土壤呼吸 | 西藏高寒草地生态系统呼吸与甲烷通量的流域尺度格局及控制因素

生态系统呼吸（Re）和甲烷（CH4）通量是两个重要的土壤-大气碳交换过程，已经在局地尺度上得到充分记录。然而，在流域尺度上，对青藏高原多年冻土区这些过程的空间格局和控制因素尚不清楚。

基于此，为了填补研究空白，在本研究中，来自四川大学、中国科学院成都山地灾害与环境研究所、山西农业大学、中国科学院西北生态环境资源研究院和西南民族大学青藏高原研究所的研究团队在青藏高原风火山（34°40′-34°46′ N和92°50′–92°62′ E；4580-5410 m a.s.l.；图1a）测量了两个生长季节（2017年和2018年）不同坡向（北向（阴坡）和南向（阳坡））和不同海拔（低、中和高坡位）的生态系统呼吸（Re）和CH₄通量，旨在阐明青藏高原草地流域尺度的Re和CH₄通量模式并量化生物和非生物因子调节Re和CH₄通量的相对贡献。

作者利用LGR UGGA便携式温室气体分析仪+PS-3000便携式土壤呼吸系统（北京理加联合科技有限公司）+SC-11便携式呼吸室（北京理加联合科技有限公司）于2017年和2018年生长季节（6-12月）每30天测量一次Re和CH₄通量。同时，还测量了土壤温度、体积含水量、地上生物量和地下生物量、土壤有机质、pH、土壤全氮、土壤容重、溶解性有机碳、微生物量碳、微生物量氮、土壤蔗糖酶活性、NH₄⁺-N和NO₃^--N浓度。

图1 西藏高寒草地研究区和样地位置。

（a）青藏高原植被类型图显示了研究区位置。

（b）2个沟谷的2个坡向的3个海拔位置的18个研究地块。

（c）山坡上的高寒草甸。

（d）阳坡低坡位的高寒沼泽草甸。

【结果】

微生物因子对高寒草地流域Re空间变异具有控制作用。在高海拔阴坡位置，较低的土壤温度和土壤有机质含量降低了土壤微生物活性，从而抑制了Re的产生。作者发现高寒草地是大气CH4的净汇，流域内平均CH4通量率表现出很大的空间变异性，范围为-1.6~-10.48μg CH₄ m^-2 h^-1。土壤体积含水量的空间变异解释了流域内76%的CH4通量变异。作者认为在高寒草地流域，永冻层对水文状况的影响可能会增加土壤水分（土壤体积含水量和充水孔隙空间）的空间变异性，通常在Re和CH4吸收受到抑制的低坡位形成排水不良的地貌。结果强调了地形和永冻层通过对生物物理化学因子的影响间接影响着Re和CH4通量。作者建议在地球系统模型中应重视青藏高原草地流域尺度上Re和CH4通量的空间变异性，尤其是CH4通量随海拔位置的变异性。

图2 两个生长季节生态系统呼吸（Re）速率（a-c）和CH₄通量（d-f）及其范围（g和h）的季节性变化。

图3生态系统呼吸（Re）和生物物理化学因子之间的关系。

图4 变异划分分析（a）和结构方程模型（b）研究了驱动因素对生态系统呼吸（Re）的多变量影响。图（a）中，ST代表土壤温度，SOM代表土壤有机质。图（b）中，实线箭头表示显著相关（P＜0.05）；虚线箭头表示无显著相关（P＞0.05）；箭头宽度与关系强度成正比。多层矩形表示土壤有机质和微生物因子的主成分分析的第一成分；土壤有机质包括土壤有机碳（SOC）和土壤全氮（STN），微生物因子包括微生物量碳（MBC），微生物量氮（MBN）和蔗糖酶活性。

图5 CH₄通量率和土壤温度（a）、土壤体积含水量（b）、充水孔隙度、NH₄⁺-N（d）和NO₃^—N（e）之间的关系。

【结论】

为期两年的西藏高寒草地野外研究发现，由于流域内沟壑斜坡沿线的土壤水分差异，海拔位置显著影响CH₄通量。在流域尺度上，生物和微生物因子相互作用影响Re，微生物因子对Re具有直接调控作用。研究结果表明，在山坡水文中永冻层可能会进一步增加土壤水分的空间异质性，这可能会改变高寒草地的碳交换，尤其是考虑到低坡CH4净吸收率弱于其他坡位。这些发现对于估算西藏多年冻土区山地的碳交换具有重要指示意义。山地覆盖了青藏高原约60.58%的区域，忽视流域尺度Re和CH4通量的空间变异性可能会误导对碳交换的评估。因此，作者建议在地球系统模式中应该考虑流域尺度Re和CH₄通量的空间变异性，以改进对西藏高寒草地碳交换的评估。

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西藏高寒草地生态系统呼吸与甲烷通量的流域尺度格局及控制因素