疏勒河上游多年冻土区冻融过程对土壤温室气体的影响

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土壤是大气中N2O、CH4和CO2的重要排放源。全球多年冻土面积约占陆地总面积的25%,其常年在低温潮湿的环境下易积累大量有机物。随着气温升高,多年冻土发生退化,活动层厚度增加,导致温室气体大量释放,进而加速全球变暖,形成恶性循环。青藏高原分布有世界上中低纬度海拔最高、面积最大的多年冻土,其活动层土壤温室气体排放方面研究在国内外备受关注。目前,高原多年冻土区活动层土壤温室气体产生与排放的研究主要集中于植物生长季(本文中指完全融化期),而对非生长季(本文中指融化过程期、冻结过程期和完全冻结期)的原位观测研究甚少。因此,分析多年冻土区不同冻融期土壤主要温室气体(N2O、CH4和CO2)的产生与排放特征、影响因素并估算其浓度和通量对认识全球碳氮循环及气候变化的响应具有重要意义。  本研究选取高原东北缘疏勒河上游多年冻土区高寒草甸和高寒草原化草甸作为研究对象,利用“气筒式”土壤剖面气体采集器和静态箱分别采集活动层0~50cm和地表气体样品,比较分析2013年度不同冻融时期(融化过程期、完全融化期、冻结过程期和完全冻结期)土壤主要温室气体的地下浓度和地表通量变化特征及影响因素,进而估算其在不同冻融时期的浓度、通量以及贡献率。结果如下:  1.高寒草甸与高寒草原化草甸土壤冻融过程存在明显差异,表现为:前者表层土壤2cm开始融化时间比后者晚5天,开始冻结时间比高寒草原化草甸早6天;前者2~50cm平均融化日数和冻融日数分别比后者少31天和1天,冻结日数比后者多32天;前者完全冻结期、融化过程期和完全融化期分别比后者多12天、1天和5天,冻结过程期比后者少18天。  2.高寒草甸土壤表层0~10cm的N2O和CH4日均浓度经过日冻融循环后减小,CO2日均浓度增加和三种气体地表日均通量均增加。季节冻融循环过程中N2O日均最大浓度分别出现在融化过程期和完全融化期,CH4日均最大浓度均出现在完全冻结期,CO2日均最大浓度均出现在完全融化期。除完全冻结期的CH4外,高寒草甸不同冻融期土壤N2O、CH4和CO2日均浓度均高于高寒草原化草甸;0~50 cm剖面变化特征主要表现为:N2O、CH4和CO2浓度最高值均出现在表层0~10 cm,随深度增加有逐渐降低的趋势;地表通量特征表现为:高寒草甸和高寒草原化草甸土壤整个观测期表现为N2O和CO2的源、CH4的汇;N2O日均通量均在融化过程期最低,完全冻结期最高,CH4和CO2日均通量均在完全冻结期最低,完全融化期最高。  3.高寒草甸和草原化草甸土壤地下N2O浓度日变化和剖面变化的主要影响因子均为土壤含水量和盐分,而CH4和CO2的主要影响因子均为土壤温度、含水量和盐分;地表三种温室气体通量的主要影响因子除土壤温湿盐、太阳总辐射和空气温湿度外,还有相应的地下气体浓度。  4.估算土壤N2O、CH4和CO2地下浓度与地表通量的模型具有较高可信度。地下浓度估算结果表明,高寒草甸土壤N2O、CH4和CO2年均浓度均高于高寒草原化草甸。地表通量估算结果表明,高寒草甸土壤N2O和CO2排放量及CH4吸收量在冻融期(融化过程期和冻结过程期)和完全冻结期之和分别占全年总通量的90.46%、61.29%和44.40%,在高寒草原化草甸中分别占全年总通量的64.70%、32.25%和41.65%,即非生长季土壤主要温室气体通量在年总通量中占有重要份额,不容忽视;高寒草甸土壤N2O和CO2全年总排放量均明显多于高寒草原化草甸,CH4吸收量明显少于高寒草原化草甸,这预示着在气候变暖背景下,高寒草甸退化越严重,土壤N2O和CO2的“源”功能越弱,土壤CH4的“汇”功能越强。
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