大興安嶺興安落葉松林土壤CO2、CH4的晝夜變化特征1)

馬忠濤 張秋良 楊琳

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，內(nèi)蒙古,010020)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的最大碳庫，陸地生態(tài)系統(tǒng)在全球碳平衡和碳循環(huán)中起著至關重要的作用[1]，土壤環(huán)境的改變是加速土壤向大氣中排放溫室氣體的重要因素，同時也是加劇全球變暖進程的主要誘因之一[2]。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是全球碳循環(huán)的重要組成部分[3-4]，森林土壤作為全球的重要碳庫也成為了溫室氣體的主要排放源，對全球氣候變化以及碳動態(tài)變化具有重要作用[5]。由于土壤環(huán)境會受到多種環(huán)境因子的協(xié)同影響，導致土壤CO2、CH4這兩種溫室氣體的排放具有很強的時空異質(zhì)性[6-7]。因此，在全球變化背景下，研究森林土壤溫室氣體的排放特征，了解土壤溫室氣體晝夜變化趨勢，有助于推動對未來氣候變化下碳循環(huán)過程的認識，從而采取科學措施應對氣候變化[8-10]。

目前國內(nèi)外有關森林生態(tài)系統(tǒng)土壤溫室氣體通量的研究大多集中在熱帶、亞熱帶及溫帶地區(qū)[11-13]，大興安嶺北部林區(qū)位于寒溫帶，是我國面積最大的原始林區(qū)，興安落葉松(Larixgmelinii)是該區(qū)主要的地帶性植被，林分覆蓋面積為1.56×107hm2，占全國森林面積的13.2%。由于生長季短、溫度低、凍土活動層薄等特點，興安落葉松林區(qū)對全球氣候變暖可能會更加敏感[14]。本文以大興安嶺地區(qū)建群樹種興安落葉松林為研究對象，對2019年度春、夏、秋、冬四季的土壤CO2、土壤CH4及水熱因子(地表水汽摩爾分數(shù)、土壤10 cm溫度)晝夜變化進行連續(xù)原位觀測，分析土壤CO2、土壤CH4在不同季節(jié)的晝夜變化特征及對水熱因子的響應，以期為高緯度寒溫帶興安落葉松林生態(tài)系統(tǒng)地下碳循環(huán)機制及該區(qū)域碳源、匯效應研究提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部的大興安嶺地區(qū)，國家野外科學觀測研究站內(nèi)的試驗區(qū)，在根河林業(yè)局潮查林場境內(nèi)(50°49′～50°51′N，121°30′～121°31′E)，地處大興安嶺西北坡，最高海拔2 029 m，最低海拔180 m。該區(qū)域?qū)儆诤疁貛Т箨懶约撅L氣候，區(qū)域內(nèi)有大面積的季節(jié)性凍土和多年凍土。年均日照2 594 h，冬季比較寒冷，并且長達7個月以上，植物生長季短暫，夏季只有2個月左右。在2007—2020年間，年最低氣溫出現(xiàn)在2018年，低至-46.2 ℃，年平均氣溫為-2.9 ℃。年降水量450～550 mm，60%集中在7、8月[12]。降雪期為當年9月末至次年5月初，降雪厚度20～40 cm，降雪量占全年降水總量的12%。全年地表蒸發(fā)量800～1200 mm，無霜期90～110 d。主要建群樹種為興安落葉松，伴生白樺，其中分布廣且具代表性的有杜鵑—興安落葉松林、越桔—興安落葉松林、杜香—興安落葉松林、草類—興安落葉松林及白樺—落葉松林等。土壤以棕色針葉林土為主，土層30～40 cm。

2 研究方法

2.1 樣地設置

在研究區(qū)內(nèi)，選擇一塊面積為400 m2(20 m×20 m)的具有代表性的典型固定樣地，于2019年3月—2020年3月對土壤CO2、CH4進行長期連續(xù)原位觀測。由于測量系統(tǒng)配套設施的通道長度有限，并且測量通道數(shù)量有限，因此對樣地進行子樣地分割設計，將樣地按照5 m×5 m大小劃分為16個子樣地，并根據(jù)子樣地的立地條件及分布采用定點選擇4個子樣地，在每個子樣地中選取1個土壤呼吸測定點，以確保測量數(shù)據(jù)具有可靠性和代表性。在土壤呼吸測定點內(nèi)將高10 cm、直徑20 cm的PVC土壤環(huán)一端壓入土壤5 cm深處，并清除地表植被與雜物。由于該地區(qū)降雪較多，而積雪會改變土層溫度，從而影響土壤理化性質(zhì)的一系列變化，為了避免雪被覆蓋對土壤呼吸的影響，因此在降雪期間使用1 m×1 m的擋雪設備對土壤呼吸室進行防護，并定期清理積雪，這樣既避免積雪覆蓋對呼吸室觀測造成影響，同時保證觀測點內(nèi)的環(huán)境不被破壞。

試驗樣地海拔高度813m，坡向為正北；樣地內(nèi)主要喬木為興安落葉松(Larixgmelinii)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)，平均胸徑為10.01 cm，平均樹高為9.97 m，林齡為中林齡，郁閉度0.75；主要灌木為杜香(LedumpalustreL.)，株高0.31 m，蓋度39%。土壤以棕色針葉林土為主，土層30～40 cm，腐殖質(zhì)層在10 cm左右，土壤密度為(1.32±0.06)g·m-3，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為(42.74±0.92)g·kg-1。

2.2 土壤通量測定方法

本研究所采用的儀器為LGR全自動多通道長期土壤通量測量系統(tǒng)，包括SF-3000多通道控制單元、915-0011分析儀(UGGA)。為保護儀器，避免其受到極端天氣帶來的影響與損壞，全自動多通道長期土壤通量測量系統(tǒng)(SF-3000、UGGA)放置在樣地旁搭建的彩鋼屋內(nèi)，由太陽板、風電以及蓄電池保證充足的電量。測量原理為動態(tài)氣室法，分4個通道(氣室)連續(xù)測量CO2和CH4兩種溫室氣體，每個氣室的測量時間為180 s，其中包括30 s的氣體平衡時間，以及150 s的有效測量時間，對4個通道進行依次循環(huán)測量。在測量過程中，使用3 min的測量周期，即每個測定點依次測量3 min并重復循環(huán)(30 s氣體平衡時間，150 s有效測量時間)，測量周期的選擇與其他使用類似儀器的學者相似[15-17]。與其他類型儀器相比，該套儀器可以實現(xiàn)多點位(多通道)長期連續(xù)觀測，測量頻率更高，數(shù)據(jù)連續(xù)性更好，并且觀測數(shù)據(jù)實時傳輸并顯示。

用氣相色譜儀分析本研究中的CO2和CH4濃度，并用氣體變動模型[18](公式1)將其轉(zhuǎn)化為通量。

氣體變動模型計算采用如下公式：

(1)

土壤10 cm溫度的測量由呼吸室內(nèi)嵌的PT-1000溫度傳感器(德國)測量，水汽摩爾分數(shù)由LGR分析儀進行測量分析。通量觀測時間為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)四季晴朗的兩天進行48 h連續(xù)觀測。

2.3 數(shù)據(jù)處理

土壤溫室氣體自動測量系統(tǒng)所獲取的數(shù)據(jù)會因為氣室關閉不正常或密封性等問題出現(xiàn)數(shù)據(jù)的異常[19]，因此，當時間和CO2、CH4濃度線性回歸的R2值低于0.8時，認為數(shù)據(jù)可能存在問題并剔除[20]。通量數(shù)據(jù)利用Excel軟件進行異常值剔除及數(shù)據(jù)插補，根據(jù)氣體通量單位時間內(nèi)正常變化速率的測算[21]，刪除了與相鄰數(shù)據(jù)差異大于5 μmol·m-2·s-1的CO2異常值和大于5 nmol·m-2·s-1的CH4異常值。

通量與地表溫度、水汽摩爾分數(shù)之間的關系由單因子回歸法進行分析，土壤凍結(jié)時期與土壤消融時期的CO2、CH4差異性采用單因素ANOVA分析，CO2、CH4的日通量計算方法為各測量點逐時累加再平均。

通量數(shù)據(jù)的整理工作由EXCEL完成，通量與地表溫度、水汽摩爾分數(shù)的回歸分析由SPSS17.0完成，圖形處理、繪制由ORIGIN2018完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 CO2、CH4不同季節(jié)晝夜變化特征

興安落葉松林地表溫度、水汽摩爾分數(shù)晝夜變化監(jiān)測結(jié)果表明(圖1)，地表溫度在白天逐漸升高，午后達到峰值，在夜晚逐漸下降，不同季節(jié)最低值出現(xiàn)的時間略有差異，但都集中在清晨06:00左右，呈現(xiàn)出明顯的單峰型變化特征。最高溫度和最低溫度的出現(xiàn)均有一定的滯后性，出現(xiàn)這種情況的原因是土壤的熱容量較大，導熱率遠低于空氣的流動交換，并且導致地表溫度晝夜極差較小，不同季節(jié)的晝夜極差均低于10 ℃。

圖1 不同季節(jié)土壤CO2和土壤CH4晝夜變化特征

地表水汽摩爾分數(shù)的晝夜變化差異較為明顯，與地表溫度的變化趨勢相近，白天逐漸增大，其峰值出現(xiàn)的時間較早，多在午時12:00時左右，夜間水汽摩爾分數(shù)變低，最小值出現(xiàn)在凌晨04:00左右。夏季水汽摩爾分數(shù)的晝夜極差遠高于春冬季，季節(jié)的差異只影響了地表溫度和水汽摩爾分數(shù)的變化范圍和晝夜極差，對晝夜變化特征沒有較大的影響，均呈現(xiàn)白天高，夜間低的單峰型變化特征。

本研究中土壤CO2、CH4通量值用單位時間、單位面積的濃度值表示。興安落葉松林土壤CO2通量具有明顯的晝夜變化特征，白天土壤CO2通量不斷增大，在午時達到峰值，之后開始下降，在夜間變化較為穩(wěn)定。春季土壤CO2通量晝夜變化范圍為(0.77±0.12)～(2.07±0.33)μmo·m-2·s-1，日均值為(1.10±0.28)μmol·m-2·s-1；夏季土壤CO2通量晝夜變化范圍最大，為(1.91±0.3)～(5.35±0.85)μmol·m-2·s-1，日均值為(3.42±0.92)μmol·m-2·s-1；秋季土壤CO2通量晝夜變化范圍為(1.36±0.22)～(2.10±0.33)μmol·m-2·s-1，日均值為(1.77±0.22)μmol·m-2·s-1；冬季土壤CO2通量晝夜變化范圍最小，為(0.18±0.03)～(0.53±0.08)μmol·m-2·s-1，日均值為(0.24±0.06)μmol·m-2·s-1。夏季土壤CO2通量晝夜變化波動最大，冬季晝夜變化波動最小，同時其日均值大小為夏季最大，冬季最小。

土壤CO2通量在不同季節(jié)晝夜變化特征一致，均表現(xiàn)為白天高，夜間低的單峰型變化特征，其最大最小通量值出現(xiàn)的時間與地表溫度更為接近。由此可知，在沒有降雨的天氣時，地表溫度是影響土壤CO2通量變化的主導因素。溫度升高可以增進微生物的活性、加快土壤有機質(zhì)分解，進而促進土壤呼吸作用。同時溫度的升高也影響植物的生長及其生理活動，增強根系的呼吸作用。

土壤CH4通量的晝夜變化與土壤CO2通量相比具有較大差異，監(jiān)測結(jié)果表明，土壤CH4通量晝夜變化波動較小，夜間土壤CH4通量不斷增大，在零點左右出現(xiàn)最大值，白天土壤CH4通量不斷減小，在午時溫度最大時達到最小值，其白天減小趨勢與地表溫度變化趨勢一致。夏季土壤CH4通量晝夜變化范圍最大，為(3.23±0.51)～(7.31±2.35)nmol·m-2·s-1，日均值為(5.20±1.17)nmol·m-2·s-1，冬季土壤CH4通量晝夜變化范圍最小，為(0.29±0.07)～(0.69±0.20)nmol·m-2·s-1，日均值為(0.45±0.12)nmol·m-2·s-1。

3.2 CO2、CH4不同季節(jié)與溫度、水汽摩爾分數(shù)相關性

建立土壤10 cm溫度、地表水汽摩爾分數(shù)與土壤CO2、CH4的相關性分析，結(jié)果表明，土壤CO2通量與土壤10 cm溫度均呈現(xiàn)正相關關系，且不同季節(jié)的相關程度差異性明顯，冬季土壤CO2通量晝夜變化與土壤10 cm溫度無相關性，春、夏、秋季的土壤CO2晝夜變化具有明顯相關性，其中，秋季相關性達到極顯著(R2=0.795，P<0.01，n=48)圖1。土壤CO2晝夜變化與水汽摩爾分數(shù)基本無相關性，其主要原因是水汽摩爾分數(shù)不是控制土壤CO2晝夜變化的主導因素，同時也與試驗選取的晴朗天氣有關(表1、表2)。

表1 不同季節(jié)土壤CO2、CH4與土壤10 cm溫度相關性

表2 不同季節(jié)土壤CO2、CH4與水汽摩爾分數(shù)相關性

圖2 土壤CO2與土壤10 cm溫度、水汽摩爾分數(shù)的相關性

土壤CH4與水汽摩爾分數(shù)和土壤10 cm溫度的相關性分析表明，土壤CH4通量的晝夜變化與水熱因子的關系并不明顯，在春、夏、秋季土壤CH4通量與水汽摩爾分數(shù)、土壤10 cm溫度均無明顯的相關性，但在冬季土壤CH4晝夜變化與水汽摩爾分數(shù)、土壤10 cm溫度相關程度均較顯著。

興安落葉松林土壤CO2與土壤CH4日碳通量匯總結(jié)果表明，興安落葉松林為土壤CO2的釋放源，為土壤CH4的吸收匯，不同季節(jié)的日CO2排放量和CH4吸收量具有明顯差異，不同季節(jié)土壤CO2日排放量和土壤CH4吸收量的大小關系為夏季、秋季、春季、冬季(表3)。

表3 不同季節(jié)土壤CO2日排放量、土壤CH4日吸收量 mg·m2

4 結(jié)論與討論

土壤呼吸是一個相對復雜的過程[22-23]，受到大氣和土壤環(huán)境等多種因素的協(xié)同影響[24]，本研究表明土壤CO2和土壤CH4具有明顯的晝夜變化特征，晝夜差異性較大，白天變化浮動大，夜間波動較小，土壤CO2釋放速率白天強于夜間，土壤CH4吸收速率白天弱于夜間，該研究結(jié)果與吳夏等對桂林市巖溶區(qū)和牟長城等人對小興安嶺的研究結(jié)果一致[25-26]。大興安嶺興安落葉松林四季均為土壤CO2排放源，為土壤CH4吸收匯，這一結(jié)論與以往的研究結(jié)果相一致，好氣的自然土壤如森林、草原等都是CO2的強釋放源，同時具有吸收大氣CH4的能力[13，27]。溫濕度被認為是影響土壤CO2、CH4排放的主要因子，本研究結(jié)果表明，除冬季外，土壤CO2通量晝夜變化均與土壤10 cm溫度呈顯著的正相關性，土壤10 cm溫度是決定土壤CO2排放的主導因子，水汽摩爾分數(shù)在正常晴朗天氣時與土壤CO2相關性并不顯著，興安落葉松土壤CH4通量春夏秋3季晝夜變化與土壤10 cm溫度、水汽摩爾分數(shù)無明顯相關性。土壤CH4的晝夜變化與土壤10 cm、水汽摩爾分數(shù)的相關性均不明顯，而冬季，溫濕度是影響土壤CH4的主導因素，土壤CH4與土壤10 cm溫度、水汽摩爾分數(shù)呈現(xiàn)顯著相關性。其他學者的研究也證明了土壤CH4與水熱因子的相關性具有很強不確定性[8]，說明原位觀測很難明確土壤CH4的變化影響機制，在不同時間尺度對土壤CH4變化特征的控制因子的研究是今后要重視的科學問題。