高明磊,滿秀玲,*,段北星

1 東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 哈爾濱 150040 2 東北林業(yè)大學(xué)森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營(yíng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150040

CH4是大氣中主要的溫室氣體之一,近幾十年來(lái),其濃度還在逐年增加,年增長(zhǎng)速度達(dá)到了0.8%[1]。盡管大氣中CH4的濃度遠(yuǎn)低于CO2的濃度,但是CH4在大氣中停留時(shí)間較長(zhǎng),具有更強(qiáng)的遠(yuǎn)紅外吸收能力[2],因此在百年尺度上,CH4增溫潛勢(shì)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(duì)調(diào)節(jié)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(huì)影響土壤理化性質(zhì)[5]、土壤養(yǎng)分[6]和土壤微生物群落[7]等,從而影響碳通量?？葜β淙~的數(shù)量、成分以及分解速率會(huì)對(duì)林地土壤中微生物的數(shù)量和活性、植物養(yǎng)分的供應(yīng)以及水熱條件產(chǎn)生影響,因此凋落物會(huì)對(duì)土壤C循環(huán)產(chǎn)生影響[8],但影響程度不盡相同。研究發(fā)現(xiàn)北亞熱帶造林后,去除凋落物對(duì)CH4通量沒(méi)有顯著影響[9],但在半干旱的科爾沁地區(qū)人工楊樹(shù)林[10]和奧利地山毛櫸林[11]研究發(fā)現(xiàn),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(jī)物的輸入,而且能通過(guò)改變小氣候和土壤理化性質(zhì)來(lái)影響 C循環(huán),從而對(duì)森林土壤CH4吸收產(chǎn)生重要影響[12]。在南亞熱帶研究表明,剔除林下灌草促進(jìn)了尾葉桉林[13]和厚莢相思林[12]CH4的吸收；中亞熱帶也發(fā)現(xiàn)相似的結(jié)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(yǎng)雜草的71.30 kg hm-2a-1[14]。去除林下植被后會(huì)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(duì)CH4的吸收。目前林下植被和凋落物對(duì)CH4通量的影響還比較局限,首先,只是考慮單一營(yíng)林措施對(duì)其通量的研究,尚未進(jìn)一步探索二者交互作用對(duì)其通量的影響；再者,對(duì)人工林研究較多,對(duì)天然林的研究相對(duì)較少。最后,國(guó)內(nèi)對(duì)這方面研究多集中在亞熱帶[9,12-14]和溫帶[10],而對(duì)于寒溫帶地區(qū)天然林的研究還較少。

大興安嶺林區(qū)是我國(guó)最大的原始林區(qū),也是我國(guó)唯一的高緯度寒溫帶林區(qū)[15]。作為我國(guó)東北平原重要的生態(tài)屏障,大興安嶺森林生態(tài)系統(tǒng)在國(guó)家生態(tài)功能區(qū)中發(fā)揮著重要的碳平衡功能。該地區(qū)也是全球氣候變化最敏感的區(qū)域之一[16]。研究表明,我國(guó)寒溫帶地區(qū)的森林土壤多表現(xiàn)為CH4的匯[17- 19],然而在森林經(jīng)營(yíng)管理過(guò)程中不同的營(yíng)林方式對(duì)土壤CH4通量有何影響,目前尚不清楚。為了更好地研究我國(guó)寒溫帶凍土區(qū)森林經(jīng)營(yíng)方式對(duì)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(duì)象,在林下進(jìn)行4種營(yíng)林方式處理(自然狀態(tài)、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(duì)其CH4通量特征進(jìn)行分析探究,為大興安嶺地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)營(yíng)管理和土壤溫室氣體研究提供科學(xué)依據(jù)和理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于大興安嶺地區(qū)漠河縣黑龍江漠河森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站,地理坐標(biāo)為122°06′—122°27′E,53°17′—53°30′N,海拔高度209—378 m,該地區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候,冬季寒冷漫長(zhǎng),夏季溫?zé)岫嘤?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(wú)霜期80—90 d。該地區(qū)也是我國(guó)多年凍土的主要分布區(qū),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(shè)置與樣品采集

2019年4月,經(jīng)過(guò)實(shí)地考察后選擇白樺林、山楊林、樟子松林和興安落葉松林(見(jiàn)表1)4種森林類型為研究對(duì)象,每種林型設(shè)置3塊20 m×30 m的樣地,每一塊樣地進(jìn)行4種處理,即自然狀態(tài)、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(zhǔn)備工作。每種處理均設(shè)置3個(gè)靜態(tài)箱(包括頂箱和底座兩部分),靜態(tài)箱底座(50 cm×50 cm×20 cm)于4月份設(shè)置,底座應(yīng)插入地表5 cm以下,并用泥土將底座下端密實(shí)且固定。靜態(tài)箱頂箱(50 cm×50 cm×50 cm)外部有保溫板,箱內(nèi)裝有小風(fēng)扇和溫度計(jì)。采集樣品時(shí),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(guó)際通用時(shí)間)采用壓力取氣法采集氣體樣品,并以此時(shí)段內(nèi)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(shí)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(chǎn)的鋁箔采樣袋。每次取樣的同時(shí)記錄抽氣時(shí)間、箱內(nèi)外溫度、5 cm和10 cm的土壤溫度和濕度。根據(jù)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(shí)驗(yàn)室,并于一周內(nèi)用氣相色譜儀(賽默飛trace1300)分析測(cè)定CH4氣體濃度。

每次取氣的同時(shí)在靜態(tài)箱底座外圍進(jìn)行土樣的采取(避開(kāi)取氣區(qū)),隨機(jī)選3個(gè)點(diǎn),分別取0—5 cm和5—10 cm的土壤等質(zhì)量混合,帶回實(shí)驗(yàn)室然后挑去草根、石塊,然后采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)土壤理化性質(zhì)測(cè)定。土壤pH采用玻璃電極法(土水比1∶2.5)測(cè)定；土壤有機(jī)碳通過(guò)元素分析儀(Vario-TOC,Germany-Elementar)測(cè)定。土壤全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮使用連續(xù)流動(dòng)分析儀(AA3,Germany-SEAL)測(cè)定,自然狀態(tài)土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 4種林型自然狀態(tài)土壤基本理化性質(zhì)

1.3 氣體通量計(jì)算

利用以下公式進(jìn)行CH4通量計(jì)算：

式中：F為氣體通量(μg m-2h-1),M為氣體的摩爾質(zhì)量(g/mol),V0、P0和T0分別為標(biāo)準(zhǔn)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(shí)的實(shí)際氣壓(Pa)和溫度(K),dc/dt為氣體濃度隨時(shí)間變化的回歸曲線斜率(μmol mol-1h-1),H為箱內(nèi)部地表到箱頂?shù)母叨?m)。當(dāng)F為正值時(shí)表示排放,F為負(fù)值時(shí)表示吸收。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 25.0和Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)CH4通量與環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析,用Origin 2018進(jìn)行作圖。圖中和表中的數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種林型不同處理土壤溫濕度特征

在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi),4種林型不同處理土壤5 cm和10 cm溫濕度變化規(guī)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(jiàn)表3。

2.2 生長(zhǎng)季自然狀態(tài)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(fù)值,說(shuō)明這4種林型均表現(xiàn)為CH4的匯。4種林型土壤CH4通量在5—9月均表現(xiàn)出明顯的單峰曲線變化趨勢(shì),峰值出現(xiàn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shì),且在整個(gè)監(jiān)測(cè)期內(nèi),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(zhǎng)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(zhǎng)季末期(-30.63±6.12)μg m-2h-1。另外生長(zhǎng)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(zhǎng)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(xiàn)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(zhǎng)季不同處理土壤CH4通量動(dòng)態(tài)特征Fig.1 Dynamic characteristics of soil CH4 flux under different treatments in growth seasons of four forest types

2.3 生長(zhǎng)季去除調(diào)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(fù)值,除了樟子松林土壤CH4吸收峰值(-108.88±21.78)μg m-2h-1出現(xiàn)在8月,其他三種林型的峰值均出現(xiàn)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(shí)間推移,不同林型之間逐漸產(chǎn)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(zhǎng)季初期的(-21.36±4.27)μg m-2h-1達(dá)到吸收峰值(-114.77±16.34)μg m-2h-1,變化幅度高達(dá)4.37倍,但到生長(zhǎng)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(gè)監(jiān)測(cè)期過(guò)程中,除了7月下旬,其他時(shí)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(xiàn)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(zhǎng)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(fù)值,林地土壤也表現(xiàn)為CH4的匯。4種林型土壤CH4通量呈現(xiàn)單峰變化趨勢(shì),峰值都是出現(xiàn)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(dá)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(dá)峰值前后(5—7月),變化趨勢(shì)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(xiàn)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(fā)現(xiàn),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(zhǎng)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(xiàn)在8月,其他3種林型均出現(xiàn)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(jiān)測(cè)過(guò)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(fā)現(xiàn),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(xiàn)CH4通量吸收增加的趨勢(shì)。白樺林在不同處理之后,土壤CH4平均吸收通量表現(xiàn)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(tài)(-79.23±14.92)μg m-2h-1,且不同處理相比于自然狀態(tài)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(tài)(-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(tài)(-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(méi)有達(dá)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(xiàn)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(tài)(-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(tài)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(duì)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(duì)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(shí)去除林下植被和凋落物對(duì)山楊林土壤CH4通量影響顯著(P<0.05),而同時(shí)去除林下植被和凋落物對(duì)興安落葉松林土壤CH4通量影響顯著(P<0.05)。由此可見(jiàn),凋落物去除與否對(duì)土壤CH4通量影響較小,去除林下植被僅對(duì)山楊林土壤CH4通量影響顯著,而同時(shí)去除時(shí)對(duì)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(zhǎng)季土壤CH4通量動(dòng)態(tài)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(huán)境因子的相關(guān)性

由表5可知,白樺林的自然狀態(tài)、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(fù)相關(guān)(P<0.01),而同時(shí)去除林下植被和凋落物則呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；山楊林去除凋落物土壤CH4通量與土壤溫度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),去除林下植被與土壤5 cm溫度和空氣溫度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(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(fù)相關(guān)(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(fù)相關(guān)(P<0.01),自然狀態(tài)和去除凋落物后土壤CH4通量與空氣溫度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；4種林型不同處理均與土壤濕度之間相關(guān)不顯著(P>0.05)。由此可見(jiàn),各處理?xiàng)l件下土壤CH4通量與土壤溫度相關(guān)性密切,而土壤濕度對(duì)土壤CH4通量的影響相對(duì)較小。

表5 生長(zhǎng)季4種林型不同處理CH4通量與環(huán)境因子相關(guān)性

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

3 討論

CH4通量主要取決于甲烷氧化菌消耗和產(chǎn)生菌生產(chǎn)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(gè)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(yǎng)分以及植被類型等[23]。本研究結(jié)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(shì),峰值出現(xiàn)在7月下旬或8月中旬,這可能與本時(shí)期良好的水熱條件有關(guān)。此外發(fā)現(xiàn)闊葉林土壤的CH4吸收通量高于針葉林,這一研究結(jié)果與本地區(qū)[17,19,24]及其他地區(qū)[25]研究結(jié)果一致,這一方面可能是闊葉林地土壤的通氣性強(qiáng)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(duì)CH4的吸收能力[17],另一方面可能是針葉林的松針?lè)纸獾膯屋祁愇镔|(zhì)會(huì)限制甲烷氧化菌的活性,從而抑制土壤對(duì)CH4的吸收作用[26]。研究發(fā)現(xiàn),興安落葉松林土壤溫度均值小于其他三種林型(見(jiàn)表3),而土壤甲烷氧化菌的活性會(huì)隨溫度升高呈現(xiàn)指數(shù)變化趨勢(shì)[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(jiàn)表3)。本研究結(jié)果與同緯度帶的一些學(xué)者研究結(jié)果相似[18-19],但低于華南地區(qū)的一些研究[12-14],這可能與不同地區(qū)的氣候條件、森林類型、林下植被種類以及凋落物質(zhì)量和數(shù)量有關(guān)。

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(shí)它為森林土壤提供了大量的碳和養(yǎng)分輸入[29]。本研究發(fā)現(xiàn),4種林型在去除凋落物后增強(qiáng)了土壤對(duì)CH4的吸收,研究結(jié)果與其他地區(qū)的相似[10-11,30]。去除凋落物后,土壤部分裸露,會(huì)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(qiáng),從而提高土壤對(duì)CH4的吸收。不同地區(qū)的林地土壤在去除凋落物后對(duì)CH4吸收通量的增加幅度不同,本地區(qū)4種林型在去除凋落物后土壤對(duì)CH4的吸收提高了2.12%—12.15%,這一研究結(jié)果小于很多地區(qū)的結(jié)果[10-11,30],這可能與不同地區(qū)的水熱條件以及凋落物數(shù)量和分解速率有關(guān)。研究表明,溫度升高會(huì)促進(jìn)凋落物的分解[32],而本地區(qū)年平均氣溫遠(yuǎn)低于其他研究地區(qū),因此造成本地區(qū)凋落物分解速率不及其他地區(qū)。此外,地表存在凋落物的時(shí)候,凋落物分解會(huì)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(jù)報(bào)道,凋落物本身不產(chǎn)生或者消耗CH4[34-35],但是凋落物層會(huì)通過(guò)控制氣體擴(kuò)散到土壤中來(lái)影響土壤對(duì)CH4的吸收[36],因此,凋落物層可能扮演阻礙CH4擴(kuò)散到土壤中的屏障角色,從而當(dāng)?shù)乇肀４娴蚵湮锖髸?huì)降低對(duì)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(méi)有對(duì)擴(kuò)散量和匯集量分別驗(yàn)證,所以需要進(jìn)一步的研究來(lái)驗(yàn)證這一假設(shè)。

林下植被是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,在維持生物多樣性和土壤養(yǎng)分循環(huán)方面發(fā)揮著重要作用[37]。而去除林下植被既可以防治火災(zāi)發(fā)生還能促進(jìn)幼樹(shù)的生長(zhǎng)[38],因此,去除林下植被被認(rèn)為是提高森林生產(chǎn)力和生物量碳儲(chǔ)量的有效途徑之一[39-40]。本研究表明,去除林下植被會(huì)提高土壤對(duì)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(huì)增強(qiáng)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(fā),促進(jìn)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(jié)果一致[1214]。一些研究表明,植被在生長(zhǎng)過(guò)程中,可能會(huì)釋放少量的CH4[42],所以當(dāng)去除林下植被后,CH4通量在吸收和排放的收支平衡過(guò)程中會(huì)向著吸收增加方向發(fā)展。去除林下植被還會(huì)降低枯落物的輸入,減少了凋落物的數(shù)量,可能使土壤的N/C降低[33],從而提高土壤對(duì)CH4的吸收。此外造成不同地區(qū)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(guān)。

林下植被和凋落物都去除后,土壤沒(méi)有小灌木、草本以及凋落物層的遮護(hù),直接暴露于陽(yáng)光下,從而加強(qiáng)表層土壤水分蒸發(fā)以及溫度升高。本研究野外觀測(cè)發(fā)現(xiàn),4種林型在去除林下植被和凋落物后與自然狀態(tài)相比CH4吸收通量呈現(xiàn)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(jié)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(shuō)明這2種處理方式對(duì)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(dá)顯著水平(P<0.05)。這說(shuō)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(duì)土壤CH4通量的影響存在耦合效應(yīng)。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(jiàn)表3),這會(huì)使得甲烷氧化菌更加活躍,從而對(duì)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(huì)降低土壤N/C[33]和失去氣體擴(kuò)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(guān)系,這可能還與土壤本身的養(yǎng)分含量有關(guān)[41]。

土壤溫度和濕度是影響CH4通量的2個(gè)重要因子,但不同地區(qū)的水熱因子對(duì) CH4通量影響不盡相同。本研究發(fā)現(xiàn),4種林型土壤CH4通量普遍與土壤溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)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(guān)關(guān)系,這可能是土壤濕度對(duì)CH4氧化速率的促進(jìn)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(guān)鍵因素[43]。一般認(rèn)為,土壤濕度對(duì)土壤CH4氧化速率的影響呈現(xiàn)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(zhì)對(duì)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(jī)碳含量對(duì)山楊林和興安落葉松林部分處理土壤CH4通量呈正相關(guān),因此土壤有機(jī)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(fā)現(xiàn),除了白樺林,其他三種林型的部分處理與全氮呈現(xiàn)一定的相關(guān)性,這可能是由于本地區(qū)N素不是影響白樺林土壤CH4通量的關(guān)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(tài)氮、硝態(tài)氮相關(guān)性不顯著,這與廣州鶴山[13]的研究結(jié)果相一致。pH只對(duì)白樺林和興安落葉松林影響顯著,但對(duì)山楊林和樟子松林影響不顯著,這可能是pH對(duì)土壤其他養(yǎng)分造成的影響導(dǎo)致的,這有待進(jìn)一步探索。

盡管CH4在大氣中濃度含量遠(yuǎn)不及CO2,但是其產(chǎn)生的增溫效應(yīng)更大[46],而我國(guó)的大興安嶺寒溫帶林區(qū)又是重要的碳匯基地[47],這對(duì)今后的碳匯經(jīng)營(yíng)過(guò)程中有著重要意義。本研究發(fā)現(xiàn),不同處理的4種林型土壤均表現(xiàn)為CH4的匯,且相比于自然狀態(tài)均表現(xiàn)吸收增加的趨勢(shì),其中白樺林在不同處理后土壤對(duì)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(duì)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(duì)CH4吸收增加顯著,但在這個(gè)過(guò)程中,凋落物去除與否對(duì)4種林型土壤CH4通量影響相對(duì)較小。因此,從提高林地土壤碳匯功能的角度來(lái)看,在今后本地區(qū)森林經(jīng)營(yíng)過(guò)程中,可以適當(dāng)對(duì)山楊林和興安落葉林進(jìn)行林床清理。值得一提的是,本結(jié)論是林下不同處理后1年內(nèi)的研究結(jié)果,可能存在短期效應(yīng),而林下植被和凋落物對(duì)該地區(qū)土壤CH4通量影響的長(zhǎng)期效應(yīng)還需要進(jìn)一步探究。

4 結(jié)論

林下植被和凋落物處理對(duì)寒溫帶天然林生長(zhǎng)季土壤CH4通量的影響因林型而異,凋落物去除與否對(duì)土壤CH4通量影響沒(méi)有達(dá)到顯著水平,林下植被去除僅對(duì)山楊林土壤CH4通量影響顯著,而同時(shí)去除林下植被和凋落物時(shí)對(duì)山楊林和興安落葉松林土壤CH4通量影響顯著。各處理?xiàng)l件下土壤CH4通量與土壤溫度相關(guān)性密切,而土壤濕度對(duì)土壤CH4通量的影響相對(duì)較小。今后還應(yīng)對(duì)本地CH4通量增加取樣頻率做到長(zhǎng)期且連續(xù)監(jiān)測(cè),且進(jìn)一步對(duì)土壤CH4通量組分進(jìn)行研究。