湖南莽山4種林型甲烷通量及其影響因子

張 強(qiáng) ，沈 燕 ，韓天宇 ，勾蒙蒙

（1.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(zhǎng)沙 410004；2. 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 41004）

湖南莽山4種林型甲烷通量及其影響因子

張 強(qiáng)1，2，沈 燕1，2，韓天宇1，2，勾蒙蒙1，2

（1.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(zhǎng)沙 410004；2. 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 41004）

以湖南省莽山地區(qū)4種典型森林類型（闊葉混交林、針闊混交林、常綠闊葉林及山地矮林）為研究對(duì)象，采用靜態(tài)箱-氣相色譜法觀測(cè)4種森林類型土壤CH4通量，比較其CH4通量的動(dòng)態(tài)及影響因子。結(jié)果表明：在生長(zhǎng)季，4種森林類型甲烷通量總體上表現(xiàn)為匯，其大小順序?yàn)槌＞G闊葉林（-10.290 9±9.900 5 μg·m-2h-1）＞山地矮林（-14.175 8±11.559 0 μg·m-2h-1）＞闊葉混交林（-17.115 5±11.074 8 μg·m-2h-1）＞針闊混交林（-23.700 2 ±10.484 7 μg·m-2h-1）；除針闊混交林外，甲烷通量與土壤含水量無(wú)顯著的相關(guān)性，4種森林類型甲烷通量均與土壤溫度呈顯著的負(fù)相關(guān)；甲烷通量對(duì)土壤養(yǎng)分的響應(yīng)出現(xiàn)差異：山地矮林甲烷通量與土壤全氮、全磷呈顯著正相關(guān)；常綠闊葉林甲烷通量與土壤有機(jī)碳呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤全氮顯著正相關(guān)，其他兩種森林類型甲烷通量均與全氮呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明土壤溫度和土壤全氮是影響莽山地區(qū)甲烷通量的主要因素。

甲烷通量；土壤溫度；土壤含水量；土壤養(yǎng)分

大氣中溫室氣體的含量增加是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要原因之一，CH4是一種重要的溫室氣體，也是強(qiáng)效的溫室氣體，對(duì)全球氣候變暖的貢獻(xiàn)僅次于CO2，其貢獻(xiàn)率為18%～20%[1]。20世紀(jì)以來(lái)全球平均氣溫逐步上升，且近50年的增長(zhǎng)趨勢(shì)幾乎是近100年來(lái)的兩倍[2]，CH4分子具有很強(qiáng)的紅外吸收能力，其單分子的增溫潛勢(shì)是CO2的25倍[3]，是65萬(wàn)年以來(lái)的最高值[4]。與CO2相比，CH4在大氣中的濃度及含量比例較少，但其濃度增長(zhǎng)率遠(yuǎn)高于CO2，而且能參與多種大氣中的重要化學(xué)反應(yīng)[5]。自工業(yè)革命以來(lái)，全球大氣CH4濃度從3.19×10-8mol·L-1增加到了如今的7.96×10-8mol·L-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了過(guò)去萬(wàn)年來(lái)自然因素引起的變化范圍[6]，其持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)對(duì)于全球環(huán)境將造成長(zhǎng)期和潛在的影響，己經(jīng)直接威脅到人類生存環(huán)境和健康，因此研究CH4的排放規(guī)律引起了科學(xué)界的高度重視。全球變化對(duì)人類生存環(huán)境的變化有著十分重要的影響。由于溫室效應(yīng)而引起全球氣候不斷變化，溫室氣體造成的溫室效應(yīng)也成為國(guó)際社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，森林土壤是CO2、CH4、N2O等主要溫室氣體的源、匯之一[11]。我國(guó)亞熱帶森林里擁有世界上最大的亞熱帶常綠闊葉林，植被生產(chǎn)力高，固碳能力強(qiáng)，生物多樣性豐富，被公認(rèn)為是陸地上固碳潛力最大的區(qū)域之一。我國(guó)林地分布面積較廣[12]，森林覆蓋率為18.21%，人工林保存面積達(dá)到 0.63億hm2[13]，位居世界首位，約占據(jù)全球陸地人工林總面積的1/3。土壤中良好的環(huán)境能為氧化CH4的微生物生存提供條件，使其可以更好地吸收大氣中的CH4。土壤對(duì)CH4氧化吸收雖然只占總匯的5%，但土壤是己知唯一的CH4生物匯[14]，如果沒(méi)有它，大氣CH4濃度的增長(zhǎng)率將是現(xiàn)在的1.5倍[15]。我國(guó)對(duì)CH4排放的研究已有不少，但研究多集中在濕地、草地和農(nóng)田[710]。相對(duì)而言，森林土壤的CH4排放研究較少。因此，深入研究亞熱帶典型森林生態(tài)系統(tǒng)土壤CH4的排放、吸收不僅可為以地區(qū)尺度研究溫室氣體排放提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為研究降低CH4濃度的減排技術(shù)提供重要的理論依據(jù)，同時(shí)還對(duì)深入理解和掌握這一區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于人類活動(dòng)和環(huán)境變化的響應(yīng)有著重要意義，也查反映出森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于全球氣候變化所產(chǎn)生的影響。

本研究以莽山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)4種典型森林類型，闊葉混交林、常綠闊葉林、針闊混交林、山地矮林為研究對(duì)象，對(duì)四種森林類型土壤CH4通量進(jìn)行詳細(xì)觀測(cè)，比較研究4種森林類型土壤地表溫室氣體CH4通量特征，與相關(guān)環(huán)境因子的關(guān)系。旨在為CH4通量的觀測(cè)以及地區(qū)范圍內(nèi)溫室氣體的評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于湖南莽山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)（112°43′～ 113°0′E，24°53′～ 25°23′N）,屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，植被繁茂，樹(shù)種復(fù)雜，氣溫、降水的垂直變化明顯，作為湖南省東南部與廣東省北部的自然地理分界線以及珠江水系和長(zhǎng)江水系的分水嶺，我國(guó)的中亞熱帶和南亞熱帶也在此過(guò)渡，是南嶺山地森林及生物多樣性生態(tài)功能區(qū)的重要組成部分。由于莽山保護(hù)區(qū)地形復(fù)雜，森林氣候小氣候，常有不同小氣候變化，莽山年平均氣溫為17.2 ℃，在900 m以上的地帶，冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑。年均降水量為1 700 mm，降水主要集中在4—6月份。土壤類型為山地黃壤和黃棕壤，pH值為酸性。本研究選自研究區(qū)域內(nèi)主要的4種森林類型，常綠闊葉林、針闊混交林、闊葉混交林及山地矮林樣地的概況見(jiàn)表1。

表1 樣地概況Table 1 Sample plot survey

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在南嶺北麓常綠闊葉林（MS1300EG）、南嶺北麓闊葉混交林（NL1300EG）、南嶺北麓針闊混交林（MS1300ZK）和近山頂山地矮林（NL1700GS）4種森林類型中分別選取坡度等大致相同區(qū)域設(shè)置1個(gè)20 m×20 m的固定樣地，每個(gè)樣地都設(shè)置有6個(gè)采樣點(diǎn)，觀測(cè)4種林型土壤CH4通量，同時(shí)記錄其相關(guān)的環(huán)境因子數(shù)據(jù)。

2.2 樣品采集，CH4通量測(cè)定及計(jì)算方法

采用靜態(tài)箱-氣相色譜法觀測(cè)莽山保護(hù)區(qū)森林土壤CH4通量。取樣箱為圓柱體，由PVC材質(zhì)制作，由底箱和頂箱組合而成。其中上部分頂箱的半徑為20 cm，高度約40 cm，底座的高度約為15 cm，直徑略微大于頂箱，取樣時(shí)兩部分配套使用。在箱體外部貼有一層反光鋁箔，以避免陽(yáng)光直射對(duì)箱體內(nèi)部環(huán)境造成影響。頂箱上表面設(shè)有采氣孔及測(cè)溫裝置，取樣時(shí)則將底座和頂箱相扣，密封以形成密閉空間。在試驗(yàn)開(kāi)始前已提前將底箱埋入樣地土壤中數(shù)周，埋入深度約7 cm。

采樣于2015年1月至2015年12月的晴好天氣進(jìn)行。每月采樣2次，一般間隔為15 d，在特殊天氣情況時(shí)稍有變動(dòng)。每次取樣時(shí)間為上午9:00至11:00。氣樣采集時(shí)間為30 min，分別在取樣箱安置完畢后每隔10 min用10 mL硬質(zhì)玻璃真空管收取箱內(nèi)氣體樣品。采樣結(jié)束后靜態(tài)箱的底箱放置于原地不移動(dòng)，將靜態(tài)箱頂箱移開(kāi)以待下次取樣重新安置。試驗(yàn)采用10 mL真空玻璃管采集和存儲(chǔ)樣品，真空管氣密性良好且為一次性使用，能較為準(zhǔn)確便捷地獲取箱內(nèi)氣體。真空管在采樣中應(yīng)選擇無(wú)陽(yáng)光直射處使用和放置，避免溫度引起管內(nèi)氣體變化。將采集的氣體樣品帶回實(shí)驗(yàn)室用Agilent 7890B型氣相色譜儀進(jìn)行濃度分析。

溫室氣體濃度用氣相色譜測(cè)定，檢測(cè)器為ECD/FID檢測(cè)器，操作溫度分別為250 ℃和350 ℃，柱箱溫度為60 ℃，氣譜柱為填充柱，柱長(zhǎng)25 m，柱直徑為320 μm。柱前安裝捕集阱，去除載氣氣路循環(huán)中的氧氣水、有機(jī)物、二氧化碳和一氧化碳，有針對(duì)氮?dú)獾腞MSN-2和針對(duì)氫氣的RMSHY-2兩種模式。純氮?dú)庥米鱁CD的載氣，流速為2 mL·min-1并做ECD和FID檢測(cè)器的尾吹，氫氣流速為48 mL·min-1，空氣為燃燒氣，流速為500 mL·min-1。CH4使用FID檢測(cè)器，柱箱運(yùn)行溫度為60℃，F(xiàn)ID檢測(cè)器和ECD檢測(cè)器運(yùn)行溫度為300℃。高純氮?dú)?N2)為載氣，高純氫氣(H2)作為燃?xì)?，流量都?0 mL·min-1，干燥空氣為輔助氣且氣體流量為400 mL·min-1。氣體分析完成時(shí)間為8 min，CH4的出峰時(shí)間在0.85 min左右。在氣體濃度測(cè)定過(guò)程中，釆用標(biāo)氣（CH4的體積分?jǐn)?shù)為4.86 ppm）進(jìn)行外標(biāo)法校正。CH4通量計(jì)算公式為。

式中：F為CH4通量（μg·m-2h-1）；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CH4的密度；V為采樣用的靜態(tài)箱體積；A為靜態(tài)箱底部土壤的面積；P/P0為所在樣點(diǎn)的大氣壓和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的比值；T0/T為絕對(duì)溫度與采樣時(shí)的絕對(duì)溫度比值；dCt/dt為采集的CH4在單位時(shí)間內(nèi)濃度變化的斜率；F為正值時(shí)表示土壤排放CH4；F為負(fù)值時(shí)表示土壤吸收CH4。

2.3 相關(guān)環(huán)境因子分析

在采集氣體樣品時(shí)，同時(shí)用土壤溫濕度速測(cè)儀測(cè)定樣點(diǎn)附近土壤表層5～10 cm處溫度及含水率，并記錄樣點(diǎn)的氣溫、氣壓等。分別在樣地內(nèi)的6個(gè)樣點(diǎn)周圍蛇形布置5個(gè)采樣點(diǎn)，采用環(huán)刀采集5～10 cm土壤樣品后，將各樣點(diǎn)土壤混合?，F(xiàn)場(chǎng)采用四分法棄去多余的樣品，保留1 kg土壤樣品裝于自封袋中，寫(xiě)好標(biāo)簽，帶回實(shí)驗(yàn)室。將取回的土樣攤放在實(shí)驗(yàn)室，除去土壤中可見(jiàn)的動(dòng)、植物殘?bào)w及石塊等，讓其自然風(fēng)干。風(fēng)干后土樣過(guò)0.25 mm篩后供土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)使用重鉻酸鉀水合加熱法測(cè)定其土壤總有機(jī)碳（C）含量、半微量凱氏定氮法測(cè)定其全氮（N）含量和王水酸熔鉬銻抗比色法測(cè)定全磷（P）含量。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS18.0和Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、統(tǒng)計(jì)分析及制圖，用單因素方差（One-way ANOVA）分析比較4種森林類型土壤CH4通量的差異，分析土壤溫濕度、土壤總有機(jī)碳和全氮含量、全磷含量與土壤CH4通量的相關(guān)性，確定影響土壤CH4通量變化的主要因素。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同森林類型土壤CH4通量比較

根據(jù)分析，4種不同森林類型CH4通量有較為顯著的差異，從2015年1月到2015年12月，常綠闊葉林土壤CH4通量變化范圍是-48.8～39.0 μg·m-2h-1，全年通量平均值為 -5.9 μg·m-2h-1。針闊混交林土壤CH4通量變化范圍是-83.6～10.5 μg·m-2h-1，全年通量平均值為 -17.4 μg·m-2h-1。闊葉混交林土壤CH4通量變化范圍是-34.7～32.2 μg·m-2h-1， 全 年 通 量 平 均 值 為 -11.7 μg·m-2h-1。山地矮林土壤CH4通量變化范圍是-48.8～63.7 μg·m-2h-1，全年通量平均值為 -6.2 μg·m-2h-1（見(jiàn)圖1）。方差分析結(jié)果顯示：4種森林類型CH4通量之間的差異顯著（P＜0.01）。

3.2 不同森林類型土壤CH4通量時(shí)間變化

4種森林類型土壤CH4通量隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化有著一定的變化規(guī)律（見(jiàn)圖2）。4種林型在12月—翌年2月土壤CH4通量均為正，即森林土壤CH4呈排放狀態(tài)。除針闊混交林外，其他3種林型在3月份呈排放狀態(tài)。4種森林類型在4—11月土壤CH4通量均呈現(xiàn)吸收狀態(tài)。其中，南嶺北麓常綠闊葉林在4—6月期間CH4通量雖為均為吸收但呈現(xiàn)出不穩(wěn)定波動(dòng)，隨后在7—11月土壤CH4通量均為吸收并呈現(xiàn)規(guī)律的遞減趨勢(shì)，在11月份達(dá)到吸收峰值（-27.352 μg·m-2h-1），而后在12月份CH4通量又迅速增加呈現(xiàn)排放狀態(tài)（5.703 μg·m-2h-1）。南嶺北麓的闊葉混交林，除6月外其余各月均呈現(xiàn)穩(wěn)定吸收的狀態(tài)，6月為4—11月中吸收量最低（-12.976 μg·m-2h-1），9 月達(dá)到吸收峰值（-30.817 μg·m-2h-1）。位于海拔 1 705 m 的山地矮林4—11月期間各月CH4通量均為吸收狀態(tài)，其中4—5月、10—11月吸收量較小，6—9月吸收量較大，6月達(dá)到吸收峰值（-28.118 μg·m-2h-1）。針闊混交林4—11月期間呈極明顯的規(guī)律變化，3—5月通量逐步遞減，到5月達(dá)到全年的吸收峰值（-36.931 μg·m-2h-1）；5—11 月通量逐步遞增，到11 月吸收量為最低值（-0.033 μg·m-2h-1）。在 12—翌年3月期間，常綠闊葉林（28.726 μg·m-2h-1）、闊葉混交林（19.994 μg·m-2h-1）、山地矮林（25.327 μg·m-2h-1）2月的排放量為最高， 針闊混交林12月份的 CH4排放量最高（8.768 μg·m-2h-1）。從季節(jié)變化規(guī)律來(lái)說(shuō)（見(jiàn)圖4），春季（3—5月）常綠闊葉林土壤CH4通量較其他3種林型最高，平均為 -0.608 μg·m-2h-1，針闊混交林最低，平均為-27.877 μg·m-2h-1；夏季（6—8 月）針闊混交林通量想比春季變化不大，其他3種林型相比春季均有不同程度的降低，其中山地矮林降幅較大，平均下降為 -23.154 μg·m-2h-1；秋季（9—11 月）為 4種林型CH4通量由低到高的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，4種林型CH4通量季平均值在秋季均趨于平穩(wěn)；冬季（12—翌年2月）各林型均呈明顯排放狀態(tài)，其中山地矮林最高，平均為18.427 μg·m-2h-1，針闊混交林最低，平均為 6.522 μg·m-2h-1。

圖1 4種林型CH4通量月動(dòng)態(tài)變化Fig. 1 Monthly dynamic changes of CH4 flux for four forests

圖2 4種林型CH4通量月均值Fig. 2 Mean CH4 flux of month

3.3 相關(guān)因子對(duì)CH4通量的影響

3.3.1 土壤溫度和含水率對(duì)森林土壤CH4通量的影響

土壤溫度作為對(duì)CH4通量具有重要影響的因子，與CH4通量有著很大的相關(guān)性，在對(duì)地表下10 cm處的土壤溫度與土壤CH4通量的相關(guān)性分析結(jié)果（見(jiàn)表2）表明，4種林型的土壤CH4通量與地表下10 cm處的土壤溫度均呈極顯著負(fù)相關(guān)，可以看出隨著溫度的升高，4種林型對(duì)CH4的匯都有明顯增強(qiáng)。由圖3可知，在一定溫度變化范圍里，溫度升高會(huì)促進(jìn)CH4的吸收，這是因?yàn)橥寥罍囟鹊脑黾?。使得土壤微生物活性增?qiáng)。4種林型在0～25℃范圍內(nèi)，土壤溫度對(duì)CH4的吸收都有顯著影響，這與相關(guān)研究得出的0～10℃森林土壤CH4通量隨溫增加而減少而在10～20℃時(shí)不隨溫度變化的結(jié)論不完全一致[16]。土壤CH4通量在12—翌年2月份均呈現(xiàn)排放，除針闊混交林外，其他3種林型在3月份也呈排放狀態(tài)，針闊混交林在3月達(dá)到全年吸收的最低值，與溫度數(shù)值保持一致。針闊混交林在春夏季的CH4通量隨土壤溫度的變化不大，其余3種林型在春夏季均隨土壤溫度的升高土壤CH4通量有所降低，秋冬季4種林型CH4通量隨溫度的變化趨勢(shì)相似（見(jiàn)圖4）。4種林型之間土壤含水率差異顯著（P＜0.05），通過(guò)多重比較發(fā)現(xiàn)山地矮林與其他3種林型含水率差異顯著，其他3種林型含水率均無(wú)顯著差異。通過(guò)（見(jiàn)圖5）分析，山地矮林較其他3種林型含水率最高，但四季變化不明顯。除針闊混交林外，其他3種林型含水率與土壤CH4通量均無(wú)相關(guān)性（見(jiàn)表2）。針闊混交林土壤甲烷通量與土壤含水率顯著相關(guān)（P＜0.01），可以看出針闊混交林含水率春夏季較高，秋冬季較低。這與針闊混交林全年CH4通量的變化規(guī)律相合。

表2 4種林型CH4通量與土壤溫度及含水率的相關(guān)系數(shù)?Table 2 Relationship coefficient between CH4 flux and soil temperature or moisture content

圖3 4種林型土壤CH4通量與土壤溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between soil CH4 flux and soil temperature in four forest types

3.3.2 甲烷通量與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

土壤有機(jī)碳是土壤中甲烷氧化菌和產(chǎn)甲烷菌等微生物生長(zhǎng)的有效基質(zhì)，其含量能很大程度上影響微生物的活性，從而影響CH4排放[19]。土壤N素對(duì)土壤CH4的氧化具有很顯著的作用，在森林中有報(bào)道土壤N對(duì)土壤氧化CH4具有很強(qiáng)的抑制作用[20-21]。磷作為微生物生長(zhǎng)、繁殖、生物活動(dòng)的主要礦質(zhì)元素之一，對(duì)土壤中甲烷氧化菌和產(chǎn)甲烷菌也有相對(duì)較大的影響。在對(duì)4種林型CH4通量與土壤有機(jī)碳、土壤全N和土壤全P的相關(guān)分析（見(jiàn)表3）中，4種林型CH4通量與土壤全N顯著正相關(guān)，其中針闊混交林相關(guān)性極顯著；常綠闊葉林CH4通量與土壤有機(jī)C顯著負(fù)相關(guān)，其余3種林型與土壤有機(jī)C相關(guān)性不顯著；山地矮林與土壤全P顯著正相關(guān)，其余3種林型與土壤全P相關(guān)性不顯著。

圖4 4種林型土壤CH4通量與土壤溫度季變化動(dòng)態(tài)Fig.4 Seasonal dynamics of CH4 flux and soil temperature in four forest types

圖5 4種林型土壤CH4通量與土壤含水率季變化動(dòng)態(tài)Fig.5 Dynamic changes of CH4 flux and soil moisture content in four forest types

表3 4種林型土壤CH4通量與土壤有機(jī)C、土壤全N、土壤全P的關(guān)系Table 3 Relationship between soil CH4 flux and soil organic C, soil total N and soil P in four forest types

4 討 論

土壤CH4的排放和吸收是一個(gè)非常復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程，其影響因子非常多。在森林土壤中，CH4通量主要由兩方面的生物過(guò)程決定的，甲烷細(xì)菌產(chǎn)生排放甲烷以及甲烷氧化菌氧化甲烷。兩個(gè)過(guò)程交互作用，最終體現(xiàn)為森林土壤甲烷通量值[17-18]。甲烷在土壤中的主要來(lái)源是在產(chǎn)甲烷菌的作用，對(duì)土壤中含有甲基的物質(zhì)脫甲基作用，一般反應(yīng)式為CH3COO-+H2O→CH4+HCO3-，以此來(lái)源的甲烷占土壤來(lái)源的70%[22]。CH4氧化的過(guò)程一般是甲烷(CH4)→甲醇(CH3OH)→甲醛(HCHO)→甲酸(HCOOH)→二氧化碳 (CO2)，當(dāng)CH4被氧化為CO2增溫潛勢(shì)大大減弱[23]，在土壤微生物氧化CH4的過(guò)程中大部分的CH4-C被微生物轉(zhuǎn)化為生物量而非

4種林型均為大氣中CH4的匯，其中針闊混交林為4種林型中對(duì)CH4吸收能力最強(qiáng)的林型。4種林型對(duì)CH4吸收總體能力為：針闊混交林＞闊葉混交林＞山地矮林＞常綠闊葉林。這與相關(guān)研究的結(jié)論一致[25]。常綠闊葉林和闊葉混交林中CH4通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于針闊混交林，針闊混交林中甲烷氧化菌數(shù)量較多可能是造成這一現(xiàn)象的主要原因[26]。4種林型都呈現(xiàn)出一定的季節(jié)變化規(guī)律，冬季均呈現(xiàn)排放狀態(tài)，春、夏、秋三季均呈現(xiàn)不同的吸收狀態(tài)與肖冬梅等[27]的研究結(jié)果一致。

4種林型CH4通量與土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，這與甲烷氧化菌的活性有一定關(guān)系，因?yàn)槎鄶?shù)甲烷氧化菌為中溫型微生物，過(guò)高或過(guò)低的土壤溫度都會(huì)極大地影響甲烷氧化菌的氧化作用[27]，從而影響通量的大小。針闊混交林春、夏兩季CH4通量變化不大，但夏季土壤溫度比春季秋季高，很可能是因?yàn)楫?dāng)大氣中CH4和O2擴(kuò)散進(jìn)入與土壤CH4和 O2消耗的速率相同時(shí)的土壤溫度就是CH4氧化的最佳溫度。當(dāng)?shù)販馗哂谧罴褱囟葧r(shí)，由于CH4氧化菌難以與利用O2，能力更強(qiáng)的硝化細(xì)菌和其它微生物競(jìng)爭(zhēng)利用土壤空氣中的O2，使得土壤中 CH4氧化菌的繁殖和活性降低[28]，土壤氧化甲烷的能力也有所下降。

甲烷氧化菌的活性通常受氧的有效性限制[29]。甲烷氧化菌氧化CH4的能力一般超過(guò) CH4由大氣向土壤中擴(kuò)散的潛力[30]，所以土壤中含水率對(duì)CH4通量的影響也很大。在本研究中，除針闊混交林外其他3種林型與土壤含水率的關(guān)系均不大，可能是因?yàn)闅怏w在氣相中和液相中擴(kuò)散的速度不同，在氣相中要快得多。濕度影響微生物的活性，濕度低時(shí)微生物活性較低，降低了CH4的氧化。土壤濕度較低時(shí)，土壤 CH4吸收率隨土壤濕度增加而上升。 當(dāng)土壤濕度超一定量后，由于大氣CH4和O2向土壤中擴(kuò)散受阻，甲烷氧化菌活性開(kāi)始下降[31]，土壤 CH4的吸收率隨土壤濕度增加而降低。4種林型的土壤CH4通量與土壤全顯著正相關(guān)，這與有關(guān)報(bào)道土壤N抑制甲烷氧化菌的吸收能力結(jié)果一致[32]。森林類型也是影響土壤CH4通量主要原因，不同植被類型對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收能力不同也是影響土壤氧化的重要原因[33]。

本研究持續(xù)時(shí)間為1 a，時(shí)間較短，無(wú)法對(duì)大的時(shí)間和空間尺度上森林CH4吸收的生物學(xué)機(jī)理、生態(tài)學(xué)機(jī)制形成系統(tǒng)完備的認(rèn)識(shí)。土壤CH4通量與土壤有機(jī)C、土壤全P沒(méi)有顯著相關(guān)性，主要原因可能是樣點(diǎn)分布在海拔1 300 m以上的山區(qū)，氣候多變，沒(méi)有明顯的季節(jié)差異，秋冬季時(shí)常有逆溫現(xiàn)象影響了植物的生長(zhǎng)周期，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分沒(méi)有明顯差異。對(duì)森林CH4通量的估算、對(duì)其進(jìn)行機(jī)理分析以及研究各種影響因子的作用，是預(yù)測(cè)溫室效應(yīng)趨勢(shì)和調(diào)節(jié)CH4匯強(qiáng)度的基礎(chǔ)。由于不同的森林類型、不同地區(qū)、不同氣候的差異，需要更為大量的檢測(cè)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)。森林類型與地表溫度間的交互作用對(duì)CH4通量有顯著影響，可以看出CH4通量的變化受到多種因子共同影響，對(duì)于不同尺度的CH4通量變化機(jī)理有待進(jìn)一步深入研究。

5 結(jié) 論

（1）4種森林類型土壤CH4通量均表現(xiàn)出一定的月份及季節(jié)動(dòng)態(tài)變化，且存在顯著性差異（P＜0.01），總體均表現(xiàn)為CH4的匯。

（2）4種林型土壤CH4通量與土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），針闊混交林與土壤含水率顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），但其他3種林型與土壤含水率關(guān)系不顯著。

（3）甲烷通量對(duì)土壤養(yǎng)分的響應(yīng)出現(xiàn)分異：山地矮林甲烷通量與土壤全氮、全磷呈顯著正相關(guān)（P＜0.01）；常綠闊葉林甲烷通量與土壤有機(jī)碳呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與土壤全氮顯著正相關(guān)（P＜0.01），其他2種森林類型甲烷通量均與全氮呈顯著正相關(guān)（P＜0.01），土壤全氮是影響莽山地區(qū)4種森林類型甲烷通量的主要因素。

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[本文編校：謝榮秀]

Methane fluxes and the effective factors of four forests in Mangshan, Hunan province

ZHANG Qiang1,2, SHEN Yan1,2, HAN Tianyu1,2, GOU Mengmeng1,2
(1. College of Life Science and Technology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China;2. National Engineering Laboratory for Applied Technology of Forestry and Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China)

Seasonal dynamics of CH4flux and its controlling factors for four representative forests were examined with a static closed chamber-gas chromatograph technique in Mangshan, Hunan province. These forests were evergreen broad-leaved forest, deciduous broad-leaved mixed forest, theropencedrymion and montone low brsh. The results showed that all forest was sink of CH4during the growing season. The CH4flux decreased in order of the broad-leaved forest (-10.290 9±9.900 5 μg·m-2h-1)＞ montone low brsh (-14.175 8±11.559 0 μg·m-2h-1) ＞ broad-leaved mixed forest (-17.115 5±11.074 8 μg·m-2h-1) ＞ theropencedrymion (-23.700 2±10.484 7 μg·m-2h-1). Except for theropencedrymion, soil moisture content could not affect CH4flux. Soil temperature could significantly affect CH4flux. However, the responses of CH4flux to soil nutrient differed among the forests. The CH4flux for the montone low brsh were positively correlated to soil total nitrogen and phosphorus, The CH4flux for the evergreen broad-leaved forest were negatively correlated to soil organic, but positively correlated to soil total nitrogen. As for the other forests, the CH4flux were significantly related to total nitrogen. Thus, soil temperature and total nitrogen were the main factors to affect the CH4flux for four forests in Nanling area.

CH4flux; soil temperature; soil moisture content; soil nutrient

S714.2

A

1673-923X(2017)09-0104-08

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.09.018

2016-10-17

國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目（2013DFA32190）

張 強(qiáng)，碩士研究生

沈 燕，副教授；E-mail：13873340123@163.com

張 強(qiáng)，沈 燕，韓天宇，等. 湖南莽山4種林型甲烷通量及其影響因子[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2017,37(9):104-111.