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大兴安岭连续多年冻土区温室气体释放特征及其影响因素

高伟峰  
【摘要】:多年冻土占北半球陆地表面积的25%,冻土中含有大量的土壤有机碳和全氮,是重要的土壤碳和氮库。受到全球气候变化的影响,世界各地的多年冻土均呈现退化的趋势,这会改变微生物群落结构及其介导的碳氮循环过程,导致大量的温室气体释放到大气中。氧化亚氮(N2O)、二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)是大气中最重要的三种温室气体,是高纬度多年冻土区碳氮循环的重要组成部分。然而,目前对多年冻土区森林沼泽湿地N2O、CO2和CH4通量的研究还比较少。本研究采用静态箱-气相色谱法观测大兴安岭多年冻土区三种森林沼泽湿地的N2O、CO2和CH4通量,研究:(1)生长季多年冻土区N2O、CO2和CH4通量排放规律,揭示温室气体通量与环境因子的关系;(2)冻融作用对N2O、CO2和CH4通量的影响,解析冻融过程中影响N2O、CO2和CH4通量释放的主导因素。(3)沼泽湿地类型对多年冻土区N2O、CO2和CH4通量的影响,揭示引起N2O、CO2和CH4通量空间差异的关键影响因素。(4)评估多年冻土区温室气体在生长季、冻融期和年累积排放量及其全球增温潜势。结果表明:生长季大兴安岭多年冻土区N2O、CO2和CH4通量范围分别在11.81-79.25 μg m-2 h-1、60.45-894.42 mg m-2 h-1和-0.248-11.459 mg m-2 h-1。每个环境因子单独对 N2O 通量的影响比较弱,N2O通量主要受到多个环境因子的共同影响,包括空气温度、土壤温度、水位、pH、硝态氮、有机碳、全氮和碳氮比,环境因子可以解释N2O通量变化的11.49-82.84%。三种类型沼泽湿地CO2通量季节变化均显著受到土壤温度的影响,与土壤温度呈显著的正相关关系,可以解释CO2通量变化的43.89-80.20%。CO2通量的温度敏感系数在1.18-1.24。三种类型沼泽湿地CH4通量的影响因素存在差异,兴安落叶松-杜香沼泽湿地(XD湿地)和灌丛沼泽湿地(GC湿地)受到土壤温度的显著影响,而兴安落叶松-苔草沼泽湿地(XT湿地)受到水位的影响。此外,活动层融化深度也会影响XD湿地CH4通量的释放。冻融作用显著的影响N2O、CO2和CH4通量的季节变化特征,N2O、CO2和CH4通量的范围分别在-35.75-74.17μg m-2 h-1、19.08-696.02 mg m-2 h-1和-0.067-3.457 mg m-2 h-1。逐步多元线性回归分析表明N2O通量受到多个环境因子的共同影响,包括空气温度、土壤温度、土壤湿度、pH、铵态氮、硝态氮、有机碳、全氮和碳氮比,但是在不同类型的沼泽湿地影响因素有所差异。土壤温度和活动层融化深度显著影响冻融期CO2通量释放,CO2通量与土壤温度呈现显著的正相关关系和指数关系,可以解释冻融期CO2通量季节变化的44.84-95.38%。与生长季相似,大兴安岭地区CO2通量的Q10值在1.10-1.57。在XD湿地和GC湿地CH4通量与土壤温度呈现显著的正相关关系,而在XT湿地CH4通量主要受到空气温度和土壤水分的共同影响,环境因子可以解释冻融期CH4通量变化的38.53-97.37%。冻融期CH4的温度敏感系数Q10值在1.79-1.86之间。在生长季和冻融期,沼泽湿地类型对平均N2O通量均无显著的影响。矿质氮含量是决定N2O通量释放的关键因素,较低的矿质氮含量导致反硝化作用的反应底物不足,严重限制了 N2O通量的释放,使三种类型沼泽湿地N2O通量没有显著差异。在生长季和冻融期CO2通量均表现为GC湿地显著高于XD湿地,而XT湿地与XD湿地和GC湿地均无显著差异,水位是决定CO2通量的关键因素。在生长季和冻融期CH4通量均表现为GC湿地显著高于XD湿地和XT湿地,水位是影响CH4通量的主导因子。大兴安岭多年冻土区生长季N2O累积排放量为1.02-1.46 kg hm-2,年通量范围在1.92-2.90 kg hm-2,生长季对年通量的贡献率在46.27-53.57%。冻融期累积释放了 0.35-0.66 kg hm-2的N2O通量,其对年通量的贡献率在15.86-32.77%。大兴安岭地区CO2年累积排放量为10864.76-22205.48 kg hm-2,其中生长季占CO2年通量的69.95-77.21%,而冻融期只占CO2年通量的15.37-18.56%。多年冻土区CH4年累积排放量在2.83-205.19 kg hm-2,GC湿地的年通量略高于湿地生态系统平均CH4释放通量,而XD湿地和XT湿地CH4年通量偏低。受到全球气候变化的影响,多年冻土退化会引起多年冻土中C向大气中的释放,加剧全球气候变化。三种类型沼泽湿地全年GWP分别为11589.72±708.73、14708.57±222.71和28481.46±898.25 kg CO2-eqhm-2,其中生长季对全年GWP的贡献比较大,占全年GWP的69.02-79.36%。在三种温室气体中,C通量(CO2和CH4)对年GWP的贡献最高,其中CO2的贡献在75.85-95.26%,CH4的贡献在0.54-22.94%,而N2O通量只占1.20-6.90%。在全球气候变化的背景下,多年冻土退化,土壤温度升高,可能会增加多年冻土区的GWP。本研究对于理解多年冻土区温室气体的释放特征和影响因素以及评估区域气候变化具有重要的意义,为全球气候变暖条件下多年冻土区温室气体释放的响应提供了科学依据。


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