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近年来，由大气中温室气体浓度急剧增加所引起的全球气候变化已成为当今人类社会关注的焦点。大气中三种主要温室气体(CO2、CH4和N2O)的浓度上升对温室效应的增强总贡献率已经达到80％左右，是温室效应的主要贡献者。土地利用方式变化是导致大气中温室气体浓度快速增加的主要原因之一。在减缓气候变化的各种途径中，林业活动产生的森林碳汇是减少大气温室气体浓度一个较好选择，具有不可替代的地位和作用。然而，东北温带原始阔叶红松混交林退化为多种次生林和红松人工林后温室气体排放和碳源/汇的变化是否存在差异，目前并不是很清楚。为此，有必要研究原始阔叶红松混交林退化为多种次生林和红松人工林后生态系统温室气体排放和碳源/汇特征，为退耕还林、植树造林等林业工程以及减缓温室气体排放、增强森林碳汇功能等相关政策的制定提供理论依据。
本研究在黑龙江帽儿山森林生态系统国家野外科学观测站，选取了3种森林类型作为研究对象，包括，原始红松林(PF;原始阔叶红松混交林-对照)，红松人工林(KPP)，次生林(硬阔林-HWF、白桦林-BPF、山杨林-PDF、杂木林-MDF和蒙古栎林-MOF)。基于对植被年净固碳量和土壤碳排放的估算，以及土壤温室气体(CO2、CH4和N2O)排放和相关环境因子为期一年的监测，揭示了各森林类型温室气体排放的季节动态、植被净初级生产力和固碳潜力，重点分析了森林类型以及环境因子对土壤温室气体排放的影响，结合植被年净固碳量和土壤碳排放量，探讨了各森林类型的碳源/汇效应。主要研究结论如下:
1、原始红松林退化为次生林增强了土壤对CH4吸收能力，而退化为红松人工林差异不显著。土壤年均CH4通量在-0.046至-0.077mg m-2h-1之间。次生林类型(白桦林除外)土壤对CH4的吸收比红松人工林高32.6％～67.4％;2种次生林(杂木林和蒙古栎林)土壤对CH4的吸收分别比原始红松林高37.3％和51.0％。土壤CH4吸收速率具有一致的季节动态，最大值吸收出现在夏季，最低值出现在冬季。非生长季CH4吸收值的差异是造成原始红松林、多种次生林和红松人工林间土壤CH4年均吸收值差异的主要原因。
2、原始红松林退化为次生林显著减弱了对CO2的固碳能力，而退化为红松人工林差异不显著。土壤年均CO2通量在140.425～250.023mg m之h。1之间。次生林土壤(硬阔林除外)的年均CO2通量比红松人工林高33.0％～53.0％。次生林土壤年均CO2通量比原始红松林高32.7％～78.0％，未恢复到原始红松林水平。土壤CO2通量均呈现明显的季节变化，表现为夏秋季高，冬春季低。生长季和非生长季土壤平均CO2通量的差异是造成原始红松林、多种次生林和红松人工林间土壤年均CO2通量差异的主要原因。
3、原始红松林、多种次生林和红松人工林土壤年均N2O通量在7.125～20.726μg m-2h-1之间，均表现为N2O的排放源。次生林中，只有山杨林和蒙古栎林土壤年均N2O通量显著低于原始红松林(59.9％和35.9％)，同时低于红松人工林(59.0％和34.4％)，但原始红松林和红松人工林土壤之间年均N2O通量差异不显著。除原始红松林外的其他森林类型，春季N2O通量明显高于其他季节。
4、原始红松林、多种次生林和红松人工林土壤CH4、CO2和N2O通量的主控因子不同。大气和土壤温度、土壤体积含水率、硝态氮、铵态氮和土壤有机碳含量对土壤CH4和CO2通量有显著影响。气温、土壤体积含水率、土壤pH、硝态氮、铵态氮是控制原始红松林和次生林土壤N2O通量的主导因子。此外，森林类型对温室气体的传输和排放具有显著影响。
5、原始红松林、多种次生林和红松人工林土壤全年累计CH4、CO2、N2O通量分别为-13.37t CH4a-1，41608.96t CO2a-1和3.24t N2Oa-1。原始红松林、多种次生林和红松人工林间累计增温潜势差异显著，按下列顺序依次增加:红松人工林＜原始红松林＜次生林。次生林土壤的增温潜势分别为原始红松林和红松人工林的56.4倍和1224.8倍。在原始红松林、多种次生林和红松人工林中，土壤CO2对增温潜势的贡献最大，而土壤CH4和N2O的贡献很小。研究区原始红松林、多种次生林和红松人工林全年累计增温潜势为42151.87t CO2eq.a-1。
6、原始红松林、多种次生林和红松人工林植被净初级生产力分布在7.87～11.84t·hm-2·a-1之间，植被年净固碳量分布在3.41～6.26t C·hm-2·a-1之间。不同森林类型的植被净初级生产力和年净固碳量均存在较大差异。其中，红松人工林的净初级生产力高于原始红松林和2种次生林(山杨林和蒙古栎林);原始红松林与次生林之间的植被净初级生产力差异不显著。红松人工林的年净固碳量高于原始红松林和次生林(硬阔林除外);原始红松林与次生林之间的植被年净固碳量差异不显著。原始红松林、多种次生林和红松人工林生态系统植被累计年净初级生产力为24110.1t，植被累计年净固碳量为12421.51t。
7、原始红松林、多种次生林和红松人工林土壤年净碳排放量差异较大，分布在3.15～5.89t C·hm-2·a-1之间，呈现出次生林＞原始红松林和红松人工林的变化规律，而原始红松林土壤年净碳排放量与红松人工林之间差异不显著。原始红松林、多种次生林和红松人工林生态系统累计年碳排放量为11097.76t。
8、原始红松林、多种次生林和红松人工林生态系统净碳收支在-1.90～2.54t C·hm-2·a-1之间，且碳源/汇的作用机制和效应不同。其中，原始红松林碳排放最弱而固碳居中，红松人工林固碳最强而碳排放较弱，次生林固碳较弱而碳排放最强(硬阔林除外)。因此，红松人工林为碳强吸收汇，原始红松林和硬阔林为碳弱吸收汇;白桦林、杂木林和蒙古栎林为碳弱排放源，山杨林为碳强排放源。原始红松林、多种次生林和红松人工林生态系统在2015年5月至2016年4月的总碳源/汇为1321.55t。因此，原始红松林、多种次生林和红松人工林综合碳源/汇效应为碳汇。
本文通过森林植被年净固碳量和土壤碳排放的全年监测，系统地研究了我国东北温带原始红松林退化为红松人工林和多种次生林的碳源/汇问题。本研究对阐明东北温带森林退化后形成的森林生态系统碳源/汇效应和区域森林生态系统碳库稳定性的维持机制具有十分重要的作用，对评估东北温带森林生态系统的服务功能也具有重要意义。
本研究在黑龙江帽儿山森林生态系统国家野外科学观测站，选取了3种森林类型作为研究对象，包括，原始红松林(PF;原始阔叶红松混交林-对照)，红松人工林(KPP)，次生林(硬阔林-HWF、白桦林-BPF、山杨林-PDF、杂木林-MDF和蒙古栎林-MOF)。基于对植被年净固碳量和土壤碳排放的估算，以及土壤温室气体(CO2、CH4和N2O)排放和相关环境因子为期一年的监测，揭示了各森林类型温室气体排放的季节动态、植被净初级生产力和固碳潜力，重点分析了森林类型以及环境因子对土壤温室气体排放的影响，结合植被年净固碳量和土壤碳排放量，探讨了各森林类型的碳源/汇效应。主要研究结论如下:
1、原始红松林退化为次生林增强了土壤对CH4吸收能力，而退化为红松人工林差异不显著。土壤年均CH4通量在-0.046至-0.077mg m-2h-1之间。次生林类型(白桦林除外)土壤对CH4的吸收比红松人工林高32.6％～67.4％;2种次生林(杂木林和蒙古栎林)土壤对CH4的吸收分别比原始红松林高37.3％和51.0％。土壤CH4吸收速率具有一致的季节动态，最大值吸收出现在夏季，最低值出现在冬季。非生长季CH4吸收值的差异是造成原始红松林、多种次生林和红松人工林间土壤CH4年均吸收值差异的主要原因。
2、原始红松林退化为次生林显著减弱了对CO2的固碳能力，而退化为红松人工林差异不显著。土壤年均CO2通量在140.425～250.023mg m之h。1之间。次生林土壤(硬阔林除外)的年均CO2通量比红松人工林高33.0％～53.0％。次生林土壤年均CO2通量比原始红松林高32.7％～78.0％，未恢复到原始红松林水平。土壤CO2通量均呈现明显的季节变化，表现为夏秋季高，冬春季低。生长季和非生长季土壤平均CO2通量的差异是造成原始红松林、多种次生林和红松人工林间土壤年均CO2通量差异的主要原因。
3、原始红松林、多种次生林和红松人工林土壤年均N2O通量在7.125～20.726μg m-2h-1之间，均表现为N2O的排放源。次生林中，只有山杨林和蒙古栎林土壤年均N2O通量显著低于原始红松林(59.9％和35.9％)，同时低于红松人工林(59.0％和34.4％)，但原始红松林和红松人工林土壤之间年均N2O通量差异不显著。除原始红松林外的其他森林类型，春季N2O通量明显高于其他季节。
4、原始红松林、多种次生林和红松人工林土壤CH4、CO2和N2O通量的主控因子不同。大气和土壤温度、土壤体积含水率、硝态氮、铵态氮和土壤有机碳含量对土壤CH4和CO2通量有显著影响。气温、土壤体积含水率、土壤pH、硝态氮、铵态氮是控制原始红松林和次生林土壤N2O通量的主导因子。此外，森林类型对温室气体的传输和排放具有显著影响。
5、原始红松林、多种次生林和红松人工林土壤全年累计CH4、CO2、N2O通量分别为-13.37t CH4a-1，41608.96t CO2a-1和3.24t N2Oa-1。原始红松林、多种次生林和红松人工林间累计增温潜势差异显著，按下列顺序依次增加:红松人工林＜原始红松林＜次生林。次生林土壤的增温潜势分别为原始红松林和红松人工林的56.4倍和1224.8倍。在原始红松林、多种次生林和红松人工林中，土壤CO2对增温潜势的贡献最大，而土壤CH4和N2O的贡献很小。研究区原始红松林、多种次生林和红松人工林全年累计增温潜势为42151.87t CO2eq.a-1。
6、原始红松林、多种次生林和红松人工林植被净初级生产力分布在7.87～11.84t·hm-2·a-1之间，植被年净固碳量分布在3.41～6.26t C·hm-2·a-1之间。不同森林类型的植被净初级生产力和年净固碳量均存在较大差异。其中，红松人工林的净初级生产力高于原始红松林和2种次生林(山杨林和蒙古栎林);原始红松林与次生林之间的植被净初级生产力差异不显著。红松人工林的年净固碳量高于原始红松林和次生林(硬阔林除外);原始红松林与次生林之间的植被年净固碳量差异不显著。原始红松林、多种次生林和红松人工林生态系统植被累计年净初级生产力为24110.1t，植被累计年净固碳量为12421.51t。
7、原始红松林、多种次生林和红松人工林土壤年净碳排放量差异较大，分布在3.15～5.89t C·hm-2·a-1之间，呈现出次生林＞原始红松林和红松人工林的变化规律，而原始红松林土壤年净碳排放量与红松人工林之间差异不显著。原始红松林、多种次生林和红松人工林生态系统累计年碳排放量为11097.76t。
8、原始红松林、多种次生林和红松人工林生态系统净碳收支在-1.90～2.54t C·hm-2·a-1之间，且碳源/汇的作用机制和效应不同。其中，原始红松林碳排放最弱而固碳居中，红松人工林固碳最强而碳排放较弱，次生林固碳较弱而碳排放最强(硬阔林除外)。因此，红松人工林为碳强吸收汇，原始红松林和硬阔林为碳弱吸收汇;白桦林、杂木林和蒙古栎林为碳弱排放源，山杨林为碳强排放源。原始红松林、多种次生林和红松人工林生态系统在2015年5月至2016年4月的总碳源/汇为1321.55t。因此，原始红松林、多种次生林和红松人工林综合碳源/汇效应为碳汇。
本文通过森林植被年净固碳量和土壤碳排放的全年监测，系统地研究了我国东北温带原始红松林退化为红松人工林和多种次生林的碳源/汇问题。本研究对阐明东北温带森林退化后形成的森林生态系统碳源/汇效应和区域森林生态系统碳库稳定性的维持机制具有十分重要的作用，对评估东北温带森林生态系统的服务功能也具有重要意义。