黃土臺(tái)塬不同林型土壤主要溫室氣體通量特征

張 杰 ，劉夢(mèng)云 *，張萌萌 ，楊靜涵 ，曹潤(rùn)珊

（1西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌712100;2農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌712100;3農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

氣候變暖是當(dāng)今人類生存面臨的最大環(huán)境問(wèn)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(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)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(lái)源于土壤，土壤中的微生物將有機(jī)質(zhì)分解為無(wú)機(jī)態(tài)的碳和氮，在好氧條件下無(wú)機(jī)碳多以CO2形式進(jìn)入大氣，而在嚴(yán)格厭氧條件下則以CH4形式排向大氣。全球一半以上的N2O來(lái)自于土壤的硝化與反硝化過(guò)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(guò)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(yīng)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(dòng)態(tài)變化特征和及其對(duì)各環(huán)境因子的響應(yīng)，對(duì)于合理預(yù)測(cè)植被的C、N排放源或吸收匯功能以及對(duì)大氣碳氮循環(huán)的影響具有重要的科學(xué)意義。

黃土臺(tái)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(yán)重，為防止土壤侵蝕，歷年來(lái)塬坡防護(hù)林一直以水土保持、發(fā)揮生態(tài)效益為主要目標(biāo)，從二十世紀(jì)六七十年代開(kāi)始當(dāng)?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(duì)外界環(huán)境適應(yīng)性差，因此具有很大的弊端，為了解決這一問(wèn)題，當(dāng)?shù)叵嗬^引進(jìn)了針葉或闊葉等喬木以及沙棘等灌木林，開(kāi)展了營(yíng)造混交林試驗(yàn)研究，因此，黃土臺(tái)塬區(qū)現(xiàn)存樹(shù)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(shí)間變化特征以及對(duì)各類因素的響應(yīng)，本研究以黃土臺(tái)塬4種典型林地及其混交林共7種林型為研究對(duì)象，采用靜態(tài)箱-氣相色譜法對(duì)CO2、CH4和N2O通量進(jìn)行測(cè)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(guān)系，以期為評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)我國(guó)黃土臺(tái)塬地區(qū)不同林型組成碳、氮的源/匯功能提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于陜西省咸陽(yáng)市永壽縣馬蓮灘林場(chǎng)（108°05′22.6″E～108°05′39.3″E；34°47′58.4″N～34°48′42.7″N）進(jìn)行，該林場(chǎng)屬于國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目“黃河中游黃土高原區(qū)（永壽）水土保持型植被建設(shè)技術(shù)研究與示范”實(shí)驗(yàn)基地，試驗(yàn)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(fēng)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(tái)塬、溝壑區(qū)為主，生態(tài)環(huán)境極端脆弱，為解決當(dāng)?shù)貝毫拥纳鷳B(tài)問(wèn)題，該林場(chǎng)實(shí)行了封山育林政策，進(jìn)行不同植被類型、不同混交方式與栽培模式的試驗(yàn)研究，并采用自然恢復(fù)的管理措施，后期人為干預(yù)較少。目前，林場(chǎng)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(yàn)設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)于2015年4月至2016年3月進(jìn)行，選取晴朗天氣作為采集日，時(shí)間間隔為一個(gè)月左右，選取當(dāng)天11：00—15：00采集氣體，以降低早晚溫差對(duì)土壤呼吸速率的影響[9]，將研究區(qū)7種林型分成3個(gè)實(shí)驗(yàn)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(guān)中地區(qū)自然恢復(fù)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(gè)樣本作為對(duì)照，取其平均值作為當(dāng)月該林型土壤的土壤呼吸速率。采樣點(diǎn)情況如表1所示。

1.3 土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定

土壤全氮（TN）采用開(kāi)氏法消解，K2300型全自動(dòng)定氮儀測(cè)定；土壤有機(jī)碳（SOC）采用重鉻酸鉀-硫酸消化法測(cè)定；溶解性有機(jī)碳（DOC）采用0.5 mol·L-1K2SO4溶液浸提過(guò)篩風(fēng)干土，經(jīng)振蕩機(jī)振蕩后過(guò)濾，濾液用TOC自動(dòng)分析儀測(cè)定有機(jī)碳，即為DOC；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；NH+4-N、NO-3-N采用KCl溶液浸提新鮮土樣，經(jīng)振蕩機(jī)振蕩后過(guò)濾，濾液用流動(dòng)分析儀測(cè)定；土壤pH采用pH計(jì)測(cè)定；土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定。

1.4 土壤溫室氣體排放通量測(cè)定

本實(shí)驗(yàn)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(duì)地表凋落物的擾動(dòng)，降低對(duì)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(dòng)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(jì)測(cè)定采樣點(diǎn)地下5 cm和20 cm處的土壤溫度；同時(shí)，采集0～5、5～20 cm土壤樣品用于土壤濕度的測(cè)定，用氣相色譜儀7890A測(cè)定氣體中CO2、CH4和N2O的體積分?jǐn)?shù)，溫室氣體排放速率計(jì)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(shí)間變化的斜率（c為t時(shí)刻被測(cè)氣體濃度，t是時(shí)間）；M為被測(cè)氣體的摩爾質(zhì)量，g·mol-1；V0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體摩爾體積，22.41 L·mol-1；P為采樣點(diǎn)的大氣壓；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，101.325 kPa；T為箱內(nèi)溫度，K；T0為絕對(duì)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(shí)土壤呼吸速率增加的倍數(shù)，并采用指數(shù)關(guān)系模型進(jìn)行計(jì)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(jì)分析軟件中進(jìn)行，利用Pearson相關(guān)分析和單因素方差分析計(jì)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(dòng)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(duì)比發(fā)現(xiàn)，冬季混交林的土壤溫度普遍高于純林，這是因?yàn)槎净旖涣挚葜β淙~多，對(duì)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(dāng)?shù)乇└采w周期有關(guān)，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(yáng)輻射到達(dá)地面有關(guān)。不同于土壤溫度的變化規(guī)律，各林型土壤含水量在生長(zhǎng)季（5—10月）變化平緩，而非生長(zhǎng)季（11—來(lái)年4月）土壤含水量波動(dòng)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(shì)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(huì)出現(xiàn)短暫回升；同時(shí)，混交林土壤CO2排放峰值在時(shí)間上往往晚于純林1～2個(gè)月，這可能與各林型對(duì)土壤溫濕度的適應(yīng)范圍有關(guān)。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(guān)（表3），其中，a組沙棘刺槐混交林的土壤CO2通量在生長(zhǎng)季顯著（P＜0.05）高于沙棘（34.01%）和刺槐（37.04%），而在非生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)季/非生長(zhǎng)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(lái)，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(zhǎng)季和非生長(zhǎng)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(fù)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(fù)值（圖3，表3），表明研究區(qū)各林型土壤對(duì)CH4主要起吸收作用。從季節(jié)變化來(lái)看，各林型土壤CH4吸收生長(zhǎng)季略高于非生長(zhǎng)季，同時(shí)，在非生長(zhǎng)季期間各林型的土壤CH4通量波動(dòng)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(zhǎng)季略低于相應(yīng)純林，但差異并不顯著（P>0.05）；對(duì)比非生長(zhǎng)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(guān)；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(duì)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(duì)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(gè)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(lái)看，沙棘刺槐混交林在生長(zhǎng)季顯著（P＜0.05）高于沙棘（407.26%），略高于刺槐（10.35%）；而在非生長(zhǎng)季，3種林型N2O通量差異并不顯著（P>0.05）。其次，通過(guò)b組比對(duì)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(zhǎng)季顯著（P＜0.05）低于刺槐（73.68%），非生長(zhǎng)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(zhǎng)季/非生長(zhǎng)季：81.15%/54.15%），與油松的差異僅表現(xiàn)在非生長(zhǎng)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(fù)值，此時(shí)其土壤明顯作為N2O的庫(kù)，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(fù)值但并不持久?？傮w來(lái)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(guān)（圖5），但不同林型及不同土層深度的相關(guān)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(guān)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(guān)性則高于其純林；同時(shí)，5～20 cm深度的土壤CO2與土壤溫度的相關(guān)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(fù)相關(guān)，但相關(guān)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(guān)性，且在0～5 cm深度上的相關(guān)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(guān)，其他林型無(wú)明顯相關(guān)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(guān)，且刺槐土壤N2O在5～20 cm深度上與土壤溫度的相關(guān)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(guān)，在0～5 cm深度上未表現(xiàn)出相關(guān)性。

土壤含水量與各林型土壤CO2表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)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(guān)性最高，且在5～20 cm深度上相關(guān)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(guān)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(guān)，其他林型土壤CO2與土壤含水量相關(guān)性不顯著（P>0.05）。各林型土壤CH4通量與土壤含水量的關(guān)系相對(duì)復(fù)雜，其擬合曲線是開(kāi)口向上的拋物線，即隨土壤含水量的增加，土壤對(duì)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(duì)土壤含水量的響應(yīng)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?yàn)橄募就寥罍囟雀?，水分條件適宜，植被生長(zhǎng)旺盛，而冬季與之相反，且黃土臺(tái)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(kuò)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(jī)質(zhì)含量、氮素?cái)?shù)量、pH及土壤容重等差異有關(guān)[15]，在本研究中，針葉林（油松）土壤全氮、有機(jī)碳含量均低于其他林型（表2），相關(guān)分析顯示（表4），土壤CO2通量與土壤有機(jī)碳呈顯著（RSOC/5～20=0.85，P＜0.05）正相關(guān)，與全氮呈極顯著（RTN/0～5=0.90，P＜0.01）正相關(guān)，這與耿遠(yuǎn)波等[16]的研究一致，土壤有機(jī)碳為異氧呼吸提供物質(zhì)基礎(chǔ)，而土壤呼吸與反硝化作用有較好的相關(guān)性，這與氮能刺激植物初級(jí)生產(chǎn)為土壤呼吸提供更多底物有關(guān)[13]，同時(shí)，氮含量的高低又會(huì)影響C/N，但目前對(duì)于C/N與土壤CO2的關(guān)系還不明確，本研究中，兩者有一定的正相關(guān)關(guān)系，但未達(dá)顯著性水平（P>0.05）。在本文中，土壤pH對(duì)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(guò)酸化累計(jì)過(guò)程影響土壤碳、氮等養(yǎng)分從而間接影響CO2排放。此外，通過(guò)枯枝落葉的分解向大氣釋放CO2是土壤碳循環(huán)的一個(gè)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(shù)種，當(dāng)用其作油松的伴生樹(shù)種時(shí)，超過(guò)一定的比例會(huì)壓制油松的生長(zhǎng)，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(jìn)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(guān)，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(jī)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guān)性低于5～20 cm土壤溫度，通過(guò)計(jì)算各林型Q10值發(fā)現(xiàn)（表5），灌木林和針葉林土壤呼吸對(duì)0～5 cm土壤溫度的敏感性低于5～20 cm土層深度，這與眾學(xué)者[20-21]的研究一致。相關(guān)研究[22]表明，Q10值與底物供應(yīng)的季節(jié)變化存在正相關(guān)性，闊葉林凋落物累積量常常較純林多，對(duì)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(guān)，在本研究中，各林型土壤CO2與土壤含水量為負(fù)相關(guān)，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(fù)雜，尤其是水、熱不同期，土壤含水量升高時(shí)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(shí)較高的含水量造成土壤孔隙度變小，進(jìn)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(guān)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(guān)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(guān)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(xué)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(zhǎng)季無(wú)顯著（P>0.05）差異，但在非生長(zhǎng)季差異顯著（P＜0.05），這是由于研究區(qū)在非生長(zhǎng)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(shí)，土壤凍融交替過(guò)程也會(huì)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?yàn)槎緝鼋Y(jié)土壤營(yíng)造的厭氧環(huán)境下產(chǎn)生了大量CH4氣體，土壤解凍后會(huì)釋放其儲(chǔ)存的CH4。有研究[27]指出，CH4排放與易礦化碳存在明顯線性關(guān)系，DOC作為微生物生長(zhǎng)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(guān)性并不顯著（P>0.05），但相比土壤全氮、有機(jī)碳含量及C/N，該土壤養(yǎng)分含量對(duì) CH4通量的解釋率較高（RDOC/5～20=0.41）（表 4）。pH對(duì)土壤CH4排放通量的影響主要通過(guò)改變土壤微生物和酶實(shí)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(duì)土壤CH4氧化的影響較低。無(wú)機(jī)氮對(duì)森林土壤CH4吸收的貢獻(xiàn)目前還不明確，很多學(xué)者在研究中均指出NH+4濃度對(duì)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(jìng)爭(zhēng)[29]，但在本研究中土壤CH4排放與NH+4相關(guān)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(zhǎng)成為氮素競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)先者有關(guān)。以非生長(zhǎng)季喬灌-針闊組合型混交林及其純林土壤CH4吸收為例，對(duì)比純林與混交林土壤溫度發(fā)現(xiàn)，各林型之間非生長(zhǎng)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(dòng)，由此可見(jiàn)，土壤濕度對(duì)不同林型土壤CH4吸收具有潛在影響，但其影響機(jī)制較復(fù)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(jiǎn)單的線性關(guān)系，在植被生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)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(shí)，不同林型在生長(zhǎng)過(guò)程中所需土壤濕度的最適閾值不同，即當(dāng)土壤含水量處于植物生長(zhǎng)最適區(qū)間時(shí)，有助于土壤對(duì)CH4的吸收，而當(dāng)土壤含水量過(guò)高或過(guò)低時(shí)，均會(huì)抑制CH4氧化速率。這與以往研究[15]結(jié)果一致。相關(guān)分析顯示，土壤溫度對(duì)針葉林（側(cè)柏）和喬灌混交林土壤CH4吸收具有促進(jìn)作用，而其他幾種林型土壤CH4通量與土壤溫度相關(guān)性不顯著（P>0.05），這是因?yàn)闇囟鹊挠绊懼挥性谔囟ㄋ謼l件下才能表現(xiàn)出來(lái)，而各林型之間土壤含水量存在一定差異；同時(shí)，0～5 cm深度的土壤溫度與針葉林土壤CH4相關(guān)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(jī)物質(zhì)含量高有關(guān)。Hansen等[2]在其研究中也證實(shí)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(lái)源于外界人為施氮，而研究對(duì)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(huì)達(dá)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(biāo)不同，進(jìn)而影響到土壤硝化和反硝化過(guò)程，造成各林型土壤N2O的排放差異[31]。近年來(lái)眾學(xué)者將氮素水平作為研究土壤N2O的重點(diǎn)，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(shí)，土壤中DOC及NO-3-N作為土壤硝化和反硝化過(guò)程的基質(zhì)，將明顯影響N2O的排放[32]，充足的DOC會(huì)刺激土壤中微生物的活性，加快土壤中O2消耗，為反硝化過(guò)程創(chuàng)造低氧環(huán)境；NO-3-N作為反硝化過(guò)程的底物，對(duì)反硝化強(qiáng)度有直接影響，但存在影響界限，即當(dāng)NO-3-N濃度大于25 mg·kg-1時(shí)，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(shí)（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(guān)，而NO-3-N與土壤N2O相關(guān)性并不顯著（P>0.05）；同時(shí)，本研究C/N值普遍低于25～30∶1（土壤微生物適宜有機(jī)質(zhì)C/N[33]），微生物活性較強(qiáng)，促進(jìn)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(guò)根瘤菌參與下的硝化、反硝化作用或間接增加N量促進(jìn)N2O的排放。在本文中，沙棘屬于非豆科固氮樹(shù)種，刺槐屬于豆科固氮樹(shù)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(shù)種的混交林，提高了非固氮樹(shù)種土壤肥力。而針葉林作為非固氮樹(shù)種，其土壤N含量較低，在非生長(zhǎng)季，針葉林（油松）的土壤N2O排放通量為負(fù)值，說(shuō)明在一定條件下土壤對(duì)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(huì)使土壤中的N2O繼續(xù)轉(zhuǎn)化為N2，進(jìn)而出現(xiàn)排放負(fù)值。土壤pH對(duì)硝化和反硝化過(guò)程的影響較復(fù)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(méi)有明顯的相關(guān)性，對(duì)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(shì)，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(wú)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(duì)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(guān)。

4 結(jié)論

（1）黃土臺(tái)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(zhǎng)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(zhǎng)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：?jiǎn)坦嗷旖涣?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(guān)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(guān)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(duì)CH4的吸收隨土壤溫度升高而增加，但對(duì)土壤含水量有一定的適應(yīng)范圍，當(dāng)超過(guò)一定的閾值時(shí)，土壤對(duì)CH4的吸收能力會(huì)隨之減弱；各林型土壤N2O與土壤溫濕度相關(guān)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(guān)性，其他林型與土壤溫濕度均無(wú)顯著相關(guān)性。