2018–2019年大興安嶺北部近地表土壤凍融期森林土壤CO2和CH4通量

      高緯度苔原和針葉林、中緯度闊葉林和草原、高山和 高原地區(qū)普遍存在季節(jié)性、晝夜性甚至持續(xù)數(shù)小時(shí)的凍融循環(huán)。北半球近55%的陸地面積經(jīng)歷季節(jié)性凍融，土壤凍融循環(huán)持續(xù)時(shí)間從幾天到150天不等。頻繁的凍融循環(huán)改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝，加速土壤有機(jī)質(zhì)的分解，并以溫室氣體（如CO₂、CH₄和N₂O）或溶解有機(jī)碳（DOC）的形式排放。這些過(guò)程已成為生態(tài)學(xué)、凍土學(xué)和生物地球化學(xué)研究的重點(diǎn)。

      凍融循環(huán)對(duì)地表土壤CO₂和CH₄通量的影響備受關(guān)注。一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，積雪對(duì)冬季土壤呼吸的影響是短暫的，厚度變化對(duì)CO₂通量影響小。了解活動(dòng)層過(guò)程對(duì)多年凍土區(qū)土壤CO₂和CH₄動(dòng)態(tài)的響應(yīng)和反饋至關(guān)重要。凍融循環(huán)頻率和持續(xù)時(shí)間對(duì)高寒地區(qū)土壤碳通量具有重要調(diào)控作用。不同生態(tài)系統(tǒng)在融化期具有較高的CO₂和CH₄通量，研究表明，在近地表土壤凍結(jié)期間CO₂通量達(dá)到峰值，隨后顯著下降。春季融化期（20-30天）的甲烷通量占全年總量的11%。

      本研究在內(nèi)蒙古自治區(qū)大興安嶺生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外觀測(cè)研究站（NFORS-DXAE）進(jìn)行。該地區(qū)具有典型的大陸性季風(fēng)半干旱氣候，多年平均氣溫為-4.4°C，年蒸發(fā)潛力800-1200毫米，年降水量450-550毫米，其中60%集中在7月和8月，降雪期為9月至次年5月，平均降雪厚度約30厘米。實(shí)驗(yàn)地塊位于海拔820米的北坡落葉松林，主要喬木為興安落葉松和白樺，平均胸高10 cm，平均樹(shù)高10±4.90 m。主要灌木為杜香，平均株高0.31±0.07 m，平均植被蓋度39±8%。土壤為棕色針葉林土，土層厚度30-40 cm（包括10 cm的腐殖質(zhì)層），有機(jī)質(zhì)含量42.74±0.92 g·kg−1。根據(jù)2009-2011年地溫?cái)?shù)據(jù)，活動(dòng)層厚度為0.5至2.0 m。

圖1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)大興安嶺生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站研究區(qū)位于中國(guó)東北大興安嶺北部。

      由于測(cè)量系統(tǒng)配套設(shè)施通道數(shù)量和長(zhǎng)度有限，樣地被劃分為4個(gè)子區(qū)。為保證測(cè)量的可靠性和代表性，樣地被劃分為16個(gè)5×5 m的子區(qū)。每個(gè)子區(qū)隨機(jī)選擇4個(gè)子樣。在每個(gè)子區(qū)放置一個(gè)點(diǎn)來(lái)測(cè)定土壤呼吸速率。為此，將一個(gè)高10 cm、直徑20 cm的PVC土環(huán)的一端壓入土壤5cm深，并清除表面廢棄物。PVC土環(huán)在土壤呼吸測(cè)量前一周鋪設(shè)，整個(gè)測(cè)試過(guò)程中PVC土環(huán)保持靜止。由于該區(qū)域降雪較大，為防止土壤呼吸室受到降雪和吹雪的影響，在觀測(cè)點(diǎn)安裝了1×1 m的擋雪設(shè)備，并定期或根據(jù)需要清除積雪，避免積雪對(duì)呼吸室觀測(cè)的影響，確保觀測(cè)點(diǎn)儀器環(huán)境的安全。

      本研究采用動(dòng)態(tài)室法觀測(cè)土壤表面的CO₂和CH₄通量，使用激光氣體分析儀以及SF-3000 系列多通道土壤氣體通量測(cè)量系統(tǒng)（北京理加聯(lián)合科技有限公司）進(jìn)行多通道、長(zhǎng)期、連續(xù)土壤呼吸觀測(cè)。

      土壤CO₂通量計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)閉合時(shí)間為2分鐘（120秒），為保證CH₄通量測(cè)量的準(zhǔn)確性，將測(cè)量時(shí)間延長(zhǎng)至3分鐘（180秒）。與其他類型的儀器和設(shè)備相比，該儀器可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)傳輸和顯示，便于研究人員觀察數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，快速發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集中的異常。

圖2. 研究中使用的表層土壤溫室氣體連續(xù)觀測(cè)系統(tǒng)。

圖3. 本研究實(shí)驗(yàn)地塊落葉松林土壤表面CO₂通量的月變化。

圖4. 2018年10-11月和2019年4-5月本研究落葉松林實(shí)驗(yàn)地塊土壤表面甲烷吸收速率的日變化。

圖 5. 2018 年 10-11 月和 2019 年 4-5 月本研究根河試驗(yàn)地塊甲烷吸收率的月變化。

注：(a) CH吸收率的月變化（誤差線表示一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差）；(b) 地表土壤解凍期土壤 CH吸收率變化的箱線圖（上邊緣表示最大值，下邊緣表示最小值）。

表1. 2018年10-11月和2019年4-5月根河試驗(yàn)地土壤表面CO₂通量、CH₄吸收速率、土壤表面溫度和土壤表面水蒸氣濃度的最佳擬合方程。

圖 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 吸收與土壤表面溫度和土壤表面水蒸氣濃度（氣室內(nèi)）的擬合圖。

       本研究發(fā)現(xiàn)，東北大興安嶺森林土壤 CO₂ 通量呈現(xiàn)單峰型日變化。2018 年 11月底和 2019 年 4 月初，觀測(cè)到的 CO₂ 和 CH₄ 通量分別小于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 釋放峰值短暫。土壤凍融循環(huán)顯著改變了 CO₂ 的釋放速率和 CH₄ 的吸收速率，但并未顯著改變土壤 CO₂ 和 CH₄ 通量的日變化模式。在春季近地表土壤凍融期觀測(cè)到間歇性的土壤 CO₂ 和 CH₄ 通量羽流。土壤溫度和水分含量波動(dòng)顯著影響近地表土壤凍融期 CO₂ 和 CH₄ 通量的變化。這些特征大部分可以通過(guò)氣室內(nèi)土壤溫度和土壤表面水蒸氣的變化來(lái)解釋。此外，土壤呼吸的 Q10 值在近地表土壤凍融期最大，對(duì)土壤溫度變化敏感。近地表土壤凍融期累積的 CO₂ 和 CH₄ 通量對(duì)這些冬季總量的貢獻(xiàn)最大�？紤]到持續(xù)的氣候變化可能會(huì)極大地改變中國(guó)東北森林生態(tài)系統(tǒng)的年碳通量（匯或源），更準(zhǔn)確地測(cè)量、預(yù)測(cè)和評(píng)估未來(lái)土壤 CO₂ 和 CH₄ 通量的時(shí)間模式非常重要。