亞熱帶3種林分土壤CH4日通量變化規(guī)律研究

沈　燕，張宇鴻，凌　威，黃志宏，張　強(qiáng)，王　瑤

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

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亞熱帶3種林分土壤CH4日通量變化規(guī)律研究

沈燕，張宇鴻，凌威，黃志宏，張強(qiáng)，王瑤

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

摘要：本研究以亞熱帶人工林杉木純林、青岡+石櫟常綠闊葉混交林、馬尾松+石櫟針闊葉混交林為研究對象，采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，對不同林分土壤CH4通量的日變化進(jìn)行研究。結(jié)果表明：3種林分土壤CH4通量日變化都有吸收與排放CH4，日變化都是多波峰曲線圖形；杉木純林土壤CH4的排放和吸收都出現(xiàn)明顯的上升或下降的趨勢，呈現(xiàn)一定規(guī)律；馬尾松+石櫟混交林土壤CH4通量變化，白天表現(xiàn)為大氣CH4的源，林地向大氣排放CH4，晚上表現(xiàn)為大氣CH4的匯，林地吸收大氣中的CH4；青岡+石櫟混交林土壤CH4的排放與吸收變化沒有一定的規(guī)律性；其土壤平均CH4的通量為：杉木純林(83.67±7.84 μg/m2·h)>馬尾松+石櫟混交林(20.25±2.19 μg/m2·h)>青岡+石櫟混交林(9.56±8.37 μg/m2·h)。

關(guān)鍵詞：森林；土壤；CH4的排放和吸收；CH4通量；日變化

0引言

自工業(yè)革命以來，大氣CO2等溫室氣濃度逐漸增加，由于其溫室效應(yīng)而引起全球氣候不斷變化，自然災(zāi)害及極端天氣現(xiàn)象頻繁發(fā)生。目前，應(yīng)對全球氣候變化已成為世界各國政府的重要議亊日程，溫室氣體減排也成為國際社會關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。溫室氣體主要有CO2(對溫室效應(yīng)影響的貢獻(xiàn)率約為55%)和CH4(對溫室效應(yīng)影響的貢獻(xiàn)率約為20%)[1]，而且，從百年時(shí)間尺度上分析，單分子CH4的增溫潛勢是CO2的23倍[2]。

以往我國對CH4排放的研究主要集中在濕地和草地的CH4排放[3-9]，因?yàn)槿蚺湃氪髿庵械腃H4有15%～22%來自于濕地[10]。因此，濕地成為研究熱點(diǎn)[11]。相對于濕地的CH4排放研究而言，森林土壤的CH4排放研究較少。森林生態(tài)系統(tǒng)是地球陸地上分布最廣的生態(tài)系統(tǒng)，已有研究表明森林土壤是CH4一個(gè)重要的源和匯[12-13]。近年來在森林土壤的CH4排放研究上，涌現(xiàn)出了一批研究成果，如非生長季森林土壤CH4的排放通量[14]，人工林皆伐對地表CH4通量的短期影響[15]，不同類型森林土壤CH4排放[16]，影響森林土壤CH4吸收的主要因素[17]，森林土壤CH4吸收的主控因子[12]等。上述研究大都對森林土壤某一時(shí)段CH4排放靜態(tài)特征進(jìn)行了探討，但對土壤CH4產(chǎn)生的機(jī)理以及CH4排放的動態(tài)過程較缺乏深入討論。

本研究以長沙縣大山?jīng)_省級森林公園3種典型的森林類型(杉木(Cunninghamialanceolata)純林、青岡(Cyclobalanopsisglauca)+石櫟(Lithocarpusglaber)闊葉混交林、馬尾松(Pinusmassoniana)+石櫟針闊葉混交林)為研究對象，研究了不同森林土壤CH4通量的日變化。目的在于揭示森林的土壤CH4排放規(guī)律，為準(zhǔn)確測算森林土壤CH4排放量和吸收量提供參考和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1研究地概況

本研究在長沙縣大山?jīng)_森林公園內(nèi)進(jìn)行。地貌為低山丘陵，坡度15°～24°，海拔55～317.4m。研究地區(qū)屬于中亞熱帶東南季風(fēng)濕潤氣候區(qū)。該地區(qū)年平均氣溫為16.6℃，年均相對濕度75%左右，年均降雨量為1 413～1 559 mm，。該區(qū)夏季酷熱，冬季嚴(yán)寒，尤其是7～9 月經(jīng)常會出現(xiàn)高溫、干旱天氣。土壤為板巖和砂頁巖發(fā)育的紅壤，風(fēng)化程度較深，土層厚度60 cm 以上。

該區(qū)域植被為常綠闊葉林，以殼斗科(Fagaceae)中常綠種類的石櫟屬(Lithocarpus)、栲屬(Castanopsis)，樟科(Lauraceae)的樟屬(Cinnamomum)、楠屬(Phoebe)山茶科(Theaceae)的木荷屬(Schoma)、山茶屬(Camellia)的一些樹種組成。灌木主要有山蒼子(Litseacuheha(Lour.)Pers.)、杜莖山(Maesajaponica(Thunb.)MoritziexZoll)等植物。草本主要狗脊蕨(Woodwardiajapornica)、五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)、燈心草(Juncuseffusus)、一年蓬(Erigeronannuns)等。

本研究選擇該地區(qū)3 種處于不同演替階段的森林類型：人工林杉木純林、青岡+石櫟常綠闊葉混交林、馬尾松+石櫟針闊葉混交林為研究對象。3種森林類型的基本特征見表1。

表1　3種森林類型的基本特征

2研究方法

2.1試驗(yàn)樣地設(shè)計(jì)

在長沙縣大山?jīng)_省級森林公園的人工林杉木純林，自然更新的次生林馬尾松-石櫟針闊葉混交林，青岡-石櫟常綠闊葉混交林3種森林內(nèi)，分別設(shè)置一個(gè)面積為1 hm2(100 m×100 m)的樣地，在每個(gè)樣地均隨機(jī)選取環(huán)境情況大致相同的3個(gè)采樣點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)于2015年1月3日開始，在24 h內(nèi)同時(shí)開展3種林地土壤的CH4通量日變化的測定。

2.2CH4樣品的采集

用自制的靜態(tài)箱法采集CH4氣體樣品。自制靜態(tài)箱由底箱和頂箱兩部分組成，頂箱高30 cm，底座高20 cm。箱體用優(yōu)質(zhì)保溫反光紙外包，目的在于防止在太陽輻射下采樣箱溫度升高影響觀測結(jié)果。箱頂部開兩個(gè)小口，一個(gè)鏈接橡膠管，用于CH4采集和箱內(nèi)外氣體平衡，另一個(gè)為溫度計(jì)接口，所有接口均以丁基橡膠塞密封。采樣結(jié)束后僅移除頂箱，底箱保留在原處重復(fù)使用。采樣時(shí)間為白天10時(shí)至18時(shí)，每兩小時(shí)取一次樣，夜晚18時(shí)至次日10時(shí)，每3小時(shí)取一次樣。每次取樣長度為20 min，每隔10 min取一次樣，也就是在靜態(tài)箱閉合的0、10、20 min 分別取樣，共獲得3個(gè)氣體樣品。在每次采樣時(shí)記錄測定箱的氣溫、采樣點(diǎn)地表溫度、地下5 cm的土壤溫度。

2.3CH4通量的計(jì)算

把采集的CH4氣體樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，在24h內(nèi)用安捷倫7890B 型氣相色譜儀分析樣品中CH4的濃度。CH4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?0 mL/min，載氣為N2，流速30 mL/min，空氣為助燃?xì)猓魉贋?0 mL/min。氣體排放速率由每次3個(gè)時(shí)間觀測值經(jīng)線性回歸分析得出。CH4氣體排放通量用下式計(jì)算：

F=ρ×(V/A)×(P/P0)×(T0/T)×(dCt/dt)。

式中：F為CH4氣體通量，mg/m2·h；ρ為實(shí)驗(yàn)室溫度下CH4氣體密度，g/cm3；A為采樣箱覆蓋的面積，m2；V為采樣靜態(tài)箱的有效體積，m3；P為采樣時(shí)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(shí)的絕對溫度，℃；T0分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對溫度，℃；dCt/dt為采樣時(shí)靜態(tài)箱內(nèi)甲烷濃度隨時(shí)間變化的直線斜率。如為正值表示CH4從土壤排放到大氣，如為負(fù)值表示CH4從大氣流向土壤。

所有數(shù)據(jù)經(jīng)Excel軟件處理后，用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)，顯著性水平設(shè)置為0.05。應(yīng)用Excel和Sigmaplot 10.0繪制圖形。

3結(jié)果與分析

3.1杉木純林的土壤CH4通量日變化

圖1顯示出杉木純林的土壤CH4通量日變化。從中看出，日出后，土壤向大氣排放CH4的速率加快，到上午8時(shí)排放CH4的量達(dá)到最大值。8時(shí)過后，排放CH4的速率放慢，到中午12時(shí)，已轉(zhuǎn)換成土壤吸收大氣中CH4，在14時(shí)左右吸收CH4的量達(dá)到最大值。14時(shí)過后其速率放緩，這種情形一直持續(xù)到日落前后。日落以后，又變?yōu)橥寥老虼髿馀欧臗H4，且一直持續(xù)到次日6時(shí)。

從上面分析看出，杉木純林的土壤CH4通量日變化呈現(xiàn)出反“W”形的動態(tài)規(guī)律。在日變化中土壤向大氣排放CH4的出現(xiàn)兩個(gè)高峰，一個(gè)在上午8時(shí)(197.97±22.18μg/m2·h)，另一個(gè)出現(xiàn)在深夜3時(shí)(135.93±15.47μg/m2·h)；岀現(xiàn)一個(gè)土壤吸收大氣中CH4的高峰期，在下午2時(shí)左右(-79.76±5.93μg/m2·h)。由此可見，杉木純林土壤CH4通量的吸收和排放表現(xiàn)出有規(guī)律的變化，也就是說CH4通量的吸收和排放都有明顯的上升和下降趨勢。

杉木純林的土壤CH4通量日變化范圍為-79.76±5.93～197.97±22.18μg/m2·h。白天從凌晨到中午12時(shí)以及整個(gè)夜間，林地向大氣排放CH4，表現(xiàn)為大氣CH4的源，中午12時(shí)過后一直日落前后，林地吸收大氣中CH4，表現(xiàn)為大氣CH4的匯。一天內(nèi)林地向大氣排放CH4的量為2 253.67 μg/m2·d，吸收大氣中CH4的量為245.12 μg/m2·d，排放減去吸收后，林地仍凈向大氣排放CH42 008.55 μg/m2·d，整體表現(xiàn)為大氣CH4的源。

圖1　杉木純林CH4甲烷通量日變化動態(tài)Fig.1 Diurnal variation of CH4 flux in Cunninghamialanceolata pure forest

3.2青岡+石櫟混交林的土壤CH4通量日變化

圖2反映出青岡+石櫟混交林的土壤CH4通量日變化動態(tài)特征。從中看出，上午10時(shí)，土壤在吸收大氣中CH4，隨后土壤向大氣排放CH4。中午12時(shí)后又變?yōu)槲沾髿庵蠧H4，下午14時(shí)又成為向大氣排放CH4。14時(shí)過后土壤又在吸收大氣中CH4，這種情形一直持續(xù)到深夜24時(shí)。從深夜0時(shí)一直到次日上午10時(shí)，林地都在向大氣排放CH4。

從上面分析看出，青岡+石櫟混交林的土壤CH4通量日變化呈現(xiàn)出多個(gè)峰值的動態(tài)規(guī)律。在白天土壤對大氣CH4的釋放和吸收表現(xiàn)出無規(guī)律性，但在夜間，上半夜(18～24時(shí))表現(xiàn)為吸收大氣中CH4，下半夜(0～6時(shí))表現(xiàn)出向大氣排放CH4。在青岡+石櫟混交林土壤向大氣排放CH4的日變化中出現(xiàn)6個(gè)高峰，分別出現(xiàn)在深夜3時(shí)、凌晨6時(shí)，上午8時(shí)、10時(shí)、中午12時(shí)和下午16時(shí)。排放CH4的最大的峰值為147.08±12.65 μg/m2·h(出現(xiàn)在深夜3時(shí))。吸收大氣CH4的也現(xiàn)4個(gè)高峰，分別出現(xiàn)在下午14時(shí)、傍晚18時(shí)、晚上21和24時(shí)，吸收大氣CH4的最大的峰值出現(xiàn)在晚上21時(shí)，其值為-75.23±8.44 μg/m2·h。

青岡+石櫟混交林的土壤CH4通量日變化幅度在-75.23±8.44～147.08±12.65 μg/m2·h范圍內(nèi)波動。白天從凌晨6時(shí)到傍晚18時(shí)，林地共排放CH4226.92 μg/m2，共吸收大氣中CH4295.64 μg/m2，吸收與排放相抵后，仍凈吸收68.72 μg/m2大氣中CH4。這意味著白天青岡+石櫟混交林土壤是大氣CH4的一個(gè)匯。整個(gè)晚上(18～次日凌晨6時(shí))，林地共排放CH4625.99 μg/m2，共吸收大氣中CH4357.53 μg/m2，吸收與排放相抵后，仍向大氣凈排放CH4357.53 μg/m2。表明晚上青岡+石櫟混交林土壤是大氣CH4一個(gè)源。就一晝夜而言，青岡+石櫟混交林土壤向大氣排放了CH4825.91 μg/m2·d，吸收了大氣中CH4623.47 μg/m2·d，排放減去吸收，仍向大氣凈排放CH4202.44 μg/m2·d。青岡+石櫟混交林土壤是大氣CH4一個(gè)弱源。

圖2　青岡+石櫟混交林CH4通量日變化動態(tài)Fig.2 Diurnal variation of CH4 flux in Cyclobalanopsis glauca+ Lithocarpus glaber mixed forest

3.3馬尾松+石櫟混交林的土壤CH4通量日變化

馬尾松+石櫟混交林的土壤CH4通量日變化規(guī)律如圖3所示。從中看出，上午8時(shí)至傍晚18時(shí)，馬尾松+石櫟混交林土壤CH4通量雖然在波動，但依然保持著向大氣排放CH4。從傍晚18時(shí)至次日上午8時(shí)，土壤CH4通量也在不斷變化中，但整體表現(xiàn)出該林地在吸收大氣中CH4。這意味著馬尾松+石櫟混交林林地白天是大氣CH4的源，晚上是大氣CH4的匯。

馬尾松+石櫟混交林的土壤CH4通量日變化如同青岡+石櫟混交林一樣，呈現(xiàn)出多個(gè)峰值(無論是排放還是吸收)。土壤向大氣排放CH4的日變化中出現(xiàn)2個(gè)高峰，分別出現(xiàn)在上午10時(shí)和傍晚18時(shí)，傍晚18時(shí)排放CH4的最大的峰值為170.99±16.54 μg/m2·h；吸收大氣CH4的也現(xiàn)2個(gè)高峰，分別在晚上21時(shí)和深夜3時(shí)，最大的吸收大氣CH4的峰值出現(xiàn)在深夜3時(shí)，為-134.76±12.68 μg/m2·h。與青岡+石櫟混交林的土壤CH4通量日變化不同的是，CH4通量的吸收和排放都有明顯的上升和下降趨勢，表現(xiàn)出有規(guī)律的變化，這點(diǎn)與杉木純林的土壤CH4通量日變化相同。

馬尾松+石櫟混交林土壤CH4通量日變化范圍為-134.76±12.68～170.99±16.54 μg/m2·h。從上午10時(shí)和傍晚18時(shí)表現(xiàn)為大氣CH4的源，林地向大氣共排放1 399.16 μg/m2的CH4，從傍晚18時(shí)至次日上午8時(shí)表現(xiàn)為大氣CH4的匯，林地吸收大氣中的CH4共計(jì)9 130.8 μg/m2。排放和吸收相抵后，一天內(nèi)林地平均仍向大氣凈排放CH47 731.61 μg/m2·d，馬尾松+石櫟混交林林地整體表現(xiàn)為大氣CH4的源。

圖3　馬尾松-石櫟混交林CH4通量日變化動態(tài)Fig.3 Diurnal variation of CH4 flux in Pinus massonian+Lithocarpus glaber mixed forest

3.4環(huán)境因子對地表CH4通量的影響

由相關(guān)分析結(jié)果表明，CH4通量日變化與地表溫度無顯著相關(guān)關(guān)系(p>0.05)。土壤水分對地表CH4通量的影響并不顯著(p> 0.05)。不同林型間的地表CH4通量差異并不顯著(p>0.05)。地下5cm處溫度對地表CH4通量的影響亦不顯著(p>0.05)。

對上述因子的交互作用下的分析表明，林型與地表溫度間的交互作用對地表CH4通量的影響顯著(p<0.05)。地表溫度與地下5cm處溫度亦存在顯著交互作用(p<0.05)，進(jìn)而對地表CH4通量產(chǎn)生影響。

4結(jié)論與討論

3種森林類型的土壤CH4通量日變化都是多波峰曲線圖形，皆有吸收與排放CH4的表現(xiàn)，無論吸收與排放均出現(xiàn)明顯的峰值。

3種森林類型的土壤CH4通量日變化整體都表現(xiàn)為大氣CH4的源，不同森林類型的土壤凈向大氣排放CH4的通量不一樣。3種森林類型的土壤平均凈向大氣排放CH4的通量由大到小為：杉木純林(83.67±7.84μg/m2·h)>馬尾松+石櫟混交林(20.25±2.19μg/m2·h)>青岡+石櫟混交林(9.56±8.37μg/m2·h)。

杉木純林土壤對CH4的排放和吸收都出現(xiàn)明顯的上升或下降的趨勢，呈現(xiàn)一定規(guī)律；馬尾松+石櫟混交林土壤CH4通量變化，白天表現(xiàn)為大氣CH4的源，林地向大氣排放CH4，晚上表現(xiàn)為大氣CH4的匯，林地吸收大氣中的CH4；青岡+石櫟混交林土壤對CH4的排放和吸收之間的變化并沒有一定的規(guī)律則性。劉惠等[19]在華南丘陵區(qū)針葉林和果園地表CH4通量觀測也發(fā)現(xiàn)，地表CH4通量日變化波動較大，規(guī)律不明顯。

土壤CH4排放和吸收與環(huán)境因子關(guān)系密切[19-20]。然而這3種林分都處在長沙縣大山?jīng)_森林公園一座山頭上，因此，這3種林分的土壤均為板巖和砂頁巖發(fā)育的紅壤，海拔梯度、林地坡度差異不大(見表1)，而且測定它們土壤CH4通量(3種林分同時(shí)進(jìn)行)的大氣溫度和濕度也基本相同。因此這些環(huán)境因子很有可能不是造成這3種林分土壤CH4通量差異的主要原因。然而這3種林分環(huán)境因子不相同的是它們的坡向不同(杉木純林坡向SE、青岡+石櫟混交林坡向NW、馬尾松+石櫟混交林坡向SW)，由于坡向不同林分接受太陽輻射量不一樣。太陽輻射量不一樣有可能導(dǎo)致植物光合作用及其產(chǎn)物不一樣，光合作用控制的根系泌氧變化可能導(dǎo)致甲烷排放量變化，這可能是造成這3種林分土壤CH4通量差異的原因之一[22]。

土壤CH4排放是土壤處在嫌氣環(huán)境中，土壤有機(jī)質(zhì)在產(chǎn)CH4菌厭氧分解的最終產(chǎn)物。因此，土壤中CH4排放與土壤的嫌氣環(huán)境和有機(jī)質(zhì)有關(guān)。這3種林分植物種類不同，杉木是針葉林，馬尾松+石櫟是針闊混交林，青岡+石櫟是闊葉混交林。那么它們的枯死物成份不一樣。這些枯死物腐爛后形成腐質(zhì)殖層，改善了土壤結(jié)構(gòu)，增加了土壤孔隙度，也就改變了土壤的通氣環(huán)境。因針葉不僅質(zhì)硬且含有較多的酯類有機(jī)化合物，枯死的針葉不易分解，而枯死闊葉質(zhì)地柔軟容易腐爛。因此，青岡+石櫟闊葉混交林土壤的通氣環(huán)境，比杉木針葉林以及馬尾松+石櫟針闊混交林要好些。也就是說杉木針葉林土壤的嫌氣環(huán)境要高于馬尾松+石櫟針闊混交林，更高于青岡+石櫟闊葉混交林。這也可能是杉木純林土壤平均凈向大氣排放CH4的通量>馬尾松+石櫟混交林>青岡+石櫟混交林的一種原因。

有研究發(fā)現(xiàn)，土壤水分與地表甲烷通量存在顯著正相關(guān)關(guān)系，但與土壤溫度的相關(guān)性較弱[23]。也有研究表明，土壤溫度和水分二者均對地表甲烷有顯著影響[24]。大氣CH4氧化與水分密切相關(guān)[25]，溫度對CH4氧化的影響作用明顯小于水分[26]。因此，溫度效應(yīng)只有在特定的水分含量條件下才能表現(xiàn)出來[27]。盡管如此，在地表CH4通量日變化觀測中，溫度和水分要素雖然也在不斷發(fā)生變化，但其變化范圍一般變化不大，使得地表甲烷通量與此二因子的相關(guān)性減弱，甚至于不相關(guān)。因此，在日尺度水平上而言，土壤水分的變化不是導(dǎo)致地表CH4通量日變化的主要因素。在本研究中的CH4通量日變化與地表溫度和土壤水分均未發(fā)現(xiàn)顯著相關(guān)。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)，林型與地表溫度間的交互作用對地表CH4通量的影響顯著。這就表明，CH4通量的日變化受多種因子共同制約的結(jié)果。對于具體林型和環(huán)境下的土壤CH4通量變化機(jī)理有待進(jìn)一步深入研究。

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Research on Diurnal Variations of Soil CH4Fluxesof Three Forests in Subtropics

Shen Yan，Zhang Yuhong，Ling Wei，Huang Zhihong，Zhang Qiang，Wang Yao

(College of Life Science and Technology，Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004)

Abstract：The plantation of Cunninghamia lanceolata，broadleaf evergreen Cyclobalanopsis glauca+Lithocarpus glaber mixed forest，Pinus massonian+Lithocarpus glaber mixed forest were studied and the static chamber-gas chromatograph technique was used to analyze the diurnal methane fluxes from different forest.Results showed that soil CH4 flux of the three forest types showed multi-peak diurnal variations with absorption and emissions of CH4.A certain regular pattern was found in the plantation of Cunninghamia lanceolata soil CH4 flux，with an obvious trend in rise and decline.The CH4 flux of Pinus massonian+Lithocarpus glaber mixed forest showed emissions into the atmosphere at daytime and absorption CH4 at night.No regularity was found in the soil CH4 emissions-absorption in Cyclobalanopsis glauca+Lithocarpus glaber mixed forest.The average soil CH4 flux was Cunninghamia lanceolata(83.67±7.84μg/m2·h)>Pinus massonian+Lithocarpus glaber mixed forest(20.25±2.19μg/m2·h)>Cyclobalanopsis glauca+Lithocarpus glaber mixed forest(9.56±8.37μg/m2·h).

Keywords：forest；soil；emission and absorption of CH4；CH4 flux；diurnal variation

中圖分類號：S 714

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-005X(2016)03-0021-06

作者簡介：第一沈燕，博士，副教授。研究方向：森林生態(tài)。E-mail：13873340123@163.com

基金項(xiàng)目：國家國際科技合作專項(xiàng)資助(2013DFA32190)

收稿日期：2015-10-12

引文格式：沈燕，張宇鴻，凌 威，等.亞熱帶3種林分土壤CH4日通量變化規(guī)律研究[J].森林工程，2016，32(3)：21-26.