土壤呼吸 | 2018–2019年大兴安岭北部近地表土壤冻融期森林土壤CO2和CH4通量

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分享： 2024/09/30 10:09:27

高纬度苔原和针叶林、中纬度阔叶林和草原、高山和高原地区普遍存在季节性、昼夜性甚至持续数小时的冻融循环。北半球近55%的陆地面积经历季节性冻融，土壤冻融循环持续时间从几天到150天不等。频繁的冻融循环改变了土壤微生物群落结构和代谢，加速土壤有机质的分解，并以温室气体（如CO₂、CH₄和N₂O）或溶解有机碳（DOC）的形式排放。这些过程已成为生态学、冻土学和生物地球化学研究的重点。

冻融循环对地表土壤CO₂和CH₄通量的影响备受关注。一项研究发现，积雪对冬季土壤呼吸的影响是短暂的，厚度变化对CO₂通量影响小。了解活动层过程对多年冻土区土壤CO₂和CH₄动态的响应和反馈至关重要。冻融循环频率和持续时间对高寒地区土壤碳通量具有重要调控作用。不同生态系统在融化期具有较高的CO₂和CH₄通量，研究表明，在近地表土壤冻结期间CO₂通量达到峰值，随后显著下降。春季融化期（20-30天）的甲烷通量占全年总量的11%。

本研究在内蒙古自治区大兴安岭生态系统国家野外观测研究站（NFORS-DXAE）进行。该地区具有典型的大陆性季风半干旱气候，多年平均气温为-4.4°C，年蒸发潜力800-1200毫米，年降水量450-550毫米，其中60%集中在7月和8月，降雪期为9月至次年5月，平均降雪厚度约30厘米。实验地块位于海拔820米的北坡落叶松林，主要乔木为兴安落叶松和白桦，平均胸高10 cm，平均树高10±4.90 m。主要灌木为杜香，平均株高0.31±0.07 m，平均植被盖度39±8%。土壤为棕色针叶林土，土层厚度30-40 cm（包括10 cm的腐殖质层），有机质含量42.74±0.92 g·kg−1。根据2009-2011年地温数据，活动层厚度为0.5至2.0 m。

图1. 内蒙古自治区大兴安岭生态系统国家野外科学观测研究站研究区位于中国东北大兴安岭北部。

由于测量系统配套设施通道数量和长度有限，样地被划分为4个子区。为保证测量的可靠性和代表性，样地被划分为16个5×5 m的子区。每个子区随机选择4个子样。在每个子区放置一个点来测定土壤呼吸速率。为此，将一个高10 cm、直径20 cm的PVC土环的一端压入土壤5cm深，并清除表面废弃物。PVC土环在土壤呼吸测量前一周铺设，整个测试过程中PVC土环保持静止。由于该区域降雪较大，为防止土壤呼吸室受到降雪和吹雪的影响，在观测点安装了1×1 m的挡雪设备，并定期或根据需要清除积雪，避免积雪对呼吸室观测的影响，确保观测点仪器环境的安全。

本研究采用动态室法观测土壤表面的CO₂和CH₄通量，使用激光气体分析仪以及SF-3000 系列多通道土壤气体通量测量系统（北京理加联合科技有限公司）进行多通道、长期、连续土壤呼吸观测。

土壤CO₂通量计算的标准闭合时间为2分钟（120秒），为保证CH₄通量测量的准确性，将测量时间延长至3分钟（180秒）。与其他类型的仪器和设备相比，该仪器可实现多点、长时间进行测量，测量数据可实时传输和显示，便于研究人员观察数据的稳定性，快速发现数据采集中的异常。

图2. 研究中使用的表层土壤温室气体连续观测系统。

图3. 本研究实验地块落叶松林土壤表面CO₂通量的月变化。

图4. 2018年10-11月和2019年4-5月本研究落叶松林实验地块土壤表面甲烷吸收速率的日变化。

图 5. 2018 年 10-11 月和 2019 年 4-5 月本研究根河试验地块甲烷吸收率的月变化。

注：(a) CH吸收率的月变化（误差线表示一个标准差）；(b) 地表土壤解冻期土壤 CH吸收率变化的箱线图（上边缘表示最大值，下边缘表示最小值）。

表1. 2018年10-11月和2019年4-5月根河试验地土壤表面CO₂通量、CH₄吸收速率、土壤表面温度和土壤表面水蒸气浓度的最佳拟合方程。

图 6. 2018 年 10 月至 11 月和 2019 年 4 月至 5 月土壤表面 CO₂ 流出和 CH₄ 吸收与土壤表面温度和土壤表面水蒸气浓度（气室内）的拟合图。

本研究发现，东北大兴安岭森林土壤 CO₂通量呈现单峰型日变化。2018 年 11 月底和 2019 年 4 月初，观测到的 CO₂ 和 CH₄通量分别小于100 和 −0.1 nmol·m⁻²·s⁻¹。在近地表土壤融化期（4 月至 5 月），春季 CO₂ 释放峰值短暂。土壤冻融循环显著改变了 CO₂ 的释放速率和 CH₄的吸收速率，但并未显著改变土壤 CO₂ 和 CH₄ 通量的日变化模式。在春季近地表土壤冻融期观测到间歇性的土壤 CO₂ 和 CH₄ 通量羽流。土壤温度和水分含量波动显著影响近地表土壤冻融期 CO₂ 和 CH₄通量的变化。这些特征大部分可以通过气室内土壤温度和土壤表面水蒸气的变化来解释。此外，土壤呼吸的 Q10 值在近地表土壤冻融期最大，对土壤温度变化敏感。近地表土壤冻融期累积的 CO₂ 和 CH₄ 通量对这些冬季总量的贡献最大。考虑到持续的气候变化可能会极大地改变中国东北森林生态系统的年碳通量（汇或源），更准确地测量、预测和评估未来土壤 CO₂ 和 CH₄ 通量的时间模式非常重要。