林下植被和凋落物對寒溫帶森林生長季土壤CH4通量的影響

高明磊,滿秀玲,*,段北星

1 東北林業大學林學院, 哈爾濱 150040 2 東北林業大學森林生態系統可持續經營教育部重點實驗室, 哈爾濱 150040

CH4是大氣中主要的溫室氣體之一,近幾十年來,其濃度還在逐年增加,年增長速度達到了0.8%[1]。盡管大氣中CH4的濃度遠低于CO2的濃度,但是CH4在大氣中停留時間較長,具有更強的遠紅外吸收能力[2],因此在百年尺度上,CH4增溫潛勢大約是CO2的25倍[3]。森林土壤則是CH4重要的匯,每年吸收CH4的量約為(9.16±3.84)Tg[4],這對調節CH4在大氣中的含量具有重要意義。此外,林下植被和凋落物的不同管理方式會影響土壤理化性質[5]、土壤養分[6]和土壤微生物群落[7]等,從而影響碳通量。枯枝落葉的數量、成分以及分解速率會對林地土壤中微生物的數量和活性、植物養分的供應以及水熱條件產生影響,因此凋落物會對土壤C循環產生影響[8],但影響程度不盡相同。研究發現北亞熱帶造林后,去除凋落物對CH4通量沒有顯著影響[9],但在半干旱的科爾沁地區人工楊樹林[10]和奧利地山毛櫸林[11]研究發現,去除凋落物后CH4吸收值分別提高33.51%和16.00%。同樣,去除林下植被不僅能改善土壤有機物的輸入,而且能通過改變小氣候和土壤理化性質來影響 C循環,從而對森林土壤CH4吸收產生重要影響[12]。在南亞熱帶研究表明,剔除林下灌草促進了尾葉桉林[13]和厚莢相思林[12]CH4的吸收；中亞熱帶也發現相似的結果,剔除雜草后山核桃林地土壤CH4的年吸收量為116.32 kg hm-2a-1,高于留養雜草的71.30 kg hm-2a-1[14]。去除林下植被后會使土壤濕度降低,地表土壤的透氣性增大,激活甲烷氧化菌等,從而提高了林地土壤對CH4的吸收。目前林下植被和凋落物對CH4通量的影響還比較局限,首先,只是考慮單一營林措施對其通量的研究,尚未進一步探索二者交互作用對其通量的影響；再者,對人工林研究較多,對天然林的研究相對較少。最后,國內對這方面研究多集中在亞熱帶[9,12-14]和溫帶[10],而對于寒溫帶地區天然林的研究還較少。

大興安嶺林區是我國最大的原始林區,也是我國唯一的高緯度寒溫帶林區[15]。作為我國東北平原重要的生態屏障,大興安嶺森林生態系統在國家生態功能區中發揮著重要的碳平衡功能。該地區也是全球氣候變化最敏感的區域之一[16]。研究表明,我國寒溫帶地區的森林土壤多表現為CH4的匯[17- 19],然而在森林經營管理過程中不同的營林方式對土壤CH4通量有何影響,目前尚不清楚。為了更好地研究我國寒溫帶凍土區森林經營方式對林地土壤CH4通量的影響,本研究選擇白樺林、山楊林、樟子松林和興安落葉松林4種天然林類型為研究對象,在林下進行4種營林方式處理(自然狀態、去除凋落物、去除林下植被以及林下植被和凋落物都去除),對其CH4通量特征進行分析探究,為大興安嶺地區森林生態系統的經營管理和土壤溫室氣體研究提供科學依據和理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于大興安嶺地區漠河縣黑龍江漠河森林生態系統國家定位觀測研究站,地理坐標為122°06′—122°27′E,53°17′—53°30′N,海拔高度209—378 m,該地區屬寒溫帶大陸性季風氣候,冬季寒冷漫長,夏季溫熱多雨,全年平均氣溫在-4.9℃,多年平均降水量在350—500 mm之間,且降水多集中在7—8月,全年無霜期80—90 d。該地區也是我國多年凍土的主要分布區,地帶性土壤為棕色針葉林土,地帶性植被是興安落葉松(Larixgmelinii)林,此外還有樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)林、白樺(Betulaplatyphylla)林和山楊(Populusdavidiana)林等森林植被類型。林下植被主要有興安杜鵑(Rhododendrondauricum)、杜香(Ledumpalustre)、篤斯越桔(Vacciniumuliginosum)等。

1.2 樣地設置與樣品采集

2019年4月,經過實地考察后選擇白樺林、山楊林、樟子松林和興安落葉松林(見表1)4種森林類型為研究對象,每種林型設置3塊20 m×30 m的樣地,每一塊樣地進行4種處理,即自然狀態、去除凋落物、去除林下植被以及林下植被和凋落物都去除,每一處理樣方面積為1.5 m×1.5 m。林下植被去除是將植被從根部將其剪斷,凋落物去除是將未分解層和半分解層清理掉。五月初第一次完全處理后每周都要清理一次,且每次取氣前3 d完成準備工作。每種處理均設置3個靜態箱(包括頂箱和底座兩部分),靜態箱底座(50 cm×50 cm×20 cm)于4月份設置,底座應插入地表5 cm以下,并用泥土將底座下端密實且固定。靜態箱頂箱(50 cm×50 cm×50 cm)外部有保溫板,箱內裝有小風扇和溫度計。采集樣品時,底座和頂箱之間的水槽要加水密封。

表1 4種林型樣地基本情況

從2019年5月到9月,選擇晴天上午的9:00—12:00(國際通用時間)采用壓力取氣法采集氣體樣品,并以此時段內的排放速率代表全天平均通量[20-21]。取氣是每間隔15 min采集一次,共4次,總時間45 min。每次取樣50mL左右分別注入大連德霖氣體包裝公司生產的鋁箔采樣袋。每次取樣的同時記錄抽氣時間、箱內外溫度、5 cm和10 cm的土壤溫度和濕度。根據天氣情況,每20 d左右取1次氣體樣品。所有氣體樣品盡快帶回實驗室,并于一周內用氣相色譜儀(賽默飛trace1300)分析測定CH4氣體濃度。

每次取氣的同時在靜態箱底座外圍進行土樣的采取(避開取氣區),隨機選3個點,分別取0—5 cm和5—10 cm的土壤等質量混合,帶回實驗室然后挑去草根、石塊,然后采用國家標準方法對土壤理化性質測定。土壤pH采用玻璃電極法(土水比1∶2.5)測定；土壤有機碳通過元素分析儀(Vario-TOC,Germany-Elementar)測定。土壤全氮、銨態氮和硝態氮使用連續流動分析儀(AA3,Germany-SEAL)測定,自然狀態土壤基本理化性質見表2。

表2 4種林型自然狀態土壤基本理化性質

1.3 氣體通量計算

利用以下公式進行CH4通量計算：

式中：F為氣體通量(μg m-2h-1),M為氣體的摩爾質量(g/mol),V0、P0和T0分別為標準狀況下氣體摩爾體積(m3/mol)、大氣壓(Pa)和溫度(K),P和T分別為取樣時的實際氣壓(Pa)和溫度(K),dc/dt為氣體濃度隨時間變化的回歸曲線斜率(μmol mol-1h-1),H為箱內部地表到箱頂的高度(m)。當F為正值時表示排放,F為負值時表示吸收。

1.4 數據處理

采用SPSS 25.0和Excel 2010對數據進行分析,采用Duncan多種比較分析不同林型不同處理的CH4通量均值差異,用Pearson法對CH4通量與環境因子進行相關性分析,用Origin 2018進行作圖。圖中和表中的數據為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 4種林型不同處理土壤溫濕度特征

在整個觀測期內,4種林型不同處理土壤5 cm和10 cm溫濕度變化規律基本一致,白樺林、山楊林和樟子松林的土壤溫濕度在不同處理后差異性不顯著(P>0.05),但興安落葉松林的土壤溫濕度不同處理間差異性顯著(P<0.05),同一處理不同月份之間土壤溫濕度組間差異性顯著(P<0.05)。4種林型不同處理土壤5 cm和10 cm溫濕度詳見表3。

2.2 生長季自然狀態下4種林型土壤CH4通量特征

由圖1可知,寒溫帶4種天然林土壤CH4通量均為負值,說明這4種林型均表現為CH4的匯。4種林型土壤CH4通量在5—9月均表現出明顯的單峰曲線變化趨勢,峰值出現在7月下旬或8月中旬,且興安落葉松林土壤CH4吸收通量峰值(-77.17±21.61)μg m-2h-1顯著小于其他三種林型(P<0.05)。興安落葉松林的CH4吸收通量從生長季初期的最小值(-39.42±8.28)μg m-2h-1上升至吸收峰值(-77.17±21.61)μg m-2h-1,升幅為95.77%,然后從吸收峰值下降到生長季末期(-20.13±4.23)μg m-2h-1,降幅為73.92%。白樺林則是和興安落葉松林有著較為相似的變化趨勢,且在整個監測期內,興安落葉松林的CH4吸收通量顯著小于白樺林(P<0.05)。樟子松林相比于其它三種林型變化幅度比較大,其土壤CH4吸收通量從生長季初期的最小值(-10.54±2.21)μg m-2h-1上升到吸收峰值(-110.75±32.18)μg m-2h-1,然后從吸收峰值下降到生長季末期(-30.63±6.12)μg m-2h-1。另外生長季初期,樟子松林的土壤CH4吸收通量顯著小于其他三種林型(P<0.05)；而生長季末期,闊葉林的土壤CH4吸收通量顯著大于針葉林(P<0.05)。4種林型CH4平均吸收通量表現為白樺林(-79.23±14.92)μg m-2h-1>山楊林(-64.27±9.60)μg m-2h-1>樟子松林(-62.54±15.48)μg m-2h-1>興安落葉松林(-48.73±12.26)μg m-2h-1。興安落葉松林土壤CH4平均吸收通量顯著小于其他三種林型(P<0.05),且總體而言,闊葉林吸收通量大于針葉林。

表3 4種林型土壤溫濕度

圖1 4種林型生長季不同處理土壤CH4通量動態特征Fig.1 Dynamic characteristics of soil CH4 flux under different treatments in growth seasons of four forest types

2.3 生長季去除調落物4種林型土壤CH4通量特征

由圖1可知,4種林型在去除凋落物后土壤CH4通量同為負值,除了樟子松林土壤CH4吸收峰值(-108.88±21.78)μg m-2h-1出現在8月,其他三種林型的峰值均出現7月末。5月下旬4種林型CH4通量差異不顯著(P>0.05),但隨著時間推移,不同林型之間逐漸產生差異。6月之后,興安落葉松林土壤CH4吸收通量顯著小于白樺林和樟子松林(P<0.05)。白樺林土壤CH4通量從生長季初期的(-21.36±4.27)μg m-2h-1達到吸收峰值(-114.77±16.34)μg m-2h-1,變化幅度高達4.37倍,但到生長季末期CH4通量為(-79.00±10.76)μg m-2h-1,變幅只有31.16%。樟子松林和山楊林在整個監測期過程中,除了7月下旬,其他時間差異性不顯著(P>0.05)。4種林型在去除凋落物后土壤CH4平均吸收通量表現為白樺林(-81.58±12.18)μg m-2h-1>山楊林(-70.58±8.01)μg m-2h-1>樟子松林(-70.14±11.84)μg m-2h-1>興安落葉松林(-49.76±12.87)μg m-2h-1,闊葉林大于針葉林。

2.4 生長季去除林下植被4種林型土壤CH4通量特征

由圖1可知,4種林型去除植被后土壤CH4通量均為負值,林地土壤也表現為CH4的匯。4種林型土壤CH4通量呈現單峰變化趨勢,峰值都是出現在7月,且興安落葉松林土壤CH4吸收通量峰值(-73.37±3.66)μg m-2h-1顯著小于其他三種林型(P<0.05)。山楊林和興安落葉松林均是在7月下旬達到吸收峰值,且山楊林土壤CH4吸收通量顯著大于興安落葉松林(P<0.05)。而白樺林和樟子松林在到達峰值前后(5—7月),變化趨勢較為一致,差異性不顯著(P>0.05)。4種林型在去除林下植被后CH4平均吸收通量表現為白樺林(-79.90±14.19)μg m-2h-1>山楊林(-77.48±17.94) μg m-2h-1>樟子松林(-68.27±13.41) μg m-2h-1>興安落葉松林(-51.25±7.30)μg m-2h-1。分析發現,興安落葉松林分別與白樺林和山楊林差異性極顯著(P<0.01)(表4)。

2.5 生長季去除林下植被和凋落物后4種林型土壤CH4通量特征

由圖1可知,4種林型林下植被和凋落物都去除后土壤CH4通量呈明顯的單峰曲線,除了興安落葉松林的吸收通量峰值(-88.12±8.42)μg m-2h-1出現在8月,其他3種林型均出現在7月,且興安落葉松林的吸收通量顯著小于其他3種林型(P<0.05)。在監測過程中,4種林型土壤CH4平均吸收通量分別為山楊林(-87.58±15.57)μg m-2h-1>白樺林(-82.35±8.80)μg m-2h-1>樟子松林(-69.86±7.26)μg m-2h-1>興安落葉松林(-55.38±7.83)μg m-2h-1。分析發現,興安落葉松林與白樺林差異性極顯著(P<0.01)(表4)。

2.6 4種林型不同處理間土壤CH4通量特征

由圖2和表4可知,4種林型不同處理之后,均呈現CH4通量吸收增加的趨勢。白樺林在不同處理之后,土壤CH4平均吸收通量表現為去除林下植被和凋落物(-82.35±8.80)μg m-2h-1>去除凋落物(-81.58±12.18)μg m-2h-1>去除林下植被(-79.90±14.19)μg m-2h-1>自然狀態(-79.23±14.92)μg m-2h-1,且不同處理相比于自然狀態增加不顯著(P>0.05)。山楊林在不同處理之后,去除凋落物、去除林下植被以及去除林下植被和凋落物相比于自然狀態(-64.27±9.60)μg m-2h-1分別提高了9.81%、20.55%和36.26%,其中后兩者呈顯著增加(P<0.05)。樟子松林在不同處理之后,相比于自然狀態(-62.54±15.48)μg m-2h-1吸收增加最多的是去除凋落物(-70.13±11.84)μg m-2h-1,去除林下植被增加最小(-68.27±13.41)μg m-2h-1,但變化幅度都沒有達到顯著水平(P>0.05)。興安落葉松林在不同處理之后,土壤CH4平均吸收通量表現為去除林下植被和凋落物(-55.38±7.83)μg m-2h-1>去除林下植被(-51.25±7.30)μg m-2h-1>去除凋落物(-49.76±12.87)μg m-2h-1>自然狀態(-48.73±12.26)μg m-2h-1,且去除林下植被和凋落物相比于自然狀態顯著增加(P<0.05)。

表4 4種林型不同處理土壤CH4通量多重比較

不同處理方式均對森林土壤CH4通量有一定影響,且不同林型不同處理之間存在差異。不同處理對白樺林和樟子松林土壤CH4通量影響不顯著(P>0.05),去除林下植被以及同時去除林下植被和凋落物對山楊林土壤CH4通量影響顯著(P<0.05),而同時去除林下植被和凋落物對興安落葉松林土壤CH4通量影響顯著(P<0.05)。由此可見,凋落物去除與否對土壤CH4通量影響較小,去除林下植被僅對山楊林土壤CH4通量影響顯著,而同時去除時對山楊林和興安落葉松林土壤CH4通量影響顯著。

圖2 不同林型不同處理生長季土壤CH4通量動態特征Fig.2 Dynamic characteristics of soil CH4 flux in different forest types with different treatments during the growing season

2.7 CH4通量與環境因子的相關性

由表5可知,白樺林的自然狀態、去除凋落物以及去除林下植被土壤CH4通量與土壤溫度呈極顯著負相關(P<0.01),而同時去除林下植被和凋落物則呈顯著負相關(P<0.05)；山楊林去除凋落物土壤CH4通量與土壤溫度呈現顯著負相關(P<0.05),去除林下植被與土壤5 cm溫度和空氣溫度呈現顯著負相關(P<0.05)；樟子松林只有去除兩者后土壤CH4通量與土壤溫度呈極顯著負相關(P<0.01)；興安落葉松林的去除凋落物后土壤CH4通量與土壤溫度呈極顯著負相關(P<0.01),自然狀態和去除凋落物后土壤CH4通量與空氣溫度呈現顯著負相關(P<0.05)；4種林型不同處理均與土壤濕度之間相關不顯著(P>0.05)。由此可見,各處理條件下土壤CH4通量與土壤溫度相關性密切,而土壤濕度對土壤CH4通量的影響相對較小。

表5 生長季4種林型不同處理CH4通量與環境因子相關性

白樺林自然狀態和去除凋落物時土壤CH4通量與土壤pH呈極顯著負相關(P<0.01),其他均不相關。山楊林去除凋落物與5 cm有機碳顯著正相關(P<0.05),與5 cm全氮極顯著正相關(P<0.01)；去除林下植被與有機碳、5 cm全氮和10 cm銨態氮顯著相關(P<0.05),與10 cm硝態氮極顯著負相關(P<0.01)；兩者都去除與5 cm全氮和10 cm硝態氮顯著相關(P<0.05)。樟子松林去除林下植被與5 cm有機碳和全氮顯著負相關(P<0.05),兩者都去除與全氮顯著相關(P<0.05)。興安落葉松林與5 cm有機碳和全氮極顯著正相關(P<0.01),與10 cm pH、銨態氮和硝態氮極顯著負相關(P<0.01)；去除凋落物和兩者都去除與10 cm pH顯著負相關(P<0.05)；去除凋落物和去除林下植被與10 cm硝態氮顯著負相關(P<0.05)。

3 討論

CH4通量主要取決于甲烷氧化菌消耗和產生菌生產的平衡作用[22]。森林土壤是大氣CH4重要的匯,而CH4吸收量多少則是受到多個因素的影響,例如底物有效性、土壤溫濕度、土壤 pH、土壤中的養分以及植被類型等[23]。本研究結果表明,4種林型土壤CH4吸收通量具有明顯的單峰曲線變化趨勢,峰值出現在7月下旬或8月中旬,這可能與本時期良好的水熱條件有關。此外發現闊葉林土壤的CH4吸收通量高于針葉林,這一研究結果與本地區[17,19,24]及其他地區[25]研究結果一致,這一方面可能是闊葉林地土壤的通氣性強于針葉林,疏松的土壤有利于氧氣輸送,提高了土壤中甲烷氧化菌的活性,從而提高了土壤對CH4的吸收能力[17],另一方面可能是針葉林的松針分解的單萜類物質會限制甲烷氧化菌的活性,從而抑制土壤對CH4的吸收作用[26]。研究發現,興安落葉松林土壤溫度均值小于其他三種林型(見表3),而土壤甲烷氧化菌的活性會隨溫度升高呈現指數變化趨勢[27],這可能也是興安落葉松林土壤CH4吸收通量顯著小于其他三種林型的主要原因(見表3)。本研究結果與同緯度帶的一些學者研究結果相似[18-19],但低于華南地區的一些研究[12-14],這可能與不同地區的氣候條件、森林類型、林下植被種類以及凋落物質量和數量有關。

凋落物層是森林土壤的重要組成部分,在地上和地下之間起到了橋接作用[28],同時它為森林土壤提供了大量的碳和養分輸入[29]。本研究發現,4種林型在去除凋落物后增強了土壤對CH4的吸收,研究結果與其他地區的相似[10-11,30]。去除凋落物后,土壤部分裸露,會使得土壤溫度升高、濕度降低[31],可使得甲烷氧化菌活性增強,從而提高土壤對CH4的吸收。不同地區的林地土壤在去除凋落物后對CH4吸收通量的增加幅度不同,本地區4種林型在去除凋落物后土壤對CH4的吸收提高了2.12%—12.15%,這一研究結果小于很多地區的結果[10-11,30],這可能與不同地區的水熱條件以及凋落物數量和分解速率有關。研究表明,溫度升高會促進凋落物的分解[32],而本地區年平均氣溫遠低于其他研究地區,因此造成本地區凋落物分解速率不及其他地區。此外,地表存在凋落物的時候,凋落物分解會提高土壤中的N 素含量, 使得N/C 增大, 從而抑制CH4的吸收[33]。據報道,凋落物本身不產生或者消耗CH4[34-35],但是凋落物層會通過控制氣體擴散到土壤中來影響土壤對CH4的吸收[36],因此,凋落物層可能扮演阻礙CH4擴散到土壤中的屏障角色,從而當地表保存凋落物后會降低對CH4的吸收。但在本研究中,只是確定了土壤CH4的凈通量(即吸收通量),沒有對擴散量和匯集量分別驗證,所以需要進一步的研究來驗證這一假設。

林下植被是森林生態系統的重要組成部分,在維持生物多樣性和土壤養分循環方面發揮著重要作用[37]。而去除林下植被既可以防治火災發生還能促進幼樹的生長[38],因此,去除林下植被被認為是提高森林生產力和生物量碳儲量的有效途徑之一[39-40]。本研究表明,去除林下植被會提高土壤對CH4的吸收,但提高幅度不盡相同,闊葉林提高了0.84%—20.55%,針葉林提高了5.18%—9.16%。這可能是去除林下植被后會增強地表土壤的通氣性,從而使得土壤溫度升高并且加快土壤水分蒸發,促進了甲烷氧化菌的活性,從而增加土壤CH4吸收[41],這與很多研究結果一致[1214]。一些研究表明,植被在生長過程中,可能會釋放少量的CH4[42],所以當去除林下植被后,CH4通量在吸收和排放的收支平衡過程中會向著吸收增加方向發展。去除林下植被還會降低枯落物的輸入,減少了凋落物的數量,可能使土壤的N/C降低[33],從而提高土壤對CH4的吸收。此外造成不同地區林地去除林下植被后CH4通量差異的原因可能還與氣候帶、林型以及植被去除方式[14](是否使用除草劑)有關。

林下植被和凋落物都去除后,土壤沒有小灌木、草本以及凋落物層的遮護,直接暴露于陽光下,從而加強表層土壤水分蒸發以及溫度升高。本研究野外觀測發現,4種林型在去除林下植被和凋落物后與自然狀態相比CH4吸收通量呈現不同程度升高,白樺林、山楊林、樟子松林和興安落葉松林,CH4吸收通量分別提高了3.94%、36.26%、11.70%和13.65%。這種變化模式類似于單一去除的結果,但4種林型增加幅度不盡相同。兩者都去除和只去除凋落物相比,白樺林、山楊林和興安落葉松林土壤CH4吸收通量分別提高了0.95%、24.09%和11.29%,但樟子松林下降0.40%,說明這2種處理方式對山楊林土壤CH4通量有顯著影響(P<0.05)；同樣,兩者都去除和只去除林下植被相比,白樺林、山楊林、樟子松林和興安落葉松林土壤CH4吸收通量分別提高了3.07%、13.04%、2.33%和8.06%,且只有山楊林達顯著水平(P<0.05)。這說明林下植被和凋落物都去除后,土壤CH4吸收通量的增加并不等于去除凋落物或去除林下植被土壤CH4吸收通量增加之和,而是低于二者之和,這表明林下植被和凋落物對土壤CH4通量的影響存在耦合效應。去除林下植被和凋落物相比單一處理,土壤溫度升高更多,濕度降低也多(見表3),這會使得甲烷氧化菌更加活躍,從而對CH4的吸收量大于單一處理的量。其次,林下植被和凋落物去除可能會降低土壤N/C[33]和失去氣體擴散的屏障[36],從而使得CH4吸收通量增加,但CH4吸收量增加不是累加關系,這可能還與土壤本身的養分含量有關[41]。

土壤溫度和濕度是影響CH4通量的2個重要因子,但不同地區的水熱因子對 CH4通量影響不盡相同。本研究發現,4種林型土壤CH4通量普遍與土壤溫度呈現負相關關系[10,19]。然而,4種林型土壤CH4通量與土壤濕度之間不存在顯著相關關系,這可能是土壤濕度對CH4氧化速率的促進或抑制存在交互作用的影響,而降水則是造成這種影響的關鍵因素[43]。一般認為,土壤濕度對土壤CH4氧化速率的影響呈現拋物線變化,即土壤濕度很低或很高的條件下,CH4吸收量減少[44]。土壤理化性質對CH4通量也有很大影響,但不同林型和不同處理有很大差異,土壤有機碳含量對山楊林和興安落葉松林部分處理土壤CH4通量呈正相關,因此土壤有機碳含量是影響CH4通量的主要因素[19]。全氮也是影響CH4吸收的重要因子之一[45],但本研究發現,除了白樺林,其他三種林型的部分處理與全氮呈現一定的相關性,這可能是由于本地區N素不是影響白樺林土壤CH4通量的關鍵性因子。白樺林和樟子松林不同處理下土壤CH4通量與銨態氮、硝態氮相關性不顯著,這與廣州鶴山[13]的研究結果相一致。pH只對白樺林和興安落葉松林影響顯著,但對山楊林和樟子松林影響不顯著,這可能是pH對土壤其他養分造成的影響導致的,這有待進一步探索。

盡管CH4在大氣中濃度含量遠不及CO2,但是其產生的增溫效應更大[46],而我國的大興安嶺寒溫帶林區又是重要的碳匯基地[47],這對今后的碳匯經營過程中有著重要意義。本研究發現,不同處理的4種林型土壤均表現為CH4的匯,且相比于自然狀態均表現吸收增加的趨勢,其中白樺林在不同處理后土壤對CH4的吸收增加不顯著,山楊林在去除林下植被和去除兩者后顯著提高了土壤對CH4的吸收,樟子松林在去除凋落物后土壤CH4吸收增加最多,興安落葉松林在去除兩者后土壤對CH4吸收增加顯著,但在這個過程中,凋落物去除與否對4種林型土壤CH4通量影響相對較小。因此,從提高林地土壤碳匯功能的角度來看,在今后本地區森林經營過程中,可以適當對山楊林和興安落葉林進行林床清理。值得一提的是,本結論是林下不同處理后1年內的研究結果,可能存在短期效應,而林下植被和凋落物對該地區土壤CH4通量影響的長期效應還需要進一步探究。

4 結論

林下植被和凋落物處理對寒溫帶天然林生長季土壤CH4通量的影響因林型而異,凋落物去除與否對土壤CH4通量影響沒有達到顯著水平,林下植被去除僅對山楊林土壤CH4通量影響顯著,而同時去除林下植被和凋落物時對山楊林和興安落葉松林土壤CH4通量影響顯著。各處理條件下土壤CH4通量與土壤溫度相關性密切,而土壤濕度對土壤CH4通量的影響相對較小。今后還應對本地CH4通量增加取樣頻率做到長期且連續監測,且進一步對土壤CH4通量組分進行研究。