季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)生態(tài)系統(tǒng)土壤溫室氣體排放研究.pdf

1、季節(jié)性?xún)鋈谑菑V泛分布于北半球陸地生態(tài)系統(tǒng)中的一種重要自然現(xiàn)象，深刻影響著寒冷地區(qū)土壤碳、氮生物化學(xué)過(guò)程。在氣候變化背景下，凍融格局改變對(duì)凍土區(qū)土壤溫室氣體排放的影響及反饋已成為生態(tài)學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。然而，目前絕大部分關(guān)于季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)土壤溫室氣體排放的研究集中于植物生長(zhǎng)季，非生長(zhǎng)季溫室氣體排放數(shù)據(jù)缺乏，且凍融作用對(duì)溫室氣體排放的影響機(jī)制仍不清楚。探明非生長(zhǎng)季，特別是土壤凍融交替過(guò)程中，溫室氣體的排放特征及影響通量的作用機(jī)制，對(duì)評(píng)估季節(jié)性?xún)?/p>

2、土區(qū)土壤溫室氣體排放的溫室效應(yīng)，計(jì)算土壤碳氮收支，理解凍融事件對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)的影響，預(yù)測(cè)氣候變化可能造成的生態(tài)影響，具有重要的科學(xué)意義。
　　圍繞中國(guó)東北松嫩平原四種典型季節(jié)性?xún)鋈谏鷳B(tài)系統(tǒng)（水稻田、玉米田、天然林、人工林）土壤溫室氣體排放，我們開(kāi)展了持續(xù)20個(gè)月的野外原位監(jiān)測(cè)，利用“靜態(tài)箱-氣相色譜”的方法，測(cè)定了完整季節(jié)凍融周期內(nèi)土壤N2O、CO2、CH4通量動(dòng)態(tài);通過(guò)提高關(guān)鍵期采樣頻率的方式，重點(diǎn)考量了初冬和初春凍融交替過(guò)程中

3、土壤溫室氣體的排放特征;同步測(cè)定了非生長(zhǎng)季氣候因子、土壤環(huán)境、土壤養(yǎng)分和土壤微生物的變化;此外，利用結(jié)構(gòu)方程模型的統(tǒng)計(jì)方法，分析了生物、非生物因素對(duì)非生長(zhǎng)季土壤溫室氣體排放的影響。結(jié)果表明:
　　(1)季節(jié)性?xún)鋈谑呛涞貐^(qū)土壤養(yǎng)分循環(huán)的重要驅(qū)動(dòng)力，春季融化后土壤存在明顯的養(yǎng)分“流”。冬季凍結(jié)、覆雪條件下土壤碳、氮轉(zhuǎn)化并未停止，其中NH4+、DON凈消耗，但NO3-、DOC凈累積，MBC和MBN不但沒(méi)有減少反而呈增加趨勢(shì)，且MBC的

4、增長(zhǎng)幅度高于MBN，表現(xiàn)在隨著積雪覆蓋的延續(xù)微生物群落C∶N升高。春季融化過(guò)程中土壤m(xù)+、NO3-、DON和DOC含量分別比融化前增加了5～11倍、1～6倍、1～4倍和1～3倍。另外，土壤融化后微生物群落恢復(fù)迅速，其傾向于增加自身氮固持量。但季節(jié)性?xún)鋈谧饔脤?duì)土壤養(yǎng)分釋放的刺激作用僅在春季融化初期較為顯著。
　　(2)非生長(zhǎng)季土壤溫室氣體排放對(duì)全年具有重要貢獻(xiàn)，占全年總排放量的15％～67％。水稻田、玉米田、天然林、人工林非生長(zhǎng)季土

5、壤N2O的排放量分別為0.73、0.66、0.14和0.17 kg·hm-2，分別占全年總排放量的67％、22％、42％和17％;這四類(lèi)樣地非生長(zhǎng)季土壤CO2的排放量分別為1.28、1.57、3.36和3.62 t·hm-2，分別占全年總排放量的28％、15％、21％和22％;除稻田外，玉米田、天然林、人工林非生長(zhǎng)季土壤CH4以吸收為主，吸收量分別為0.63、2.31和2.33 kg·hm-2，分別占全年總匯的48％、35％和37％。對(duì)

6、凈溫室效應(yīng)而言，水稻田、玉米田、天然林、人工林全年GWP分別為13744.23、11868.32、16026.26、16753.88 kgCO2·hm-2，其中11％、15％、21％和22％來(lái)自非生長(zhǎng)季。同時(shí)，CO2、CH4、N2O對(duì)四類(lèi)樣地全年GWP貢獻(xiàn)有所區(qū)別，兩類(lèi)林地超過(guò)99％的溫室效應(yīng)來(lái)自于CO2排放，而稻田65％的溫室效應(yīng)來(lái)自于C地，同時(shí)N2O排放對(duì)玉米田土壤凈溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)達(dá)到7％。另外，春季晝夜凍融顯著影響農(nóng)田N2O、CO2

7、、C地通量日進(jìn)程，三者在白天的平均通量分別是夜間的4～5倍、3～4倍和6倍，即融化期75％～86％的溫室氣體排放量集中在白天土壤解凍過(guò)程中。
　　(3)四類(lèi)樣地土壤N2O在春季融化期呈脈沖式釋放特征，且該時(shí)期峰值為全年最大值（67.56～257.43μgm-2 h-1）。四類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)中非生長(zhǎng)季土壤N2O總排放量的80％集中于融化期。2015年和2016年融化期水稻田N2O通量峰值高達(dá)257.43、210.48μg·m-2·h-1，

8、玉米田峰值為207.44、199.15μg·m-2·h-1，天然林峰值為71.86、110.89μg·m-2·h-1，人工林峰值為87.04、67.56μg·m-2·h-1。該峰值是年平均通量的7～15倍，但釋放高峰期僅維持10～18天。故春季融化期初期是監(jiān)測(cè)全年N2O排放的關(guān)鍵時(shí)期。融化期N2O的大量排放受土壤氮素有效性增加、微生物量迅速恢復(fù)、融雪水補(bǔ)給共同刺激所致。另外，土壤水分（而非土壤溫度）是控制整個(gè)非生長(zhǎng)季N2O排放最重要的非

9、生物因素，能解釋農(nóng)田和林地N2O通量變異的34％和63％。
　　(4)季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)土壤CO2排放以生長(zhǎng)季為主，但漫長(zhǎng)非生長(zhǎng)季的累積排放量對(duì)全年的貢獻(xiàn)仍占到15％～30％，故冬季土壤呼吸依然是該地區(qū)C循環(huán)中不可忽視的過(guò)程。凍結(jié)期和融化期土壤CO2占整個(gè)非生長(zhǎng)季排放量的80％以上，因此重點(diǎn)監(jiān)測(cè)這兩個(gè)時(shí)期內(nèi)土壤CO2排放有利于更準(zhǔn)確的估算季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)全年C收支。土壤溫度是限制冬季土壤呼吸的主要環(huán)境因素，其能解釋通量變異的66～72％。同

10、時(shí)，DOC對(duì)非生長(zhǎng)季土壤CO2通量的效應(yīng)不顯著，但TDN正效應(yīng)達(dá)到0.24～0.27，表明該地區(qū)冬季土壤呼吸受N源供給限制，而非C源。另外，非生長(zhǎng)季土壤溫度敏感性顯著高于生長(zhǎng)季，覆雪期和融化期Q10值達(dá)到2.6～20.3，融化期內(nèi)玉米田CO2通量晝夜進(jìn)程中Q10值更是高達(dá)40。因此冬季氣候變暖很可能成倍加速土壤呼吸，引起大量C排放。
　　(5)不同土地利用方式下土壤CH4通量存在差異，其中淹水后稻田是大氣CH4的重要排放源，中國(guó)東

11、北稻作系統(tǒng)CH4的年排放量為305 kg·hm-2。玉米田、天然林和人工林土壤全年絕大部分時(shí)間表現(xiàn)為大氣CH4的匯，但天然林和針葉林的年凈吸收量（6.7和6.3 kg·hm-2）高于玉米田(1.3 kg· hm-2)。另一方面，季節(jié)性?xún)鋈诟淖兺寥赖摹霸匆粎R”功能，玉米田、天然林和人工林CH4通量全年呈“正弦”規(guī)律，非生長(zhǎng)季吸收速率低于生長(zhǎng)季，但非生長(zhǎng)季對(duì)全年匯仍有35％～48％的貢獻(xiàn)。稻田土壤在非生長(zhǎng)季也轉(zhuǎn)變大氣CH4匯。特別是，春季融

12、化期兩類(lèi)農(nóng)田土壤CH4均存在短期釋放。土壤水分是唯一一個(gè)對(duì)農(nóng)田土壤CH4通量具有顯著效應(yīng)的因素(β=0.82)。林地土壤水分和MBN、MBC對(duì)CH4通量表現(xiàn)為正效應(yīng)(β=0.59，0.79，0.43)，而土壤溫度和TDN為負(fù)效應(yīng)（β=-0.44，-0.23）。由于非生長(zhǎng)季林地土壤CH4以吸收為主，因此土壤水分、微生物量的增加會(huì)降低該時(shí)期CH4的吸收，而土壤溫度、有效氮的增加則會(huì)促進(jìn)CH4吸收，即冬季高溫、干燥條件下有利于土壤CH4吸收。

13、
　　總之，非生長(zhǎng)季土壤溫室氣體排放不可忽略，冬季溫度、積雪及土壤凍融格局的變化將通過(guò)影響土壤溫度、濕度、土壤養(yǎng)分周轉(zhuǎn)、微生物活動(dòng)等進(jìn)而影響溫室氣體排放。本研究創(chuàng)新點(diǎn)在于:對(duì)比了四個(gè)凍融期土壤溫室氣體通量，且確定春季融化期是監(jiān)測(cè)季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)非生長(zhǎng)季土壤溫室氣體排放的關(guān)鍵期;原位采樣較室內(nèi)模擬試驗(yàn)更有現(xiàn)實(shí)意義，綜合分析了非生長(zhǎng)季溫度、水分、積雪、土壤養(yǎng)分對(duì)溫室氣體通量的影響;比較了季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)不同耕作方式（旱田和水田）、植被類(lèi)型（天