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理解北极苔原的甲烷预算

日期: 2020-07-30
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理解北极苔原的甲烷预算

北极苔原位于北半球,是多风无树的平原。因其温度低,生长季短,在冬季土壤下层(向下25-90 cm)被永久冻结(“多年冻土层”),阻碍了树木的生长。在夏季,多年冻土层融化仅足够用于植物的生长和繁殖,由于下层土壤冻结,水分无法下沉并形成湖泊和沼泽。苔原冻土地区占世界土壤结合碳的很大一部分(是当今大气中碳的1.5倍),湖泊和湿地中植被腐烂会产生CH4。过去几十年,人们认为北极苔原是碳汇,因为它可以通过光合作用捕获大气中大量的CO2,而如今受气候变化的影响,它已经成为重要的碳源,将温室气体释放到大气中。因此,对环境科学家而言,理解该生态系统中季节,植被,气候因子对CH4排放的影响至关重要。

大量研究表明,由于多年冻土层的季节性融化,在北极地区夏季CH4从大量不稳定有机质中排放。然而,很少有研究去理解秋季,冬季和春季(代表了北极地区一年中的70-80%)的CH4排放现象。以往的几个研究表明秋季甲烷通量高,而春冬季节无甲烷通量。在所附的文章中“ Cold season emissions dominate the Arctic tundra methane budget”,一组国际跨学科的科学家们报道了全年CH4排放,包括从沿着阿拉斯加北坡300公里纬度样带上的5个阿拉斯加北极苔原涡度协方差(EC)站点测得的通量数据,旨在理解CH4通量的季节性变化。此项目中,EC塔上安装了开路分析仪和闭路LGR-ICOS快速温室气体分析仪(GLA331-GGA,前身为FGGA-24EP)以在连续多年冻土层上进行全年CH4涡度通量观测。

理解北极苔原的甲烷预算

ABB LGR-ICOS 加强型机载温室气体分析仪(GLA331-GGA)


合并开路和闭路仪器中CH4的测量值并平均以产生半小时的涡度通量值。综合估算了5个站点从2013年6月到2015年1月的CH4通量,获取了两个夏-秋-冬周期数据,具有高时间分辨率。

理解北极苔原的甲烷预算

A-E:北坡5个EC站点测得的甲烷通量(mg C- CH4 m−2 h−1)。

F:阿拉斯加地图,表明站点位置和表面淹没的百分比(Zona et al.)。


这些观测结果表明长期以来,冷季(9-5月)CH4排放量与夏季排放量相当或更高。在最干燥的地区,冷季排放量主导了全年的CH4预算,这比以前在其它连续多年冻土地区模型中预测的贡献(35%)明显更高,同时也高于阿拉斯加北部(40%)的全年观测值数。

作者也研究了土壤状况对CH4通量变化的影响(淹水和温度)。

理解北极苔原的甲烷预算

在所示时段内,阿拉斯加北坡3个EC站点甲烷通量随土壤温度的变化。黑色箭头指示每个阶段的季节性进程(Zona et al.)。


他们发现在低淹水的EC站点CH4排放量最高,这与常规预测模型模拟和预测的淹水环境中CH4排放量最高的结果相矛盾。在土壤温度对CH4通量的影响上,作者假设冷季大量CH4排放与延长的“零点幕”期有关,该时期土壤和地下温度都保持在0℃附近,表明总排放量对土壤环境以及相关因素(例如降雪深度)非常敏感。

理解北极苔原的甲烷预算

假设土壤物理过程会影响CH4产生和氧化示意图,该过程与季节有关。浅蓝色表示土壤温度较低,浅棕色表示土壤温度较高;箭头指向夏季解冻锋面的方向,冷季冻结锋面的方向(Zona et al.)。


作者认为在零点幕期,即使CH4生成量较低,土壤近地表冻结降低了CH4氧化,导致了大量的CH4排放。零点幕期持续时间比生长季长,并且当持续时间延长时,如深厚的积雪会延长融化深度,CH4排放量增加。

总之,研究表明冷季(9-5月)CH4排放量占阿拉斯加苔原全年CH4排放量的50%以上,且这些排放量对土壤环境和相关的因素非常敏感。同时表明了,预计北极地区未来会持续变暖和积雪,这将导致全球CH4排放量的显著增加,且该过程中冷季排放量(9-5月)重要性增加。


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Cold season emissions dominate the Arctic tundra methane budget.pdf



美国和英国研究团队在同一EC阿拉斯加4个站点上进行了另一项研究,解决了北极苔原空间异质性的难题。他们测量了土壤CH4和CO2通量以及一系列环境变量,旨在理解北极生态系统植被类型与CH4排放的关系和控制机制。该研究成果报道在所附的文章中“Vegetation Type Dominates the Spatial Variability in CH4 Emissions Across Multiple Arctic Tundra Landscapes”。

为了能在生长季早期安装通量环,作者利用每个站点的航拍图进行了调查,并检查了所有站点的植被地图以及描述,以最大程度与现存分类保持一致性。他们确实了EC研究地区6种不同的植被类型:

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丛生苔草(a)

苔藓-地衣(b)

苔藓-灌木(c)

湿苔草(d)

禾本科干杂草(e)

苔藓(f)


在融化季节(2014年6月)安装PVC环(高15 cm/直径20 cm)对选定植被类型的土壤样品进行分离,并在高峰季节(2014年7月)对植被进行调查。每个植被类型共放置6或7个(取决于站点)重复环,深度大约15 cm,所有站点总共91个环。

LGR的便携式温室气体分析仪(GLA132-GGA,前身是UGGA)依次连接各种植被环,使用圆柱形有机玻璃气室通过进口和出口管在闭路循环模式下以1HZ采样率测量CH4和CO2通量。

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ABB LGR便携式温室气体分析仪(GLA132-GGA)


在每个采样点,有机玻璃气室放置2 min,以实现气室顶空CH4和CO2浓度的稳定增加。测量后,移开气室以重建环境气体浓度,用黑色毛毡盖覆盖,再放回到环上2 min。

理解北极苔原的甲烷预算

气室通量测量设置示意图,包括气室,环尺寸以及所用设备的详细信息


用一个透明的气室测量净生态系统碳交换量(NEE),用不透明的气室测量生态系统的呼吸量(ER),以计算代表生态系统产生碳生物量总量的总初级生产力(GPP)。(GPP=NEE+ER)。利用线性斜率拟合技术计算气体通量。所有样地都在一天的相同时间测量(10 am-3 pm)。

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2014年夏季在4个阿拉斯加北极站点测得的总初级生产力(GPP)通量(Davidson et al.)


利用该设备,科学家们在所有样地的观测结果发现,湿苔草的平均CH4排放量最高,其它植被类型排放量较低。此外,还发现地下水位高于或位于土壤表面的样地CH4排放量最高。作者建立了几个多元回归模型以确定CH4通量的驱动因子,并检验GPP,溶解性有机碳和CH4通量之间的关系。他们发现,一个高度简化的植被分类仅包括3种植被类型(湿苔草,丛生苔草和其它),解释了整个样带中54%的CH4通量变化。其表现几乎与一个更复杂的模型一样,该模型包括多种生物和环境驱动因子例如地下水位,苔草高度以及土壤水分(解释58%的CH4通量变化)。

理解北极苔原的甲烷预算

A:CH4通量,B:2014年夏季在4个阿拉斯加北极站点测得的地下水位深度(正值=积水,负值=水位在土壤表层以下)。条形图是每个日期的平均值±标准误差(Davidson et al.)


作者得出的结论是植被是主要变量,解释了来自多个植被群落,环境状况以及地理位置的各种苔原类型CH4通量的空间异质性。湿苔草群落主导CH4排放,而其他植被类型排放率更低。这些发现表明了植被组成作为与CH4通量有关的条件的综合度量的重要性。

多年来,LGR-ICOS仪器在分析性能,易用性以及耐用性方面享有很高的声誉。其专利离轴积分腔输出光谱技术(OA-ICOS)已在多家同行评审的出版物中得到了证明与肯定。LGR ICOS分析仪可以在多样化的环境中收集科学数据,在海底1000 m处,积雪覆盖的森林,北极苔原,亚马逊河漫滩平原,沙漠,飞机,直升机或无人机上,运行的汽车或卡车上,火车屋顶上或极地海洋巡游的研究船上都可以看到其身影。

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ABB LGR-ICOS仪器的应用场景

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Vegetation Type Dominates the Spatial Variability in CH4 Emissions Across Multiple Arctic Tundra Landscapes.pdf

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