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)數小時的凍融循環(huán)。北半球近55%的陸地面積經歷季節(jié)性凍融，土壤凍融循環(huán)持續(xù)時間從幾天到150天不等。頻繁的凍融循環(huán)改變了土壤微生物群落結構和代謝，加速土壤有機質的分解，并以溫室氣體（如CO2、CH4和N2O）或溶解有機碳（DOC）的形式排放。這些過程已成為生態(tài)學、凍土學和生物地球化學研究的重點。

凍融循環(huán)對地表土壤CO2和CH4通量的影響備受關注。一項研究發(fā)現(xiàn)，積雪對冬季土壤呼吸的影響是短暫的，厚度變化對CO2通量影響小。了解活動層過程對多年凍土區(qū)土壤CO2和CH4動態(tài)的響應和反饋至關重要。凍融循環(huán)頻率和持續(xù)時間對高寒地區(qū)土壤碳通量具有重要調控作用。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，在近地表土壤凍結期間CO2通量達到峰值，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%。

本研究在內蒙古自治區(qū)大興安嶺生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站（NFORS-DXAE）進行。該地區(qū)具有典型的大陸性季風半干旱氣候，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。實驗地塊位于海拔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的腐殖質層），有機質含量42.74±0.92 g·kg?1。根據2009-2011年地溫數據，活動層厚度為0.5至2.0 m。

由于測量系統(tǒng)配套設施通道數量和長度有限，樣地被劃分為4個子區(qū)。為保證測量的可靠性和代表性，樣地被劃分為16個5×5 m的子區(qū)。每個子區(qū)隨機選擇4個子樣。在每個子區(qū)放置一個點來測定土壤呼吸速率。為此，將一個高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)在土壤呼吸測量前一周鋪設，整個測試過程中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，在觀測點安裝了1×1 m的擋雪設備，并定期或根據需要清除積雪，避免積雪對呼吸室觀測的影響，確保觀測點儀器環(huán)境的安全。

本研究采用動態(tài)室法觀測土壤表面的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量系統(tǒng)（北京理加聯(lián)合科技有限公司）進行多通道、長期、連續(xù)土壤呼吸觀測。

土壤CO2通量計算的標準閉合時間為2分鐘（120秒），為保證CH4通量測量的準確性，將測量時間延長至3分鐘（180秒）。與其他類型的儀器和設備相比，該儀器可實現(xiàn)多點、長時間進行測量，測量數據可實時傳輸和顯示，便于研究人員觀察數據的穩(wěn)定性，快速發(fā)現(xiàn)數據采集中的異常。

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氣室內土壤溫度和土壤表面水蒸氣的變化來解釋。此外，土壤呼吸的 Q10 值在近地表土壤凍融期最大，對土壤溫度變化敏感。近地表土壤凍融期累積的CO2?和 CH4通量對這些冬季總量的貢獻最大?？紤]到持續(xù)的氣候變化可能會極大地改變中國東北森林生態(tài)系統(tǒng)的年碳通量（匯或源），更準確地測量、預測和評估未來土壤CO2?和 CH4?通量的時間模式非常重要。? ??