大氣中碳基溫室氣體積累速率不斷上升，迫切要求明確其源與匯。森林在光合作用超過自養呼吸與土壤異養呼吸時，可作為大氣CO₂的匯；但同時，部分森林通過土壤與樹冠的產甲烷作用成為重要的CH₄源。CH₄的百年尺度全球增溫潛勢約為CO₂的28倍，因此最小化森林的碳基溫室氣體排放是氣候減緩的優先事項。森林健康，特別是低病害率，被認為可通過減少碳源、維持或增強碳匯來最大化森林的匯強度。然而，病害對森林碳基溫室氣體通量的調節作用尚不明確，是預測未來氣候的一大不確定因素。樹木病害會導致局部莖干損傷或整體死亡，通過減少葉面積和葉綠素含量降低光合碳獲取；同時，病害對森林碳損失的影響更為復雜：一方面，光合速率降低可能減少自養呼吸的碳損失；另一方面，枝條死亡和凋落物增加可能提供更多碳底物，刺激異養呼吸。碳底物的增加尤其在缺氧環境中可能刺激產甲烷菌活性，增加CH₄通量。心腐病作為北方硬木林中常見的真菌病害，導致樹木心材內部腐爛退化。盡管心腐病與碳基溫室氣體通量間的直接關系此前從未被研究，但木材的內部分解可能增加或減少CO₂通量，而腐爛的莖干空腔可能創造與土壤衍生氣體的連接，類似于濕地植物中通氣組織介導的氣體傳輸。樹的心材中也存在CH₄生產所需的缺氧條件，提示心腐病可能與樹干CH₄通量存在潛在聯系。

本研究在美國威斯康星州與密歇根上半島交界處的圣母大學環境研究中心（UNDERC）進行。該地土壤以礦質土和排水良好為主，覆蓋有機表層，屬濕潤大陸性氣候。研究選取當地優勢樹種糖槭，因其對心腐病高度易感。研究采用了一種新穎的實驗設計和先進的儀器來評估心腐病對樹干碳基溫室氣體通量的影響。關鍵挑戰在于識別患有心腐病的樹木并評估腐爛嚴重程度，因為心腐病在活樹上通常外部不可見。為此，研究使用了聲波斷層掃描這一非破壞性先進成像技術來檢測心腐病引起的內部腐爛。在三個相距約1公里的研究地點，將有心腐病的樹木與附近（30米內）斷層掃描顯示無腐爛證據的樹木配對，以盡量減少地形海拔和土壤屬性（如土壤類型和體積含水量）變化的影響。聲波斷層掃描在生長季初期進行，氣體通量則在六月中旬、七月中旬和十月測量。聲波斷層掃描通過在樹干胸高處均勻間隔安裝十個SD02壓電傳感器，記錄聲波速度和信號強度，利用ArborSonic 3D軟件分析并生成顯示內部腐爛百分比的橫截面圖。樹干腐爛百分比低于5%的樹木被歸類為無心腐病樹木，而高于此值的則被歸類為有心腐病樹木。樹干和土壤碳基溫室氣體通量采用封閉靜態箱法在原位測量。為樹干通量測量，根據樹干直徑在4或8個方位安裝直徑10.2厘米、高約9厘米的PVC管作為環，以覆蓋大部分樹干表面。每個環用硅酮密封劑密封。土壤通量測量則在每棵樹基部的四個方位將PVC管插入土壤約2-5厘米。使用定制封閉靜態箱（由PVC法蘭改造而成）與LI-COR LI-7810 CH₄/CO₂/H₂O痕量氣體分析儀連接，測量箱內CH₄（ppb）和CO₂（ppm）濃度，頻率1Hz，持續180秒，以計算通量。通量計算考慮了箱體積、大氣壓、初始水汽摩爾分數、測量表面積、初始空氣溫度和氣體摩爾分數隨時間的變化率。樹干環通量通過面積加權平均法整合到單個樹干水平。此外，通過在健康樹木上進行增量鉆孔實驗（鉆孔通量實驗），結合通量測量，確定了樹干橫截面內溫室氣體通量的點源。鉆孔后立即測量通量，鉆孔器在每個深度間隔之間用乙醇和丙烷火炬火焰滅菌以防止微生物污染。在實驗室中，通過視覺和觸覺評估顏色、質地和水分變化，確定樹皮、邊材和心材的邊界和深度。為幫助解釋CH₄通量并識別潛在點源，研究還分析了選定樹莖心材中的微生物群落，特別關注產甲烷菌。心材樣本于2024年10月采集，使用滅菌的鉆孔器從九個不同的樹干中提取單芯，目標深度基于每棵樹的半徑。提取后，芯樣密封并保存在干冰上，運至實驗室后稱重，使用GeneCount? qKit保存，并送至Luminultra公司進行DNA提取、純化和微生物群落分析。通過定量聚合酶鏈反應測定總原核生物濃度，并對16S rRNA基因的V4可變區進行下一代測序，使用mothur軟件進行生物信息學處理和分類學鑒定。產甲烷菌細胞計數通過除以每個樣本中的總原核生物細胞計數轉換為相對豐度。統計學分析在95%置信水平下評估顯著性，根據數據是否符合正態性假設使用參數或非參數檢驗。對于配對比較使用Mann-Whitney U檢驗，多組比較使用Kruskal-Wallis單因素方差分析，后進行Dunn事后檢驗。卡方檢驗用于確定觀測變量是否符合特定的期望分布。使用最小二乘回歸擬合線性和非線性三參數指數模型。對于某些分析，使用歸一化公式對通量數據進行處理，以便在樹干間進行有意義的比較。

CH₄通量在心腐病與無心腐病樹干及土壤之間存在顯著差異，而CO₂通量在心腐病與無心腐病樹干之間統計上相似。對于樹干-土壤配對，土壤與樹干CO₂和CH₄通量之間均無顯著相關性。樹干和土壤都是大氣CO₂的源，而樹干是CH₄的源，土壤是CH₄的匯。有心腐病樹木基部的土壤CH₄或CO₂通量與無心腐病樹木基部相比無顯著差異。按單位面積計算，有心腐病的樹干排放的CH₄多于土壤吸收的量。有心腐病樹干CH₄通量中位數為6.0 nmol m^?2s^?1，而土壤CH₄通量中位數為-2.5 nmol m^?2s^?1。樹干CH₄和CO₂通量均呈現右偏分布，尤其在有心腐病的樹干中。CO₂通量中位數在心腐病與無心腐病樹干間無顯著差異，而CH₄通量中位數在心腐病樹干中高出七倍且具有統計顯著性。具體而言，有心腐病樹干CH₄通量中位數為6.0 nmol m^?2s^?1，無心腐病樹干為0.9 nmol m^?2s^?1；有心腐病樹干CO₂通量中位數為15.8 μmol m^?2s^?1，無心腐病樹干為15.0 μmol m^?2s^?1。

分析樹干通量與樹干內通量變異性（即單個樹干上所有環通量的標準差）的關系發現，對于CH₄，有心腐病的樹干比無心腐病樹干具有更高的樹干通量和樹干內通量變異性。對于CO₂，除了與有心腐病樹干相關的幾個通量異常值外，有心腐病樹干與無心腐病樹干的樹干內通量變異性相似，樹干通量更高。樹干內CH₄通量變異性與樹干CH₄通量呈強正相關，而樹干內CO₂通量變異性與樹干CO₂通量的相關性較弱但仍具有統計顯著性。這表明高樹干通量與單個樹干上環間更大的變異性相關，意味著局部通量“熱點”，尤其是CH₄，驅動了整體樹干通量。

進一步分析環通量和樹干通量以及野外觀察發現，CH₄通量“熱點”與樹皮裂隙的存在相關。樹皮裂隙是沿樹干切向-縱向平面可見的木材分離。為檢驗樹皮裂隙導致CH₄或CO₂通量熱點的假設，將每棵樹的環通量歸一化，并繪制為距裂隙距離的函數。給定樹干上測量的最高CH₄和CO₂通量均在與樹皮裂隙相關的環上測得。平均而言，歸一化CH₄通量在樹皮裂隙處比樹干其他部位高約9倍，而歸一化CO₂通量則高約2倍。樹皮裂隙對樹干CH₄通量的影響尤為強烈，CH₄通量隨距樹皮裂隙距離增加呈指數下降。相比之下，CO₂通量未表現出如此顯著的指數下降，表明樹皮裂隙對CO₂通量的影響小于對CH₄通量的影響。

樹干腐爛百分比（即心腐病嚴重程度）與樹干CH₄通量呈正相關，但與CO₂通量無關。樹干腐爛百分比范圍從無腐爛到橫截面積最大68%，而CH₄和CO₂通量范圍跨越幾個數量級。雖然最高CH₄和CO₂通量恰逢高樹干腐爛嚴重程度，但在腐爛百分比大于40%時，CH₄通量存在很大變異性，這似乎與有裂隙和無裂隙的樹干相關。仔細檢查發現，無心腐病樹干、有心腐病樹干以及同時有心腐病和裂隙的樹干之間的CH₄通量存在統計顯著差異，而CO₂通量在這三個類別間無顯著差異。同時有心腐病和裂隙的樹干的CH₄通量比無心腐病樹干高約10倍，比僅有心腐病的樹干高約3倍。

由于樹皮裂隙在調節CH₄通量中的重要性及其在高樹干腐爛嚴重程度下的發生，研究檢驗了更大的樹干腐爛嚴重程度與實驗所采樣樹中樹皮裂隙發生率增加相關的假設。結果支持這一假設，觀察到樹皮裂隙樹干的比例在不同腐爛類別間明顯增加。在0-25%腐爛類別中，僅4%的樹干出現樹皮裂隙；在26-50%腐爛類別中，12%的樹干出現樹皮裂隙；在51-75%腐爛類別中，19%的樹干出現樹皮裂隙。這表示無心腐病樹干與中度腐爛嚴重程度樹干之間的樹皮裂隙發生率增加了三倍，與高度腐爛嚴重程度樹干之間增加了五倍。獨立性卡方檢驗證實，樹干腐爛類別與心腐病樹干比例增加之間的關聯是顯著的，表明腐爛程度更高的樹干更有可能出現裂隙。

在健康樹干上進行的增量鉆孔通量實驗評估了CH₄和CO₂通量的點源。所有樹木胸徑相似，并且在樹干橫截面上顯示出一致的碳基溫室氣體通量模式。CH₄的點源位于心材，該處相對CH₄通量最高；而CO₂的點源位于邊材，該處相對CO₂通量最高。對于CH₄，通量在樹干的樹皮和邊材部分最低，在邊材-心材界面急劇增加，并在心材內部達到峰值。平均而言，心材中的歸一化CH₄通量比邊材中高約6倍，比樹皮中高約5386倍。相比之下，CO₂通量在樹干組織間變化，在樹皮-邊材界面增加，在整個邊材保持較高水平，在邊材-心材界面下降，最終在深心材達到最低值。邊材中的歸一化CO₂通量比心材中高約2.5倍，比樹皮中高約1.2倍。

由于在無心腐病樹木心材中觀察到升高的CH₄通量，研究旨在測試產甲烷菌是否在三個樹干類別（無心腐病、有心腐病無樹皮裂隙、有心腐病有樹皮裂隙）中始終與心材相關，以及心腐病是否影響產甲烷菌組成。在所有三個樹干類別的心材中都檢測到了產甲烷菌，這表明無論內部腐爛狀態如何，心材都有產生CH₄的潛力。同時有心腐病和裂隙的樹干、僅有心腐病的樹干和無心腐病樹木之間的產甲烷菌相對豐度差異在95%置信水平上無統計顯著性，盡管同時有心腐病和裂隙的樹木平均值高出八倍。可能的原因在于相對豐度測量值的高變異性，尤其是對于有心腐病和樹皮裂隙的樹干。例如，有心腐病和樹皮裂隙樹干中產甲烷菌相對豐度的變異性約為有心腐病和無心腐病樹干中發現變異性的7-10倍。

這是首項研究心腐病對樹干和土壤CO₂與CH₄通量影響的工作，為理解樹木健康在碳基溫室氣體通量中的作用提供了案例研究。CO₂生產由于自養呼吸發生在邊材，而CH₄生產由于產甲烷菌的存在發生于心材。心腐病對碳基溫室氣體通量的影響在樹干和土壤中不同，并且因氣體（CO₂或CH₄）而異。土壤通量不受附近樹木存在心腐病的影響。所有樹木，無論是否存在心腐病，都從其樹干排放CH₄和CO₂。有心腐病的樹干比無心腐病樹干表現出更高的CH₄通量，而CO₂通量在所有樹干中相似且不受心腐病存在的影響。這些發現與先前顯示樹干排放CH₄以及心材中高CH₄濃度的研究一致，但與近期顯示樹木樹皮上甲烷氧化菌吸收CH₄的工作相矛盾。

心腐病未影響土壤CH₄或CO₂通量，可能是因為腐爛局限于樹干內部，沒有向周圍土壤貢獻足夠的碳以刺激通量。這種刺激通常通過積極的土壤引發效應發生，即新鮮碳輸入（如腐爛的心材）的添加增強了微生物呼吸。由于心腐病局限于內部心材，并且通常沿樹干局部發生，因此在短時間尺度上不影響土壤CH₄和CO₂通量并不奇怪。然而，在更長時間尺度上，靠近樹基的心腐病或心腐病導致的結構弱化可能導致樹木倒伏，并可能在更廣的空間和時間尺度上刺激這些通量。需要生態系統層面的進一步研究來理解心腐病對土壤溫室氣體排放和森林碳預算的更大尺度影響。

關于樹干CH₄通量的來源，研究利用旱地好氧土壤的存在，檢驗了CH₄生產發生在樹干內部而非土壤的假設，并發現了樹木內部CH₄生產的有力支持。具體而言，觀察到土壤是大氣CO₂的源，但卻是大氣CH₄的匯。這種模式與旱地森林土壤一致，其中氧化作用促進CO₂生產，甲烷氧化菌消耗CH₄。有心腐病和無心腐病樹木周圍土壤的CH₄通量沒有差異，盡管樹干本身的CH₄通量存在顯著差異，這排除了土壤對樹干CH₄通量的貢獻。CH₄通量也不太可能來自漬水土壤或高水位，因為研究區域旱地森林的地下水位低于地表5-13米，且土壤體積含水量測量值低于土壤開始產生CH₄的47%閾值。這些觀察結果支持了CH₄在樹干內部產生而非從土壤向上傳輸的結論。來自心材中產甲烷菌存在的進一步證據為內部樹干生產提供了支持。在研究的心材組織中發現了活躍產甲烷菌的直接證據，先前研究已報告該組織具有較高的CH₄濃度，并且樹干鉆孔實驗在該處檢測到最高的CH₄通量。最后，可以排除樹內白蟻作為CH₄來源，因為有心腐病和無心腐病的樹干都排放CH₄，并且白蟻通常以腐爛木材為食。此外，在任何采樣樹木內部或周圍未發現白蟻侵染的視覺證據。

理解為何有心腐病樹干表現出更高的CH₄通量而非CO₂通量，需要檢查其調節機制。主要驅動因素是樹干內氣體產生的部位和來源，以及氣體通過樹干組織擴散到大氣中的阻力。CH₄由棲息于樹干心材缺氧環境中的產甲烷古菌產生，無論是否存在心腐病。相比之下，CO₂主要通過活邊材中的自養呼吸產生。由于生產部位不同，兩種氣體的擴散阻力也不同。CH₄比CO₂面臨更大的阻力，因為它源于心材，必須通過心材、邊材和樹皮擴散才能到達大氣，而CO₂在邊材產生，只通過邊材和樹皮擴散。這些生產和擴散過程為解釋樹干通量奠定了基礎。評估心腐病的影響需要額外考慮其對樹干內部環境的間接影響。

需要注意的是，活樹中的心腐病真菌不產生CH₄。相反，心腐病可能通過改變生境質量影響產甲烷菌生產，以及通過改變木材結構影響氣體擴散，從而增強CH₄通量。心腐病主要影響心材，而邊材由于其較高的水分含量和活性防御化合物受影響較小。在某些情況下，心腐病會損害邊材，使剩余的心材被水飽和形成“濕木”。這些飽和的缺氧條件為產甲烷菌提供了有利的生境并促進CH₄生產。盡管由于高變異性和有限的樣本量，無法在統計學上證明有心腐病樹干中產甲烷菌豐度更高，但在嚴重心腐病和有裂隙的樹干中，產甲烷菌的百分比豐度在三個樹干類別中最高。

心腐病也可能通過削弱樹干結構影響氣體擴散。確實，研究發現更大的心腐病嚴重程度與樹干和樹皮裂隙的可能性增加相關。這與先前顯示內部腐爛降低結構完整性、使樹干更容易受損和樹皮破裂的工作一致。這種裂隙很可能增強氣體擴散，特別是通過樹皮裂隙，因為通過空氣的擴散阻力最小。在這種情況下，CH₄和CO₂通量預期都會增加。然而，觀察到的CH₄熱點排放證據強于CO₂，這歸因于氣體在樹干水（尤其是水分豐富的邊材）中溶解度的差異。CO₂在水中更易溶解，使其能容易地通過濕潤組織如邊材移動。相比之下，CH₄溶解性較低且更疏水，在飽和或致密木材中遇到更大阻力，特別是在通過心材和邊材擴散時。這些相互作用因素——腐爛嚴重程度、結構損傷、內部水分和氣體特異性擴散特性——使理解樹干CH₄和CO₂通量變得復雜。因此，未來的研究應著重于解析生產和擴散過程對樹干碳基溫室氣體排放的相對貢獻。

本研究發現的啟示體現在多個層面。心腐病對碳基溫室氣體通量的影響是細微的，且可歸因于樹干腐爛的嚴重程度，尤其是對于樹干CH₄通量。心腐病在樹干內部產生了一系列局部效應，包括內部腐爛和木材結構變化，這些變化可能導致樹皮裂隙。這些裂隙促進了CH₄從內部心材缺氧環境釋放到大氣中，而CO₂通量基本不受影響。心腐病與樹皮裂隙之間的復雜相互作用類似于“森林死亡螺旋”假說，該假說認為心腐病引發了一個結構退化的循環，削弱樹木，并在本研究中通過樹皮裂隙導致CH₄通量增加。這些發現凸顯了未來關于病害相關溫室氣體通量的研究在評估森林病害的更廣泛生態影響時，需要考慮多個相互作用因素，包括樹木結構、腐爛過程和樹干氣體傳輸途徑。

研究結果對測量和將森林CH₄通量從樹木尺度外推到生態系統水平也具有重要啟示。研究發現樹皮裂隙在樹干周圍產生了局部的CH₄“熱點”，導致樹木尺度上通量的巨大空間變異性。這些熱點會強烈影響總的樹干通量，這意味著測量位置的選擇——直接在樹皮裂隙上或遠離裂隙——可能導致由于CH₄通量變異性而高估或低估整體通量。雖然土壤溫室氣體通量的熱點和熱時刻已有充分記錄，但本研究首次識別了森林樹干中的CH₄通量熱點并描述了其潛在機制。未來的研究應探索這些熱點的時間變異性，以確定它們是否也包括“熱時刻”。為了提高準確性，采樣策略應進行調整，以考慮受心腐病和樹皮裂隙等樹干結構損傷影響的森林中樹木溫室氣體通量的空間和時間變異性，特別是對于CH₄通量。

最后，研究發現對于理解森林在全球CH₄收支中的作用具有重要啟示。旱地森林通常因其排水良好、不飽和的土壤能消耗大氣CH₄而被視為CH₄匯。然而，本研究中觀察到的高樹干CH₄通量——由心腐病誘導的樹皮裂隙驅動——揭示了一個先前未被認識的CH₄源，可能會抵消這種匯強度。如果類似的排放機制在其他樹種和森林生態系統中廣泛存在，這些未被計入的通量可能對整體森林溫室氣體收支做出重要貢獻。準確量化這些收支將需要更好地理解樹干通量的空間和時間變異性，以及從單個樹木外推到生態系統水平的穩健方法。此外，氣候變化可能影響心腐病的流行和嚴重程度，以及對心腐病特別易感的樹種的分布。這些變化可能進一步改變未來的森林CH₄動態。改善對這些過程的理解對于約束森林溫室氣體收支（過去、現在和未來）至關重要，應成為當前和未來生態研究的重點。