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模拟冻融过程对多年冻土湿地浅层土壤碳氮气体交换的影响

李彦沛  
【摘要】:由联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告可知,随着全球地表平均温度的上升,北半球高纬度地区多年冻土面积将会大幅减少,预计到21世纪末,该地区多年冻土面积将比20世纪末减少37%至81%。随着多年冻土的退化,冻土的水、热和冻融状况发生剧烈变化,春初土壤冻融循环过程加速土壤碳氮周转过程以及碳氮气体排放,从而对全球气候变化产生正反馈。为探明气候因子(降雨量年际变化和土壤冻融循环过程)对多年冻土区典型湿地土壤碳氮气体交换过程的影响,本文以大兴安岭北坡多年连续冻土区泥炭沼泽湿地为研究对象,为避免冻融期野外观测对脆弱冻土环境的干扰,通过采集大型土柱(直径:16 cm;高度:40 cm)结合室内模拟实验,采用静态箱-气相色谱法和动态箱-化学发光法,分别定量甲烷、二氧化碳和氧化亚氮和一氧化氮陆地-大气界面交换通量,以期建立准确测定一氧化氮气体通量的动态箱方法规范,揭示冻融循环过程对碳氮气体交换通量的影响,探明冻融期泥炭湿地浅层土壤温室气体净收支状况,以及降水量的年际变化对上述冻融效应的影响程度。为此,本研究设置3个降水处理(R30、R80和R130:30 mm、80 mm和130mm降水处理)分别模拟枯雨、正常和丰雨年份土壤结冻期(10月至次年4月)的降水量,每个处理包含3个空间重复土柱,所有处理共计9个土柱样品,通过恒温培养经历三次冻融循环过程(第一个冻融循环:-15~5℃;第二个冻融循环:-10~10℃;第三个冻融循环:-5~15℃),三个冻融循环的温度变化模拟了多年冻土区春季空气温度的变化趋势,三次冻融模拟结束后,采用破坏性取样方法测定全部土柱样品的土壤剖面理化性质。本文主要研究结果如下:1.冻融循环对泥炭沼泽湿地CH_4、CO_2和N_2O交换通量及温室气体净收支影响(1)冻融过程对沼泽湿地CH_4、CO_2和N_2O交换的影响全培养期CO_2和N_2O交换通量表现出明显的冻融效应,即土壤解冻过程促进了CO_2和N_2O的排放,但促进效应随着冻融循环次数的增加和底物的消耗而逐渐减弱。CO_2交换通量表现出对温度的敏感性,随着气温的升高,沼泽湿地土壤总呼吸速率呈极显著指数增加(p0.001),而大气CH_4也由吸收汇逐渐转变成排放源。(2)冻融期泥炭沼泽湿地CH_4、CO_2和N_2O的源汇强度沼泽湿地在冻融期主要表现为大气CH_4的吸收汇而非生长季的强排放源;不同降水处理冻融期沼泽湿地均表现为净CO_2的排放源;冻融期沼泽湿地总体表现为N_2O的排放源,随着冻融循环次数的增加,30 mm和80 mm降水处理由弱N_2O排放源转为弱N_2O吸收汇,130 mm降水处理N_2O排放源强度逐渐减弱。(3)降水年际变化对冻融效应和温室气体净收支的影响冻融期湿地土壤总呼吸速率主导温室气体净收支,因此,不同降水年份冻融期沼泽湿地均表现出正辐射强迫效应(以百年时间尺度CO_2当量计算,R30、R80和R130处理的NGHGB(net greenhouse gas budget)分别为4678.2±615.5、2955.8±258.9和1951.1±317.3 kg CO_(2-eq) ha~(-1))。相对于枯雨和正常年份,丰雨年冻融过程和气温升高促进了N_2O和CH_4排放,使冻融期成为周年累积排放关键期,但CO_2排放通量下降,总的温室气体净收支仅为常规年份的2/3、枯雨年份的2/5,因此,丰雨年有利于减弱温室气体的正辐射强迫效应。2.冻融循环对泥炭沼泽湿地NO排放通量的影响(1)基于动态箱原理测定NO交换通量为准确测定NO交换通量,平衡态和平衡时间对动态箱法至关重要,进气流速(Q)、NO排放通量水平(F_(NO))主要决定平衡态和平衡时间。NO排放通量越大平衡时间越长,进气流速越大平衡时间越短,控制Q随F_(NO)同向变化来维持有效平衡时间范围(3~6 min)。此外,还需规范载气选择、箱内外压力差(≤2 Pa)、准确记录平衡态时间和浓度数据等操作。(2)冻融过程对沼泽湿地NO气体交换的影响和NO源汇强度NO交换通量表现出明显的冻融效应,即土壤解冻过程促进NO排放,随着冻融循环次数的增加和主要微生物过程的转变,促进效应先减弱后增强。NO交换通量表现出对温度的敏感性,随着气温的升高,沼泽湿地NO排放通量水平呈指数增加(p0.001)。冻融期沼泽湿地表现为净NO的排放源,未来应加强冻融期的观测以更加准确定量多年冻土湿地浅层土壤NO气体周年累积排放特征和水平。(3)降水年际变化对NO冻融效应的影响丰雨年沼泽湿地土壤冻融期NO的排放水平高于枯雨和正常年份,丰雨年降水量的增加对土壤水分条件、土壤团聚体、底物(NH_4~+)和微生物过程(硝化和反硝化过程)的影响,促进了冻融期湿地NO的显著排放(p0.05),但枯雨和正常年份冻融过程对NO排放的影响差异不明显。


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