祁连山热融滑塌地貌碳释放特征及影响因素

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在气候变暖背景下,多年冻土退化释放的碳对气候变暖起着正反馈效应。热喀斯特景观作为多年冻土退化最直观的表现形式,其碳储量约占北半球多年冻土区土壤有机碳(SOC)储量的50%。然而,热喀斯特景观发育及演变过程对生态系统碳释放速率的影响在很大程度上尚不清楚。因此,本研究的科学问题是热融滑塌演变过程如何调控环境因子、有机质组分及微生物群落特征而影响土壤碳氮含量分布及生态系统碳释放过程。论文以祁连山俄博岭多年冻土区7条热融滑塌为研究对象,通过结合遥感技术、野外监测和实验分析,对热融滑塌不同发育阶段碳释放特征及影响因素进行了分析。基于遥感数据确定热融滑塌的发育年龄,并将其划分为三个阶段:初期(发育年龄<5年)、中期(发育年龄为5-8年或23-51年)及后期(发育年龄>51年)。通过生态系统二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)气体通量监测及SOC、总氮(TN)含量测定,分析热融滑塌演变对土壤碳氮含量和温室气体释放通量的影响;通过室内有氧培养实验及土壤碳氮含量、碳组分、微生物群落和酶活性特征分析,探究生物因素和非生物因素对热融滑塌地貌土壤碳释放的影响。本论文的主要结果如下:(1)热融滑塌不同发育阶段对土壤水热和碳氮损失的影响不同。热融滑塌形成初期(<5年),与对照区相比,滑塌区土壤温度(0-20 cm)上升了18%,土壤含水量(0-10 cm)降低了3.8%;随着热融滑塌发育年龄的增加,土壤温度和含水量有逐渐降低的趋势。在热融滑塌形成中期(5-8年)其塌陷区与对照区相比土壤温度下降了12%,下降幅度最大。土壤含水量在热融滑塌形成中期(5-8年)和后期(>51年)其塌陷区与对照区相比土壤含水量均下降了11%,下降幅度最大。热融滑塌形成初期和后期(<5年和>51年)对表层(0-15 cm)土壤碳氮含量无显著影响;然而,在热融滑塌形成中期(5-8年和23-51年),表层及次层(15-30 cm)土壤中碳氮损失量较大,其中SOC、TN最大损失量分别为38%和45%。此外,研究还发现,热融滑塌形成后期(发育年龄>51年)次层土壤中碳氮出现了重新累积的现象。(2)热融滑塌形成初期(<5年)生态系统呼吸(Reco)增加了8.5%,然而在热融滑塌形成中期(为5-8年及23-51年)及后期(>51年)Reco显著降低,分别降低了25%和40%。与对照区的净生态系统碳交换(NEE)相比(NEE=﹣3.79μmol m-2s-1),发育年龄<5年的热融滑塌碳吸收能力增强,NEE为﹣6.01μmol m-2s-1,但随着热融滑塌发育时间的增长,生态系统的碳汇能力逐渐减弱,甚至转变为碳源,例如在热融滑塌中期和后期NEE分别为﹣1.60μmol m-2s-1和0.01μmol m-2s-1。此外,与对照区相比,暴露区CH4显著增加,在热融滑塌发育年龄为5-8年(6.74 mg CH4 m-2h-1)及23-51年(2.37μmol m-2s-1)的CH4释放增幅达到最大,增加了2-10倍,但随着热融滑塌发育年龄的增加逐渐降低。(3)热融滑塌演变过程中,土壤酶活性、微生物群落及土壤碳组分发生了较大变化。随着土壤塌陷时间的增长,表层及次层土壤中与碳氮相关的酶活性均呈先上升,在塌陷1年土壤中酶活性含量最大,随着滑塌时间增长而逐渐降低。土壤中不稳定碳组分(如烷氧碳)含量随土壤塌陷时间的增长,呈先增大后逐渐降低趋势,在塌陷1年土壤中达到最大,而稳定碳组分(如烷基碳)含量呈逐渐增加的趋势。土壤表层及次层微生物含量均随土壤塌陷时间的增长逐渐降低,且表层高于次层。(4)经过118天的有氧培养实验发现,所有区域土壤在培养初期(大概前三周)CO2产生速率均较快,前21天CO2累计通量占整个培养期的76-92%。在表层及次层土壤中,有机碳微生物分解潜力均呈现:塌陷1年>对照区>塌陷10年>塌陷23年。方差分解结果表明,土壤碳氮含量及组分、土壤含水量及微生物丰度是影响有机碳分解释放的主要因素,共解释了碳释放量71%的变异,其中土壤碳组分是有机碳分解释放的主要驱动因素,解释了其变异的64%。本文探究了热融滑塌演变过程中土壤碳氮损失及生态系统碳排放规律,土壤微生物群落、酶活性及土壤碳组分的分布特征,并阐明了热融滑塌影响碳分解和释放的生物地球化学过程,研究结果为探究多年冻土碳-气候反馈作用及未来气候变化预估提供可靠地科学支撑及理论基础。
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