北亚热带不同类型森林土壤GHGs释放特征比较

1前言

CO₂、N₂O和CH₄是大气中的主要温室气体。近几十年来，大气中温室气体浓度逐年增加，其中CO₂、N₂O和CH₄的年均增长速度分别达到0.5%、0.3%和0.8%，由温室气体浓度升高带来的全球气候变化已成为人们关注的重大科学问题之一。土壤碳收支在陆地碳收支中占主导地位，是全球碳循环的重要组成部分。全球每年土壤CO₂排放量为68～75PgC，占大气与陆地生态系统交换碳总量的25%。土壤通过硝化和反硝化过程向大气中排放N₂O，是全球N循环中最重要的生物过程。另外，土壤还是CH₄的吸收汇，每年消耗大气30TgCH₄，约占全球CH₄汇的6%，对调节CH₄的总量有重要意义。森林土壤碳库占全球土壤碳库的 73%，在维持全球碳平衡和调剂气候方面具有不可替代的作用[1]。

陆地生态系统是温室气体CH₄、CO₂和N₂O主要的源和汇。森林作为陆地生态系统的重要组成部分，占陆地总面积的1/3(4.1times;109hm²)。森林土壤CO₂、CH₄、N₂O等温室气体的排放是土壤碳汇和温室效应评价的重要环节，也是森林生态功能评价的重要指标。众所周知土壤中的气体的产生和消耗都是由于微生物活动的结果，但是土壤与大气之间的通量却与土壤理化性质参数有关，比如N含量、碳氮比、温度以及含水量。而且土壤温室气体的排放与土壤系统的凋落物供应和组成、以及相应的养分转化过程息息相关。凋落物是森林生态系统物质和能量循环过程中的重要物质库，也是联系地上和地下部分的纽带。森林植被通过凋落物将从土壤中获取的各种养分归还土壤，其分解过程决定了土壤的养分供应能力和森林生产力的维持，同时影响到土壤的碳库组成和固碳效应。凋落物的分解是一个物理、化学和生物学相结合的过程，以由微生物主导的生物分解过程为主。不同的森林类型其凋落物的组成和质量不同，可以为分解群体提供不同的分解底物，此外，不同森林类型还具有不同的林地小环境，与凋落物的组成和质量等因素共同影响到分解进程、物质的转化和释放，进而影响到土壤温室气体（GHGs）的排放和森林生态系统碳汇功能[2]。

2国内外研究进展

2.1森林土壤温室气体通量

2.2.1土壤CO₂通量

土壤呼吸作为陆地生态系统碳循环的重要组成部分，是生态系统碳循环研究中的热点问题。土壤呼吸指土壤产生并将二氧化碳释放到大气中的过程，它主要由根系的自养呼吸以及土壤微生物和动物的异养呼吸组成。土壤呼吸受到多重因素的影响，其中包括：植被组成、土壤温度、土壤含水量、土壤质地以及土壤养分有效性。土壤温度通过影响土壤微生物的分解和根系生长影响土壤呼吸，土壤含水量通过影响土壤透气性和可溶性有机物的含量影响土壤CO₂通量。一般来说，升高温度能够增强土壤微生物呼吸，增强土壤自养呼吸，导致土壤CO₂排放增加。土壤呼吸速率和土壤含水量的正相关程度随土壤深度的增加而减弱；当含水量大于土壤饱和含水量，土壤孔隙度减小，土壤中根系的新陈代谢和微生物的活性受到抑制，土壤呼吸速率减慢[3]。

2.2.1土壤CH₄、N₂O通量

作为一种强效的温室气体，CH₄在大气中的浓度仅次于CO₂，但其增温潜能却是CO₂的23倍。一般认为，森林土壤是大气CH₄的吸收汇，土壤CH₄排放通量是土壤中CH₄产生和氧化过程平衡的结果。CH₄产生的三个必备条件：（1）厌氧环境；（2）养分和水分；（3）适合产甲烷菌代谢活动的环境条件。在厌氧条件下，土壤有机碳在微生物作用下形成CH₄，而有氧条件下，CH₄被甲烷氧化菌氧化[4]。国内外的相关研究表明，森林土壤由甲烷的吸收汇转变为甲烷的源，主要是因为降水增加，土壤通气条件恶化，O₂在土壤中的扩散受到抑制，产甲烷菌被激活产生大量甲烷。土壤CH₄通量是土壤中CH₄产生和氧化相平衡的结果。厌氧条件下土壤有机碳在微生物作用下形成CH₄，而好氧条件下CH₄又被甲烷氧化菌氧化。土壤CH₄通量影响因素有土壤温度、含水量、产生和氧化CH₄的细菌、土壤扩散系数等。土壤扩散系数是影响CH₄吸收的主要因素，大气CH₄进入土壤后在土壤剖面自上至下逐层扩散，其氧化速率随气体扩散速率的增加而提高。土壤CH₄排放量只占其生成量很少一部分，大部分CH₄ ( 82%～84%) 在扩散到大气前被土壤微生物氧化。温带排水良好的山地土壤是重要的大气CH₄汇，大气CH₄被土壤嗜甲烷细菌氧化。据估计，温带森林土壤中约占CH₄汇的50%。

N₂O是一种重要的温室气体，其大气中气体浓度的快速增加及其在大气化学中的重要作用引起了越来越多的关注。土壤是大气中N₂O的重要来源，主要通过硝化和反硝化过程产生。好氧条件下，微生物如一些化能自养氨氧化细菌进行硝化作用，将羟胺氧化成硝酸盐和亚硝酸盐的过程中生成不稳定中间产物HNO可进一步形成N₂O，厌氧条件下进行反硝化作用，将硝态氮还原成氮气和氮氧化物(N₂O，NO)[5]。主要影响因素有：土壤温度、土壤通气条件、微生物种群和代谢活性、土壤氮素有效性等。在有氧条件下，在通过自养硝化细菌将铵盐氧化成为硝酸盐和亚硝酸盐的过程中形成了N₂O；厌氧条件下的反硝化作用将硝态氮还原成氨和氮氧化物，其中包括N₂O。土壤温度的升高和土壤微生物的活性的增强有利于微生物的净硝化作用和氮的净矿化速率。当土壤比较干燥时，N₂O主要通过硝化反应产生；当含水量达到田间持水量的70%时，土壤中O₂含量减少，促进了反硝化作用，土壤中N₂O积累；含水量大于土壤饱和含水量时，土壤中反硝化作用增强，大量N₂O形成N₂，土壤N₂O排放减少。

2.2土壤温湿度对土壤温室气体的影响

2.2.1土壤温湿度对土壤CO₂气体释放通量的影响

很多研究表明土壤湿度和温度对CO₂通量有重要作用。在我们的野外调查中，CO₂与温度呈正相关，随温度的增加CO₂通量也呈增加趋势。在野外调查中，CO₂ 与温度呈正相关，随温度的增加CO2通量也呈增加趋势。但是 CO₂ 通量仅与0-5 cm表层土壤温度存在显著相关性（P=0.0423），而且0-5cm土壤温度与土壤呼吸之间的相关性要好于5-10 cm 土深的土壤温度，也就是说土壤深度 0-5cm的地温能够更好反映温度对土壤呼吸的影响这一结果。在其余土壤层次的温度没有显著相关性。还有许多的实验结果表明温度与 CO₂排放有显著的指数函数相关关系，其中5-10cm和0-5 cm土层温度对土壤 CO₂排放影响最大。地表 CO₂ 通量与土壤湿度之间呈现线性负相关，但是相关性不显著，解释率较低。研究显示，土壤含水率对土壤地表CO₂通量的影响存在一个临界值，当土壤湿度低于这个临界值时，地表 CO₂通量与土壤湿度成正的线性关系，高于临界值时，则影响不明显。由于在该研究时间段内，该地区降雨频繁导致土壤湿度偏大，可能导致土壤湿度高于了某一临界值而导致与CO₂通量的关系成负相关且没有显著相关性。CO₂通量显示与SOC、TN呈负相关关系。研究表明pH值存在最适范围，超出这个范围时，会导致温室气体的排放大幅度减少[6]。

2.2.2土壤温湿度对土壤CH₄气体释放通量的影响

在研究中，CH₄通量吸收通量随着温度的升高和湿度的降低而增大，但温度过高反而会抑制其吸收。土壤温度提高，土壤生物活性加强，CH₄的吸收速率加强。但CH₄的氧化需要在一个适宜的温度范围，温度过高或过低都会影响CH₄的吸收[7]。随着湿度增大，土壤对CH₄的吸收通量减少。因为湿度过大时，水分更多的布满土壤空隙，土壤空气减少，扩散受到限制。因此水热配置适宜的土壤的CH₄的吸收达到高峰。而研究表明，土壤水分含量明显影响CH₄通量，并且随土壤水分增加，CH₄通量呈增加趋势。CH₄的氧化需要在一个合适的温度和湿度范围进行，过高或过低的温度都会影响CH₄的吸收。当湿度过高时，水分填满了土壤中大部分孔隙，土壤通透性变差，CH₄气体在土壤中的扩散阻力增大，因此抑制了CH₄的吸收，从而水热配置适宜的土壤的CH₄的吸收达到高峰。实际上，土壤温湿度具有特定的配置关系，因此在全年不同季节二者所起的作用各不相同。冬季（12月至次年3月），温度起着重要作用，低温影响了土壤氧化吸收CH₄的能力，出现土壤氧化吸收大气中CH₄的最低值；4月起，天气转暖，温度的升高促进了CH₄的吸收，CH₄吸收通量开始增加；7月为炎热的夏季，土壤湿度有所下降，CH₄吸收通量不断增加，但高温对其产生一定的限制作用。

2.2.3土壤温湿度对土壤N₂O气体释放通量的影响

研究表明，土壤温度升高，土壤微生物的数量和活性增加，有利于微生物的净硝化作用和氮的净矿化速率。当土壤含水量低于土壤饱和含水量，土壤N₂O的排放速率随着土壤湿度的增加而增加；含水量大于土壤饱和含水量，土壤中反硝化作用增强，大量N₂O生成N₂，土壤N₂O排放量降低[8]。

N₂O通量随0~10、10~20cm的土壤湿度的增加呈增加趋势，但是却没有显示显著的相关性。这一研究结果与相关研究的N₂O通量随土壤水分的增加而增加，而高水分含量条件下N₂O的产生并非与土壤含水量成正比这一结果一致。N₂O通量在土壤5cm和10cm处温度显示随温度升高通量增加的趋势，同样地，没有显著相关性。该研究结果与相关研究结果得出的针叶林和针阔混交土壤N₂O的排放通量随温度和土壤含水量升高而增加结果一致。