土壤温室气体（GHG）通量研究作为近年来的热点问题，对碳氮循环具有重要意义。长白山温带阔叶红松林因其对气候变化的响应高度敏感而成为全球气候变化背景下非常重要的研究区域。利用静态箱–气相色谱技术（静态箱法）、红外气体分析法（LI-8100 法）和全自动多通道土壤CO2、CH4 和N2O 通量协同观测技术（动态箱法），本研究在温带森林生态系统和城市生态系统不同下垫面开展了土壤CO2、CH4 和N2O 通量的对比观测，同时在室内验证了动态箱法的精度和准确度。基于动态箱法和静态箱法，本研究于2014–2020 年开展了长白山温带阔叶红松林土壤碳氮通量的野外连续定位测定，分析了土壤温室气体通量的动态变化和环境响应特征。目前土壤温室气体通量野外监测频率较低，尤其在春季冻融期的研究明显不足，因此在量化中高纬度地区全年土壤温室气体通量和探究驱动森林土壤温室气体交换的因子方面存在较大的不确定性。该研究有助于了解不同时期长白山温带阔叶红松林土壤CO2、CH4 和N2O 通量的过程和机制。本研究的主要结论如下：
（1）动态箱法的室内模拟通量测试结果显示该系统的测量数据重现性好，精度高。不同方法间的观测值具有不同程度的差异，在城市裸地中，动态箱法测得的CO2、CH4 和N2O 通量和LI-8100 法测得的CO2 通量均比静态箱法测得的高50 %以上。在森林和城市草坪中，动态箱法测定的N2O 通量分别比静态箱法观测结果高65.9 %和40.2 %，动态箱法和静态箱法测得的CH4 通量相似。不同方法观测的CO2通量，在森林中结果相似，但在城市草坪和裸地中差异很大。整体上土壤CO2、CH4 和N2O 通量变化趋势基本一致，说明三种观测方法在野外监测中具有适用性。不同时间和不同环境条件下的土壤温室气体通量结果存在变化剧烈的特征，因此有必要使用动态箱法加强采样频率，开展长期连续测定，更准确地了解长期的动态变化特征。
（2）长白山温带阔叶红松林土壤CO2 通量为碳源，CH4 通量为碳汇，N2O通量为氮源。土壤CO2、CH4 和N2O 通量（2016 年动态箱法观测）具有明显的昼夜变化特征，大多呈现单峰日变化曲线规律。从每月的日变化数据来看，土壤CO2 通量的变化范围为0.063 μmo1 m-2 s-1– 4.12 μmol m-2 s-1，1 月的排放量最小，8 月的排放量最大；土壤CH4 吸收量的变化范围为-0.059 nmol m-2 s-1– -1.10nmol m-2 s-1，12 月的吸收量最小，6 月的吸收量最大；土壤N2O 通量的变化范围为0.00056 nmol m-2 s-1– 0.56 nmol m-2 s-1，1 月的排放量最小，3 月（春季冻融期）的排放量最大。上午8–11 点是动态箱法观测的每月土壤CO2、CH4 和N2O通量的代表性时刻。在季节尺度上，土壤CO2 排放的强度越强时，土壤CH4 的吸收强度越强，最高值均出现在生长季旺季的6、7 和8 月；N2O 为排放源，表现出春季融化期排放量激增的现象，土壤CO2 和N2O 排放强度在1 月最低，土壤CH4 吸收强度在12 月最低。在年际尺度上，土壤CO2 排放速率和CH4 吸收速率在2016、2018 和2019 年呈现出逐渐降低的变化趋势。与2019 年相比，土壤CO2 排放速率和CH4 吸收速率在2020 年有所升高。2016 年N2O 排放速率高于2015 年，2020 年N2O 排放速率和通量累积量低于2019 年。
（3）长白山温带阔叶红松林土壤CO2、CH4 和N2O 通量（2019 年静态箱法观测）与土壤温湿度的相关性分析结果显示，土壤CO2 排放随Ts 的升高线性增加，春季冻融期和生长季Q10 值都为2.70；春季冻融期CH4 通量与土壤温度（Ts）呈现指数正相关关系，在生长季相关关系不显著。春季冻融期CO2 通量与土壤体积含水量（VWC）呈现线性正相关关系，在生长季呈现先增加后降低的二次函数关系；春季冻融期CH4 通量与VWC 呈现线性负相关关系，但在生长季呈现线性正相关关系。冻融过程显著影响土壤N2O 排放，春季冻融期N2O排放达到高峰，显著高于生长季。在春季冻融期N2O 与Ts 呈现显著的指数负相关关系，在生长季相关关系不显著；N2O 与VWC 在春季冻融期和生长季都呈现指数负相关关系。
（4）通过对8 个在土壤碳氮循环中起重要作用的土壤理化因子进行测定，探讨了土壤通量动态变化的驱动机制。土壤CO2 通量与硝态氮含量呈显著正相关，与铵态氮含量呈显著负相关；土壤CH4 通量与硝态氮含量呈显著负相关，与pH 和铵态氮含量呈显著正相关。NO3--N 和NH4+-N 对土壤CO2 和CH4 通量有相反的影响。土壤CO2 和CH4 通量随土壤基质有效性和微生物活性的增强而增加，土壤全C、溶解性有机碳（DOC）和全N 含量是驱动土壤CO2 和CH4 通量年际变化的重要因素。土壤N2O 通量与电导率、全氮含量、全碳含量、碳氮比、铵态氮含量和可溶性有机碳含量呈显著正相关，与pH 呈显著负相关，这可能是由于pH 升高促进了土壤N2O 还原酶活性的增强。
（5）基于2015–2020 年土壤碳氮温室气体通量数据，动态箱法观测通量的全球增温潜势（global warming potential, GWP）约为15–20 t CO2 eq ha−1 yr−1，静态箱法观测结果较高，约为40 t CO2 eq ha−1 yr−1。对于100 年时间框架内的全球变暖潜能值（GWP100），生长季在全年中有着主要贡献。生长季GWP100约为春季冻融期GWP100的10–40 倍。在三种温室气体通量中，土壤CO2 通量对GWP100贡献最大。CO2 排放和CH4 吸收在生长季高于春季冻融期，春季冻融期N2O 排放的贡献显著，高于其它时期。三种温室气体之间关系复杂，具体表现为CO2 和CH4 在春季冻融期和生长季负相关，生长季CH4 通量和N2O 通量呈现出密切的正相关，而在春季冻融期没有明显的相关关系。对于N2O 通量和CO2通量，二者生长季相关性不显著，在春季冻融期CO2 排放随着N2O 的升高先降低后增加。
综上所述，本论文揭示了长白山温带阔叶红松林CO2 排放和CH4 吸收的通量呈现生长季高于非生长季的季节变化趋势，N2O 排放通量呈现春季冻融期激增的特征；三种土壤温室气体通量在日尺度、季节尺度和年际尺度上具有时间动态变化规律。影响土壤碳氮温室气体通量变异的影响因子主要包括土壤温湿度等气象因素和硝态氮含量、铵态氮含量、pH、电导率、全氮含量、全碳含量、碳氮比和可溶性有机碳含量等理化性质因素。本论文促进了对长白山温带阔叶红松林土壤碳收支的理解，有助于更加准确地估计和预测全球气候变化下森林土壤温室气体通量及其全球变暖潜力。