短期增温对内蒙古大青山油松人工林土壤温室气体通量的影响

摘要  ［目的］揭示内蒙古大青山土壤温室气体通量的变化趋势和影响，为温室气体在森林生态系统的排放机制和影响因素提供理论基础。［方法］利用OTC（开顶式增温箱）模拟大气温度升高，采用静态箱-气相色谱法野外原位观测土壤温室气体（CO2、CH4、N2O）通量的日动态、季节动态及年际动态的变化规律。［结果］模拟增温的条件下，5、10、20、40 cm土层土壤年均增温分别为1.13、2.16、1.21、0.70 ℃，大气年均增温0.61 ℃；增温处理下，5、10、20 cm土层土壤年均湿度分别降低4.64%、3.50%和8.43%，40 cm土层土壤湿度平均增加1.87%，大气湿度平均降低5.93%。增温降低了土壤有机碳、碱解氮、全氮、硝态氮含量、碳氮比，促进了铵态氮的转化。增温处理抑制了CO2通量排放，生长季CO2通量降低了25%。土壤CH4通量在生长季表现为大气CH4的汇，增温状态下的CH4通量平均吸收值略高于CK，一定程度上促进了CH4通量吸收。土壤N2O通量在生长季表现为大气N2O的源，生长季无显著差异，增温对N2O排放通量具有一定促进作用，但影响较小。［结论］该研究结果可为半干旱森林土壤温室气体通量排放研究提供参考依据。

关键词  模拟增温；油松人工林；温室气体；温带森林

中图分类号  S714  文献标识码  A  文章编号  0517-6611（2024）01-0105-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.01.022

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effect of Short-term Warming on Soil Greenhouse Gas Fluxes in Pinus tabulaeformis Plantations in Daqingshan， Inner Mongolia

ZHANG Xiao-pu1， MA Xiu-zhi1， LI Chang-sheng2 et al

（1.College of Forestry， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， Inner Mongolia 010018;2. Inner Mongolia Hohhot Meteorological Bureau， Hohhot， Inner Mongolia 010051）

Abstract  ［Objective］To reveal the changing trend and influence of soil greenhouse gas flux in Daqing Mountain， Inner Mongolia， and provide a theoretical basis for the emission mechanism and influencing factors of greenhouse gases in the forest ecosystem.［Method］In this experiment， OTC （open top heating chamber） was used to simulate the atmospheric temperature rise， and static chamber gas chromatography was used to observe the diurnal， seasonal and interannual dynamics of soil greenhouse gas （CO2， CH4， N2O） fluxes in situ.［Result］Under the condition of simulated warming， the average annual temperature of soil 5， 10， 20 and 40 cm was 1.13， 2.16， 1.21 and 0.70 ℃ respectively， and the average annual temperature of atmosphere was 0.61 ℃;under the warming treatment， the soil humidity at 5， 10 and 20 cm decreased by 4.64%， 3.50% and 8.43% annually， the soil humidity at 40 cm increased by 1.87% on average， and the atmospheric humidity decreased by 5.93% on average. Warming reduced soil organic carbon， alkali hydrolyzable nitrogen， total nitrogen， nitrate nitrogen， C/N content， and promoted the transformation of ammonium nitrogen. The warming treatment inhibited the emission of CO2 flux， and the CO2 flux in the growing season decreased by 25%. The soil CH4 flux in the growing season showed as a sink of atmospheric CH4， and the average absorption value of CH4 flux in the warming state was slightly higher than that in the control group， which promoted the absorption of CH4 flux to a certain extent. The soil N2O flux is the source of atmospheric N2O in the growing season， and there is no significant difference in the growing season. The warming has a certain promotion effect on N2O emission flux， but the influence is small.［Conclusion］The research results can provide a reference for researchers studying greenhouse gas emissions from semi-arid forest soil.

Key words  Simulated heating;Pinus tabulaeformis plantation;Greenhouse gas;Temperate forest

基金项目  内蒙古自然科学基金项目（2022MS03054）。

作者简介  张晓璞（1994—），男，内蒙古巴彦淖尔人，硕士研究生，研究方向：森林生态学。*通信作者，教授，博士，从事全球变化生态学研究。

收稿日期  2023-02-02；修回日期  2023-02-23

近一个世纪以来，全球气温不断升高，IPCC报告指出，全球气温每10年升高0.2 ℃［1］，从而引发越来越多的气候问题，如海平面升高、极端低温和高温的频发。造成气候变暖的罪魁祸首主要是CH4、N2O、CO2这3种温室气体，虽然CO2在空气中占据多数，但是CH4、N2O在空气中的浓度几十年来迅猛增长，增温势能数倍于CO2。因此，各国学者对生态环境气体通量变化的研究与日俱增，常用的是模拟增温装置试验。Livesley等［2］研究发现，不同森林类型会影响气体通量的排放。Rustad等［3］研究发现，增温提高土壤呼吸速率，长期增温则会降低CO2排放通量。Melillo等［4］研究证实了这一结论。据研究，内蒙古地区每10年增温0.47 ℃［5］，油松因耐干旱，及可涵养水源受到了人们的青睐。温室气体的排放会对整个大青山的森林生态系统产生极大影响，笔者利用OTC（开顶式增温箱）模拟大气温度升高，采用静态箱-气相色谱法野外原位观测土壤温室气体（CO2、CH4、N2O）通量的日动态、季节动态以及年际动态的变化规律，结合土壤理化性质，以内蒙古大青山油松人工林（Pinus tabuliformis）为研究对象，揭示土壤温室气体通量的变化趋势和影响，以期为温室气体在森林生态系统的排放机制和影响因素提供理论基础。

1  材料与方法

1.1  研究区概况

乌素图实验林场位于呼和浩特市境内，是内蒙古大青山国家级自然保护区的一部分。山体基岩主要由花岗岩、石英岩、砂页岩及砾岩组成。平均海拔1 700 m，属于温带半干旱大陆性季风气候，无霜期可达120 d，年平均气温约6.7 ℃，极端最高气温为38.0 ℃，特征整体较为干旱，年降水量在400 mm。春秋气候干旱且风沙较大，夏热冬燥，降水多集中于夏末秋初。主要植物有油松（Pinus tabuliformis）、白扦（Piceameyeri）、青扦（Picea wilsonii Mast.）、侧柏（Platycladus orientalis）。大青山油松人工林样地海拔1 160 m，树龄35 a，坡度13°，位于阴坡，胸径9.17 cm，树高9.29 m，枝下高1.66 m，东西冠幅3.40 m，南北冠幅3.87 m，郁闭度0.85。

1.2  试验设计

试验样地选取在内蒙古大青山乌素图国家森林公园附近，试验时间：2020年10月至2021年10月。采用开顶式生长室（Open Top Chamber，OTC）人工模拟的增温装置，由聚碳酸酯为材料制作的八面体开顶增温室，规格为：底部直径2.75 m，顶部直径1.50 m，高2.42 m。在平坦的地段设置4个10 m×10 m样方，编号1、2、3、4，各样方间隔10 m，每个样方布设对，设置模拟增温（W，Warming）和对照（CK，Control Check）2个处理，各处理重复4次，即4个W、4个CK，共8个试验小区；每个试验小区安装40 cm×40 cm的永久性土壤呼吸底座，嵌入土壤约5 cm，均配备静态箱（40 cm×40 cm×40 cm），配备保温板、电池和温度计。选取1个增温和1个对照小区，安装WN-30LDT多通道温湿度检测器检测土壤温湿度（ 5、10、20、40 cm）和空气温湿度（1.5 m），频率为0.5 h一次。

气体采集时间为2021年6—10月生长季，每隔7 d在晴朗天气的工作日进行采集，每组增温分别在0、10、20、30 min 4个时间点采集箱内气体。在9：00—10：00 开始试验，底座倒入一定量的水，将静态箱扣于呼吸底座上，接通风扇使气体循环，使用外接针管抽取60 mL气体，采样袋存储，用气象色谱仪获取气体通量峰面积，计算出气体通量值，室内试验用Agilent7890A 型气相色谱仪测定其CO2、CH4和NO2浓度。

1.3  试验方法

通过气象色谱仪测量CO2、CH4和 N2O的峰面积，计算气体通量，公式如下：

F=ΔmA·Δt=ρ·V·ΔcA·Δt=ρ·H·Δc/Δt（1）

式中，F表示气体交换通量，ρ为静态箱内气体密度，Δm和Δc分别表示在Δt时间内静态箱内气体质量和混合比浓度的变化，A、V、H分别表示静态箱的底面积、体积和高度，Δc/Δt表示箱内气体的浓度变化。F计算为负值表示吸收，正值则表示为排放。

2021年8月选取3个样地挖取40 cm土壤剖面，在0～10、10～20、20～40 cm 3个土层以环刀取土，测定铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）、土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）含量及土壤常规理化性质。

2  结果与分析

2.1  增温对土壤及大气温湿度的影响

5、10、20、40 cm土层土壤温度和大气温度表现为降低—升高—降低的单峰曲线变化，且增温处理＞CK。2021年1月下降到波谷，随后温度回升，7月达到峰值（图1）。研究可知，增温对5、10、20、40 cm土层土壤和大气温度具有促进作用，增温效果冬季＞夏季，大气增温则是夏季＞冬季。