王 瑤，沈 燕，張 強(qiáng)，黃志宏，張宇鴻，凌 威

（中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004）

南嶺三種主要森林類型土壤甲烷通量研究

王 瑤，沈 燕，張 強(qiáng)，黃志宏，張宇鴻，凌 威

（中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004）

為對亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤甲烷通量的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以南嶺典型森林生態(tài)系統(tǒng)中常綠闊葉林（EG）、針闊混交林（EK）、山地矮林（GS）3 種主要森林類型土壤為研究對象，利用地理位置的特殊性分別對南、北坡森林土壤的甲烷通量進(jìn)行研究，利用靜態(tài)箱法模擬試驗(yàn)，對土壤 CH4通量及其影響因子的響應(yīng)進(jìn)行研究。結(jié)果表明:森林土壤甲烷通量變化是多種因素共同影響的結(jié)果,不同類型的森林，其土壤對甲烷的吸收和排放有著不同表現(xiàn)；南嶺南、北坡均表現(xiàn)為甲烷匯，整體上年均甲烷通量排序?yàn)?EG＞GS＞EK，分別為 -4.326 ug/（m2·h）、-6.025 ug/（m2·h）和 -15.406 ug/（m2·h）。3 種主要森林類型土壤甲烷通量均存在著明顯的季節(jié)（月）動態(tài)變化，森林類型和月份對土壤甲烷通量影響均顯著。土壤地表溫度對土壤甲烷通量有顯著影響，但不是影響土壤甲烷通量的主控因子。土壤濕度對不同森林類型土壤甲烷通量均有顯著影響。

森林類型；土壤甲烷通量；甲烷的吸收和排放；環(huán)境因子

由溫室氣體引起的溫室效應(yīng)典型的環(huán)境問題一直是我們所關(guān)注的問題。作為重要的大氣甲烷匯，森林土壤甲烷通量及其相關(guān)生態(tài)過程的研究無疑已是全球變化生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)和前沿之一。第七次全國森林資源清查結(jié)果顯示：全國森林面積 1.95 億 hm2，森林覆蓋率 20.36%，森林蓄積量 137.21 億 m3；人工林保存面積 0.62 億 hm2，蓄積量 19.61 億 m3；森林植被總碳儲 78.11 億 t，年生態(tài)服務(wù)功能價值 10.01 萬億元。我國森林面積居俄羅斯、巴西、加拿大、美國之后，列第 5 位；森林蓄積量居巴西、俄羅斯、加拿大、美國、剛果之后，列第 6 位；人工林面積繼續(xù)位居世界首位［1］。近些年來，我國從不同區(qū)域、不同土地利用方式、不同人工林等方面對森林土壤甲烷通量進(jìn)行了研究［2-4］。南嶺自然保護(hù)區(qū)作為我國亞熱帶森林最為典型的代表區(qū)，是研究亞熱帶森林生態(tài)功能的適宜區(qū)域。本研究以南嶺自然保護(hù)區(qū)中常綠闊葉林、針闊混交林和山地矮林等 3 種主要森林類型的土壤為研究對象，研究其土壤甲烷通量，以為亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)中甲烷通量的研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于南嶺山脈中段的南嶺自然保護(hù)區(qū)，地處 110—116° E，24—26° N。該保護(hù)區(qū)分為南坡廣東南嶺自然保護(hù)區(qū)和北坡湖南莽山自然保護(hù)區(qū)，屬于森林生態(tài)類型自然保護(hù)區(qū)，主要保護(hù)對象是亞熱帶常綠闊葉林和珍稀瀕危野生動植物及其棲息地。該區(qū)氣候?qū)儆诘湫偷膩啛釒貪駳夂?，兼具亞熱帶季風(fēng)氣候特征，因其地勢較高，又兼具山地氣候特色。歷史最高氣溫 34.4 ℃，最低氣溫 -4 ℃；年平均氣溫 17.7 ℃。冬季霜期較長，最長可達(dá) 100 天；年均降雪日 10 天，山頂伴有結(jié)冰，中山云霧多，日照率 40%。降水量充沛，年平均達(dá) 1 705 mm，最高年份可達(dá) 2 495 mm；降雨多集中在 3—8 月，年相對濕度 84%。湖南莽山國家級自然保護(hù)區(qū)地處 112—113° E，24—25° N，；位于湖南省宜章縣南部，主要保護(hù)對象是典型南嶺植物區(qū)系的原生型常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)、生物多樣性及珠江支流北江源頭自然生態(tài)環(huán)境。該區(qū)的原生型常綠闊葉林是我國東南部常綠闊葉林的典型代表，也是世界同緯度地區(qū)的寶貴自然遺產(chǎn)，是我國冬季有冰雪的最南地區(qū)之一。該區(qū)山高林密，具有優(yōu)越的山地森林氣候條件，其氣候?qū)儆谥衼啛釒駶櫄夂?，年均氣?17.2 ℃，7 月平均氣溫 22.7 ℃，1 月平均氣溫 5.2 ℃，極端最高氣溫 36.2 ℃，極端最低氣溫 -9.8 ℃；氣溫隨海拔升高而降低，但冬季在海拔 1 200～1 900 m 區(qū)間常出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象；年降雨量 1 710～2 557 mm。南嶺是我國亞熱帶常綠闊葉林的中心地帶，是珠江流域極為重要的生態(tài)屏障，是我國亞熱帶森林最為典型的代表區(qū)，是重要的植物資源庫和基因庫，其植物群落以殼斗科（Fagaceae）、樟科（Lauraceae）、山茶科（Theaceae）、杜鵑花科（Ericaceae）等植物為表征成分。這些科的植物在群落構(gòu)成中優(yōu)勢明顯，群落的物種組成以常綠木本植物為主體，具有亞熱帶常綠闊葉林的典型特征。

2 研究方法

2.1 樣點(diǎn)設(shè)置

在南嶺南坡（NL）廣東南嶺自然保護(hù)區(qū)和北坡（MS）湖南莽山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)沿著海拔梯度分別選擇常綠闊葉林（EG）、針闊葉混交林（EK）、山地矮林（GS）等 3 個森林典型生態(tài)系統(tǒng)，按照森林類型、坡度、坡向共布設(shè)了 7 個樣點(diǎn)（見表 1）。對南嶺南、北坡包括大氣月平均溫度、平均濕度和總降雨量以及土壤地溫、濕度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。

表1 樣點(diǎn)設(shè)置Tab.1 Sample settings

2.2 CH4 樣品采集與分析

2015 年 1—12 月，選擇無降水天的上午采集氣體樣品，每間隔 5 min 采集 1 次；采集時間為 1.5 min，連續(xù)采集 4 次。使用 10 ml 真空玻璃管采集和儲存樣品，且真空玻璃管只為一次性使用。采樣時間間隔為 0、5、10、15 min，并分別讀取 0、5、10、15 min 時的箱內(nèi)溫度，每月測定 1 次。收集氣體之前預(yù)先開啟氣體混合均一裝置，分別于第 1 次和第 4 次采集時讀取靜態(tài)箱內(nèi)溫度與土壤地溫、濕度。采用托普牌 TNHY-7-G 型智能化農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測儀來測定土壤濕度和溫度。

將采集的氣體樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，CH4氣體濃度采用安捷倫 7890B 型氣相色譜儀進(jìn)行分析。H4檢測器為氫焰離子化檢測器（FID），色譜柱類型為 HP25 mm 毛細(xì)管柱，檢測器溫度為 200 ℃，分離柱溫度為 55 ℃； H2為燃?xì)?，流?30 ml/min；載氣為 N2，流速為 30 ml/min；空氣為助燃?xì)?，流速?40 ml/min。氣體排放速率由每次 3 個時間觀測值經(jīng)線性回歸分析得出。CH4氣體排放通量計(jì)算式為：

式中：F 為 CH4氣體通量（mg/（m2·h）；p 為實(shí)驗(yàn)室溫度下 CH4氣體密度（g/cm3）；A 為采集箱覆蓋的面積（m2）；V 為采樣靜態(tài)箱的有效體積（m3）；P 為采樣時采樣點(diǎn)的大氣壓（kPa）；P0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（kPa）； T 為采樣時的絕對溫度（℃）； T0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對溫度（℃）；dCt/dt 為采樣時靜態(tài)箱內(nèi)甲烷濃度隨時間變化的支線斜率。

3 結(jié)果與分析

3.1 森林土壤甲烷通量的變化

圖1 南坡主要森林類型土壤甲烷通量月變化Fig.1 Monthly changes in methane fluxes in the southern slope of the soil

3.1.1 南嶺南坡主要森林類型土壤的甲烷通量月變化特征 從圖 1 中可以看出：南坡常綠闊葉林土壤甲烷的年平均通量為負(fù)值，針闊混交林土壤甲烷的平均通量也為負(fù)值，兩者都表現(xiàn)為甲烷的匯。按照土壤甲烷通量年均值大小排序?yàn)槌＞G闊葉林＞針闊混交林。常綠闊葉林和針闊混交林土壤甲烷通量年均值分別為 -3.79 ug/（m2·h）和 -15.44 ug/（m2·h），針闊混交林的吸收能力要高于常綠闊葉林的。由圖 1 還可以看出：一年中，常綠闊葉林和針闊混交林土壤甲烷通量的月變化整體趨勢相似。土壤甲烷的吸收均集中在 4—10 月，土壤甲烷的排放均集中在 12 月至翌年 3 月。在土壤甲烷的吸收和排放期內(nèi)，兩種森林類型土壤甲烷的吸收和排放峰值出現(xiàn)的時間均存在差異。常綠闊葉林土壤甲烷的吸收峰值出現(xiàn)在 11 月，排放峰值出現(xiàn)在 2 月；針闊混交林土壤甲烷的吸收峰值出現(xiàn)在 5 月，排放峰值出現(xiàn)在 1月和 12 月。常綠闊葉林的排放峰值明顯高于針闊混交林的，而針闊混交林的吸收峰值明顯高于常綠闊葉林的。在土壤甲烷吸收期內(nèi)，常綠闊葉林土壤甲烷吸收量波動和針闊混交林的存在明顯差異，針闊混交林土壤甲烷通量在吸收期內(nèi)呈現(xiàn)為一個逐漸減弱的單峰變化曲線，而常綠闊葉林土壤甲烷通量從 4 月開始吸收，至 6 月吸收減弱，6—7 月又小幅度增強(qiáng)，9—11 月再出現(xiàn)大幅度增強(qiáng)，達(dá)到吸收峰值，呈現(xiàn)為雙峰吸收變化曲線。通過對相應(yīng)溫濕度的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在排放峰值的 2 月，其土壤溫度下降；當(dāng)降雨量增加時，土壤濕度增高。相反，在吸收期內(nèi)，土壤溫度不斷上升，3 月土壤溫度達(dá)到 10 ℃，至 8 月達(dá)到最高值。

3.1.2 南嶺北坡主要森林類型土壤的甲烷通量月變化特征 統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，南嶺北坡常綠闊葉林、針闊混交林和山地矮林土壤甲烷通量年均值都為負(fù)值，均表現(xiàn)為大氣甲烷的匯。按照土壤甲烷通量年均值大小排序，常綠闊葉林＞山地矮林＞針闊混交林。常綠闊葉林、山地矮林、針闊混交林土壤甲烷通量的年均值分別為 -2.36 ug/（m2·h）、-6.03 ug/（m2·h）、-16.87 ug/（m2·h），針闊混交林土壤甲烷吸收能力最好。由圖 2 可以看出，北坡常綠闊葉林、針闊混交林和山地矮林土壤甲烷通量一年的月變化趨勢基本相似，但土壤甲烷排放、吸收峰值出現(xiàn)的時間存在差異。

圖2 北坡主要森林類型土壤甲烷通量月動態(tài)Fig.2 Monthly changes of methane fluxes in the northern slope of soil

對比圖 1、圖 2，北坡常綠闊葉林和針闊混交林土壤甲烷通量的月變化趨勢與南坡常綠闊葉林和針闊混交林土壤甲烷通量的月變化趨勢基本相似，北坡森林土壤甲烷的吸收能力高于南坡森林土壤的。3 種森林類型土壤甲烷吸收均集中 4—10 月，排放均集中在 12 月至翌年 3 月；常綠闊葉林排放峰值出現(xiàn)在 12 月，吸收峰值出現(xiàn)在 10 月。比較 3 種森林類型土壤甲烷通量月變化發(fā)現(xiàn)，在相同月份和相同森林類型中，南、北坡的土壤甲烷排放和吸收峰值出現(xiàn)的時間均存在差異。針闊混交林土壤甲烷吸收峰值出現(xiàn)在 5 月，并遠(yuǎn)大于同月的其他兩個森林類型的，排放峰值則低于其他兩個森林類型的。山地矮林土壤甲烷排放峰值同樣出現(xiàn)在 2 月，并高于針闊混交林和常綠闊葉林的；吸收峰值出現(xiàn)在 6 月。常綠闊葉林土壤甲烷通量月變化波動較大，吸收最低值出現(xiàn)在 6 月，相比同月的其他兩種森林類型，其土壤甲烷的吸收明顯減弱，且吸收通量整體都要低于針闊混交林和山地矮林的。這種差異可能跟土壤溫度、土壤濕度和土壤有機(jī)質(zhì)等的差異有關(guān)。以森林類型和月份為因子對甲烷通量做雙因素方差分析，結(jié)果表明森林類型和月份對土壤甲烷通量都有影響。森林類型對森林土壤甲烷通量影響顯著（P＜0.05），月份對森林土壤甲烷通量影響極顯著（P＜0.01）。

從整體上看，南北坡的森林土壤甲烷吸收通量表現(xiàn)出冬春高、夏秋低的季節(jié)變化規(guī)律，并總體表現(xiàn)為大氣甲烷的匯，但常綠闊葉林和針闊混交林在吸收期內(nèi)峰值出現(xiàn)的時間有差異，不同森林類型的土壤甲烷吸收和排放量存在著差異。這與莫明江等［5］對馬尾松林、馬尾松針闊葉混交林和季風(fēng)常綠闊葉林表現(xiàn)出的季節(jié)變化規(guī)律一致，整體匯源表現(xiàn)與劉實(shí)等［6］對溫帶森林非生長季四種森林類型的研究結(jié)果一致。

表2 土壤甲烷通量雙因素方差分析結(jié)果Tab.2 Variance analysis results of soil methane flux twofactor (regardless of interaction)

3.2 環(huán)境因子對甲烷通量變化的影響

3.2.1 土壤地表溫度 土壤溫度是影響土壤甲烷通量的一個重要因素，通過更替土壤中產(chǎn)甲烷菌的優(yōu)勢菌種，從而改變土壤產(chǎn)甲烷的能力。從表3 可以看出：除南坡海拔 800 m 處針闊混交林外，其他樣點(diǎn)土壤地表溫度對土壤甲烷通量影響均顯著；南坡海拔 800 m 處的常綠闊葉林、針闊混交林和北坡海拔 1 300 m 處常綠闊葉林的土壤地表溫度和土壤甲烷通量均呈負(fù)相關(guān)性，即土壤甲烷吸收通量隨著溫度的升高而降低；其他樣點(diǎn)土壤地表溫度與土壤甲烷通量均呈正相關(guān)性，即土壤甲烷排放通量隨著溫度的升高而增加。南坡常綠闊葉林隨著海拔的升高，土壤地表溫度與土壤甲烷通量的相關(guān)性由負(fù)相關(guān)性轉(zhuǎn)為正相關(guān)，即土壤甲烷由吸收變?yōu)榕欧牛槐逼碌某＞G闊葉林隨著海拔的升高，土壤地表溫度與土壤甲烷通量的相關(guān)性由正相關(guān)性轉(zhuǎn)為負(fù)相關(guān)，即土壤甲烷由排放變?yōu)槲?。對比南、北坡發(fā)現(xiàn)：在同一坡面、同一海拔高度，不同森林類型之間表現(xiàn)為相似的相關(guān)性趨勢，如南坡海拔 800 m 處的常綠闊葉林和針闊混交林土壤甲烷通量與土壤地表溫度都表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)性，北坡對應(yīng)海拔兩者之間均表現(xiàn)為正相關(guān)性。不同坡面上相同森林類型表現(xiàn)出相反的相關(guān)性趨勢，如南坡針闊混交林土壤地表溫度和土壤甲烷通量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，而北坡則相反，呈現(xiàn)為正相關(guān)性。出現(xiàn)這種差異有可能是南、北坡年均溫度的差異和土壤質(zhì)地不同等所引起的。本研究中雖然地表溫度對土壤甲烷通量的影響顯著，但其相關(guān)系數(shù)較低，說明地表溫度對土壤甲烷通量有一定的影響，但是影響不大。因此，土壤地表溫度并不是影響土壤甲烷通量的主控因子。

表3 南、北坡3種森林類型土壤甲烷通量與土壤地表溫度線性回歸分析結(jié)果Tab.3 Linear regression analysis of soil methane flux and soil surface temperature in three forest types the southern and northern slope

3.2.2 土壤濕度 土壤濕度也是土壤甲烷通量的一個重要影響因子，也受到降水和氣溫的影響。圖 3 結(jié)果表明：北坡湖南莽山自然保護(hù)區(qū)與南坡廣東南嶺自然保護(hù)區(qū)降水量存在差異；北坡全年降水量高于南坡，降水主要集中在 5—9 月，但在 2015 年降水高峰期一直延長至 12 月，呈現(xiàn)出雨熱同期的趨勢。在全年氣溫變化上，北坡氣溫高于南坡。對氣溫、降水量與土壤濕度進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明，氣溫與土壤濕度無顯著相關(guān)性，其中針闊混交林土壤濕度跟降水量有著顯著相關(guān)性，特別是北坡的針闊混交林呈現(xiàn)極顯著相關(guān)（R2=0.71 P＜0.01）。從圖 4 和圖 5 可以看出，南、北坡不同海拔、不同森林類型土壤濕度一年的月變化，除北坡 1300EG 外，南、北坡 3 種森林類型不同海拔的土壤濕度基本在 15%～30% 之間。對土壤濕度與土壤甲烷通量進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果表明：常綠闊葉林和針闊混交林的土壤甲烷通量與土壤濕度均呈負(fù)相關(guān)，山地矮林的土壤甲烷通量與土壤濕度呈正相關(guān)；3 種主要森林類型的土壤濕度對土壤甲烷通量的影響均顯著（P＜0.05），其中南坡針闊混交林的相關(guān)最為顯著（Y= -2.913 x+25.56，R2=0.243 2）。

圖3 南、北坡不同海拔、不同森林類型降水量與氣溫月變化Fig.3Monthly changes of precipitation and mean temperature of three forest types in the southern and northern slope in different altitude

圖4 南坡不同海拔、不同森林類型土壤濕度月變化Fig.4Monthly changes of soil moistur e of three forest types in the southern slope

圖5 北坡不同海拔、不同森林類型土壤濕度月變化Fig.5Monthly changes of soil moistur e of three forest types in the southern slope

3.2.3 其他土壤因素 由表 4 可以看出：不同海拔的常綠闊葉林和針闊混交林，其土壤 pH 值差異均不大，且均小于 7（為酸性土壤），均對土壤甲烷通量影響顯著（P＜0.05）。在海拔 1 300 m 處，南、北坡常綠闊葉林的土壤碳含量相差較大，海拔對土壤總碳含量、土壤甲烷通量都有顯著影響（P＜0.05）。在南坡海拔 1 300 m 處，常綠闊葉林土壤總氮含量最高，且對土壤甲烷通量影響顯著（P＜0.05）。這有可能跟海拔 1 300 m 處的土壤溫度和溫度相互影響有關(guān)，地表的凋落物的厚度或分解速度都有可能引起對土壤甲烷通量的變化。

表4 不同海拔、森林類型、坡向的森林土壤pH、總碳含量和總氮含量Tab.4 The pH，TC and TN of different slope direction，forest type and altitude

4 結(jié)論與討論

南嶺南、北坡 3 種森林類型土壤甲烷通量均表現(xiàn)為甲烷的匯，且不同森林類型之間甲烷通量存在明顯差異；甲烷年均通量大小排序?yàn)槌＞G闊葉林（EG）＞山地矮林（GS）＞針闊葉混交林（EK）。土壤溫度、濕度都是影響土壤甲烷通量的重要因子。土壤溫度通過影響土壤微生物活性，從而影響土壤甲烷的排放與吸收。孫向陽［7］的研究表明，土壤中的甲烷氧化細(xì)菌主要存在于土壤表層。本研究 3 種主要森林類型土壤地表溫度對土壤甲烷通量均有顯著影響（P＜0.05），但不是影響土壤甲烷通量的主控因子。土壤地表濕度也對土壤甲烷通量有顯著影響（P＜0.05）。

在全年觀測期內(nèi)，南、北坡不同森林類型土壤對甲烷通量表現(xiàn)出相似的月變化規(guī)律，4—10 月土壤對甲烷以吸收為主，12 月至翌年 3 月土壤對甲烷以排放為主，且不同森林類型土壤對甲烷吸收與排放的峰值出現(xiàn)的時間均存在差異。除了本文所提及的土壤影響因子外，日照、風(fēng)向、凋落物等因素也有可能影響土壤甲烷通量。

綜上所述，南嶺 3 種主要森林類型的土壤甲烷通量變化是受多種因素綜合作用的結(jié)果。本研究對于森林土壤甲烷通量影響因子方面的研究還不夠全面，有待進(jìn)一步深入研究。

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（文字編校：唐效蓉）

Study on soil methane fluxes of three main forest types in Nanling Mountains

WANG Yao，SHEN Yan，ZHANG Qiang，HUANG Zhihong，ZHANG Yuhong，LING Wei
（College of Life Science and Technology，Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，China）

To provide the basic data for research on soil methane fluxes in subtropical forest ecosystems, in typical forest ecosystem in the evergreen broad-leaved forest（EG），coniferous forest（EK），mountain coppice（GS）the three main types of forest soil in Nanling Mountains as the research object，using the special geographical position respectively on the southern and the northern slope of methane fluxes in forest soil，and using the static chamber method simulation test study on soil methane flux and its influencing factors of the response were studied.The results showed that the forest soil methane flux is affected by many factors，in different types of forests，the absorption and emission of methane in the soil have different performance.It was，showed methane sinks in the southern and the northern slope of Naling Mountain，the overall year average methane flux ranked EG ＞ GS ＞ EK，respectively -4.326 ug/（m2·h），-6.025 ug/（m2·h）and -15.406 ug/（m2·h）.The three main forest type soil methane fluxes were in the obvious seasonal dynamic changes（month），the effect of forest type on soil and in methane flux was significant.Soil surface temperature had a significant effect on soil methane fluxes，but not the main controlling factor of soil methane.Soil moisture had a significant effect on soil methane fluxes in different forest types.

forest type；soil methane flux；methane absorption and emission；environmental factors

S 714

A

1003-5710（2017）02-0008-07

10.3969/j.issn.1003-5710.2017.02.002

2017-04-12

國家國際科技合作專項(xiàng)（2013DFA32190）

王 瑤（1992-），碩士生，研究方向?yàn)樯稚鷳B(tài)；E-mail：283730369@qq.com

沈 燕，博士，副教授；E-mail：13873340123@163.com