燃烧和未燃烧森林沼泽中CH4和CO2通量的勘测式测量

介绍

在北部泥炭地，特别是那些经历季节性积雪的泥炭地，研究人员倾向于仅在生长季节测量温室气体（GHG）通量。然而，最近研究表明，非生长季CH4通量可能是年度碳平衡的重要组成部分(Treat等人，2018年)。因此，忽视非生长季节通量可能导致对年度排放量的错误评估。这意味着大规模（国家和国际）温室气体排放量的增加将有偏差，而这些生态系统在气候变暖中发挥的全部作用将受到严格限制。

此外，森林大火是北方生态系统中的普遍现象，并且随着气候的变化可能会变得更大，更频繁（Flannigan等，2009）。在这个案例研究中，Peacock博士和Granath博士想要看看燃烧过的沼泽和未燃烧过的沼泽之间的非生长季温室气体排放是否存在差异，以及未来火灾制度的变化是否会改变森林沼泽的温室气体排放。

研究目标和设备

该研究的目的是比较森林沼泽被烧和未烧部分中不同植被类型的非生长季节温室气体排放量。研究区域距离最近的道路有1.5公里的步行路程，被烧毁和未被烧毁的地点相距约400 m。这意味着Peacock博士和Granath博士需要徒步走很多路才能收集他们的数据。而且由于要在生长期开始之前收集数据，因此他们需要一个不仅便携而且还能够承受低温的系统。

eosAC土壤气体通量室与Picarro GasScouter（G4301 CO2，CH4和H2O分析仪）配合使用提供了出色的解决方案。能够使用平板电脑记录数据和控制系统，并将GasSCouter作为背包佩戴，再加上eosAC的夹式手柄，使该系统具有很高的便携性，非常适合崎岖的地形。

研究地点

研究地点位于瑞典斯德哥尔摩以北约50公里的诺拉·伦森自然保护区(59.788，17.699)。属北方森林，年平均气温6.5°C，年降水量576毫米。这项调查是在3月份进行的，这是一年中月平均气温高于冰点的第一个月(图1)。伦森森林主要是苏格兰松林(有一些云杉和桦树)，有开阔的森林沼泽。

图1  2021年3月日平均气温曲线图(SMHI数据)。采样日期用红色圆圈标记。

图2  研究地点位于伦森森林。

收集调查样式的测量值

在每个地点，该室被部署在由不同植被/微生境主导的沼泽区域：羊胡子莎草、泥炭藓和开放水池。在被烧毁的地点，大火带走了地表植被，因此金发藓在部分地点生根。因此，多毛菌的通量也是在这个地点测量的。这种方法的目的是观察不同植被/微生境类型之间的通量是否有所不同。为了捕捉不同气温范围内的通量并跟踪早春变暖，他们在三个场合测量了采样点：3月3日、17日和24日(图1中的红点)。在每次部署期间，在每个采样位置进行了一式三份的测量，总共大约60次测量。

到目前为止的发现

当结合两个地点和所有采样次数的数据时，莎草的CH4排放量比其他微生境/植被类型高(图3)，最大通量为154mg m^-2d^-1。这可能是因为莎草具有通气组织，为甲烷从泥炭缺氧区运输到大气提供了直接途径(Greenup等人，2000年)。这些植物释放不稳定的根系分泌物，可以刺激CH4的产生(Ström等人，2012年)，这可能是所观察到的CH4排放增加的原因或原因。

3月底日平均温度达到最高点时，所有采样区的平均CH4通量也最高（图4）。 这并不奇怪，因为温度升高有利于产甲烷。

图3  不同植被类型/地貌的平均CH4通量(±SEs)。共收集了9个多毛类和18个其他植被类型/开阔水域的测量数据。

图4  每种采样情况下的平均CH4通量（±SEs），每个采样事件收集了约20个测量值。

燃烧地点的平均甲烷通量大约是未燃烧地点的三倍(图5)。泥炭地甲烷排放对野火的反应是复杂的，很难预测(Davidson等人，2019年)，但已经观察到火灾后甲烷排放的增加，并将其归因于甲烷营养细菌的减少(Danilova等人，2015年)和植被组成的变化(Grau-Andrés等人，2019年)。

二氧化碳通量随植被类型/微生环境的变化而变化，并且在开放水域中最高（图6）。预计开放水面的CH4通量会更大，因为这些水池通常排放量很高。相反，这些池是二氧化碳的主要来源。

图5   每个站点的平均CH4通量（±SEs），在燃烧的站点收集了大约36个测量值，在未燃烧的站点收集了27个测量值。

图6  来自不同植被类型/微生环境的平均CO2通量（±SEs）。共收集了9个多毛类和18个其他植被类型/开阔水域的测量数据。

在采样过程中，夜间温度在不同的时间点降至冰点以下(图1)，这可能导致池底沉积物太冷而无法产生甲烷。然而，来自莎草的甲烷排放表明甲烷的产生正在发生。在泥炭的更深处，植被和土壤有可能充当绝缘体，从而使温度更高，更稳定。如果这样的话，莎草可以将沉积物中产生的CH4输送到大气中。或者，水可能只是使沉积物保持低温，从而阻止了甲烷的产生。

CO2通量和采样日期没有明显的规律（图7），但燃烧地点的排放却较低（图8）。

图7  每个采样情况下的平均CO2通量（±SEs），每个采样事件收集了约20个测量值。

图8 每个站点的平均CO2通量（±SEs），在燃烧的站点收集了大约36个测量值，在未燃烧的站点收集了27个测量值

结论

尽管莎草可能会产生更高的排放量，但令人惊讶的是CH4通量的大小（比球茎大10倍）。结果表明，在采样活动中需要考虑北方泥沼中非生长季节的CH4排放，至少在作为CH4释放热点的莎草地区是这样。此外，结果表明，小的森林泥沼的温室气体排放可能在野火之后发生改变； 尽管Peacock博士和Granath博士在燃烧地点测量到较大的CH4通量，但这些通量被较低的CO2通量抵消了。

这项研究的地点很难进入，需要穿越500m没有道路的森林和洪水泛滥的湿地。GasScouter和eosAC腔室的便携性使Peacock博士和Granath博士能够轻松穿越困难的路面。