然更新,天然更新與其他2種更新方式無顯著差異(表2)。

人工更新和天然更新林地土壤CH4吸收通量均表現為雙峰變化,但峰值出現時間略有不同：天然更新林地土壤CH4吸收峰值兩次分別出現在6月下旬和8月上旬,人工更新兩次峰值較天然更新峰值均有滯后現象(7月和8月中旬)。人工促進天然更新生長季林地土壤CH4吸收通量變化表現為單峰變化,于8月上旬和天然更新一起出現吸收峰值。3種恢復方式林地土壤CH4吸收通量極大值均出現在8月,6月和9月整體較低。

圖2 生長季3種恢復方式林地土壤溫室氣體通量變化Fig.2 Changes of GHG fluxes in woodland soil for the three recovery modes during the growing season

2.2.3CO2通量

生長季3種恢復方式林地土壤均表現為CO2的源,平均通量分別為：人工促進天然更新((634.40±246.52) mg m-2h-1)>人工更新((603.63±213.22) mg m-2h-1)>天然更新(575.81±244.12 mg m-2h-1)[21]。人工更新和人工促進天然更新林地土壤較天然更新CO2排放通量分別提高4.83%和10.17%,生長季3種恢復方式林地土壤CO2排放通量差異不顯著(表2)。

表2 3種恢復方式林地土壤溫室氣體通量和環境因子平均值多重比較

Table 2 Duncan′s multiple-range test for the means of fluxes of GHG from woodland soil and environmental factors for the three recovery modes

恢復方式Recovery modeN2O通量N2O flux/(μg m-2 h-1)CH4通量CH4 flux/(μg m-2 h-1)CO2通量CO2 flux/(mg m-2 h-1)大氣濕度Atmospheric moisture/%土壤溫度Soiltemperature/℃土壤濕度Soilmoisture/%pH土壤容重Bulk density/(g/m3)有機碳Organic carbon/(g/kg)全氮Total N/(g/kg)天然更新Natural regeneration17.81±15.1a-68.69±27.8ab575.81±244.1a64.49±23.5a10.36±3.6a48.72±26.0a5.09±0.0a1.05±0.1a43.75±13.1a3.54±1.2a人工更新Artificial regeneration10.37±5.5b-81.40±23.7a603.63±213.2a70.18±23.6a10.82±3.6a22.02±10.6b5.13±0.1a0.95±0.1a67.10±13.2b4.86±1.2b人工促進天然更新Artificial promotion of natural regeneration10.80±8.0b-65.55±21.3b634.40±246.5a62.95±24.4a9.93±2.6a53.29±30.5a5.28±0.1b1.73±0.1b21.28±5.2c1.91±0.3c

a、b表示顯著性差異組別(α=0.05)

不同恢復方式下林地土壤生長季CO2通量變化規律基本一致,7月中旬和8月中旬各出現一次峰值,生長季初末期(6月和9月)林地土壤CO2排放通量較低。7月中旬峰值大小為：人工更新(970.26 mg m-2h-1)>天然更新(924.28 mg m-2h-1)>人工促進天然更新(826.48 mg m-2h-1)。8月中旬峰值大小表現為：人工促進天然更新(1231.60 mg m-2h-1)>天然更新(1128.89 mg m-2h-1)>人工更新(1014.11 mg m-2h-1)。

2.3 溫室氣體通量與環境因子相關性分析

由表3可見,生長季3種恢復方式林地土壤CO2通量與5 cm土壤溫度和林內大氣濕度均表現為極顯著正相關,與土壤濕度相關性不顯著。林地土壤N2O通量在天然更新[21]和人工促進天然更新林地均與5 cm層土壤溫度極顯著正相關,但與林內大氣濕度和土壤濕度相關性不強;人工更新林地土壤N2O通量與土壤溫度顯著正相關(P<0.05),與土壤溫度極顯著正相關(P<0.01)。3種恢復方式林地土壤CH4吸收通量均與土壤濕度相關性不顯著,天然更新[21]和人工更新林地土壤CH4吸收通量與5 cm土壤溫度極顯著正相關,天然更新與大氣濕度相關性不強。土壤pH與天然更新林地土壤CO2通量顯著正相關,土壤全氮與人工促進天然更新林地土壤CH4吸收通量顯著負相關。

表3 3種恢復方式林地土壤溫室氣體通量與環境因子之間的關系

*P<0.05;**P<0.01

2.4 不同恢復方式對溫室氣體源/匯的影響及阿木爾地區溫室氣體排放量估算

結合全球變暖潛勢值進行分析,在100年尺度上,1分子的CH4排放到大氣中相當于25分子CO2的輻射影響,同時1分子的N2O的輻射效果是CO2的298倍[22]。天然更新、人工更新和人工促進天然更新林地土壤生長季溫室效應的貢獻潛力分別為1.67×104、1.74×104、1.83×104kg CO2hm2。3種恢復方式中天然更新林地土壤GWP值最小,較人工更新和人工促進天然更新分別下降4.02%、8.74%。這可能是因為人為干預后,林地結構得到優化,林內生物量增多,土壤結構及微生物種類和數量得到改善,溫室氣體累計排放量及增溫潛勢高于天然更新。同時,天然更新、人工更新和人工促進天然更新林地土壤GWP組成結構(CO2、CH4、N2O)依次為99.39%、0.30%、0.91%,99.86%、0.33%、0.48%和99.75%、0.26%、0.50%,CO2均占絕對優勢。因此大興安嶺地區重度火燒跡地生長季3種恢復方式林地土壤的溫室效應貢獻者主要是CO2。

表4 3種恢復方式林地土壤溫室氣體累計排放通量及全球增溫潛勢

GWP: 全球增溫潛勢Global warming potential

阿木爾林業局所轄林區自“五·六大火”重度火燒后,現有植被均為人工林或天然次生林。因此對不同恢復方式林地土壤溫室氣體生長季排放量進行平均計算得出：生長季林地土壤CO2排放量為17.42 t/hm2;N2O排放通量為0.37 kg/hm2;CH4吸收量為2.07 kg/hm2。據阿木爾林業局林業調查顯示所轄有林地50.80×104hm2估算,阿木爾林業局所轄林地土壤每年生長季CO2排放量約為8.85×106t,N2O釋放量約為1.88×102t,CH4吸收量約為1.05×103t。

3 討論

3.1 不同恢復方式對林地土壤N2O排放的影響

相關分析發現,天然更新和人工促進天然更新林地土壤N2O排放通量與土壤溫度具有較好的相關性,與土壤濕度相關性不強,這與馬秀枝等[18]和杜睿等[27]的研究結果一致。人工更新林地土壤N2O通量僅與土壤濕度極顯著相關,即N2O排放通量的大小主要取決于土壤濕度[28]。造成這種差異的原因可能因為人工更新林地土壤濕度顯著低于其他2種恢復方式(表2),因此在土壤水分狀況良好的條件下土壤溫度是土壤N2O排放的主控因子;而在土壤濕度較低時,土壤N2O排放受土壤水分狀況影響較大。

3.2 不同恢復方式對林地土壤CH4吸收的影響

森林土壤對CH4的吸收是土壤中CH4產生與消耗過程的綜合結果,受底物有效性、溫度、水分狀況、養分、植被類型及土壤pH等環境因子的影響[29]。天然更新林地土壤CH4平均吸收通量與其他2種恢復方式無顯著差異,人工更新顯著高于人工促進天然更新(表3),均高于同緯度落葉松林[18]。土壤容重的大小關系正好相反：人工促進天然更新>天然更新>人工更新(表2)。這是因為土壤容重的增加,會抑制大氣中CH4向土壤擴散速率和降低土壤中O2濃度從而致使土壤中CH4的氧化速率降低[30-31],而人工更新土壤結構較為疏松,通氣性較好,適合CH4氧化菌的生長、代謝和繁殖[32]。本研究發現土壤有機碳含量較高時會促進土壤吸收CH4,反之則與土壤CH4吸收通量負相關(表3),且生長季3種恢復方式下林地土壤CH4通量的大小關系與土壤有機碳大小關系一致(表2)。有研究發現天然更新的次生林土壤CH4吸收通量要高于人工更新的人工林[23],這與本研究結論相反,可能是底物有效性及植被類型的不同和土壤理化性質差異導致的。

本研究中人工更新和天然更新林地土壤CH4吸收通量與土壤溫度具有較高的相關性,人工更新和人工促進天然更新與大氣濕度具有較高相關性,3種恢復方式均與土壤濕度不相關。可能因為本研究區觀測期間水熱同期,溫度對CH4氧化菌的影響大于水分對其的影響,水分對CH4氧化菌的影響可能在生長季不同時期有不同的作用[21]。有研究發現土壤全氮含量是影響土壤CH4通量的主要因子[33],而本研究土壤全氮僅與人工促進天然更新林地土壤CH4通量顯著相關,可能是因為該恢復方式土壤全氮含量顯著低于其他2種恢復方式,因而表現出顯著的相關性(表3)。造成3種恢復方式林地土壤CH4通量差異顯著的原因除水熱因子外,可能與林型、土壤理化狀況、地表植被的生長及凋落物厚度有關[34]。

3.3 不同恢復方式對林地土壤CO2排放的影響

大興安嶺重度火燒跡地3種恢復方式林地土壤CO2排放通量季節變化特征一致,2次峰值均出現在土壤水熱狀況較好時期。雨季時,溫度伴隨降雨略有降低,加之降雨會抑制濕潤土壤CO2排放通量[35],導致土壤CO2排放通量于7月中旬至8月中旬之間略有下降,使得雨季前后出現兩次峰值。有研究發現土地利用方式的改變會導致土壤相關微環境及其生理生化過程發生改變,從而影響土壤中溫室氣體的產生與排放[36]。人工促進天然更新林地土壤CO2平均通量最大,天然更新最小,3者均高于同緯度落葉松林生長季土壤CO2通量[18]。造成3種恢復方式林地土壤CO2通量差異可能是由于不同森林類型之間植物根生物量、土壤微生物生物量、土壤有機質和容重的差異造成的[37]。本研究發現,人工更新生長季林地土壤CO2通量大于天然更新,這與菊花等的研究結果一致[23],這可能是與人為干預導致底物數量、植被生長特性和土壤理化性質同天然更新之間存在差異有關。生長季3種恢復方式林地土壤CO2通量差異不顯著,可能是因為火燒發生7年后植被基本恢復,土壤CO2通量已回到火災發生前的水平[38];也可能是觀測時間過短造成的短期效應[39]或生態系統的特殊性[40]等原因造成的。

相關分析表明,3種恢復方式林地土壤溫度與土壤CO2排放通量均呈極顯著正相關,土壤溫度通過影響土壤生物的群落結構和生物量并調控底物的供應狀況[41],進而影響到土壤CO2的通量。3種恢復方式林地土壤濕度與CO2通量未發現有顯著相關性,可能是因為自然狀態下土壤水分狀況并非該地區土壤CO2排放的限制性因子[42]。但其與大氣濕度具有極顯著的相關性,這與沙地土壤研究結果一致[43],同時由于3種恢復方式林內大氣濕度差異不顯著,這或許也是3種恢復方式下林地土壤CO2排放通量差異不顯著的原因。土壤pH會通過影響土壤化學反應和土壤酶活性來影響土壤呼吸速率[44],本研究僅天然更新林地土壤CO2通量與土壤pH顯著相關,可能因為該恢復方式土壤pH較低(表2),對土壤呼吸速率影響顯著。

4 結論

通過對不同恢復方式下大興安嶺重度火燒跡地林地土壤溫室氣體生長季通量研究發現,經過30 a植被恢復,3種林地土壤均是大氣CO2和N2O的“源”,CH4的“匯”。 3種溫室氣體通量具有明顯季節動態。土壤溫度是影響土壤溫室氣體通量的關鍵因子;土壤濕度僅對人工更新林地土壤N2O有極顯著影響;溫室氣體通量對大氣濕度的響應因林型和氣體類型而異;土壤pH僅與天然更新林地土壤CO2通量顯著相關;土壤全氮含量僅與人工促進天然更新林地土壤CH4通量顯著相關。恢復方式對林地土壤CH4和N2O通量影響顯著,對土壤CO2通量影響不顯著?；?00 a時間尺度,受到人工干預(人工更新和人工促進天然更新)的林地土壤具有更高的溫室氣體排放潛力。阿木爾林業局所轄林區生長季林地土壤CO2、N2O釋放量分別為8.85×106t、1.88×102t,CH4吸收量為1.05×103t。將來應深入探討導致該地區土壤溫室氣體通量差異的驅動性因子,將對準確評估火燒跡地植被恢復后土壤溫室氣體通量具有重要意義,為該地區退化生態系統修復與重建提供理論依據。