王 瑶，沈 燕，张 强，黄志宏，张宇鸿，凌 威

（中南林业科技大学 生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004）

南岭三种主要森林类型土壤甲烷通量研究

王 瑶，沈 燕，张 强，黄志宏，张宇鸿，凌 威

（中南林业科技大学 生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004）

为对亚热带森林生态系统中土壤甲烷通量的研究提供基础数据，以南岭典型森林生态系统中常绿阔叶林（EG）、针阔混交林（EK）、山地矮林（GS）3 种主要森林类型土壤为研究对象，利用地理位置的特殊性分别对南、北坡森林土壤的甲烷通量进行研究，利用静态箱法模拟试验，对土壤 CH4通量及其影响因子的响应进行研究。结果表明:森林土壤甲烷通量变化是多种因素共同影响的结果,不同类型的森林，其土壤对甲烷的吸收和排放有着不同表现；南岭南、北坡均表现为甲烷汇，整体上年均甲烷通量排序为 EG＞GS＞EK，分别为 -4.326 ug/（m2·h）、-6.025 ug/（m2·h）和 -15.406 ug/（m2·h）。3 种主要森林类型土壤甲烷通量均存在着明显的季节（月）动态变化，森林类型和月份对土壤甲烷通量影响均显著。土壤地表温度对土壤甲烷通量有显著影响，但不是影响土壤甲烷通量的主控因子。土壤湿度对不同森林类型土壤甲烷通量均有显著影响。

森林类型；土壤甲烷通量；甲烷的吸收和排放；环境因子

由温室气体引起的温室效应典型的环境问题一直是我们所关注的问题。作为重要的大气甲烷汇，森林土壤甲烷通量及其相关生态过程的研究无疑已是全球变化生态学研究的热点和前沿之一。第七次全国森林资源清查结果显示：全国森林面积 1.95 亿 hm2，森林覆盖率 20.36%，森林蓄积量 137.21 亿 m3；人工林保存面积 0.62 亿 hm2，蓄积量 19.61 亿 m3；森林植被总碳储 78.11 亿 t，年生态服务功能价值 10.01 万亿元。我国森林面积居俄罗斯、巴西、加拿大、美国之后，列第 5 位；森林蓄积量居巴西、俄罗斯、加拿大、美国、刚果之后，列第 6 位；人工林面积继续位居世界首位［1］。近些年来，我国从不同区域、不同土地利用方式、不同人工林等方面对森林土壤甲烷通量进行了研究［2-4］。南岭自然保护区作为我国亚热带森林最为典型的代表区，是研究亚热带森林生态功能的适宜区域。本研究以南岭自然保护区中常绿阔叶林、针阔混交林和山地矮林等 3 种主要森林类型的土壤为研究对象，研究其土壤甲烷通量，以为亚热带森林生态系统中甲烷通量的研究提供参考。

1 研究区概况

研究区位于南岭山脉中段的南岭自然保护区，地处 110—116° E，24—26° N。该保护区分为南坡广东南岭自然保护区和北坡湖南莽山自然保护区，属于森林生态类型自然保护区，主要保护对象是亚热带常绿阔叶林和珍稀濒危野生动植物及其栖息地。该区气候属于典型的亚热带温湿气候，兼具亚热带季风气候特征，因其地势较高，又兼具山地气候特色。历史最高气温 34.4 ℃，最低气温 -4 ℃；年平均气温 17.7 ℃。冬季霜期较长，最长可达 100 天；年均降雪日 10 天，山顶伴有结冰，中山云雾多，日照率 40%。降水量充沛，年平均达 1 705 mm，最高年份可达 2 495 mm；降雨多集中在 3—8 月，年相对湿度 84%。湖南莽山国家级自然保护区地处 112—113° E，24—25° N，；位于湖南省宜章县南部，主要保护对象是典型南岭植物区系的原生型常绿阔叶林生态系统、生物多样性及珠江支流北江源头自然生态环境。该区的原生型常绿阔叶林是我国东南部常绿阔叶林的典型代表，也是世界同纬度地区的宝贵自然遗产，是我国冬季有冰雪的最南地区之一。该区山高林密，具有优越的山地森林气候条件，其气候属于中亚热带湿润气候，年均气温 17.2 ℃，7 月平均气温 22.7 ℃，1 月平均气温 5.2 ℃，极端最高气温 36.2 ℃，极端最低气温 -9.8 ℃；气温随海拔升高而降低，但冬季在海拔 1 200～1 900 m 区间常出现逆温现象；年降雨量 1 710～2 557 mm。南岭是我国亚热带常绿阔叶林的中心地带，是珠江流域极为重要的生态屏障，是我国亚热带森林最为典型的代表区，是重要的植物资源库和基因库，其植物群落以壳斗科（Fagaceae）、樟科（Lauraceae）、山茶科（Theaceae）、杜鹃花科（Ericaceae）等植物为表征成分。这些科的植物在群落构成中优势明显，群落的物种组成以常绿木本植物为主体，具有亚热带常绿阔叶林的典型特征。

2 研究方法

2.1 样点设置

在南岭南坡（NL）广东南岭自然保护区和北坡（MS）湖南莽山自然保护区内沿着海拔梯度分别选择常绿阔叶林（EG）、针阔叶混交林（EK）、山地矮林（GS）等 3 个森林典型生态系统，按照森林类型、坡度、坡向共布设了 7 个样点（见表 1）。对南岭南、北坡包括大气月平均温度、平均湿度和总降雨量以及土壤地温、湿度等基础数据进行监测。

表1 样点设置Tab.1 Sample settings

2.2 CH4 样品采集与分析

2015 年 1—12 月，选择无降水天的上午采集气体样品，每间隔 5 min 采集 1 次；采集时间为 1.5 min，连续采集 4 次。使用 10 ml 真空玻璃管采集和储存样品，且真空玻璃管只为一次性使用。采样时间间隔为 0、5、10、15 min，并分别读取 0、5、10、15 min 时的箱内温度，每月测定 1 次。收集气体之前预先开启气体混合均一装置，分别于第 1 次和第 4 次采集时读取静态箱内温度与土壤地温、湿度。采用托普牌 TNHY-7-G 型智能化农业环境监测仪来测定土壤湿度和温度。

将采集的气体样品带回实验室，CH4气体浓度采用安捷伦 7890B 型气相色谱仪进行分析。H4检测器为氢焰离子化检测器（FID），色谱柱类型为 HP25 mm 毛细管柱，检测器温度为 200 ℃，分离柱温度为 55 ℃； H2为燃气，流速 30 ml/min；载气为 N2，流速为 30 ml/min；空气为助燃气，流速为 40 ml/min。气体排放速率由每次 3 个时间观测值经线性回归分析得出。CH4气体排放通量计算式为：

式中：F 为 CH4气体通量（mg/（m2·h）；p 为实验室温度下 CH4气体密度（g/cm3）；A 为采集箱覆盖的面积（m2）；V 为采样静态箱的有效体积（m3）；P 为采样时采样点的大气压（kPa）；P0为标准状态下的标准大气压（kPa）； T 为采样时的绝对温度（℃）； T0为标准状态下的绝对温度（℃）；dCt/dt 为采样时静态箱内甲烷浓度随时间变化的支线斜率。

3 结果与分析

3.1 森林土壤甲烷通量的变化

图1 南坡主要森林类型土壤甲烷通量月变化Fig.1 Monthly changes in methane fluxes in the southern slope of the soil

3.1.1 南岭南坡主要森林类型土壤的甲烷通量月变化特征 从图 1 中可以看出：南坡常绿阔叶林土壤甲烷的年平均通量为负值，针阔混交林土壤甲烷的平均通量也为负值，两者都表现为甲烷的汇。按照土壤甲烷通量年均值大小排序为常绿阔叶林＞针阔混交林。常绿阔叶林和针阔混交林土壤甲烷通量年均值分别为 -3.79 ug/（m2·h）和 -15.44 ug/（m2·h），针阔混交林的吸收能力要高于常绿阔叶林的。由图 1 还可以看出：一年中，常绿阔叶林和针阔混交林土壤甲烷通量的月变化整体趋势相似。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内，两种森林类型土壤甲烷的吸收和排放峰值出现的时间均存在差异。常绿阔叶林土壤甲烷的吸收峰值出现在 11 月，排放峰值出现在 2 月；针阔混交林土壤甲烷的吸收峰值出现在 5 月，排放峰值出现在 1月和 12 月。常绿阔叶林的排放峰值明显高于针阔混交林的，而针阔混交林的吸收峰值明显高于常绿阔叶林的。在土壤甲烷吸收期内，常绿阔叶林土壤甲烷吸收量波动和针阔混交林的存在明显差异，针阔混交林土壤甲烷通量在吸收期内呈现为一个逐渐减弱的单峰变化曲线，而常绿阔叶林土壤甲烷通量从 4 月开始吸收，至 6 月吸收减弱，6—7 月又小幅度增强，9—11 月再出现大幅度增强，达到吸收峰值，呈现为双峰吸收变化曲线。通过对相应温湿度的数据分析发现，在排放峰值的 2 月，其土壤温度下降；当降雨量增加时，土壤湿度增高。相反，在吸收期内，土壤温度不断上升，3 月土壤温度达到 10 ℃，至 8 月达到最高值。

3.1.2 南岭北坡主要森林类型土壤的甲烷通量月变化特征 统计结果表明，南岭北坡常绿阔叶林、针阔混交林和山地矮林土壤甲烷通量年均值都为负值，均表现为大气甲烷的汇。按照土壤甲烷通量年均值大小排序，常绿阔叶林＞山地矮林＞针阔混交林。常绿阔叶林、山地矮林、针阔混交林土壤甲烷通量的年均值分别为 -2.36 ug/（m2·h）、-6.03 ug/（m2·h）、-16.87 ug/（m2·h），针阔混交林土壤甲烷吸收能力最好。由图 2 可以看出，北坡常绿阔叶林、针阔混交林和山地矮林土壤甲烷通量一年的月变化趋势基本相似，但土壤甲烷排放、吸收峰值出现的时间存在差异。

图2 北坡主要森林类型土壤甲烷通量月动态Fig.2 Monthly changes of methane fluxes in the northern slope of soil

对比图 1、图 2，北坡常绿阔叶林和针阔混交林土壤甲烷通量的月变化趋势与南坡常绿阔叶林和针阔混交林土壤甲烷通量的月变化趋势基本相似，北坡森林土壤甲烷的吸收能力高于南坡森林土壤的。3 种森林类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；常绿阔叶林排放峰值出现在 12 月，吸收峰值出现在 10 月。比较 3 种森林类型土壤甲烷通量月变化发现，在相同月份和相同森林类型中，南、北坡的土壤甲烷排放和吸收峰值出现的时间均存在差异。针阔混交林土壤甲烷吸收峰值出现在 5 月，并远大于同月的其他两个森林类型的，排放峰值则低于其他两个森林类型的。山地矮林土壤甲烷排放峰值同样出现在 2 月，并高于针阔混交林和常绿阔叶林的；吸收峰值出现在 6 月。常绿阔叶林土壤甲烷通量月变化波动较大，吸收最低值出现在 6 月，相比同月的其他两种森林类型，其土壤甲烷的吸收明显减弱，且吸收通量整体都要低于针阔混交林和山地矮林的。这种差异可能跟土壤温度、土壤湿度和土壤有机质等的差异有关。以森林类型和月份为因子对甲烷通量做双因素方差分析，结果表明森林类型和月份对土壤甲烷通量都有影响。森林类型对森林土壤甲烷通量影响显著（P＜0.05），月份对森林土壤甲烷通量影响极显著（P＜0.01）。

从整体上看，南北坡的森林土壤甲烷吸收通量表现出冬春高、夏秋低的季节变化规律，并总体表现为大气甲烷的汇，但常绿阔叶林和针阔混交林在吸收期内峰值出现的时间有差异，不同森林类型的土壤甲烷吸收和排放量存在着差异。这与莫明江等［5］对马尾松林、马尾松针阔叶混交林和季风常绿阔叶林表现出的季节变化规律一致，整体汇源表现与刘实等［6］对温带森林非生长季四种森林类型的研究结果一致。

表2 土壤甲烷通量双因素方差分析结果Tab.2 Variance analysis results of soil methane flux twofactor (regardless of interaction)

3.2 环境因子对甲烷通量变化的影响

3.2.1 土壤地表温度 土壤温度是影响土壤甲烷通量的一个重要因素，通过更替土壤中产甲烷菌的优势菌种，从而改变土壤产甲烷的能力。从表3 可以看出：除南坡海拔 800 m 处针阔混交林外，其他样点土壤地表温度对土壤甲烷通量影响均显著；南坡海拔 800 m 处的常绿阔叶林、针阔混交林和北坡海拔 1 300 m 处常绿阔叶林的土壤地表温度和土壤甲烷通量均呈负相关性，即土壤甲烷吸收通量随着温度的升高而降低；其他样点土壤地表温度与土壤甲烷通量均呈正相关性，即土壤甲烷排放通量随着温度的升高而增加。南坡常绿阔叶林随着海拔的升高，土壤地表温度与土壤甲烷通量的相关性由负相关性转为正相关，即土壤甲烷由吸收变为排放；北坡的常绿阔叶林随着海拔的升高，土壤地表温度与土壤甲烷通量的相关性由正相关性转为负相关，即土壤甲烷由排放变为吸收。对比南、北坡发现：在同一坡面、同一海拔高度，不同森林类型之间表现为相似的相关性趋势，如南坡海拔 800 m 处的常绿阔叶林和针阔混交林土壤甲烷通量与土壤地表温度都表现为负相关性，北坡对应海拔两者之间均表现为正相关性。不同坡面上相同森林类型表现出相反的相关性趋势，如南坡针阔混交林土壤地表温度和土壤甲烷通量呈现负相关性，而北坡则相反，呈现为正相关性。出现这种差异有可能是南、北坡年均温度的差异和土壤质地不同等所引起的。本研究中虽然地表温度对土壤甲烷通量的影响显著，但其相关系数较低，说明地表温度对土壤甲烷通量有一定的影响，但是影响不大。因此，土壤地表温度并不是影响土壤甲烷通量的主控因子。

表3 南、北坡3种森林类型土壤甲烷通量与土壤地表温度线性回归分析结果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 土壤湿度 土壤湿度也是土壤甲烷通量的一个重要影响因子，也受到降水和气温的影响。图 3 结果表明：北坡湖南莽山自然保护区与南坡广东南岭自然保护区降水量存在差异；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长至 12 月，呈现出雨热同期的趋势。在全年气温变化上，北坡气温高于南坡。对气温、降水量与土壤湿度进行相关分析，结果表明，气温与土壤湿度无显著相关性，其中针阔混交林土壤湿度跟降水量有着显著相关性，特别是北坡的针阔混交林呈现极显著相关（R2=0.71 P＜0.01）。从图 4 和图 5 可以看出，南、北坡不同海拔、不同森林类型土壤湿度一年的月变化，除北坡 1300EG 外，南、北坡 3 种森林类型不同海拔的土壤湿度基本在 15%～30% 之间。对土壤湿度与土壤甲烷通量进行线性回归分析，结果表明：常绿阔叶林和针阔混交林的土壤甲烷通量与土壤湿度均呈负相关，山地矮林的土壤甲烷通量与土壤湿度呈正相关；3 种主要森林类型的土壤湿度对土壤甲烷通量的影响均显著（P＜0.05），其中南坡针阔混交林的相关最为显著（Y= -2.913 x+25.56，R2=0.243 2）。

图3 南、北坡不同海拔、不同森林类型降水量与气温月变化Fig.3Monthly changes of precipitation and mean temperature of three forest types in the southern and northern slope in different altitude

图4 南坡不同海拔、不同森林类型土壤湿度月变化Fig.4Monthly changes of soil moistur e of three forest types in the southern slope

图5 北坡不同海拔、不同森林类型土壤湿度月变化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：不同海拔的常绿阔叶林和针阔混交林，其土壤 pH 值差异均不大，且均小于 7（为酸性土壤），均对土壤甲烷通量影响显著（P＜0.05）。在海拔 1 300 m 处，南、北坡常绿阔叶林的土壤碳含量相差较大，海拔对土壤总碳含量、土壤甲烷通量都有显著影响（P＜0.05）。在南坡海拔 1 300 m 处，常绿阔叶林土壤总氮含量最高，且对土壤甲烷通量影响显著（P＜0.05）。这有可能跟海拔 1 300 m 处的土壤温度和温度相互影响有关，地表的凋落物的厚度或分解速度都有可能引起对土壤甲烷通量的变化。

表4 不同海拔、森林类型、坡向的森林土壤pH、总碳含量和总氮含量Tab.4 The pH，TC and TN of different slope direction，forest type and altitude

4 结论与讨论

南岭南、北坡 3 种森林类型土壤甲烷通量均表现为甲烷的汇，且不同森林类型之间甲烷通量存在明显差异；甲烷年均通量大小排序为常绿阔叶林（EG）＞山地矮林（GS）＞针阔叶混交林（EK）。土壤温度、湿度都是影响土壤甲烷通量的重要因子。土壤温度通过影响土壤微生物活性，从而影响土壤甲烷的排放与吸收。孙向阳［7］的研究表明，土壤中的甲烷氧化细菌主要存在于土壤表层。本研究 3 种主要森林类型土壤地表温度对土壤甲烷通量均有显著影响（P＜0.05），但不是影响土壤甲烷通量的主控因子。土壤地表湿度也对土壤甲烷通量有显著影响（P＜0.05）。

在全年观测期内，南、北坡不同森林类型土壤对甲烷通量表现出相似的月变化规律，4—10 月土壤对甲烷以吸收为主，12 月至翌年 3 月土壤对甲烷以排放为主，且不同森林类型土壤对甲烷吸收与排放的峰值出现的时间均存在差异。除了本文所提及的土壤影响因子外，日照、风向、凋落物等因素也有可能影响土壤甲烷通量。

综上所述，南岭 3 种主要森林类型的土壤甲烷通量变化是受多种因素综合作用的结果。本研究对于森林土壤甲烷通量影响因子方面的研究还不够全面，有待进一步深入研究。

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（文字编校：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

国家国际科技合作专项（2013DFA32190）

王 瑶（1992-），硕士生，研究方向为森林生态；E-mail：283730369@qq.com

沈 燕，博士，副教授；E-mail：13873340123@163.com