大兴安岭重度火烧迹地植被恢复过程中甲烷通量及其影响因素

曹 杰，梁东哲，赵雨森，辛 颖

(东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

温室气体是近十几年来全球一直共同关注的重要问题，研究表明，大气中的CH4和CO2是温室气体最主要的成分，它们对全球气候变暖的贡献分别为23%和70%[1]。由于工业发展，近年来CH4成为继 CO2之后影响最大的温室气体。陆地生态系统中通气状况良好的土壤是甲烷最大的吸收汇，森林土壤是其中最大的甲烷的汇[2]。我国对CH4排放的研究多集中在湿地、草地和农田[3-7]。没有被人为开垦利用的土壤对大气甲烷更表现为汇，对生态系统环境研究是一个很好的典型区[8]。森林生态系统作为主要温室气体的汇之一，成为全球碳循环的研究热点。

大兴安岭林区是我国北方森林典型分布区，具有重要的生态地位和作用。由于地理环境和气候因素的特性，它也是我国森林火灾的多发区。特别是1987年特大森林火灾使上百万公顷林地受害，严重改变了森林生态环境，形成了大面积的重度火烧迹地，很大程度上影响着该生态系统的碳平衡[9]。本研究以大兴安岭重度火烧迹地上不同恢复年限的兴安落叶松(Larixgmelinii)人工林土壤为对象，采取时空替代法，运用静态箱-气相色谱分析方法，研究重度火烧迹地在植被恢复过程中CH4通量特征及其影响因素。对我国火烧森林生态系统植被恢复过程中碳源汇数据进行补充，为大兴安岭森林生态系统在碳汇中的作用提供科学理论依据。

1 研究区概况

研究区位于大兴安岭地区林业管理局阿木尔林业局，该局在1987年遭受了重度火烧，形成了大面积的重度火烧迹地。地理位置52°15′03″-53°33′15″N，122°38′30″-124°05′05″E，海拔248～1 397 m。年平均降水400～500 mm，年平均气温-5℃左右，平均气温在0℃以下的月份长达8个月。属寒温带大陆性气候，全年无霜期90 d左右，昼夜温差大。冬季寒冷而漫长，夏季短暂、降水集中，70%以上降水集中在7、8月。南部山地受地形影响，小气候变化多端。土壤以棕色针叶林土为主，地带性植被类型为寒温带针叶林。阿木尔林业局为中低丘陵区，森林覆盖度大，空气湿度大，山地有林地相对湿度大于无林地河谷平原，年平均相对湿度60%左右。地带性植被类型为寒温带针叶林，主要乔木树种有落叶松、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、白桦(Betulaplatyphylla)和山杨(Populusdavidiana)等；灌木种类主要有杜香(Ledumpalustre)、越橘(Vacciniumvitis-idaea)、刺玫(Rosadavurica)、兴安杜鹃(Rhododendrondauricum)和胡枝子(Lespedezabicolor)等；草本有鹿蹄草(Pyrolacalliantha)、小叶章(Deyeuxiaangustifolia)和蚊子草(Filipendulapalmata)等[10]。

2 研究方法

2.1 样地选择

1987年大兴安岭阿木尔林业局发生了特大森林火灾，遗留了大面积的重度火烧迹地，灾后重建陆续种植了大量的兴安落叶松人工林。2017年5月中旬，通过实地踏查，选取重度火烧迹地上分别恢复了7、17、20 a和28 a的兴安落叶松人工林为对象，以天然更新林分为对照，选择具有典型代表性且立地条件基本一致的林分。各林分内均按照品字型的设置方法分别设置3个大小为20 m×30 m的标准样地。所选样地火烧前均为兴安落叶松林(表1)。重度火烧迹地在人工造林后，连续3 a进行抚育，之后再未受到人为活动干扰。在每个林分内重复设置3个静态箱。

表1 样地基本概况Table 1 Basic situations of sample plots

2.2 样品采集与测定

采用静态箱-气相色谱法，静态箱是由底座和顶箱组成，顶箱规格为50 cm×50 cm×50 cm，箱上设有采气孔、测温装置，箱内顶部安装电扇保证箱内气体浓度平衡，外部包裹2 cm厚的保温隔板。底座规格为50 cm×50 cm×25 cm，底座上部设有水槽，用于取样时注水加以密封。在采集样品前3周将静态箱底座埋入采样点，保证底座水平，整个观测期间不再移动。

2017年6月初至2017年9月末，每月的上、中、下旬均进行1次原位观测，在每个采样日9:00-11:00采集气体样品。9:00-11:00观测获得的土壤气体通量值可用于代表当日气体通量[11-12]。盖上静态箱顶箱加水密封后，从0 min开始每隔10 min采集1次气体样品，共4次。用100 mL医用注射器经三通阀采集气体，注入500 mL铝箔防光照气体采样袋，并用冰袋和保温箱进行低温储存，采用Agilent 7890B气相色谱仪进行甲烷浓度分析。每次采集气体样品同时，使用土壤温度水分记录仪(路格L99-TWS-1)在静态箱附近测定土壤表层湿度和温度，使用手持大气温湿度测定仪器测定大气温湿度。

2.3 CH4通量计算

CH4通量按下式计算：

(1)

式中，F为CH4气体通量/(μg·m-2·h-1)；ρ为标准状态下CH4气体的密度/(kg·m-3)；V为静态箱的体积/m3；A为静态箱底部面积/m2，P为采样时实际大气压/Pa；P0为标准大气压/Pa；T0为绝对温度/℉；T为采样时静态箱内的温度/℉；dct/dt为CH4气体浓度随时间变化的回归曲线斜率(R2≥0.9视为有效)；F为正值时表示土壤排放CH4，F为负值时表示土壤吸收CH4[13]。

2.4 数据处理

采用SPSS18.0、Excel 2010、WPS等数据分析软件进行数据分析和图表制作。使用单因素方差分析法进行方差分析。使用SPSS软件计算土壤温度、土壤湿度、大气温度、大气湿度与土壤CH4通量之间的相关性。

3 结果与分析

3.1 植被恢复过程中CH4通量动态变化规律

在生长季期间，林分土壤CH4通量均呈现吸收状态(图1)。恢复28 a和20 a兴安落叶松人工林及天然次生林土壤CH4通量均呈现先递增后递减的吸收状态，恢复28 a的兴安落叶松人工林CH4气体通量的平均吸收量的峰值(95.993 μg·m-2·h-1)在7月，恢复20 a的兴安落叶松人工林(85.356 μg·m-2·h-1)和天然次生林(99.935 μg·m-2·h-1)在8月达到CH4平均吸收量峰值。恢复17 a的兴安落叶松人工林土壤CH4通量是先递减后递增的吸收状态，7月的平均吸收量最低为41.367 μg·m-2·h-1，9月达到峰值为55.946 μg·m-2·h-1。恢复7 a的兴安落叶松人工林呈现双波峰的变化规律，7月最高的日平均吸收量为66.512 2 μg·m-2·h-1。在生长季期间，恢复28 a的兴安落叶松人工林CH4气体通量日平均吸收量高于恢复20、7 a和17 a，而介于恢复20 a和28 a的兴安落叶松人工林之间。

图1 植被恢复过程中CH4通量日均值Fig.1 Daily mean values of CH4 flux during vegetation restoration

在生长季，恢复了7、17、20 a和28 a的兴安落叶松人工林土壤CH4通量的日平均值分别为-59.626、-49.886、-64.899 μg·m-2·h-1和-81.400 μg·m-2·h-1，CH4通量变化范围分别是-87.603～-35.687、-67.093～-22.047、-136.100～-2.347 μg·m-2·h-1和-138.599～-55.832 μg·m-2·h-1。天然恢复30 a的天然次生林土壤CH4通量在生长季期间的日平均值为-68.691 μg·m-2·h-1，CH4通量变化范围是-117.090～-12.346 μg·m-2·h-1。通过估算生长季期间各林分的CH4吸收总量，得出恢复了7、17、20 a和28 a的兴安落叶松人工林每个生长季CH4吸收总量分别为174.583、146.066、196.025 mg·m-2和238.340 mg·m-2，天然次生林CH4吸收总量为201.128 mg·m-2。

由图2可见，在生长季期间，恢复28 a和7 a的落叶松人工林CH4通量7月最高，天然次生林和恢复20 a的落叶松人工林CH4通量8月最高，恢复17 a的落叶松人工林CH4通量为9月最高。

图2 植被恢复过程中CH4通量月均值Fig.2 Monthly mean CH4 flux during vegetation restoration

由表2可见，重度火烧迹地在植被恢复过程中，不同恢复年限兴安落叶松人工林地土壤CH4通量存在显著差异性(P=0.024<0.05)。其中恢复17 a与28 a兴安落叶松人工林土壤CH4通量存在显著差异(P=0.001<0.05)，与天然次生林土壤CH4通量也存在差异性(P=0.03<0.05)。恢复7 a和28 a兴安落叶松人工林土壤CH4通量存在显著差异(P=0.034<0.05)。

表2 植被恢复过程中CH4通量的显著性Table 2 Significance of CH4 flux during vegetation restoration

3.2 土壤温湿度与CH4通量之间的关系

3.2.1 土壤温度与CH4通量之间的关系 研究区土壤温度与土壤CH4通量之间具有较为显著的相关性。恢复了7、17、20、28 a的兴安落叶松人工林和天然次生林土壤CH4通量在生长季期间随土壤温度升高而增大，随土壤温度下降而减少的趋势，土壤温度对土壤CH4通量具有显著的影响。林地表层土壤温度(0～5 cm)与土壤CH4通量的相关性分析结果表明(表3)，大兴安岭重度火烧迹地在植被恢复过程中，恢复了7、20、28 a的兴安落叶松人工林和天然次生林林地土壤CH4通量与0～5 cm土层的土壤温度呈现显著的正相关性。恢复了17 a的兴安落叶松人工林土壤CH4通量与0～5 cm土层的土壤温度呈现负相关(图3)。

图3 土壤温度与土壤CH4通量的关系Fig.3 Relationship between soil temperature and CH4 flux

3.2.2 土壤湿度与CH4通量之间的关系 在生长季期间，土壤湿度对CH4通量的影响并不是很显著，其中恢复28 a、20 a兴安落叶松人工林和天然次生林的土壤CH4通量与土壤湿度之间的相关性不显著。恢复7 a和17 a兴安落叶松人工林土壤CH4通量与土壤湿度之间的相关性显著(表3)。

3.3 大气温湿度与CH4通量之间的关系

由表3可知，大气温度、大气湿度对土壤CH4通量的吸收没有较大的影响。大气温度与土壤CH4通量相关性分析结果表明，重度火烧迹地植被恢复过程中林分土壤CH4通量与大气温度的相关性不显著。大气湿度与恢复28 a兴安落叶松人工林土壤CH4通量呈现显著的负相关，恢复28 a和17 a兴安落叶松人工林之间呈现显著的正相关。天然次生林、恢复20 a和7 a兴安落叶松人工林土壤CH4通量与大气湿度之间不存在显著的相关性。

表3 土壤CH4通量与相关因子之间的相关性Table 3 Correlation between CH4 flux and related factors in soil

4 结论与讨论

4.1 结论

通过对大兴安岭重度火烧迹地上不同恢复年限的兴安落叶松人工林以及天然恢复的天然次生林土壤CH4通量的动态变化及其影响因子的研究发现，在生长季(6月初至9月末)，大兴安岭地区重度火烧迹地经过植被恢复后均为CH4的汇。植被恢复年限越长吸收CH4的总量越大，恢复28 a的兴安落叶松人工林土壤对CH4的吸收超过了天然次生林。

重度火烧迹地在植被恢复过程中土壤CH4通量与土壤温度之间存在显著的相关性(P<0.05)。恢复7 a和17 a兴安落叶松人工林土壤CH4通量与土壤湿度显著相关(P<0.05)，恢复年限在20 a以上的兴安落叶松人工林土壤CH4通量与土壤湿度不相关。

在大兴安岭地区，重度火烧迹地植被恢复过程中大气温度不是影响土壤CH4通量的主要因子，与土壤CH4通量之间不存在显著的相关性。大气湿度则与恢复28 a和17 a兴安落叶松人工林土壤CH4通量之间呈现显著的负相关(P<0.05)。

4.2 讨论

4.2.1 CH4通量变化动态 在生长期间不同恢复年限的兴安落叶松人工林和天然次生林CH4通量均为负值，表明大兴安岭重度火烧迹地经过植被恢复后，发挥了森林对甲烷气体碳汇的作用。而有研究表明，CH4的排放现象都出现在非生长季，这一时期土温较低，甲烷氧化菌的活性可能受到影响，进而甲烷的氧化过程有可能受到抑制[14]。生长期间由于适宜的土壤温度和环境为甲烷氧化菌提供了较好的生存环境，进而促进了甲烷的氧化过程。恢复年限对CH4的吸收具有一定的影响，碳汇能力表现为恢复28 a的>恢复20 a的>恢复7 a的>恢复17 a的兴安落叶松人工林。在生长期间(6-9月)，恢复7、17、20 a和28 a的兴安落叶松人工林每个生长季CH4吸收总量分别为174.583、146.006、190.025 mg·m-2和238.340 mg·m-2，其中恢复28 a的兴安落叶松人工林对CH4吸收能力最强。由于土壤CH4的吸收主要来源于土壤中微生物的活动，恢复年限越长的林分，其林分结构越趋于稳定，土壤中的微生物能得到更好的生存环境。良好稳定的土壤环境和林分结构使得不同恢复年限的人工林呈现出恢复年限越长土壤CH4碳汇能力越强的趋势。对比兴安落叶松人工林和天然次生林，由于恢复方式的不同，人工林和天然次生林林分结构有很大的区别。天然次生林的枯枝落叶层中阔叶比例更多，更易于分解，为土壤微生物提供适宜的环境。研究可知人工恢复20 a的兴安落叶松人工林每个生长季CH4吸收总量逐渐接近天然恢复的天然次生林(201.128 mg·m-2)，人工恢复了28 a的兴安落叶松人工林CH4吸收总量已经超过了天然次生林。

4.2.2 土壤温湿度对与CH4通量之间的关系 在大兴安岭地区土壤温度是影响土壤CH4通量的一个重要因素。有研究表明，影响土壤CH4通量的主要因子是土壤中甲烷氧化菌这一类型的土壤微生物活性[15]。土壤表层作为绝大多数土壤微生物的活动区域，是微生物生存繁衍的重要场所。甲烷氧化菌等与吸收甲烷相关的微生物生存繁衍需要良好的土壤环境，所以森林土壤适宜的温度和湿度会促进土壤对CH4的吸收。本研究表明，土壤温度在一定范围内时，土壤中微生物的活性会随温度的变化而变化，进而影响土壤CH4通量的变化，土壤温度与土壤CH4通量之间的相关性是较高的。生长季期间，大兴安岭重度火烧迹地在植被恢复过程中，土壤CH4通量与土壤温度之间就存在显著的负相关(P<0.05)。可能是因为土壤温度的升高加快了土壤中有机质的分解，使得土壤的含氧量升高，适宜的温度和养分给甲烷氧化菌提供良好的生存环境，在增加菌群数量的同时也加强了微生物的活性，对微生物的生长及相关酶的合成具有重要的刺激作用，对土壤表层的气体传输过程也有很大的影响[16]。还有学者利用线性回归模型讨论了各林分土壤CH4氧化速率与土壤相关性表明，土壤CH4氧化速率与土壤温度因林分和土壤深度而异[17]。有研究表明，甲烷氧化菌的活性通常受氧的有效性限制[18]。

土壤水分是土壤温室气体重要的环境影响因子之一，但有研究表明土壤含水量与土壤甲烷吸收二者之间的关系不显著[19]。土壤CH4通量可能会因为土壤湿度的不同而受到抑制或者促进作用。研究中重度火烧迹地在人工恢复到7 a和17 a时，兴安落叶松人工林土壤CH4通量与土壤湿度之间的相关性是显著的(P<0.05)，恢复到20 a以上林地土壤CH4通量与土壤湿度之间不存在相关性。这可能是由于林龄的差异和森林小气候的不同导致的。由于在研究区生长季期间降雨较为集中，样地之间土壤湿度差异不大，在各种因子的协同作用下导致土壤湿度对CH4通量的变化并没有起到关键的影响。

4.2.3 大气温湿度与CH4通量之间的关系 大兴安岭地区重度火烧迹地在植被恢复过程中，大气温度与土壤CH4通量之间不存在显著的相关性，它不是影响土壤CH4通量的主要影响因子。这是由于大气温度并没有直接影响土壤中微生物的活动，影响土壤微生物的关键因子为土壤温度。虽然大气温度与土壤温度之间具有一定的相关性，但其变化规律则与产甲烷菌和甲烷氧化菌的活性没有直接的相关性。

有研究表明，土壤CH4通量与相对湿度之间存在显著的线性拟合关系并表现出随湿度的增加而减少的关系[20]；而又有研究发现在荒漠草地、胡杨林地CH4通量与相对湿度之间并无显著的相关性[21]。这主要是由于研究区域的地形特征、气候特征以及植被类型等多方面因素造成的差异。也有研究表明，近地表CH4浓度会随着空气湿度的增加呈现先降低后升高的变化趋势[22]，但没有说明土壤中CH4浓度是否也会呈现相关的变化趋势。而由于北方森林小气候的原因，空气中的湿度随早晚温差的变化较大，而且空气湿度与当天是否有降雨也有直接的关系，没有直接影响土壤CH4通量的变化。因此，在大兴安岭地区重度火烧迹地恢复到现阶段的过程中，大气湿度并不是影响土壤中CH4通量的变化主要因子。