全 文 ：广 西 植 物 Guihaia 26(2)：142— 147 2006年 3月
鼎湖山主要森林土壤 CO2排放和 CH4吸收特征
莫江明1，方运霆1，李德军1，林而达 ，李玉娥
(1．中国科学院 华南植物园 ，广东 肇庆 526070；2．中国农业科学院 农业气象研究所 ，北京 100081)
摘 要：研究 了鼎湖山生物圈保护区马尾松林 、混交林和季风常绿阔叶林(季风林)在 2000~2001年期间土壤
C02排放和 CH4吸收特征 。季风林 、混交林和马尾松林土壤 C02排放速率在研究期间的平均值分别为 (kg
C02-C·hm一2·d0)：18．6士2．6，20．5士3．7和 17．8士3．8，土壤 CH4吸收速率则分别为(g CH4-C·hm_2·
d )：-5．5士1．8，一3．3士1．6和一7．7士1．8。土壤 C02排放速率和土壤 CH4吸收速率在三种森林类型中均表现
明显的季节性变化 ，且其季节性变化根据森林类型和年份不同而异。总的来说，土壤 C02排放速率在所有森
林中均呈现夏季最高而冬季最低的变化 ，土壤 CH4吸收速率的季节性变化则相反，基本上表现为冬季最高而
夏季最低的变化。三种森林土壤的 CO2排放速率和 CH4吸收速率在两观测年问的差异均不显著。土壤 CO2
排放速率在不同森林类型间的差异也不显著，但土壤 CH4吸收速率在马尾松林显著高于混交林。在两观测
年中，土壤C02排放速率与土壤CH4吸收速率之间在季风林呈现显著的负相关关系，在混交林和马尾松林中
它们之间也趋向呈负相关关系，但未达显著水平。土壤 C02排放速率与土壤温度之间在季风林呈现显著的
指数正相关关系 ，但在其余森林(混交林和马尾松林)中它们之间的关系则不 明显 。
关键词：COz排放；CH4吸收；温室气体 ；全球变化；南亚热带森林
中图分类号 ：Q948．11，S15 文献标识码：A 文章编号：1000—3142(2006)02—0142—06
Soil CO2 emission and CH4 uptake in the main
forests of Dinghushan in subtropical China
MO Jiang—ming ，FANG Yun—ting1，LI De—j unl，LIN E—da2，LI Yu—e2
(1-South China Botanical Garden，the Chinese Academy of Sciences．Zhaoqing 526070，China；2．Agrometeorology
Institute，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China)
Abstract：Soil CO2 emission and CH4 uptake in pine(PF)，pine-broadleaf mixed(M F)and monsoon evergreen
broadleaf(MEBF)forests of Dinghushan in subtropical China were estimated in this study． The mean CO2 e—
mission rates in M EBF，M F and PF forests during the study period of 2000 to 2001 were(kg CO2一C ·hm—l·
d一 )：18．6士2．6，20．5士3．7 and 17．8士3．8，respectively．The mean soil CH4 uptake rates were(g CH4一C·
hm。 ·d0)：一5．5土 1．8，一3．3士1．6 and-7．7土 1．8，respectively．Both C02 emission and CH4 uptake rate exhib—
ited significant seasonal variation and its seasonal pattern varied depending on forests and yearS
． OveraII。the
soil COz emission rates in the studied forests showed the highest in summer and the lowest in winter，in con-
trast，the soil CH4 uptake rates exhibited the highest in winter and the lowest in summer． No significant differ-
ence was found in soil C02 emission rates among these studied forests
． The soil CH4 uptake rates，however，
收稿 日期：2005-04—15 修回日期：2005—10—25
基金项 目：国家 自然科学基金(30270283)；中国科学院知识创新工程重大项 目(KSCX2一SW一133)；中国科学院华南植物研究所
所长基金 ；中国科学院知识创新工程领域前沿项 目资助[Supported by National Natural Science Foundation of China(30270283)：
Key Project of Knowledge Innovation Program of CAS(KSCX2一SW一133)；Director Foundation of South China Institute of Botany：
Field Frontiers Project of Knowledge Innovation Program of CAs]
作者简介：莫江明(1964一)，男 ，广东肇庆人 ，博士，研究员 ，主要从事生态系统生态学、恢复生态学和 自然保护区管理研究，E-mail：
< mojm@seib．ac．cn> 。
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2期 莫江明等：鼎湖山主要森林土壤 COz排放和CH 吸收特征 143
showed the foilowing order：PF>MEBF> MF，and the difference between PF and MF forest was significant．
The soil CO2 emission rates showed a significant negative correlation with CH4 emission in MEBF forest during the
monitoring Deriod．The soil COz emission rates also showed a negative but not significant correlation with CH4 up—
take in MF and PF forests during the studied period．MEBF forest was the only forest that its soil CO2 emission rates
increased exponentially with soil temperature during the monitoring period of 2000 to 2001．
Key words：CO2 emission；CH4 uptake；greenhouse gas；global change；subtropical forest
全球变化包括全球大气成分(主要为温室气体)
变化、全球气候变化 、土地利用和土地覆盖的变化、
人口增加、荒漠化和生物多样性变化，而其中温室气
体的变化最引人注 目，因它为直接或间接引起气候
和环境等其它全球性变化的因素 (Vitousek，1994)。
因此，温室气体的研究是当前全球变化研究的热点
之一。森林土壤是我国陆地生态系统 的重要组成部
分，了解森林土壤中温室气体的排放和吸收(温室气
体的源与汇的情况)，对于评价森林生态系统对全球
气候变化的贡献十分必要，同时也是制订温室气体
排减技术措施 的重要理论基础 (孙 向阳，2000；But—
terbach—Bahl等，2002)。C02和 CH 是温 室气体
中造成温室效应最 重要 的两种气体 ，且它们在大气
中的浓 度正 以惊人 的速 率不 断增 加 (Butterbach—
Bahl等，2002)。因此，近期学者们对森林土壤 CO
和 CH 的排放和吸收情况进行了一些研究，但这些
研究主要集中在温带森林而对热带和亚热带森林的
研究报道甚少(Keler等，l994；Lessard等，1994；孙
向阳等 ，2000；张秀君等 ，2002；Butterbach—Bahl等，
2002；Bekku等，2003)。
为此，本研究选择鼎湖山马尾松林(Pinus mas—
soniana；PF)、马尾松针 阔叶混交林(MF)和季风常
绿阔叶林(MEBF)为对象，通过定位监测，探讨南亚
热带森林 土壤 CO：排放 和 CH 吸收特征 ，为进一
步研究和估测温室气体排放和吸收提供基础。
1 材料与方法
1．1样地概况
本研究在广东鼎湖山生物圈保护区分布的3种
主要森林类 型，即马尾松 (Pinus massoniana；PF)
林、马尾松针阔叶混交林(MF)和季风常绿阔叶林
(MEBF)中进行。保护区位于广东省中部，ll2。33
E，23。lO N，属亚热带季风性气候型。年平均降雨
量为 l 927 mm，其中 75 分布在 3～8月份，而 l2
～ 2月仅占6 。年平均相对湿度为 8O 。年平均
温度为21．4℃，最冷月(1月)和最热月(7月)的平
均温度分别为 12．6℃和 28．0℃(黄展帆等，1982)。
保护区面积约 l 100 hm。，其中分布在海拔 250
～ 3OO m 的季风常绿 阔叶林约 占 2O ，分布在海拔
200 m左右的混交林约占 5O ，在 50～2O0 m 的马
尾松林约占2O (王铸豪等，1982)。季风常绿阔叶
林分布在保护区的核心区，保存较完好，已有 400多
年的保护历史，是南亚热带代表性的森林类型(王铸
豪等，1982)。混交林为人工种植的马尾松因一些阔
叶树种入侵而自然形成的过渡类型的针叶、阔叶混
交林 ，林龄约为 70 a。马尾松林为人工种植于 1930
年前后，种植后常受人为活动干扰(主要为收割凋落
物和林下层)，林龄与混交林的基本一致(王铸豪等，
1982；Mo等 ，2003)。
季风常绿 阔叶林 为锥栗 (Castanopsis chinen—
sis)、荷木(Schima superba)、厚壳桂(Cryptocarya
chinensis)群落。林冠重叠、稠密，种类丰富，结构复
杂，垂直结构可分为 6层，即乔木 3个亚层，幼树灌
木层 、草本苗木层 ，层问植物层 。层间植物主要是木
质藤本植物 和少量 的附生植物 。乔木层 主要 由锥
栗、荷木、厚壳桂、黄果厚壳桂(C．concinna)、华润楠
(Machilus chinensis)和红车 (Syzygium rehderia—
hum)等树种组成，其它层树种主要有：杖枝省藤
(Calamus rhabdocladus)、罗伞树 (Ardisia quin—
quegona)和沙皮蕨(Hemigramma decurrens)等(王
铸豪等 ，1982；Mo等，2003)。
混交林群落结构较简单，仅可分成 4层。乔木
分 2个亚层，主要树种有马尾松、荷木、锥栗、黄果厚
壳桂、红皮紫陵(Craibiodendron kwangtungense)、
山钓樟(Lindera metcalfiana)和天料木 (Homali—
um cochinchinense)等。灌木一层，以阳性灌木桃金
娘(Rhodomyrtus tomentosa)占优势。草本及苗木
一 层 ，以芒萁 (Dicranopteris linearis var．dichoto—
ma)和黑莎草(Gahnia tristis)为主，极少发 现有 马
尾松幼苗(王铸豪等，1982；Mo等，2003)。
马尾松林主要以马尾松树种为主，还有少量的
桉树(Eucalyptus robusta)。因长期受人为干扰(收
割凋落物和林下层，每年 2～3次)，该马尾松林退化
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l44 广 西 植 物 26卷
较严重，林分结构简单，乔木仅一层且林冠稀疏，但
林下层植物(乔木层林冠 以下除马尾松和桉树外的
灌木 、草本以及蕨类植物)较稠密。林下层树种主要
以桃 金 娘、芒 萁 (Dicranopteris linearis)、毛 稔
(Melastoma sanguineum)、岗 松 (Baeckea frutes—
cen5)等为主(王铸 豪等 ，l982；Brown等 ，l995；Mo
等 ，l995，2003)。
季风常绿阔叶林样地的母岩为砂页岩。土壤为
赤红壤，土层较深(60~90 cm)。混交林样地的母岩
为砂岩。土壤为砖红壤性红壤，土层厚薄不均，一般
在 3O～60 cm之间。马尾松林样地的母岩也为砂
岩。土壤也为砖红壤性红壤，土层较浅，一般不超过
30 cm(王铸 豪 等 ，l982；Brown等 ，l995；Mo等 ，
1995，2003)。各样地的土壤理化性质见表 l。
表 1 鼎湖山马尾松林、混交林和季风常绿阔叶林土壤理化性质 (平均值 ，标准误) ’
Table 1 Soil properties in pine(PF)，mixed(MF)and monsoon evergreen broadleaf(MEBF)
forests of Dinghushan in subtropical China(mean，SE in parenthesis)
”引自文献(Mo等．2003)；z)季风常绿阔叶林。
l’Cited from reference(Mo eta1．，2003)；2)Monsoon evergreen broadleaf forest(MEBF)
1．2样品采集、处理和测定
采用静态封闭箱式技术对土壤排放通量进行原
位测定。取样箱由底箱和盖箱组成，其中盖箱为内
径25 cm，高 30 cm不绣钢的圆柱体；底箱高度为 lO
cm，而外径与盖箱 内径相 同。于 1999年底分别在
每种森林选择 5个代表性样地(也是中国科学院鼎
湖山森林生态系统定位研究的永久性标准样地；王
铸豪等，1982；Mo等，2003)，然后在每个代表性样
地埋下 1个气体取样底箱 (埋人土壤 5 cm)。于
2000~2001年的 l、4、7和 lO月份 的 lO～14日每
天上午9～1O点，从每个取样底箱取两个气体样品
测定其排放速率。于每次观测准时将盖箱安置于底
箱上，在采集箱刚插入土壤、插入后半个小时和 1个
小时分别用注射器抽取 i00 mL箱内气体样品，同
时测定土壤表层温度。每个季节采 3O个气体样，其
中每个森林类型 lO个样品。气样带回实验室后，用
Agilent 4890D气相色谱议 测定其浓度，CO2和
CH 均采用氢离子化(FID)检测器。以单位时间气
样浓度的变化作为该时间段的气体排放速率(Kel—
let等，l994；Magil等 ，l997)。
气体通量的计算公式：FEmg／(m。·h)]=D×
H×△c／△t。
其中，F为通量，D和 H分别为气体密度和盖
箱高度，△c／△t单位时间其它浓度变化量(Keler
等，1994；Magil等，1997)。
1．3统计分析
利用 SPSSI2．0软件进行 ANOVA 统计分析，
然后以 LSD多重 比较法检验土壤 CO2排放和 CH
吸收速率在不同类型森林间和年份间的差异显著性。
2 结果与分析
2．1土壤 CO：排放特征
在 2000~2001年观测期间，三种森林土壤 CO
排放速率均表现明显的季节性变化特点(图 1)，但
这种季 节 性 变化 根 据 年 份 和森 林 不 同而 异。在
2000年，季风常绿阔叶林和马尾松林土壤 CO。排放
速率的大小顺序均为：7月>4月>1月>lO月，在
混交林则为 ：4月>7月>1月>1O月 ；在 2001年，
三种森林土壤 CO 排放速率的大小顺序均为：7月
>4月>1月> lO月。总的来说，三种森林土壤
CO。排放速率在观测期间呈现夏季最高而冬季最
低的变化(图 1)。
土壤 CO。排放速率 的季 节变化程度在两 年观
测中均以季风常绿阔叶林最大(2000年和 2001年
土壤 CO。排放速率最大与最小的比值分别为 3．8
和 8．5)，但混交林和马尾松林则根据年份不 同而异
(图 1)。在 2000年，土壤 CO：排放速率的季节变化
程度的大小变化顺序为：混交林(最大与最小的比值
为 3．O)>马尾松林(最大与最小的比值为 2．6)，但
在 2001年，其变化程度的大小顺序为：马尾松林(最
大与最小的比值为 3．1)>混交林 (最大与最小的 比
值为 2、4)。
三种森林土壤 CO：在 2000年的排放速率与
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2期 莫江明等 ：鼎湖山主要森林土壤 COz排放和 CH4吸收特征 145
2001年的十分相似，其差异均不显著(图2)，两观测
年的平均值分别为(kg COz-C·hm- ·d- )：l8．6±
2．6(季风常绿阔叶林)，2O．5±3．7(混交林)和 17．8
±3．8(马尾松林)。此外，不同森林比较，其差异在
两观测年份中也不显著(图 2)。
在两观测年 (2000和 2001)中，土壤 COz排放
速率与土壤温度之间在季风常绿阔叶林呈现显著的
指数正相关关系(p<0．01，图 3)，但在混交林和马
尾松林中它们之间的关系则均不明显 。
了
‘
∈
0
I
8
柚
图 1 鼎湖山马尾松林 、混交林和季风常绿阔叶林 (季风
林)土壤 C02排放与土壤 CH4吸收的季节性变化
Fig．1 Seasonal variations of soil CO2 emission and
soil CH4 uptake in pine(PF)，mixed(MF)and monsoon
evergreen broadleaf(MEBF)forests of Dinghushan
during the period of 2000 to 2001(n= 5)
2．2土壤 CH4吸收特征
土壤 CH 吸收速率在两观测年中同样呈现明
显的季节性变化(p
化不同，土壤 CH 吸收速率基本上呈现冬季最高而
夏季最低的变化(图 1)。在 2000年，季风常绿阔叶林
土壤CH 吸收速率的季节性变化为：1月>1O月>7
月>4月，混交林为：1月>4月>7月>lO月，马尾松
林为：lO月>1月>4月>7月；然而在 2001年 ，季风
常绿阔叶林土壤 CH 吸收速率的季节性变化为：lO
月>1月>4月>7月 ，混交林为 ：lO月>1月>4月
>7月 ，马尾松林为：1月>lO月>7月>4月。
土壤 CH 吸收速率的季节变化程度在两年观
测 中均 以马尾松 林 最小 (2000年 和 2001年土壤
CH 吸收速率最大与最小的比值分别为 1．6和
1．9)，但混交林和季风常绿阔叶林则根据年份不同
而异(图2)。在2000年，土壤 CH 吸收速率的季节
变化程度的大小顺序为：混交林(最大与最小的比值
为 7．4)>季风 常绿 阔叶林 (最 大与最小 的比值 为
6．7)，但在 2001年，其变化程度的大小顺序为：季风
常绿阔叶林(最大与最小 的比值为 13．2)>混交林
(最大与最小的比值为 11．2)。
与土壤 CO 排放速率相类似，所有森林土壤
CH 的吸收速率在两观测年间的差异均不显著(图
2)，其平均值分别为(g CH -C·hm- ·d-‘)：一5．5±
1．8(季风常绿 阔叶林)，-3．3±1．6(混交林)和一7．7
±1．8(马尾松林)。
不同森林比较，土壤 CH 的吸收速率在各森林
的大小顺序为：马尾松林 >季风常绿阔叶林>混交
林，且马尾松林与混交林之间的差异在两观测年中
均达显著水平(p<0．05，图 2)。可见，与土壤 CO
排放速率的表现不同，森林类型对土壤 CH 的吸收
速率具有明显的影响 。
0．0
— 2．0
- 4．0
— 6．0
— 8．0
— 10 0
— 1 2．0
马尾松林 PF 混交林 MF 季风林 MEBF
森林 Forests
马尾松林 PF 混交林 MF 季风林 MEBF
图 2 2000~2001年鼎湖山马尾松林 、混交林
和季风常绿阔叶林(季风林)土壤 C02
排放与土壤 CH4吸收的平均值
Fig．2 M ean soil C02 emission and CH4 uptake in
pine(PF)，mixed(MF)and monsoon evergreen broadleaf
(M EBF)forests of Dinghushan during the
period of 2000 to 2001(n=20)
∞ ∞ ∞ 旧 0
呲
眦
月
∞ ∞ O
8 4 O 4 8 2 6
一 一
T
．
．
∈L|．。。叶 。
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146 广 西 植 物 26卷
2．3土壤 CO：排放与 CH 吸收的关系
在两观测年中，土壤 CO 排放速率与土壤 CH
吸收速率之间在季风常绿阔叶林呈现显著负相关关
系(p
60
50
| 40
30
lN 20
0 10
0
． 60
N · 50
E 40
00
I 20
。 0
0
60
50
‘E 40
舌30
占20
。 10
0
0 10 20 30
0 10 20 30 40
0 10 20 30
温度 Tempe ratu re (℃)
图 3 鼎湖山马尾松林、混交林和季风常绿阔叶林
(季风林)土壤 CO2排放与土壤温度的关系
Fig．3 Relationship of soil COz emission and soil
temperature in pine(PF)，mixed(MF)and monsoon
evergreen broadleaf(M EBF)forests of Dinghushan
during the period of 2000 to 2001(n一 36)
3 讨论
研究结果表明，鼎湖山季风常绿阔叶林、混交林
和马尾松林土壤 CO 排放速率在两年观测期间平
均分别为(kgCO2-C·hm ·d )：18．6±2．6，2O．5
±3．7和 l7．8±3．8。这些量均低于一些温带森林
土壤CO2排放速率(30．1～l4O．5 kgCO2一C·hm
· d-。)(Castro等，l993；董云社等，l996)，也低于海
南岛尖峰岭热带森林土壤 CO 排放速率(81．9 kg—
C02-C·hm ·d-。)(吴仲民等，l997)。鼎湖山季风
常绿阔叶林、混交林和马尾松林土壤 CH 的吸收速
率平均值分别为 (gCH 一C ·hm- ·d-。)：一5．5±
1．8，一3．3±1．6和一7．7±1．8。这些量也均低于德 国
一 温带森林土壤 CH 的吸收速率(一l7．5 gCH —C·
hm ·d )(董云社等 ，l996)，低于北 京低 山区森林
土壤 CH 的吸收速率(-13．5 gCH 一C·hm- ·d )
(孙向阳，2000)和略低于长 白山北坡各类土壤 CH
的吸收速率的平均值(-9．9 gCH 一C·hm- ·d )
(徐慧等 ，l995)。可见 ，本 研究森林土壤 COz排放
速率和土壤CH 的吸收速率均较低。
kg 002一C．hm～．d一’
O
O 10 20 30
O 10 20 30 40
图 4 鼎湖山马尾松林、混交林和季风常绿阔叶林(季
风林)土壤 COz排放与土壤 CH4吸收的关系
Fig．4 Relationship of soil COz emission and soil CH4
uptake in pine(PF)，mixed(MF)and monsoon
evergreen broadleaf(MEBF)forests of Dinghushan
during the period of 2000 to 2001(n一 8)
土壤CO 排放速率呈现明显的季节性变化，且
总的来说，三种森林土壤 CO 排放速率在观测期间
呈夏季最高而冬季最低的变化(图 1)。这与前人在
温带森林的研究结果基本一致(董云社等，1996；张
秀君等，2002)。他们把以上温带森林土壤 CO 排
放速率的季节性变化归因于土壤温度的季节性变化
而非降水或土壤含水量造成(董云社等，l996；张秀
君等，2002)。然而，在本研究中土壤温度的季节性
变化仅能解释季风常绿阔叶林土壤 CO 排放速率
0 3 6 9 2 5
一 一 一
I_p N．至 。． 。M
5 O 5 O 5
—
【_ 至 ．。． 。
0 3 6 9 2 5
一 一 一
I_p．N．至 ．。． 。
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2期 莫江 明等：鼎湖山主要森林土壤 COz排放和 CH 吸收特征 147
(图 3)，混交林和马尾松林土壤 CO 排放可能更多
地受其它因素(如降水和土壤含水量等)的影响。
与土壤 CO。排放速率的季节性变化相反 ，土壤
CH 的吸收速率在研究期间通常表现为冬季最高
而在夏季最低的现象(图 1)。对它们进行的相关分
析结果也进一步证实了以上现象。相关分析结果表
明 ，土壤 CO。排放 速率 与土壤 CH 吸收速率之 间
在季风常绿 阔叶林 呈现显 著 负相关 (P< 0．05，图
4)，在混交林和马尾松林它们之间也趋 向呈 负相关
关系，但未达显著水平。这与温带森林的研 究结果
不相符 (董 云社 等 ，1996；孙 向阳，2000；Steinkamp
等 ，2001)。Castro等(1993)报道认为，温度对 CH
氧化有影响并且与温度的范围有关 。温度在一5～1O
℃之间对 CH 消耗有正效应 ，在 1O～2O℃之间无
效应。Steinkamp等(2001)认为，田间可能存在着
土壤温度的临界值 ，低于临 界值时 ，温度成为 限制
CH 氧化速率的主要 因子 ，并推断温度临界值可能
接近 1O℃。张秀君等(2002)的研究报道也认为，温
度对土壤 CH 氧化的影 响取决于温度的范围，在较
低的温度范围内，CH 吸收速率随温度的升高而增
加。在本研究中，土壤温度在两观测年中的平均温
度为21．6℃，最低为 1O．7℃而最高则为 30．8℃
(图 3)，同时对它们的相关分析结果表明，土壤温度
与土壤 CH 吸收速率之间相关关系不显著。然而，
研究地区的年平均降雨量为 1 927 1TI1TI，其中75
分布在 3～8月份，而 12～2月仅占6 (黄展帆等，
1982)。Lessard等 (1994)在加拿 大一温带森 林研
究时发现 ，土壤 CH 吸收速率与土壤含水量存在显
著的负相关关系。由于受土壤温度和水分影响的原
因，森林土壤 CH 吸收速率往往呈现明显的季节性
变化(孙向阳 ，2000)。因此 ，土壤湿度而非温度可能
是本研究土壤 CH 吸收速率 的主要影响 因素。在
秋冬干燥的气候条件(如增加土壤的透气性)很可能
增加土壤对 CH 的养化速率 。
本研究结果还表明，森林类型对土壤 CO。排放
速率影响不明显，但对土壤 CH 的吸收速率具有显
著的影响(马尾松林>季风常绿阔叶林>混交林，且
马尾松林与混交林之间的差异在两观测年中均达显
著水平 ，p<0．05，图 2)。马尾松林 土壤 CH 的吸
收速率较高的原因可能与长期以来受收割林下层和
凋落物这种人为干扰有关(Brown等，1995；Mo等，
1995，2003)。董云社等(1996)对一温带森林的研究
时观察到，当森林表层物质枯技落叶和腐殖层被取
掉以后，土壤对大气 中 CH 的消耗氧化增加了
17％。因此，在本研究 中收割林下层和凋落物这种
人为干扰活动很可能增加马尾松林土壤对大气
CH 的吸收速率 。
参考文献 ：
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