西藏高寒草地生態(tài)系統(tǒng)呼吸與甲烷通量的流域尺度格局及控制因素

 

生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Re）和甲烷（CH4）通量是兩個(gè)重要的土壤-大氣碳交換過程，已經(jīng)在局地尺度上得到充分記錄。然而，在流域尺度上，對(duì)青藏高原多年凍土區(qū)這些過程的空間格局和控制因素尚不清楚。
 

基于此，為了填補(bǔ)研究空白，在本研究中，來自四川大學(xué)、中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所、山西農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院和西南民族大學(xué)青藏高原研究所的研究團(tuán)隊(duì)在青藏高原風(fēng)火山（34°40′-34°46′ N和92°50′–92°62′ E；4580-5410 m a.s.l.；圖1a）測(cè)量了兩個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)（2017年和2018年）不同坡向（北向（陰坡）和南向（陽坡））和不同海拔（低、中和高坡位）的生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Re）和CH₄通量，旨在闡明青藏高原草地流域尺度的Re和CH₄通量模式并量化生物和非生物因子調(diào)節(jié)Re和CH₄通量的相對(duì)貢獻(xiàn)。
 

作者利用LGR UGGA便攜式溫室氣體分析儀+PS-3000便攜式土壤呼吸系統(tǒng)（北京理加聯(lián)合科技有限公司）+SC-11便攜式呼吸室（北京理加聯(lián)合科技有限公司）于2017年和2018年生長(zhǎng)季節(jié)（6-12月）每30天測(cè)量一次Re和CH₄通量。同時(shí)，還測(cè)量了土壤溫度、體積含水量、地上生物量和地下生物量、土壤有機(jī)質(zhì)、pH、土壤全氮、土壤容重、溶解性有機(jī)碳、微生物量碳、微生物量氮、土壤蔗糖酶活性、NH₄⁺-N和NO₃^--N濃度。

圖1 西藏高寒草地研究區(qū)和樣地位置。

（a）青藏高原植被類型圖顯示了研究區(qū)位置。

（b）2個(gè)溝谷的2個(gè)坡向的3個(gè)海拔位置的18個(gè)研究地塊。

（c）山坡上的高寒草甸。

（d）陽坡低坡位的高寒沼澤草甸。

【結(jié)果】
 

微生物因子對(duì)高寒草地流域Re空間變異具有控制作用。在高海拔陰坡位置，較低的土壤溫度和土壤有機(jī)質(zhì)含量降低了土壤微生物活性，從而抑制了Re的產(chǎn)生。作者發(fā)現(xiàn)高寒草地是大氣CH4的凈匯，流域內(nèi)平均CH4通量率表現(xiàn)出很大的空間變異性，范圍為-1.6~-10.48μg CH₄ m^-2 h^-1。土壤體積含水量的空間變異解釋了流域內(nèi)76%的CH4通量變異。作者認(rèn)為在高寒草地流域，永凍層對(duì)水文狀況的影響可能會(huì)增加土壤水分（土壤體積含水量和充水孔隙空間）的空間變異性，通常在Re和CH4吸收受到抑制的低坡位形成排水不良的地貌。結(jié)果強(qiáng)調(diào)了地形和永凍層通過對(duì)生物物理化學(xué)因子的影響間接影響著Re和CH4通量。作者建議在地球系統(tǒng)模型中應(yīng)重視青藏高原草地流域尺度上Re和CH4通量的空間變異性，尤其是CH4通量隨海拔位置的變異性。

圖2 兩個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Re）速率（a-c）和CH₄通量（d-f）及其范圍（g和h）的季節(jié)性變化。

圖3生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Re）和生物物理化學(xué)因子之間的關(guān)系。

圖4 變異劃分分析（a）和結(jié)構(gòu)方程模型（b）研究了驅(qū)動(dòng)因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Re）的多變量影響。圖（a）中，ST代表土壤溫度，SOM代表土壤有機(jī)質(zhì)。圖（b）中，實(shí)線箭頭表示顯著相關(guān)（P＜0.05）；虛線箭頭表示無顯著相關(guān)（P＞0.05）；箭頭寬度與關(guān)系強(qiáng)度成正比。多層矩形表示土壤有機(jī)質(zhì)和微生物因子的主成分分析的第一成分；土壤有機(jī)質(zhì)包括土壤有機(jī)碳（SOC）和土壤全氮（STN），微生物因子包括微生物量碳（MBC），微生物量氮（MBN）和蔗糖酶活性。

圖5 CH₄通量率和土壤溫度（a）、土壤體積含水量（b）、充水孔隙度、NH₄⁺-N（d）和NO₃^—N（e）之間的關(guān)系。

【結(jié)論】
 

為期兩年的西藏高寒草地野外研究發(fā)現(xiàn)，由于流域內(nèi)溝壑斜坡沿線的土壤水分差異，海拔位置顯著影響CH₄通量。在流域尺度上，生物和微生物因子相互作用影響Re，微生物因子對(duì)Re具有直接調(diào)控作用。研究結(jié)果表明，在山坡水文中永凍層可能會(huì)進(jìn)一步增加土壤水分的空間異質(zhì)性，這可能會(huì)改變高寒草地的碳交換，尤其是考慮到低坡CH4凈吸收率弱于其他坡位。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于估算西藏多年凍土區(qū)山地的碳交換具有重要指示意義。山地覆蓋了青藏高原約60.58%的區(qū)域，忽視流域尺度Re和CH4通量的空間變異性可能會(huì)誤導(dǎo)對(duì)碳交換的評(píng)估。因此，作者建議在地球系統(tǒng)模式中應(yīng)該考慮流域尺度Re和CH₄通量的空間變異性，以改進(jìn)對(duì)西藏高寒草地碳交換的評(píng)估。