張 杰 ，劉夢云 *，張萌萌 ，楊靜涵 ，曹潤珊

（1西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊凌712100;2農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西楊凌712100;3農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，北京100081）

氣候變暖是當今人類生存面臨的最大環(huán)境問題，其首要原因歸因于溫室氣體排放。二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）作為3種主要溫室氣體，其排放量對溫室效應的貢獻十分明顯[1]。有研究[2-3]指出，大氣中每年有5%～20%的CO2、15%～30%的CH4、80%～90%的N2O來源于土壤，土壤中的微生物將有機質(zhì)分解為無機態(tài)的碳和氮，在好氧條件下無機碳多以CO2形式進入大氣，而在嚴格厭氧條件下則以CH4形式排向大氣。全球一半以上的N2O來自于土壤的硝化與反硝化過程[4-6]。森林作為地球上分布最廣的陸地生態(tài)系統(tǒng)[7]，其植被可以通過改變土壤溫濕度、根系呼吸、光合產(chǎn)物及小氣候等途徑影響土壤呼吸及各種溫室氣體的排放，但該效應在不同植被尤其是不同林型組成之間差異很大[8]，因此，探究區(qū)域內(nèi)不同林型組成之間土壤溫室氣體排放量的動態(tài)變化特征和及其對各環(huán)境因子的響應，對于合理預測植被的C、N排放源或吸收匯功能以及對大氣碳氮循環(huán)的影響具有重要的科學意義。

黃土臺塬毗鄰西北黃土高原南部邊緣地帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失嚴重，為防止土壤侵蝕，歷年來塬坡防護林一直以水土保持、發(fā)揮生態(tài)效益為主要目標，從二十世紀六七十年代開始當?shù)卮竺娣e種植刺槐純林，隨后引入松類，但由于純林遺傳性單一，林分結(jié)構(gòu)呈不穩(wěn)定狀態(tài)，對外界環(huán)境適應性差，因此具有很大的弊端，為了解決這一問題，當?shù)叵嗬^引進了針葉或闊葉等喬木以及沙棘等灌木林，開展了營造混交林試驗研究，因此，黃土臺塬區(qū)現(xiàn)存樹種多為人工純林或混交林。為了探明該區(qū)域不同林型組成下土壤CO2、CH4和N2O的時間變化特征以及對各類因素的響應，本研究以黃土臺塬4種典型林地及其混交林共7種林型為研究對象，采用靜態(tài)箱-氣相色譜法對CO2、CH4和N2O通量進行測定，分析不同林型組成下土壤溫室氣體排放差異，闡明土壤溫室氣體與土壤溫度和土壤含水量之間的關系，以期為評價和預測我國黃土臺塬地區(qū)不同林型組成碳、氮的源/匯功能提供實測數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于陜西省咸陽市永壽縣馬蓮灘林場（108°05′22.6″E～108°05′39.3″E；34°47′58.4″N～34°48′42.7″N）進行，該林場屬于國家科技攻關項目“黃河中游黃土高原區(qū)（永壽）水土保持型植被建設技術研究與示范”實驗基地，試驗區(qū)占地面積為26.27 km2，其中，山地、溝壑面積 8.20 km2，塬面 10.87 km2，該區(qū)主要土壤類型為黑壚土，屬溫帶大陸性季風氣候，干旱指數(shù)為1.73～1.80，平均氣溫10.8℃，極端最高溫38.8℃，平均降水量601.6 mm。由于研究區(qū)以臺塬、溝壑區(qū)為主，生態(tài)環(huán)境極端脆弱，為解決當?shù)貝毫拥纳鷳B(tài)問題，該林場實行了封山育林政策，進行不同植被類型、不同混交方式與栽培模式的試驗研究，并采用自然恢復的管理措施，后期人為干預較少。目前，林場森林植被以天然次生林（側(cè)柏等）、人工林（刺槐、油松等）以及灌木（沙棘等）為主。

1.2 試驗設計

該試驗于2015年4月至2016年3月進行，選取晴朗天氣作為采集日，時間間隔為一個月左右，選取當天11：00—15：00采集氣體，以降低早晚溫差對土壤呼吸速率的影響[9]，將研究區(qū)7種林型分成3個實驗小組，a組為灌木林（沙棘）、喬木林（刺槐）及喬灌混交林（沙棘刺槐混交林），b組為闊葉林（刺槐）、針葉林（側(cè)柏）及針闊混交林（刺槐側(cè)柏混交林），c組為灌木林（沙棘）、闊葉林（刺槐）、針葉林（油松）及喬灌-針闊組合型混交林（沙棘刺槐油松混交林），各林型林齡約為16～20 a，林下植被以關中地區(qū)自然恢復典型植被（蒿類、賴草、羊茅、薔薇、懸鉤子等）為主，每種林型選擇3個樣本作為對照，取其平均值作為當月該林型土壤的土壤呼吸速率。采樣點情況如表1所示。

1.3 土壤基本理化性質(zhì)測定

土壤全氮（TN）采用開氏法消解，K2300型全自動定氮儀測定；土壤有機碳（SOC）采用重鉻酸鉀-硫酸消化法測定；溶解性有機碳（DOC）采用0.5 mol·L-1K2SO4溶液浸提過篩風干土，經(jīng)振蕩機振蕩后過濾，濾液用TOC自動分析儀測定有機碳，即為DOC；堿解氮采用堿解擴散法測定；NH+4-N、NO-3-N采用KCl溶液浸提新鮮土樣，經(jīng)振蕩機振蕩后過濾，濾液用流動分析儀測定；土壤pH采用pH計測定；土壤容重采用環(huán)刀法測定。

1.4 土壤溫室氣體排放通量測定

本實驗采用靜態(tài)箱（箱體材質(zhì)為PVC，直徑15 cm，桶高25 cm）氣相色譜法收集溫室氣體，在安置箱體前將基座內(nèi)的地表植物齊地剪掉，最大程度減少對地表凋落物的擾動，降低對土壤表層的破壞。將靜態(tài)箱置于地下10 cm左右，防止因土壤松動造成氣體泄漏，依序在第0、10、30、60、90、120 min采集氣體，將10 mL醫(yī)用針管插入帶有橡皮塞箱蓋的靜態(tài)箱中采集氣體，在此期間，用地溫計測定采樣點地下5 cm和20 cm處的土壤溫度；同時，采集0～5、5～20 cm土壤樣品用于土壤濕度的測定，用氣相色譜儀7890A測定氣體中CO2、CH4和N2O的體積分數(shù)，溫室氣體排放速率計算公式為[10]：

式中：F為溫室氣體通量，mg·m-2·h-1；dc/dt為氣體濃度隨時間變化的斜率（c為t時刻被測氣體濃度，t是時間）；M為被測氣體的摩爾質(zhì)量，g·mol-1；V0為標準狀態(tài)下的氣體摩爾體積，22.41 L·mol-1；P為采樣點的大氣壓；P0為標準大氣壓，101.325 kPa；T為箱內(nèi)溫度，K；T0為絕對溫度，273.15 K；H為采樣箱的高度，cm。

表1 7種林型組成基本情況Table 1 Basic status of sampling sites under different forest types

1.5 溫度敏感性指數(shù)（Q10）

用Q10值表示溫度增加10℃時土壤呼吸速率增加的倍數(shù)，并采用指數(shù)關系模型進行計算[38]：

Rs=a·ebT1,Q10=e10b式中：Rs為土壤呼吸速率，mg·m-2·h-1，T1為土壤溫度，℃；a,b為待定參數(shù)。

1.6 數(shù)據(jù)分析與處理

所有數(shù)據(jù)均在Excel 2010和SPSS 21.0統(tǒng)計分析軟件中進行，利用Pearson相關分析和單因素方差分析計算不同林型和季節(jié)土壤溫室氣體的差異，繪圖均在Origin8.1軟件中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林型土壤溫度和土壤含水量的季節(jié)性動態(tài)特征

森林土壤溫濕度季節(jié)變化明顯（圖1），各林型土壤溫度均表現(xiàn)為夏高冬低的規(guī)律，不同林型組成之間土壤溫度差異很小，對比發(fā)現(xiàn)，冬季混交林的土壤溫度普遍高于純林，這是因為冬季混交林枯枝落葉多，對土壤起到一定的保溫作用，且各林型上層土壤溫度普遍低于下層土壤溫度，這種現(xiàn)象與當?shù)乇└采w周期有關，而夏季則正好相反，這與夏季混交林郁閉度高、抵擋了部分太陽輻射到達地面有關。不同于土壤溫度的變化規(guī)律，各林型土壤含水量在生長季（5—10月）變化平緩，而非生長季（11—來年4月）土壤含水量波動明顯。7種林型之間土壤含水量較土壤溫度差異明顯，其中，沙棘年均土壤含水量在各林型中居于首位，而其他幾種純林則普遍低于混交林。

圖1 7種林型0～5、5～20 cm土壤溫度和土壤含水量的變化Figure l Seasonal changes in soil temperature and soil water content at 0～5 cm and 5～20 cm depths for the seven forests

2.2 不同林型土壤CO2通量的季節(jié)變化特征

研究期間，各林型土壤CO2排放通量夏季高、冬季低（圖2），與土壤溫度的變化趨勢相似，且每年3月份隨凍結(jié)土壤解凍，各林型土壤CO2通量會出現(xiàn)短暫回升；同時，混交林土壤CO2排放峰值在時間上往往晚于純林1～2個月，這可能與各林型對土壤溫濕度的適應范圍有關。不同林型年均CO2排放通量表現(xiàn)為：沙棘刺槐混交林（130.73 mg·m-2·h-1）>刺槐（108.31 mg·m-2·h-1）>沙棘（107.78 mg·m-2·h-1）>刺槐側(cè)柏混交林（81.95 mg·m-2·h-1）>側(cè)柏（63.71 mg·m-2·h-1）>沙棘刺槐油松混交林（61.52 mg·m-2·h-1）>油松（51.33 mg·m-2·h-1）。此外，土壤 CO2排放通量與林型有關（表3），其中，a組沙棘刺槐混交林的土壤CO2通量在生長季顯著（P＜0.05）高于沙棘（34.01%）和刺槐（37.04%），而在非生長季則顯著（P＜0.05）低于沙棘（19.52%）和刺槐（26.29%）；b組刺槐側(cè)柏混交林的年均土壤CO2排放通量居于兩種純林之間，尤其在生長季顯著（P＜0.05）低于刺槐（13.56%）且高于側(cè)柏（40.97%）；c組沙棘刺槐油松混交林在生長季/非生長季均顯著（P＜0.05）低于沙棘（41.36%/47.95%）和刺槐（40.03%/52.33%），與油松差異不明顯（P>0.05）。由此看來，不同林型組成之間土壤CO2排放通量存在一定程度的差異，在本研究中，沙棘刺槐混交林的土壤CO2通量大小在生長季和非生長季表現(xiàn)出相反的規(guī)律，刺槐側(cè)柏混交林由于種間矛盾的存在，中和了其純林的土壤CO2排放特征，而作為喬灌混交和針闊混交組合型的復雜林型，沙棘刺槐油松混交林土壤CO2排放量明顯降低。

2.3 不同林型土壤CH4通量的季節(jié)變化特征

7種林型土壤CH4通量均為負值（圖3，表3），表明研究區(qū)各林型土壤對CH4主要起吸收作用。從季節(jié)變化來看，各林型土壤CH4吸收生長季略高于非生長季，同時，在非生長季期間各林型的土壤CH4通量波動明顯。研究中各林型年均CH4吸收通量表現(xiàn)為：油松（60.82 –g·m-2·h-1）>沙棘（56.74 –g·m-2·h-1）>刺槐（53.23–g·m-2·h-1）>沙棘刺槐混交林（47.44 –g·m-2·h-1）>刺槐側(cè)柏混交林（47.12 –g·m-2·h-1）>沙棘刺槐油松混交林（38.23–g·m-2·h-1）>側(cè)柏（36.67 –g·m-2·h-1）。各混交林土壤CH4吸收通量在生長季略低于相應純林，但差異并不顯著（P>0.05）；對比非生長季各林型土壤CH4吸收通量可以看出，a組沙棘刺槐混交林土壤CH4吸收通量低于刺槐（3.50%），且顯著（P＜0.05）低于沙棘（28.70%）；b組中刺槐側(cè)柏混交林與刺槐的土壤CH4吸收通量差異不大（P>0.05），但顯著（P＜0.05）高于側(cè)柏（79.65%），出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能與側(cè)柏的淺根性、土壤易氧化有關；c組沙棘刺槐油松混交林土壤CH4吸收通量顯著（P＜0.05）低于沙棘（48.11%）、刺槐（37.00%）和油松（47.98%）。綜合對比3組不同林型之間土壤CH4通量變化特征可以發(fā)現(xiàn)，混交林與純林相比，其土壤對CH4的吸收作用較弱；但3種組合形式的混交林土壤CH4吸收能力依次為：沙棘刺槐混交林>刺槐側(cè)柏混交林>沙棘刺槐油松混交林。

圖3 不同林型土壤CH4通量的變化特征Figure 3 Seasonal changes in soil CH4fluxes for the seven forests

2.4 不同林型土壤N2O通量的季節(jié)變化特征

圖4 不同林型土壤N2O通量的變化特征Figure 4 Seasonal changes in soil N2O fluxes for the seven forests

各林型土壤N2O通量水平較低（圖4），夏高冬低是幾種林型土壤N2O排放通量變化的普遍規(guī)律，在個別月份出現(xiàn)N2O的凈吸收現(xiàn)象。各林型土壤年均N2O通量表現(xiàn)為：沙棘刺槐混交林（4.42 –g·m-2·h-1）>刺槐（4.00 –g·m-2·h-1）>刺槐側(cè)柏混交林（1.55 –g·m-2·h-1）>沙棘（1.52 –g·m-2·h-1）>沙棘刺槐油松混交林（1.05–g·m-2·h-1）>側(cè)柏（0.72 –g·m-2·h-1）>油松（-0.06 –g·m-2·h-1）。不同林型之間N2O通量差異顯著（表3），從a組來看，沙棘刺槐混交林在生長季顯著（P＜0.05）高于沙棘（407.26%），略高于刺槐（10.35%）；而在非生長季，3種林型N2O通量差異并不顯著（P>0.05）。其次，通過b組比對發(fā)現(xiàn)，刺槐側(cè)柏混交林土壤N2O通量居于刺槐和側(cè)柏之間，生長季顯著（P＜0.05）低于刺槐（73.68%），非生長季則顯著（P＜0.05）高于側(cè)柏（492.59%）；c組沙棘刺槐油松混交林的土壤N2O通量與沙棘之間差異不顯著（P>0.05），但顯著（P＜0.05）低于刺槐（生長季/非生長季：81.15%/54.15%），與油松的差異僅表現(xiàn)在非生長季，油松的土壤N2O排放通量較低但季節(jié)變化明顯，尤其在冬季油松的土壤N2O通量出現(xiàn)負值，此時其土壤明顯作為N2O的庫，因此顯著（P＜0.05）低于其混交林（138.1%），其他幾種林型僅在極低氣溫的月份出現(xiàn)負值但并不持久?？傮w來看，各林型土壤N2O通量表現(xiàn)出與土壤CO2相似的規(guī)律，即沙棘刺槐混交林土壤N2O排放量在3種組合形式的混交林中居于首位，刺槐側(cè)柏混交林居中，而沙棘刺槐油松混交林土壤N2O排放量最低。

表3 不同林型土壤CO2、CH4和N2O通量比較（平均值±標準差）Table 3 Comparison for the soil fluxes of CO2，CH4and N2O in seven forests（Mean±SD）

2.5 溫室氣體通量與土壤溫度和土壤含水量的關系

各林型土壤CO2排放與土壤溫度均呈顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）指數(shù)正相關（圖5），但不同林型及不同土層深度的相關性存在差異。其中，沙棘刺槐混交林和刺槐側(cè)柏混交林土壤CO2與土壤溫度的相關性與其純林相比較低，而沙棘刺槐油松混交林土壤CO2與溫度的相關性則高于其純林；同時，5～20 cm深度的土壤CO2與土壤溫度的相關性整體高于0～5 cm土層。各林型土壤表面CH4通量與土壤溫度呈線性負相關，但相關性較低，僅側(cè)柏的土壤CH4通量與土壤溫度具有極顯著（P＜0.01）相關性，且在0～5 cm深度上的相關性高于5～20 cm土層；沙棘刺槐混交林僅在0～5 cm土層深度上與土壤溫度呈顯著（P＜0.05）相關，其他林型無明顯相關性。在土壤N2O排放中，僅刺槐和油松與土壤溫度呈線性顯著（P＜0.05）正相關，且刺槐土壤N2O在5～20 cm深度上與土壤溫度的相關性高于0～5 cm，而油松土壤N2O僅在5～20 cm深度上與土壤溫度相關，在0～5 cm深度上未表現(xiàn)出相關性。

土壤含水量與各林型土壤CO2表現(xiàn)為負相關性（圖6）。其中，沙棘刺槐油松混交林土壤CO2與土壤含水量相關性最高，且在5～20 cm深度上相關性高于0～5 cm土層；刺槐和油松的土壤CO2與土壤含水量的相關性在0～5 cm深度上高于5～20 cm土層；而沙棘刺槐混交林土壤CO2僅在0～5 cm深度上與土壤含水量顯著（P＜0.05）相關，其他林型土壤CO2與土壤含水量相關性不顯著（P>0.05）。各林型土壤CH4通量與土壤含水量的關系相對復雜，其擬合曲線是開口向上的拋物線，即隨土壤含水量的增加，土壤對CH4的吸收量先增加后減少，且這種現(xiàn)象只在側(cè)柏和沙棘刺槐混交林0～5 cm土層深度中表現(xiàn)顯著（P＜0.05）。而各林型土壤N2O對土壤含水量的響應較弱（P>0.05）。

3 討論

3.1 不同林型土壤表面CO2通量排放特征

在土壤溫濕度的影響下，土壤呼吸速率具有明顯的季節(jié)變化[11-13]。本研究中，各林型土壤CO2通量均為夏高冬低，這是因為夏季土壤溫度高，水分條件適宜，植被生長旺盛，而冬季與之相反，且黃土臺塬冬季降雪頻繁，溫度比同緯度其他區(qū)域更低，冰雪覆蓋下表層土壤易形成季節(jié)性凍土，阻礙土壤中CO2向大氣擴散。研究表明，針葉林、喬灌-針闊組合型混交林土壤CO2排放量較低，其次為針闊混交林，而喬灌混交林及其純林土壤CO2通量較高。這與Raich等[14]的研究結(jié)果相符。各林型土壤CO2排放特征與不同森林類型之間凋落物數(shù)量、有機質(zhì)含量、氮素數(shù)量、pH及土壤容重等差異有關[15]，在本研究中，針葉林（油松）土壤全氮、有機碳含量均低于其他林型（表2），相關分析顯示（表4），土壤CO2通量與土壤有機碳呈顯著（RSOC/5～20=0.85，P＜0.05）正相關，與全氮呈極顯著（RTN/0～5=0.90，P＜0.01）正相關，這與耿遠波等[16]的研究一致，土壤有機碳為異氧呼吸提供物質(zhì)基礎，而土壤呼吸與反硝化作用有較好的相關性，這與氮能刺激植物初級生產(chǎn)為土壤呼吸提供更多底物有關[13]，同時，氮含量的高低又會影響C/N，但目前對于C/N與土壤CO2的關系還不明確，本研究中，兩者有一定的正相關關系，但未達顯著性水平（P>0.05）。在本文中，土壤pH對土壤CO2的影響并不顯著（P>0.05），有研究[17]指出pH并不是造成土壤溫室氣體排放差異的原因，而是通過酸化累計過程影響土壤碳、氮等養(yǎng)分從而間接影響CO2排放。此外，通過枯枝落葉的分解向大氣釋放CO2是土壤碳循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)[15]，與其他林型相比，針葉分解速度較慢。有研究[18]指出刺槐和油松之間存在異株克生現(xiàn)象，刺槐作為速生大冠闊葉樹種，當用其作油松的伴生樹種時，超過一定的比例會壓制油松的生長，因而沙棘刺槐油松混交林具有明顯的低CO2排放特征。而喬灌混交林及其純林土壤養(yǎng)分含量較高，又具備較低的土壤容重，故其土壤CO2排放速率較快。針闊混交林因其合理的林分結(jié)構(gòu)，土壤肥力較好，土壤呼吸速率在各林型中處于中等水平。進一步分析混交林及其構(gòu)成純林之間土壤CO2排放差異可能與土壤溫濕度有關，土壤溫度和水分是森林土壤呼吸的重要環(huán)境因子，但兩者的影響機制有所差異[12，19]，以研究區(qū)刺槐側(cè)柏混交林為例，植被在生長季溫度條件適宜的情況下，土壤含水量極易成為土壤呼吸的限制因素，研究結(jié)果表明，刺槐側(cè)柏混交林在生長季土壤含水量顯著（P＜0.05）低于刺槐且高于側(cè)柏，這一現(xiàn)象與其土壤CO2排放特征具有相似性。受地表大氣溫度影響，0～5 cm土壤溫度與土壤CO2的相關性低于5～20 cm土壤溫度，通過計算各林型Q10值發(fā)現(xiàn)（表5），灌木林和針葉林土壤呼吸對0～5 cm土壤溫度的敏感性低于5～20 cm土層深度，這與眾學者[20-21]的研究一致。相關研究[22]表明，Q10值與底物供應的季節(jié)變化存在正相關性，闊葉林凋落物累積量常常較純林多，對照0～5 cm土層各林型發(fā)現(xiàn)，落葉闊葉林和混交林Q10值高于灌木和針葉林。大量研究[19，23]表明土壤含水量與土壤CO2呈正相關，在本研究中，各林型土壤CO2與土壤含水量為負相關，這與前人研究結(jié)果不同，造成本研究結(jié)果與以往研究不同的原因可能是研究區(qū)氣候條件復雜，尤其是水、熱不同期，土壤含水量升高時土壤溫度反而降低，低溫造成土壤微生物活性降低，土壤呼吸作用減弱，同時較高的含水量造成土壤孔隙度變小，進而抑制了土壤CO2的排放。

圖5 溫室氣體與0～5、5～20 cm土壤溫度的關系Figure 5 Relationship between soil greenhouse gases and soil temperature at 0～5 cm and 5～20 cm depths for the seven forests

圖6 溫室氣體與0～5、5～20 cm土壤水分的關系Figure 6 Relationship between soil greenhouse gases and soil water content at 0～5 cm and 5～20 cm depths for the seven forests

表4 森林溫室氣體排放速率與土壤理化性質(zhì)的相關系數(shù)Table 4 Correlation coefficient between greenhouse gas fluxes rate and physicochemical properties at different soil depths

表5 不同林型土壤呼吸的溫度敏感性指數(shù)（Q10）Table 5 Temperature-sensitive index（Q10）of soil respiration at different soil depths for the seven forests

3.2 不同林型土壤表面CH4通量排放特征

研究期間，各林型土壤均為CH4匯，這與眾學者[24-25]研究結(jié)果相符。研究表明，各林型土壤CH4通量在生長季無顯著（P>0.05）差異，但在非生長季差異顯著（P＜0.05），這是由于研究區(qū)在非生長季內(nèi)土壤含水量較高，而CH4氧化主要受土壤通氣狀況的影響，低溫高濕的土壤環(huán)境不利于土壤CH4氧化。同時，土壤凍融交替過程也會影響土壤通氣狀況和氧化還原條件[26]，各林型土壤CH4吸收能力在2月份急劇下降，這是因為冬季凍結(jié)土壤營造的厭氧環(huán)境下產(chǎn)生了大量CH4氣體，土壤解凍后會釋放其儲存的CH4。有研究[27]指出，CH4排放與易礦化碳存在明顯線性關系，DOC作為微生物生長的速效基質(zhì)，能顯著提高CH4生成量[16，27]，盡管本文中兩者相關性并不顯著（P>0.05），但相比土壤全氮、有機碳含量及C/N，該土壤養(yǎng)分含量對 CH4通量的解釋率較高（RDOC/5～20=0.41）（表 4）。pH對土壤CH4排放通量的影響主要通過改變土壤微生物和酶實現(xiàn)，研究發(fā)現(xiàn)森林土壤甲烷氧化菌最適土壤pH約為5.0～6.5[28]，研究區(qū)各林型土壤pH值偏弱堿性，對土壤CH4氧化的影響較低。無機氮對森林土壤CH4吸收的貢獻目前還不明確，很多學者在研究中均指出NH+4濃度對CH4吸收具有抑制作用，并將其解釋為NH3與CH4在甲烷單氧化酶上的競爭[29]，但在本研究中土壤CH4排放與NH+4相關性不顯著（P>0.05），這可能與研究區(qū)土壤NH+4-N含量較低，植被生長成為氮素競爭的優(yōu)先者有關。以非生長季喬灌-針闊組合型混交林及其純林土壤CH4吸收為例，對比純林與混交林土壤溫度發(fā)現(xiàn)，各林型之間非生長季土壤溫度差異并不明顯（P>0.05），而混交林土壤含水量則在其構(gòu)成純林之間浮動，由此可見，土壤濕度對不同林型土壤CH4吸收具有潛在影響，但其影響機制較復雜，本研究發(fā)現(xiàn)，土壤含水量與森林土壤CH4通量并不是簡單的線性關系，在植被生長過程中對土壤水分的生理需求較大，土壤水分的微弱變化就能引起土壤微生物活性的劇烈變化，同時，不同林型在生長過程中所需土壤濕度的最適閾值不同，即當土壤含水量處于植物生長最適區(qū)間時，有助于土壤對CH4的吸收，而當土壤含水量過高或過低時，均會抑制CH4氧化速率。這與以往研究[15]結(jié)果一致。相關分析顯示，土壤溫度對針葉林（側(cè)柏）和喬灌混交林土壤CH4吸收具有促進作用，而其他幾種林型土壤CH4通量與土壤溫度相關性不顯著（P>0.05），這是因為溫度的影響只有在特定水分條件下才能表現(xiàn)出來，而各林型之間土壤含水量存在一定差異；同時，0～5 cm深度的土壤溫度與針葉林土壤CH4相關性較高，這可能與0～5 cm深度的土層中能被微生物分解的有機物質(zhì)含量高有關。Hansen等[2]在其研究中也證實了CH4氧化作用主要發(fā)生在表層土壤之中，隨土層深度增加土壤CH4的氧化作用逐漸減弱。

3.3 不同林型土壤表面N2O通量排放特征

各林型土壤N2O排放通量與已有研究[30]相比排放水平較低，這是由于土壤N2O主要來源于外界人為施氮，而研究對象位于封山育林區(qū)，人為影響較小，故土壤N2O排放量較低。崔驍勇等[19]在其研究中指出，受高溫季節(jié)的影響，土壤N2O排放會達到高峰，這與本研究中各林型土壤N2O排放整體呈夏季高、冬春低的規(guī)律較為一致。不同林型組成之間由于土壤養(yǎng)分、土壤質(zhì)地及土壤溫濕度等理化指標不同，進而影響到土壤硝化和反硝化過程，造成各林型土壤N2O的排放差異[31]。近年來眾學者將氮素水平作為研究土壤N2O的重點，徐慧等[30]在其研究中指出土壤N含量是影響土壤N2O的重要因素，同時，土壤中DOC及NO-3-N作為土壤硝化和反硝化過程的基質(zhì)，將明顯影響N2O的排放[32]，充足的DOC會刺激土壤中微生物的活性，加快土壤中O2消耗，為反硝化過程創(chuàng)造低氧環(huán)境；NO-3-N作為反硝化過程的底物，對反硝化強度有直接影響，但存在影響界限，即當NO-3-N濃度大于25 mg·kg-1時，土壤反硝化速率不受NO-3-N含量的影響，上述研究結(jié)果在本研究中也得到了證實（表4），即土壤全氮和DOC與土壤N2O排放呈極顯著或顯著（RTN/0～5=0.94，P＜0.01；RDOC/5～20=0.79，P＜0.05）相關，而NO-3-N與土壤N2O相關性并不顯著（P>0.05）；同時，本研究C/N值普遍低于25～30∶1（土壤微生物適宜有機質(zhì)C/N[33]），微生物活性較強，促進土壤N2O的產(chǎn)生。李海防等[34]在其研究中曾指出固氮植物能直接通過根瘤菌參與下的硝化、反硝化作用或間接增加N量促進N2O的排放。在本文中，沙棘屬于非豆科固氮樹種，刺槐屬于豆科固氮樹種[35]，根部具有固氮作用的根瘤菌，極大提高了混交林的土壤N含量，針闊混交林作為固氮和非固氮樹種的混交林，提高了非固氮樹種土壤肥力。而針葉林作為非固氮樹種，其土壤N含量較低，在非生長季，針葉林（油松）的土壤N2O排放通量為負值，說明在一定條件下土壤對N2O具有吸收作用，此結(jié)論與前人[7，36]研究結(jié)果一致；此外，在冬季冰雪覆蓋條件下，厭氧環(huán)境的形成也可能會使土壤中的N2O繼續(xù)轉(zhuǎn)化為N2，進而出現(xiàn)排放負值。土壤pH對硝化和反硝化過程的影響較復雜，在本研究中各林型土壤pH值（7.84～8.24）接近，與土壤N2O之間沒有明顯的相關性，對研究區(qū)各林型土壤N2O排放差異并不構(gòu)成影響。除刺槐和油松外，各林型土壤N2O通量盡管表現(xiàn)出隨溫度升高和濕度下降而增大的趨勢，但并不顯著（P>0.05），考慮到研究區(qū)N2O排放通量水平較低，水熱交替變化，無益于硝化和反硝化作用產(chǎn)生N2O，而5～20 cm深處的土壤溫度對刺槐和油松土壤N2O的影響較高，這可能與兩種植被本身的深根性、喜干冷氣候有關。

4 結(jié)論

（1）黃土臺塬7種林型土壤均為CO2和N2O的排放源，CH4的吸收匯。

（2）不同林型土壤溫室氣體季節(jié)排放或吸收存在差異，在生長季，喬灌混交林土壤CO2通量顯著高于純林，針闊混交林土壤CO2通量居于針、闊葉純林之間，而喬灌-針闊組合型混交林的土壤CO2通量則低于闊葉林高于針葉林，在非生長季，3種混交林均低于其純林；在土壤CH4吸收中，3種混交林的土壤CH4吸收能力均低于其純林；在土壤N2O排放中，喬灌混交林土壤N2O排放能力高于其純林，針闊混交林居于針、闊葉純林之間，而喬灌-針闊組合型混交林低于闊葉林高于針葉林。3種組合方式的混交林土壤CO2、N2O排放和CH4吸收能力從高到低依次為：喬灌混交林>針闊混交林>喬灌-針闊組合型混交林。

（3）不同組合方式的混交林土壤溫室氣體與土壤溫濕度的相關性不同，與純林、喬灌混交林以及針闊混交林相比，喬灌-針闊組合型混交林土壤CO2與土壤溫濕度的相關性最高，其土壤CO2排放量隨土壤溫濕度的升高而增加；森林土壤對CH4的吸收隨土壤溫度升高而增加，但對土壤含水量有一定的適應范圍，當超過一定的閾值時，土壤對CH4的吸收能力會隨之減弱；各林型土壤N2O與土壤溫濕度相關性較低，僅針、闊葉純林土壤N2O表現(xiàn)出與土壤溫度的正相關性，其他林型與土壤溫濕度均無顯著相關性。