王皓左，張秋良

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 林學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

目前，溫室效應(yīng)導致的氣候變化問題已由研究CO2與氣候變化的焦點擴展到多種痕量氣體與氣候變化之間的關(guān)系研究，非CO2的含碳痕量氣體如CO在很大程度上主導著大氣的化學成分平衡，繼而直接或間接地影響大氣環(huán)境與氣候變化[1-2]。CO既是污染氣體也是間接的溫室氣體，大氣中CO體積分數(shù)已達到10-6的量級[3]，每排放100 Tg的CO其造成的全球變暖潛能(GWP)與排放5 Tg的CH4等價[4]，CO還會消耗大氣中大量的羥基自由基(-OH)并間接地影響CH4與O3，加劇溫室效應(yīng)與酸雨的形成[5]。

森林生態(tài)系統(tǒng)是全球碳循環(huán)過程的重要參與者，是地球陸地上最大的生態(tài)系統(tǒng)，它維持著地表86%的植物碳庫和73%的土壤碳庫[6-7]，碳庫的源匯作用直接影響溫室氣體的吸收與釋放。大興安嶺地區(qū)擁有中國最大的天然林原始林區(qū)，其對溫室氣體的源匯作用研究及對北方的生態(tài)戰(zhàn)略定位至關(guān)重要，作為我國重要的森林資源儲備區(qū)，該森林土壤對溫室氣體的匯源作用具有一定的代表性，森林土壤中溫室氣體通量的小幅度變化都會影響到整個大氣中溫室氣體的濃度大小，進而對整個生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)與結(jié)構(gòu)功能轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響[8]。本研究采用動態(tài)箱-氣相色譜法，對大興安嶺典型興安落葉松林進行定點連續(xù)觀測，研究寒溫帶興安落葉松林土壤CO氣體通量的源匯作用及影響因子，為深入探討寒溫帶森林土壤溫室氣體的排放提供科學理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在內(nèi)蒙古大興安嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站(50°49′—50°51′N，121°30′—121°31′E)，位于內(nèi)蒙古大興安嶺根河林業(yè)局潮查林場境內(nèi)，平均海拔826 m。該地為寒溫帶北方針葉林生態(tài)系統(tǒng)，具有明顯寒溫帶大陸性季風氣候，夏秋短暫，無霜期90 d，冬季寒冷漫長，年均氣溫-5.4 ℃，年均降水量500 mm，主要集中在6—9月。地帶性土壤為棕色針葉林土，土層薄，有常年永凍土，地帶性植被為興安落葉松，生長從5月中旬開始，9月末進入生長末期[9]。

試驗樣地選擇典型興安落葉松天然過伐更新林(表1)，立地和生境條件基本相同，設(shè)置面積為 30 m × 80 m長方形樣地，林分郁閉度 0.8，喬木平均年齡為 40 a。主要喬木為興安落葉松(Larixgmelinii)，平均胸徑10.0 cm，平均樹高 9.92 m，中林齡；伴生有少量白樺(Betulaplatyphylla)，灌木叢以杜香(Ledumpalustre)為優(yōu)勢種，草本以小葉章(Deyeuxiapurpurea)與紅花鹿蹄草(Pyrolaasarifoliasubsp.incarnata)為主。

表1 樣地類型基本情況

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)采集原理

在試驗樣地內(nèi)，使用加拿大ABB-LGR生產(chǎn)的動態(tài)箱CO氣體分析儀測量CO和N2O的濃度(ppb)并記錄干濕摩爾分數(shù)，自動監(jiān)測實時大氣溫度。該儀器的電子溫度探針和水分傳感器可實時連續(xù)對土壤表層10 cm處溫度與濕度(體積含水量%)進行測定。氣體采集需保持土壤及所埋土壤環(huán)在整個觀測期內(nèi)位置不變，以減少實驗誤差。

CO閉路排放通量采用公式進行計算：

2.2 試驗設(shè)計與氣體采集時間

在樣地中均勻布設(shè)10 m × 10 m、間隔為5 m的5個小樣區(qū)，每個小樣區(qū)布設(shè)1個直徑 19.1 cm、高 10.0 cm、露出地面2～3 cm的土壤呼吸環(huán)。

于2020年6—9月進行連續(xù)觀測，每10 d為一旬，每旬選擇2 d晴朗無風的晴好天氣進行土壤CO氣體通量觀測，觀測時間為國際溫室氣體通用觀測時間9∶00—12∶00。另外，分別于6—9月每月15日左右進行土壤CO氣體通量日變化觀測，每3 h觀測1次，1 d中共取得8次數(shù)據(jù)。同時通過CO氣體分析儀自帶10 cm土壤溫濕度探針測定土壤10 cm處土壤溫濕度值，該氣體分析儀還可實時測定空氣溫度并存儲記錄。

2.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0 軟件進行統(tǒng)計分析，利用單因素方差進行方差分析，利用線性回歸進行相關(guān)性分析，采用Excel結(jié)合Origin進行圖表制作。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤溫濕度變化特征

土壤溫濕度是土壤溫室氣體排放的重要影響因子。在研究期內(nèi)，土壤溫度隨時間變化各月的日變化特征形式基本相同，不同時期觀測的日峰值時間段均集中在 12∶00—15∶00，總體呈現(xiàn)單峰曲線變化，白天的土壤溫度高于晚間(圖1)，9∶00—12∶00 土壤溫度逐漸增加，在 12∶00—15∶00 達到土壤溫度峰值，在 15∶00 之后土壤溫度持續(xù)降低，0∶00—3∶00 達到土壤溫度谷值，隨后從 3∶00 起逐步升高。各月的土壤日均溫大小排序依次為7月>6月>8月>9月。

圖1 興安落葉松林土壤溫濕度日變化

土壤濕度隨時間變化各月的日變化特征形式不相同，6月，從 9∶00 開始土壤濕度由高向低緩慢遞減，在 12∶00—15∶00 達到全天土壤濕度谷值，從 18∶00 開始至第2 d 6∶00 始終維持在一個較高的水平，無顯著變化趨勢。7月，從 9∶00 開始土壤濕度由高向低逐漸遞減，同樣無顯著變化趨勢。8月，9∶00—15∶00 呈先增高后降低的小幅變化，在 18∶00至第2 d 6∶00 維持在較高且相對穩(wěn)定的土壤濕度區(qū)間內(nèi)(13.1%～15.7%)。9月，9∶00—15∶00 同樣先增高后降低。綜上，土壤濕度各月日變化的谷值均為12∶00—15∶00，而日變化的峰值則集中在 18∶00 至第2 d 6∶00，這與白天植物蒸騰作用與土壤的水分蒸散作用強度有關(guān)，即土壤溫度達到當日最高時土壤濕度呈當日最低。

研究期內(nèi)土壤溫濕度變化(圖2)所示，土壤溫度在6月變化較為穩(wěn)定，6月下旬開始土壤溫度逐漸升高，7月中旬達到生長季土壤溫度峰值(29.02 ℃)，7月下旬土壤溫度平緩持續(xù)降低，9月土壤溫度維持在 11.1～18.5 ℃ 之間，并有持續(xù)下降的趨勢，生長季的土壤溫度整體呈現(xiàn)先升高后降低的單峰曲線趨勢。土壤濕度從6月上旬開始大幅降低，中下旬較穩(wěn)定。7月上旬土壤濕度大幅波動下降，在7月中旬達到生長季土壤濕度谷值(1.9%)，7月下旬進入降雨期土壤濕度小幅度升高，8月與9月土壤濕度變化相對較大，主要與降雨季到來有關(guān)，生長季的土壤濕度整體無明顯變化趨勢。

圖2 興安落葉松林土壤溫濕度月變化

3.2 土壤CO氣體通量變化特征

觀測期間，CO濃度日變化除6月外均呈單峰曲線規(guī)律，先升高后降低(圖3)，從2020年6—9月采樣的4組時間點中，CO日排放速率最高為6月中旬9∶00—12∶00，此時通量值為 122.89±32.51 μg·m-2·h-1，表現(xiàn)為排放狀態(tài)；7月、8月、9月的 12∶00 同樣為該日CO氣體通量最高的時刻，除6月 9∶00 CO氣體通量為強排放，其他月份 9∶00 CO氣體通量均為負值吸收狀態(tài)。隨著月份的推移，CO日平均通量呈現(xiàn)逐月遞減的趨勢，6月中旬CO的日平均通量為 33.74 μg·m-2·h-1，呈排放狀態(tài)，也是6—9月日平均通量的最高值；7月中旬日平均通量為-22.95 μg·m-2·h-1，呈現(xiàn)“匯”狀態(tài)，8月CO的日平均通量為-28.44 μg·m-2·h-1，9月CO的日平均通量是4個月中最低值，為-58.78 μg·m-2·h-1，總體6—9月的CO日平均通量變化呈由高到低的下降趨勢。CO氣體通量日變化幅度大小依次為6月> 7月> 8月> 9月。

圖3 興安落葉松林土壤CO氣體通量日變化特征

興安落葉松林土壤CO氣體通量在生長季內(nèi)月變化呈現(xiàn)逐漸下降、由源轉(zhuǎn)匯的趨勢，與土壤溫度變化趨勢基本相同(圖4)。生長季各月份CO氣體通量大小排序為6月(82.64 μg·m-2·h-1)>8月(69.84 μg·m-2·h-1)> 7月(64.67 μg·m-2·h-1)> 9月(-50.99 μg·m-2·h-1)，整個生長季土壤CO氣體通量月變化呈雙峰曲線變化，總體表現(xiàn)為由高到低的變化特征。CO氣體通量排放峰值出現(xiàn)在6月上旬，吸收峰值在9月中旬，為負值。6月是凍融期結(jié)束的生長季初期，凍土開始融化，萬物復蘇植被生長，此時的CO排放效應(yīng)最為顯著，這可能是由于5、6月是大興安嶺春季森林防火季，該段時間天干物燥，森林火災頻繁發(fā)生，因此可能與火災的多發(fā)有相應(yīng)的關(guān)系。6月末到7月初CO氣體通量出現(xiàn)細微的波動，總體維持在弱源、弱匯交替的兩種狀態(tài)。7月中旬到8月上旬，CO排放維持在一個次高的水平，這可能是由于7、8月是植被生長旺季，氣溫增溫明顯，土壤含水量增加，微生物以及菌落活性增強，有利于CO的生成與排放。從8月下旬開始，尤其是9月，CO排放以8月22日為轉(zhuǎn)折點，CO日最高值由源轉(zhuǎn)匯。

圖4 興安落葉松林土壤CO氣體通量與土壤溫度月變化特征

3.3 CO氣體通量與土壤溫濕度關(guān)系

土壤CO氣體通量與土壤溫度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖5)。研究表明：土壤溫度(T10)是影響土壤CO濃度的關(guān)鍵因子，線性回歸方程為Y= 7.247 9T10-98.208(R2=0.127，P<0.01)，土壤溫度的升高會加大土壤CO氣體通量值，但僅適用于6—8月，9月以后隨著土壤溫度的升高，CO氣體通量值并無增長趨勢且持續(xù)下降，可能土壤開始上凍，土壤溫度可以解釋一部分的土壤CO氣體通量變化，但不能完全解釋其通量變化特征。CO氣體通量與土壤濕度(W10)無顯著相關(guān)，線性回歸方程為Y= 0.544 1W10+ 33.495(R2=0.001)，分析造成無顯著相關(guān)的原因可能是大興安嶺地區(qū)屬高緯度寒溫帶區(qū)域，土壤水分含量處于該地區(qū)化學氧化有機物質(zhì)與微生物活性水分含量需要的臨界下限，因此無法影響土壤CO氣體通量值。通過二元一次線性分析，土壤溫濕度協(xié)同控制對于土壤CO氣體通量具有顯著影響，Y=10.501T10+481.877W10-217.986(R2=0.194，P<0.01)，二者可共同解釋 19.4% 的土壤CO氣體通量變化。

圖5 土壤CO氣體通量與土壤溫濕度的關(guān)系

3.4 CO氣體通量與氣象因子的關(guān)系

通過對土壤CO氣體通量與氣象因子空氣溫度(T)、相對濕度(HR)、光合有效輻射(PAR)進行多元一次線性回歸分析(表2)，除大氣濕度對土壤CO氣體通量影響微弱，光合有效輻射與大氣溫度與土壤CO呈顯著正相關(guān)，氣象因子影響程度依序為光合有效輻射(PAR)> 空氣溫度(T)> 相對濕度(HR)，三者可共同解釋CO氣體通量變異的 52.9%(表2)，線性回歸方程為Y=4.547T+0.314PAR+5.540HR-667.636(R2=0.529，P<0.01)。

表2 土壤CO氣體通量與氣象因子間的多元線性回歸相關(guān)系數(shù)

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

除森林土壤外，凍土也是CO重要的存儲排放源，適當?shù)臐穸扰c溫度會促進CO氣體的產(chǎn)生[10]，大興安嶺地區(qū)分布有大量高緯度凍土，溫室效應(yīng)的影響以及凍土季節(jié)性融化使得凍土排放溫室氣體的現(xiàn)象逐漸受人們重視[11]，已有研究表明大興安嶺興安落葉松林土壤溫室氣體的排放受土壤溫濕度影響顯著，包括CO2、CH4、N2O等[12-13]，但對土壤CO氣體的源匯研究非常少，尤其是大興安嶺作為東北最大的寒溫帶原始林區(qū)，研究該地區(qū)的CO氣體通量具有典型的意義。

石麟等[14]研究認為大興安嶺地區(qū)土壤CO主要來源于碳氫化合物的氧化，與土壤溫濕度相關(guān)性均不顯著，不能完全解釋土壤溫濕度是否是土壤CO的主要影響因子。通過本試驗研究發(fā)現(xiàn)土壤CO在生長季6、7、8月與土壤溫度有顯著相關(guān)性，與Rich等[15]研究CO氣體產(chǎn)生與溫度有一定相關(guān)性一致。從9月開始進入凍融期時相關(guān)性逐漸減弱，說明雖然有一定的相關(guān)性，確實無法完整地解釋土壤溫濕度會影響土壤CO氣體通量。亞熱帶地區(qū)對土壤CO氣體通量的研究中發(fā)現(xiàn)，當土壤溫度變化在20～40 ℃范圍時，土壤產(chǎn)生CO強度與溫度增加呈正相關(guān)關(guān)系，同時土壤生成CO強度范圍為23～230 ng·cm-2·s-1，這是由于在高溫情況下土壤中的耐干旱菌活動頻繁有利于CO的生成，并且可見光照射強度的增加有利于CO的生成，有利于增加光化學反應(yīng)，從而導致土壤釋放CO[16]，與本文對氣象因子與土壤CO氣體通量相關(guān)性研究結(jié)論一致。大興安嶺屬寒溫帶地區(qū)，平均溫度過低可能是影響土壤CO氣體通量與土壤溫度相關(guān)性的重要原因之一，土壤濕度則與石麟等[14]、董云社等[17]研究結(jié)論一致，與土壤CO氣體通量無明顯相關(guān)性[18]。

根據(jù)土壤CO氣體通量的日、月變化特征研究，除6月CO呈現(xiàn)顯著排放特征外，其余3個月CO平均通量均為負值，說明土壤對CO的作用主要為吸收作用，與董云社等[17]對溫帶森林土壤CO研究及德國非森林土壤[19]吸收大氣CO結(jié)果一致，與石麟等[14]對大興安嶺地區(qū)月CO氣體通量變化規(guī)律一致。

森林生態(tài)系統(tǒng)中對CO氣體認識深度還不夠，相關(guān)研究較少。森林生態(tài)系統(tǒng)是CH4最大的匯，但對CO氣體的源匯作用缺乏長期觀測與結(jié)論支撐。大興安嶺林區(qū)作為我國北疆的綠色屏障，生態(tài)效益顯著，研究大興安嶺森林CO氣體將對控制潛在含碳溫室氣體有著重要的意義。

4.2 結(jié)論

(1)在大興安嶺興安落葉松林生長季內(nèi)，土壤CO氣體通量各月差異明顯，呈現(xiàn)明顯的單峰曲線趨勢，峰值出現(xiàn)時間為 12∶00 左右，6月排放最高，然后逐月遞減，在9月全天持續(xù)為負值。

(2)土壤溫度各月日變化趨勢同月變化趨勢一致，呈單峰曲線趨勢，先升高后降低，土壤濕度隨降雨變化趨勢不穩(wěn)定，日變化特征表現(xiàn)為夜間土壤濕度高于日間土壤濕度，月變化特征表現(xiàn)為7、8月雨季到來高于6、9月。

(3)寒溫帶興安落葉松林土壤CO氣體通量與土壤溫度從相關(guān)性來看存在一定正相關(guān)，但卻無法完整解釋全年度土壤溫度是控制土壤CO氣體的主要控制因子，與土壤濕度無顯著相關(guān)性。土壤溫度與土壤濕度協(xié)同控制可以解釋 19.4% 的土壤CO氣體通量變化。

(4)土壤CO氣體受氣象因子影響顯著，尤其是光合有效輻射(PAR)和空氣溫度(T)，與相對濕度(HR)無顯著相關(guān)，以上3個氣象因子可以共同解釋 52.9% 的土壤CO氣體通量變化。