全 文 ：寒温带兴安落叶松林土壤温室气体通量的时间变异*
马秀枝1 摇 张秋良1**摇 李长生2 摇 陈高娃1 摇 王摇 飞1
( 1内蒙古农业大学林学院, 呼和浩特 010018; 2内蒙古自治区气象局, 呼和浩特 010051)
摘摇 要摇 采用静态箱 /气相色谱(GC)法,对寒温带兴安落叶松林区 6—9 月生长季土壤 CO2、
CH4 和 N2O通量进行原位测定,研究了土壤温室气体通量的季节和昼夜变化及其与环境因子
的关系. 结果表明: 在生长季,兴安落叶松林土壤为大气 CH4 的汇,吸收通量为 22. 3 ~
107. 8 滋g CH4 鄄C·m-2·h-1, 6—9 月月均甲烷吸收通量为(34. 0依7. 1)、(71. 4依9. 4)、(86. 3依
7. 9)和(40. 7依6. 2) 滋g·m-2·h-1;不同季节土壤 CH4 昼夜通量的变化规律相同,一天中均在
10:00 达到最大吸收高峰.土壤 CO2 日通量呈明显的双峰曲线,月均 CO2 通量大小顺序为 7
月>8 月>6 月>9 月.土壤 N2O通量变异较大,在-9. 1 ~ 31. 7 滋g·m-2·h-1之间.土壤温度和
湿度是影响 CO2 和 CH4 通量的重要因子,N2O 通量主要受温度的影响. 在兴安落叶松林区,
10:00左右观测获得的温室气体地鄄气交换通量,经矫正后可以代表当日气体通量.
关键词摇 兴安落叶松林摇 甲烷通量摇 氧化亚氮通量摇 昼夜变化摇 月变化
文章编号摇 1001-9332(2012)08-2149-08摇 中图分类号摇 S718摇 文献标识码摇 A
Temporal variation of soil greenhouse gases fluxes in a cold鄄temperate Larix gmelinii forest in
Inner Mongolia, China. MA Xiu鄄zhi1, ZHANG Qiu鄄liang1, LI Chang鄄sheng2, CHEN Gao鄄wa1,
WANG Fei1 ( 1College of Forestry, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018, China;
2 Inner Mongolia Meteorological Administration, Huhhot 010051, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,
2012,23(8): 2149-2156.
Abstract: By using static chamber鄄gas chromatograph technique, an in situ measurement was con鄄
ducted on the soil CH4, CO2, and N2O fluxes in a cold鄄temperate Larix gmelinii forest in Inner
Mongolia from June to September 2007, aimed to understand the diurnal and seasonal variations of
soil greenhouse gasses fluxes and their relations with the associated environmental factors in L. gme鄄
linii forests in cold鄄temperate zone. In growth season, the soil in the L. gmelinii forest was the sink
of atmospheric CH4, with the flux ranged from 22. 3 to 107. 8 滋g CH4 鄄C·m-2·h-1 . The mean
monthly uptake of CH4 in June, July, August, and September was 34. 0依7. 1, 71. 4依9. 4, 86. 3依
7. 9, and 40. 7依6. 2 滋g·m-2·h-1, respectively. The mean diurnal flux of soil CH4 from June to
September showed the same variation trend, i. e. , peaked at 10:00 am. The diurnal variation of
soil CO2 flux showed an obvious double鄄peak, and the mean monthly CO2 flux was in the order of Ju鄄
ly>August>June> September. Soil N2O flux varied dramatically from -9. 1 to 31. 7 滋g·m-2·h-1 .
Soil temperature and humidity were the main factors affecting the CH4 and CO2 fluxes, and soil tem鄄
perature mainly affected the N2O flux. In the L. gmelinii forest, the CH4, CO2, and N2O fluxes
measured at 10:00 am could represent the diurnal CH4, CO2, and N2O fluxes on the same day.
Key words: Larix gmelinii; methane flux; nitrous oxide flux; diurnal variation; monthly variation.
*国家自然科学基金项目(31160117,31070566)和内蒙古自然科学
基金项目(2009BS0501)资助.
**通讯作者. E鄄mail: zqlemail@ vip. sina. com
2011鄄12鄄14 收稿,2012鄄05鄄22 接受.
摇 摇 气候变暖是当今世界面临的一个重要环境问
题. 在陆地生态系统和大气间进行交换的 CO2、
CH4、N2O,是导致当今全球气候变暖的 3 种重要温
室气体[1] .截至 21 世纪末,如果温室气体按照目前
或高于目前的水平持续排放,地球表面的温度将升
高 1. 8 ~ 6. 4 益,会对地球气候系统产生严重的后
果[2] .大气中 CO2 浓度的升高主要是由于化石燃料
的燃烧以及土地利用方式的改变,而大气中 CH4 和
N2O浓度的上升主要与农业活动,尤其是动物的产
出系统有关[2-3] .
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 8 月摇 第 23 卷摇 第 8 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Aug. 2012,23(8): 2149-2156
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,全球森林有机碳约占全球陆地土
壤中碳储量的 25% ~50% ,森林碳库的增加或减少
都会对大气 CO2 的浓度产生重要的影响[4] .好气的
自然土壤(如森林土壤)具有吸收大气中 CH4 的作
用,尤其是北半球森林生态系统与大气之间存在着
较大的 CO2 负通量,是吸收 CO2 的一个重要的
汇[1,5] .森林土壤表面 CO2 释放是土壤中 CO2 产生
(主要是植物根和微生物的呼吸)、在土壤中的转移
以及向大气释放等过程的综合结果[6] . 在不同纬
度、不同海拔地区,由于土壤温度和湿度的差异,以
及不同植被条件的影响,土壤地表 CO2 通量的变化
范围很大[7] .不同纬度地区 N2O的释放也有显著差
异,其平均通量和累积释放量均随纬度升高而下降,
在 33. 5 ~ 66郾 5 滋g N2O·h-1·m-2之间变化[8-9] . 受
土壤温度和水分的影响,森林土壤的 CO2、CH4 和
N2O通量往往呈现明显的季节性变化[10-12] .
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[13-15] .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(Larix gmelinii)是
该区主要的地带性植被,林分覆盖面积为 1. 56 伊
107 hm2,占全国森林面积的 13. 2% [16] .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[17] . 张慧东等[17]
于 2005—2006 年对该林区土壤呼吸特征进行了动
态监测,但在该地区同时进行大气鄄土壤温室气体
CO2、CH4 和 N2O通量的研究至今还鲜有报道.
本研究采用静态箱 /气相色谱法,对寒温带兴安
落叶松林区土壤鄄大气之间的 CO2、CH4 和 N2O通量
进行了昼夜和月变化的原位测定,并对影响温室气
体通量的主要环境因子温度和湿度进行了分析,旨
在为精确核算我国北方针叶林生态系统温室气体收
支提供理论参考,也为评估中国森林生态系统的碳
素平衡及对全球气候变化的贡献提供指导.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究地区概况
研究区设在内蒙古自治区根河市林业局潮查林
场境内(50毅49忆—50毅51忆 N,121毅30忆—121毅31忆 E),地
处欧亚大陆冻土带南缘,大兴安岭西北坡,海拔
826 m,是我国唯一的寒温带针叶林区. 该地区属寒
温带半湿润气候区,冬季(平均气温<10 益)长达 9
个月,夏季 (平均气温逸22 益)不超过 1 个月,
逸10 益年积温1403 益,全年最高气温 40 益,极端
最低气温-50 益 .全年平均温度为-5. 4 益,年降水
量 450 ~ 550 mm,60%降水集中在 7、8 月. 9 月末至
次年 5 月初为降雪期,降雪厚度 20 ~ 40 cm,降雪量
占全年降水量的 12% . 全年地表蒸发量 800 ~
1200 mm,年均日照 2594 h,全年无霜期 80 d. 从 9
月下旬到次年 5 月中旬土壤呈冻结状态,冻结期长
达 7 个月,是我国特有的高纬度多年冻土区.
土壤以棕色针叶林土为主,土壤表层有 10 ~
12 cm的枯枝落叶层. 土壤 pH 4. 5 ~ 6. 5,腐殖质层
在 10 cm 左右. 由于当地气候寒冷湿润, 苔藓枯枝
落叶层发育较厚、滞水性强,土壤在生长季处于湿润
状态,灰化现象不明显,土层 30 ~ 40 cm, 石砾较多.
该区为大片连续多年冻土带南缘,兴安落叶松林郁
闭度 0. 8.主要成林树种有:兴安落叶松(Larix gme鄄
linii)、白桦(Betula platyphylla), 灌木有杜香(Ledum
palustre)、兴安杜鹃(Rhododendron dauricum)、越橘
(Vaccinium vitis鄄idaea)等, 草本植物有红花鹿蹄草
(Pyrola incarnata)和舞鹤草 (Maianthemum dilata鄄
tum)等.
1郾 2摇 研究方法
1郾 2郾 1 样地设置摇 在大兴安岭森林生态系统国家野
外观测研究站(以下简称大兴安岭站)杜香鄄兴安落
叶松林样地,选择地势平坦且有代表性的样区,划分
成面积为 10 m伊10 m、间隔为 20 m 的 5 个试验小
区,作为 5 个重复样方. 在每个样方内,于试验开始
前一周将采样箱基座插入采样点,尽量不破坏原有
植被,以便使人为扰动对微量气体交换的影响降到
最低.由于地表枯枝落叶层以及根系的原因,5 个重
复插入地下的深度相差不超过 2 cm(计算气体通量
时以实际地箱高度为准). 所测结果为土壤鄄大气系
统之间的气体交换通量.
1郾 2郾 2 气体样品的采集、处理和测定摇 于 2007 年生
长季 6—9 月选择晴好天气,在杜香鄄兴安落叶林进
行土壤鄄大气温室气体通量(CO2、CH4、N2O)的原位
观测.采用静态箱 /气相色谱法,静态箱由厚 2. 0 mm
的不锈钢板制成,箱体规格为 40 cm伊40 cm伊40 cm,
包括地箱和顶箱两部分.地箱边缘设有水槽,于每次
观测前,首先在水槽中加入适量的水,然后将顶箱置
于地箱上,上下箱体用水槽中的水密封.采用 30 min
罩箱时间,即每个采样箱分别在罩箱后的 0、10、20
和 30 min抽取气体样品. 采样容器为 100 mL 带三
通阀的医用注射器,将注射器与箱体一侧的三通阀
相连,抽取 30 ~ 60 mL气体样品放入气袋,同时记录
0512 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
采样时间.气体样品带回实验室后,一周之内用 Agi鄄
lent 6820 气相色谱仪分析 CO2、 CH4 和 N2O 浓
度[18] .
选取晴好天气的 9:00—11:00 时段观测气体通
量. 于生长季 6—9 月每 10 d 左右观测一次.另外,
分别于 6—9 月每个月的中旬进行温室气体通量的
昼夜变化观测,于观测日白天每 2 h、晚上每 3 h 观
测一次,一天中共观测并取气样 8 ~ 9 次.同时,通过
箱体内置温度探头,利用 JM624 便携式数字温度
计,于取样的同时测定土壤湿度、土壤 10 cm、
20 cm、30 cm 和 40 cm 处温度,利用铝盒法测定表
层土壤(0 ~ 40 cm)含水量.同时记录气压和箱内温
度,其他气象资料来自大兴安岭生态站的自动和人
工气象站.
1郾 2郾 3 气体通量计算摇 通量是指单位时间通过某单
位面积界面输送的物理量. 箱体内所测样品的浓度
(Cs)采用下式计算:
Cs =As·C0 / A0
式中: C0为标气浓度;As为所测样品峰面积;A0为标
气峰面积.
气体交换通量(F)计算公式:
F = 驻mA·驻t =
籽·V·驻C
A·驻t = 籽·H·
驻C
驻t
式中:籽为箱内气体密度;驻m 和 驻C 分别为 驻T 时间
内箱内气体质量和混合比浓度的变化;A、V、H 分别
为采样箱的底面积、体积和气室高度;驻C / 驻t为箱内
气体浓度变化.当 F为负值时表示吸收,F为正值时
表示排放.气体通量计算过程中,通过公式中引入箱
内温度和气压值,对气体浓度进行校正.
1郾 3摇 数据处理
采用 SAS 16. 0 软件进行统计分析,利用 ANO鄄
VA进行方差分析.计算生长季月均通量值时,采用
观测的样方数为样本单元(n = 15),计算不同月份
昼夜变化通量平均值时,以观测的次数为样本单元
(n=45).利用皮尔逊相关分析 CO2、CH4 和 N2O 通
量与环境因子之间的关系.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 兴安落叶松林 2007 年大气温度和降水的季节
动态
2007 年大兴安岭林区大气平均 温 度 为
-2. 0 益,为 2000—2009 年近 10 年来最高,高于近
10 年大气平均温度(-3. 2 益)的 38% ,其中 6—9 月
大气平均温度高于近 10 年同期气温的 6% ;同时,
试验年份是一个相对干旱的年份, 2007 年降水总量
为 333郾 1 mm, 低于 2001—2010 年平均降水量
(411. 5 mm)的 19% ,6—9 月降水量为 226. 6 mm,
低于近 10 年来同期降水量(307. 6 mm)的 26. 3% .
与其他年份相比,2007 年是一个相对高温干旱的年
份(图 1).
2郾 2摇 兴安落叶松林土壤 CH4 通量的季节及昼夜
变化
寒温带兴安落叶松林土壤吸收 CH4 通量具有
明显的月变化,生长季土壤为大气甲烷的汇,通量值
变化在 22. 3 ~ 107. 8 滋g CH4 鄄C·m-2·h-1之间. 生
长季初,随气温回升,土壤 CH4 吸收通量逐渐增加,
到 8 月达到季节吸收高峰,之后又随气温下降而逐
渐下降,9 月底回落到低谷. 6—9 月的月均 CH4 吸
收通量分别为(34. 0 依7. 1)、(71. 4 依9. 4)、(86郾 3 依
7郾 9)和(40. 7依6. 2) 滋g·m-2·h-1 .方差分析结果表
明,8月土壤 CH4 吸收通量显著高于 6月和 9月,而 7
月和 8月、6月和 9月之间的土壤 CH4 吸收通量均没
有显著性差异.生长季内 CH4 吸收通量的变化趋势
与当日大气温度的变化趋势基本一致(图 2).
摇 摇 6—9 月土壤 CH4 吸收通量的昼夜变化表现出
相同的变化趋势,在 10:00 左右出现吸收高峰,其中
8 月 10:00 为整个测定期间 CH4 吸收通量的最大值
(107. 2 滋g·m-2·h-1);CH4 通量的最低值出现在
凌晨的 1:00—4:00,6 月 4:00 为整个测定期间 CH4
吸收通量的最低值(3. 3 滋g·m-2·h-1) (图 2). 从
CH4 吸收通量的日变化幅度(吸收通量最大值与最
小值的差值)来看,8 月 CH4 吸收通量的日变化幅度
最大(71. 2 滋g·m-2·h-1),而 9 月的变化幅度最小
(39. 9 滋g·m-2·h-1).
图 1摇 2007 年兴安落叶松林气温(Ta)和降水(P)的月变化
Fig. 1摇 Seasonal variation of air temperature (Ta) and precipi鄄
tation (P) of Larix gmelinii forest in 2007.
15128 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 马秀枝等: 寒温带兴安落叶松林土壤温室气体通量的时间变异摇 摇 摇 摇 摇
图 2摇 2007 年兴安落叶松林土壤 CH4 通量的动态变化
Fig. 2摇 Variation dynamics of CH4 flux in Larix gmelinii forest
in 2007.
Ta: 气温 Air temperature.
摇 摇 将观测日 CH4 通量的日均值与当日各时段观
测的 CH4 即时通量值进行比较. 在上午观测时段
内,CH4 通量平均值在 6 月和 9 月的 7:00—10:00
及 7—8 月的 4:00—7:00 观测时段内,因此可把上
午 7:00 或 10:00 观测值矫正后,作为生长季 CH4 通
量值的采样时间;同时,下午观测时段的 CH4 通量
平均值在 6—7 月的 15:00—17:00 及 8—9 月的
12:00—15:00 观测时段内,因此也可把下午 15:00
观测值矫正后,作为生长季 CH4 通量值的采样时间
(表 1).
2郾 3摇 兴安落叶松林土壤 CO2 通量的季节及昼夜
变化
土壤 CO2 通量也表现出明显的月变化,且在 7
月中下旬达到季节最高峰,4 个月的月均 CO2 通量
值分别为 7 月>8 月>6 月>9 月(图 3),6—9 月的月
均 CO2 通量值分别为 (344. 9 依 57. 5 )、 (577. 3 依
74郾 7)、 ( 463. 0 依 84. 1 ) 和 ( 331. 9 依 35. 5 )
mg·m-2·h-1,其中 7 月的 CO2 通量值显著高于其
他月份.土壤 CO2 通量的昼夜变化呈明显的双峰型
曲线,第 1 次峰值出现在 15:00 左右,最低值出现在
19:00 左右,之后逐渐升高,在凌晨 1:00 左右出现第
2个小高峰,之后逐渐下降.这种变化在生长季 4 次
观测中有所差异,7 月和 8 月出现的 2 次峰值基本接
近第 1次峰值,而 6 月和 9 月则显著低于第 1 次峰
值. 就 CO2 通量的日差异来看,7 月日较差最小
(211郾 6 mg·m-2 ·h-1 );6 月日较差最大 (280. 8
mg·m-2·h-1)(图 3).
由表 1 还可以看出, 6、9 月上午测得的 CO2 通
量值在 8:00—10:00 观测时段内,7、8 月在 10:00—
13:00 观测时段内;下午时段测得 CO2 通量值 4 次
都在 17:00—19:00 观测时段内,所以综合考虑,选
择 10:00 和 17:00 观测值矫正后作为每个采样日
CO2 通量值的采样时间比较合适.
2郾 4摇 兴安落叶松林土壤 N2O通量的季节及昼夜变化
寒温带森林土壤鄄大气 N2O 通量值较小,而且
重复之间的变异性较大,STDEV 值变化在 4. 2 ~
10郾 4 之间(图 4). 生长季 N2O 通量的变化范围在
-9郾 11 ~ 31. 66 滋g · m-2 · h-1,平均值为 9. 02
滋g·m-2·h-1 .从月变化来看,生长季初期(6 月)
N2 O通量有时为源,有时为弱汇;生长盛期(7、8月)
表 1摇 2007 年兴安落叶松林土壤生长季 CH4、CO2、N2O昼夜平均吸收通量与即时通量
Table 1摇 Average diurnal CH4, CO2, N2O fluxes compared with the actual fluxes at the certain time in the growing season of
Larix gmelinii forest in 2007
通量 Flux 6 月 June 7 月 July 8 月 August 9 月 September
CH4 日均 Mean daily -19. 82依2. 13 -34. 21依6. 94 -55. 83依5. 84 -45. 21依13. 61
(滋g·m-2·h-1) 7:00 -10. 81 (+83% ) a -31. 53 (+8. 5% ) -61. 32 (-9. 0% ) -40. 74 (+11. 0% )
10:00 -56. 23 (-64. 8% ) -75. 53 (-54. 7% ) -107. 16 (-47. 9% ) -65. 45 (-30. 9% )
15:00 -18. 05 (+9. 8% ) -30. 91 (+10. 7% ) -54. 10 (+3. 2% ) -65. 33 (-30. 8% )
CO2 日均 Mean daily 256. 64依17. 51 536. 43依74. 71 492. 91依44. 12 432. 21依25. 53
(mg·m-2·h-1) 10:00 302. 71 (-15. 2% ) 502. 82 (+6. 7% ) 468. 03 (+5. 3% ) 448. 53 (-3. 6% )
17:00 302. 12 (-15. 1% ) 586. 53 (-8. 5% ) 545. 73 (-9. 7% ) 456. 14 (-5. 2% )
N2O 日均 Mean daily 9. 37依5. 63 0. 77依0. 25 -4. 15依2. 66 6. 84依2. 14
(滋g·m-2·h-1) 10:00 9. 86 (-5. 0% ) 0. 66 (+16. 7% ) -6. 98 (-40. 5% ) 5. 72 (+19. 6% )
17:00 9. 54 (-1. 8% ) -1. 77 (-143. 5% ) -3. 56 (+16. 6% ) 6. 89 (-0. 73% )
a)修正值 Correction value.
2512 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
图 3摇 2007 年兴安落叶松林土壤 CO2 通量的动态变化
Fig. 3摇 Variation dynamics of CO2 flux in Larix gmelinii forest
in 2007.
图 4摇 2007 年兴安落叶松林土壤 N2O通量的动态变化
Fig. 4摇 Variation dynamics of N2O flux in Larix gmelinii forest
in 2007.
土壤为 N2O的排放源,生长末期(9 月)为 N2O的弱
汇.方差分析结果表明,7、8 月的 N2O通量显著高于
6、9 月,而在 7 月和 8 月、6 月和 9 月,N2O通量之间
没有显著性差异. 6—9 月土壤 N2O通量平均分别为
(1郾 67依0. 69)、(18. 12 依 8. 42)、 (21. 12 依 7. 13)和
(-4. 81依7. 20) 滋g·m-2·h-1 .
摇 摇 从生长季的昼夜变化来看,N2O 通量呈单峰变
化(7 月除外),从日出后开始升高,排放高峰集中在
13:00—15:00,但不同月份的日变化幅度有所不同,
其大小顺序为 9 月>8 月>6 月>7 月(图 4).
在上午时段的测定中,观测日 N2O 通量平均值
在 6月和 8月的 8:00—10:00时段内以及 7月和 9月
的 10:00—13:00时段内;下午时段测得 N2O 通量值
在各个月份间变化较大,同时,由于 N2O通量值在下
午时段较小,所以选择 10:00、17:00 观测值,矫正后
作为 N2O通量的采样时间是比较合适的(表 1).
2郾 5摇 土壤温度、湿度与温室气体通量的关系
土壤温室气体 CO2、CH4 和 N2O的排放或吸收是
土壤生物化学过程的结果, 因而所有能够直接影响
生物化学过程的环境因子都能够影响土壤温室气体
的通量[12] .对本试验中各环境因子包括土壤湿度、
10 cm、20 cm、30 cm、40 cm深度土壤温度以及土壤平
均温度与土壤 CO2、CH4 和 N2O通量之间进行了皮尔
逊相关分析.结果表明,土壤水分和温度都是影响土
壤 CH4 和 CO2 通量的关键性因素,其中 CH4 吸收通
量和 CO2 释放通量均与土壤水分呈显著负相关,且与
土壤各层温度均呈正相关,同时,CH4 吸收通量与
CO2 通量呈显著正相关(R2 = -0. 419)(表 2).而 N2O
通量与土壤水分、CO2 通量和 CH4 吸收通量无相关
性,与土壤20 cm、30 cm、40 cm温度呈显著正相关,与
土壤平均温度呈极显著正相关(R2 =0郾 456).
表 2摇 兴安落叶松林土壤 CO2、CH4 和 N2O 通量与土壤温
度、湿度之间的关系
Table 2 摇 Relationships between soil CO2, CH4 and N2O
fluxes and the environmental factors (n=160)
CH4通量
CH4 flux
CO2通量
CO2 flux
N2O通量
N2O flux
CO2通量 CO2 flux 0. 419*
N2O通量 N2O flux 0. 215 -0. 132
土壤水分 Soil moisture -0. 458* -0. 557* 0. 313
土壤温度 平均 Average 0. 512** 0. 701** 0. 456**
Soil temperature 10 cm 0. 446** 0. 840** 0. 261
20 cm 0. 525** 0. 718** 0. 441*
30 cm 0. 494** 0. 648** 0. 441*
40 cm 0. 487** 0. 602** 0. 412*
*P<0. 05; ** P<0. 01.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 CH4 通量摇
本研究中,寒温带兴安落叶松林土壤在整个生
35128 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 马秀枝等: 寒温带兴安落叶松林土壤温室气体通量的时间变异摇 摇 摇 摇 摇
长季节都吸收大气甲烷,这一结果同以前的研究结
论相一致.好气的自然土壤(如森林、草原等)都具
有吸收大气 CH4 的能力[1] . CH4 通量的高低是水鄄
热因子相互作用的产物,二者良好配置才能促进
CH4 的吸收.在全年不同季节中二者所起的作用各
不相同,如千烟洲红壤丘陵区人工针叶林土壤的甲
烷吸收通量为夏秋季高、冬春季低,最高吸收通量出
现在 9—10 月,最低值出现在 2—3 月[19 ] . 本试验
中,兴安落叶松林土壤甲烷吸收通量具有明显的月
变化,呈单峰曲线,在 8 月达到最大,与当地气温及
地下 20 cm土壤温度的变化规律有很好的一致性.
较常年相比,2007 年是一个相对干旱的年份,生长
季降水量低于同期 26% ,但生长季的土壤湿度在
29%以上,甚至达到 43% ,加之地表积累有 8 ~
12 cm厚的腐殖质层和枯枝落叶层,每次降雨后,滞
留其中的大量水分可能是土壤水分补充的重要来
源.所以在大兴安岭地区,由于冻土鄄植被相互耦合
关系,在生长季土壤水分不是植物生长的限制性因
子[17 ] .同时,甲烷最大吸收通量出现在 8 月而不是
7 月,可能与 7 月降水偏多(109. 6 mm)有关,而 8 月
降水为 57. 2 mm.土壤湿度过高在一定程度上可能
会限制土壤对 CH4 的吸收[20] .
寒温带兴安落叶松林生长季内土壤甲烷平均通
量为 - 58. 0 滋g · m-2 · h-1 ( - 22. 3 ~ - 107郾 8
滋g·m-2·h-1),与孙向阳[21]2000 年统计的甲烷吸
收范围(-10 ~ -160 滋g·m-2·h-1)相同,却明显低
于相近纬度带的其他研究结果[1,22] . 这可能是由于
森林土壤甲烷通量除了与土壤温、湿度有关外,还可
能与林型、土壤理化状况、地表植被的生长以及凋落
物覆盖等有关[22],说明土壤甲烷的产生具有很大的
时间和空间变异[11] .
从甲烷吸收通量的昼夜变化来看,4 次监测结
果都在 10:00 左右出现吸收高峰, 17:00 左右出现
一个小高峰,这与当地气温在 12:00—14:00 达到高
峰,日出前后达到最低值不一致.可能由于 7 月午后
地表温度可达 50 益左右,高温在一定程度上限制了
土壤对甲烷的吸收[19] .
3郾 2摇 CO2 通量
森林土壤呼吸具有明显的季节变异[23] .从 6 月
开始,随气温上升,植物开始萌发、生长、展叶,土壤
呼吸速率逐渐增加,7、8 月达到生态系统呼吸最旺
盛期;9 月随气温显著降低,土壤呼吸速率明显减
弱[17,24-25] .土壤温度与森林土壤呼吸呈现很好的相
关性,解释了土壤呼吸速率变异的 60% ~ 80% ,因
此是影响土壤呼吸的决定性因子[10,23,25] .本试验中,
土壤 CO2 通量峰值出现在 7 月末到 8 月初,而且土
壤 CO2 通量与土壤平均温度以及土壤各层温度也
都呈显著的正相关关系.
周丽艳等[25]利用开路式涡动相关法测得黑龙江
省呼中地区北方针叶林 2007、2008 年连续生长季节
的平均土壤呼吸分别为 15郾 15和 14郾 11 g·m-2·d-1 .
本试验中,生长季土壤 CO2 平均通量为 429. 26
mg·m-2·h-1(折算为 10. 3 g·m-2·d-1). 大兴安
岭 2007 年生长季平均气温为 14. 5 益,高于黑龙江
呼中地区 2007 和 2008 年生长季平均气温的
12郾 5 益和 11. 0 益,所以不同气体通量的测定方法
可能会对试验结果有一定的影响.
土壤水分状况也是影响森林生态系统 CO2 通
量的重要环境因子[26-27] . 在干旱半干旱地区,水分
与温度共同起作用;而在水分不成为限制因子的情
况下,呼吸作用主要由温度决定[26] . 本试验区 2007
年降水虽少于往年,但生长季土壤水分仍不是土壤
CO2 通量的限制性因子[17],而且随土壤水分含量增
加,土壤 CO2 向大气的释放量会降低.
大兴安岭生长季土壤 CO2 平均通量为 10. 3
g·m-2·d-1,其他季节按照该地区温度与土壤 CO2
释放通量的回归方程计算[17],大兴安岭北部兴安落
叶松林区年 CO2 释放总量约 9. 02 t·hm-2;明显高
于鲍春生等[28]在该地区 2010 年计算的 CO2 年固定
总量(0. 57 ~ 1. 37 t·hm-2·a-1).而依照 CENTURY
模型计算,大兴安岭兴安落叶松林是一个碳汇,年净
吸收碳 2. 65 t·hm-2 [16] . 由于寒温带地区非生长季
气象要素的特殊性, 低温、高湿、稳定的土壤温度和
深厚的积雪都可能会对该地区全年碳收支产生一定
的影响.为了全面评估该地区碳源、碳汇问题,有必
要对寒温带北方针叶林非生长季的土壤呼吸进行实
时、实地观测[29] .
3郾 3摇 N2O通量摇
森林土壤的硝化作用、反硝化作用是产生 N2O
的主要来源.但由于不同地理位置森林水热状况的
差异,且经过长期的演替,其物种结构、物种多样性
以及优势植物种群都有着各自的特点,因而 N2O 通
量的变异很大[30] . 本研究中,兴安落叶松林生长季
土壤 N2O通量的平均值为 9. 0 滋g·m-2·h-1,明显
低于长白山阔叶红松林土壤 N2O 通量 ( 68. 7
滋g·m-2·h-1) [8] .由于不同纬度土壤微生物活性和
土壤物理性质的差异,N2O 释放量随纬度升高而下
4512 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
降[9] .在寒温带高纬度林区,低温是限制植物生长
及营养循环与转化、酶活性的主要限制性因子;随气
温升高,土壤微生物活性提高[17] .
土壤硝化和反硝化速率存在明显的季节性变
化,夏季 N2O的排放通量最高,春季次之,秋冬两季
较低且趋于平稳[8] . 本试验中,生长季初期和末期
的 N2O通量值很小;随气温升高,7 月底 8 月初达到
季节排放高峰,进一步说明大兴安岭地区温度是影
响 N2O通量的重要环境因子.
此外,水分也是影响土壤 N2O 通量的重要因
子,但不同研究中有关土壤水分含量对 N2O 释放通
量的影响结论不一致[13,26] .杜睿等[26]研究发现,在
内蒙古羊草草原,有效降水影响 N2O 排放通量的季
节和年际间变化;而孙向阳和徐化成[13]研究发现,
N2O排放通量的大小主要取决于土壤湿度及测定前
5 d内降水总量. 本研究中 N2O 通量与土壤水分含
量相关性不强,与傅民杰等[9]研究结果一致,可能
是由于温度对 N2O排放的影响更大,从而掩盖了水
分对其的影响.
高纬度地区秋冬和冬春交替时期发生的冻融交
替作用,通过改变土壤水热性质对土壤物理、化学、
生物学特性产生效应,对 CO2 和 N2O的释放通量影
响较为显著[9,31] .所以,为全面估算寒温带高纬度多
年冻土区 N2O的全年释放总量,在本地区冻融交替
期开展 N2O 的监测是今后研究中要重视的科学
问题.
3郾 4摇 取样时间的确定
在大兴安岭兴安落叶松林区, 将生长季每个采
样日的 7:00—10:00 和 15:00—17:00 时段作为
CH4 通量的采样时间, 获得的通量值矫正后可代表
当日 CH4 平均通量.而 CO2 和 N2O通量可在10:00、
17:00 左右作为采样时间段,通量值矫正后也具有
代表性.综合考虑这 3 种气体以及实际取样的可操
作性,将生长季 10:00 左右作为采样时间获得的温
室气体地鄄气交换通量矫正后,可代表当日气体交换
通量.
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作者简介 摇 马秀枝,女,1974 年生,博士研究生,副教授. 主
要从事生态系统碳、氮循环,全球变化生态学和温室气体研
究. E鄄mail: luckmxy2001@ yahoo. com. cn
责任编辑摇 李凤琴
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