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冻融作用对大兴安岭多年冻土区泥炭地土壤有机碳的影响研究

王娇月  
【摘要】:冻融交替是作用于土壤的非生物应力,对土壤的理化和生物学性质均会产生直接或间接影响,是影响土壤碳、氮生物地球化学过程较为重要的因素。在气候变暖背景下,冻融作用对冻土区土壤碳库稳定性及关键生物地球化学过程的影响是当前国际上研究的热点。本文以我国大兴安岭多年冻土区泥炭地为研究对象,基于冻融模拟实验及室内分析,开展了气候变暖导致的冻融变化对泥炭地土壤有机碳组分及其排放等方面的研究。分析了不同冻融环境下沼泽湿地土壤有机碳及不同活性碳组分的分布特征,揭示了冻融环境下活动层土壤有机碳变化特征及碳排放影响机制,明确了不同碳组分对CO2释放的贡献率及冻融影响下土壤含碳气体的温度敏感性变化特征。主要得出以下几方面的进展: (1)我国东北冻土区沼泽湿地土壤有机碳及其活性碳组分含量随着纬度的降低而显著下降。连续多年冻土区沼泽湿地表层020cm土壤有机碳密度为26.02kg C m-2,显著高于不连续岛状多年冻土区沼泽湿地(22.98kg C m-2)以及季节冻土区沼泽湿地(10.08kg C m-2)。连续多年冻土区沼泽湿地土壤轻组有机碳(Light Fraction Organic Carbon:LFOC)和颗粒有机碳(Particle Organic Carbon:POC)含量最高,分别占020cm土壤总有机碳的83%和32%。而季节冻土区活性碳组分中可溶性有机碳(Dissived Organic Carbon: DOC)和微生物量碳(Microbial Biomoss Carbon: MBC)所占比例分别是多年冻土区的4~6倍和2~3倍。温度梯度是影响不同类型冻土区沼泽湿地土壤有机碳含量差异的主要因素。对于相同类型冻土区,植被类型也会影响沼泽湿地土壤有机碳含量及其组成,其中,泥炭地土壤有机碳含量为53.71~245.33g kg-2,显著高于沼泽化草甸土壤(35.84~203.65g kg-2)。 (2)冻融循环显著影响了多年冻土区泥炭地活动层土壤有机碳变化。冻融循环显著增加了土壤DOC的释放,最大释放量可达932.97mg kg-1,是对照的1.8倍,且土壤含水量、深度和冻融环境显著影响土壤DOC的释放。80%最大持水量是60%最大持水量的1.3倍;表层土壤(015cm)是底层土壤(3045cm)的1.8倍;小幅度冻融环境(-5°C至+5°C)是大幅度冻融环境(-10°C至+10°C)的2.3倍。然而冻融循环却显著降低了MBC含量和土壤纤维素酶、蔗糖酶和淀粉酶活性。冻融环境下,015cm土壤MBC最小值可达2868.09mg kg-1,纤维素酶为8.01mg (g72h)-1,蔗糖酶为37.48mg (g24h)-1,淀粉酶为8.64mg (g72h)-1,分别比对照减少了36%、19%、31%和18%。随着冻融次数的增加,这三种土壤酶活性和MBC含量虽有所增加,但其含量仍低于对照。另外,冻融循环也显著影响了土壤有机碳的分解。在冻结阶段,碳释放量随冻结时间的增加而不断降低,但仍有气体排放,CO2释放速率为0.07~0.70mg kg-1h-1,CH4为0.06~0.39ug kg-1h-1。随着土壤的融化,碳排放出现了明显高峰值(CO2为1.08~3.73mg kg-1h-1;CH4为4.59~12.75mg kg-1h-1),表明冻结过程对土壤碳释放有促进效应。碳排放速率与活性有机碳及酶活性具有显著的相关性,这表明冻融环境导致的土壤活性底物的释放,更易被微生物所利用,从而导致土壤碳的高排放。 (3)基于室内冻融模拟实验研究发现,季节冻土区泥炭地020cm土壤CH4在融化期出现了明显的高峰排放,为13.40~55.02mg C m-2h-1,约为对照的4~19倍。融化期间CH4的高排放总体表现为持续时间短,仅出现在融化后的第一天,且随着冻融次数的增加,其高峰强度不断降低。在厌氧冻融培养过程中,冻融循环显著增加了表层(020cm)土壤CH4的累积排放量(6127.42mg m-2),是对照的2倍。然而,2040cm土壤却呈现相反的变化趋势,较对照减少了20%,表明不同土层土壤CH4释放对冻融循环的响应模式不同。同时,冻融循环也显著增加了土壤和水体中DOC和DIC的含量,并提高了其小分子化合物的含量,是对照的1.2~1.5倍。可见,冻融环境下活性底物的增加可能是导致融化期CH4高排放的一个重要原因。 (4)基于短期的矿化培养实验研究发现,015cm和1530cm土壤冻融环境下的土壤有机碳矿化量分别为2048.37mg C kg-1和483.99mg C kg-1,比对照分别减少了28%和76%,表明冻融作用对1530cm深层土壤有机碳矿化的抑制作用更为明显。虽然冻融作用显著增加了土壤DOC的释放,但在冻融作用下短期矿化培养过程中,DOC的利用率为15%,略低于对照DOC的利用率(21%),这与MBC含量,土壤纤维素酶,蔗糖酶和淀粉酶活性变化特征相一致。此外,短期矿化过程中冻融作用对土壤CO2排放量的抑制作用与冻融循环期间CO2排放量的抑制现象相吻合,意味着在全球变暖背景下短期的温度增加所导致的多年冻土区泥炭地活动层土壤有机碳的释放要大于冻融循环作用。 (5)基于不同碳组分和不同粒径土壤对CO2释放贡献的室内培养实验研究发现,015cm土壤颗粒有机碳的矿化速率显著高于轻组有机碳(2~64倍),而冻结作用缩小了两者间的差距(2~26倍)。虽然冻结作用促进了不同碳组分和不同粒径土壤CO2前期的释放速率(约2倍),但其碳累积排放量,除轻组有机碳(冻结60.00mg kg-1,对照44.92mg kg-1)和可溶性有机碳(冻结51888.45umolL-1,对照30089.80umol L-1)外,与对照并无显著差异。对于不同碳组分,颗粒有机碳对CO2释放的贡献率为28~37%,分别是轻组有机碳和可溶性有机碳的1.5~2.7倍和2.9~7.9倍;对于不同粒径土壤,1mm250um粒径土壤对CO2释放贡献率为69~71%,高于1mm粒径(27~28%)和250um53um粒径(32~37%)的贡献率。此外,冻结作用也增加了不同碳组分及不同粒径土壤中DOC、NH4+和NO3的含量,分别为对照的1.2倍、1.4倍和1.3倍。但无机氮在不同碳组分和土壤粒径中的存在形态有所差别,颗粒有机碳和不同粒径土壤中的无机氮主要以NH4+的形式存在,而轻组有机碳中却以NO3形式为主,这表明微生物对轻组部分中氮的代谢途径可能与其他组分不同。 (6)基于多年冻土区CP(Continuous Permafrost zone)和季节冻土区SF(Seasonally Frozen Ground)沼泽湿地土柱南移冻融循环模拟实验研究发现,CO2、CH4和N2O这三种温室气体在融化阶段均出现明显的排放高峰。CO2释放速率达到159.83mg m-2h-1(CP)和86.83mg m-2h-1(SF);CH4为0.26mg m-2h-1(CP)和4.07mg m-2h-1(SF);N2O也从冻结阶段的汇转变为源,释放速率为72.14ug m-2h-1(CP)和22.15ug m-2h-1(SF)。冻融期野外观测表明,CO2的累积释放量为598.35g m-2(CP)和255.35g m-2(SF);CH4为1273.24mg m-2(CP)和2930.68mg m-2(SF);N2O为133.50mg m-2(CP)和14.69mg m-2(SF)。冻融期间,CO2释放与土壤10cm温度及CH4释放均存在显著相关性,且活性有机碳组分DOC、MBC、LFOC和POC在融化期间温室气体高峰排放中发挥了重要作用。此外,在相同冻融环境下,多年冻土区沼泽湿地CO2和N2O在冻融期的释放潜力要大于季节冻土区沼泽湿地,多年冻土退化将会导致我国东北冻土区湿地土壤释放更多的温室气体,从而加剧温室效应。 (7)基于不同温度梯度室内培养实验研究表明,CO2、CH4及N2O释放速率随着温度的增加而上升。0°C环境下(-10°C至-0.5°C),CO2的Q10值为5.99~23.34;CH4的为10.70~103.54;N2O的为7.17~432.68,均显著高于0°C环境(+0.5°C至+25°C)的Q10值,大约是其2~10倍(CO2),3~16倍(CH4)和2~53倍(N2O)。CH4和N2O的零下Q10值要明显大于CO2的零下Q10值,大约是其1.8~4.4倍和1.2~18.2倍。同时,015cm土壤的零下Q10值是3045cm土壤零下Q10值的1.7~2.7倍(CO2),3.4~4.1倍(CH4)和2.3~9.7倍(N2O),说明在低温环境下表层土壤有机碳分解的温度敏感性更高。虽然冻融循环降低了CO2、CH4和N2O这三种温室气体随温度变化的排放速率,但是其Q10值却明显高于对照土壤,尤其在零下,大约是对照的1.6~2.3倍(CO2),1.3~2.8倍(CH4)和6.1~26.0倍(N2O)。冻融作用下土壤温室气体在低温下高的Q10值意味着分布在我国东北多年冻土区泥炭地活动层土壤的分解活动在春季冻融期过后更易于受增温的影响。


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