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土壤呼吸 | 退化多年冻土区甲烷通量的非对称温度响应

日期: 2026-08-24
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土壤呼吸 | 退化多年冻土区甲烷通量的非对称温度响应

研究背景

多年冻土区CH₄排放是全球变暖的重要潜在正反馈,但已有研究和模型大多以CH₄通量与温度呈单调响应为基本假设,对CH₄产生/氧化过程可能存在的非线性阈值特征、以及升温—降温季节间水热条件的不对称性关注较少。这提示相同温度在升温相与降温相可能对应不同的通量状态(即“滞后效应”),但这一现象在水文异质性较强的森林—湿地过渡带此前尚缺乏长期原位证据的检验。

为此,哈尔滨师范大学臧淑英老师团队依托中国东北大兴安岭北极镇,开展两年高频监测,系统检验CH₄通量的相位依赖性温度阈值及其水文—微生物调控机制,成果发表于《Journal of Forestry Research》。

土壤呼吸 | 退化多年冻土区甲烷通量的非对称温度响应

图1.研究区域、样地位置和实验装置。

研究方法

研究区位于中国东北大兴安岭北极镇,地处欧亚多年冻土带南缘,多年冻土退化剧烈;设置三个关键采样期:活动层融化初期(5 月初)、生长旺季(7 月中旬)、土壤冻结前期(10 月末)。每个生境采集3份0~10 cm土芯混合为1份混合样;每份样品分为2份;

测量指标:土壤CH₄通量、pH、SOC、DOC、NH₄⁺-N、NO₃⁻-N等指标,同时提取土壤DNA,进行高通量测序;

值得一提的是,研究采用由便携式温室气体分析仪和SF-3500多通道土壤气体通量测量系统(北京理加联合科技有限公司),SF-3500按“90 s预冲洗—90 s平衡—180 s测量”的流程自动控制各通量箱运行,测定CH₄和H₂O浓度,并同步监测5 cm深度的土壤温度和体积含水量。

统计分析:研究通过分相回归识别CH₄通量的温度阈值,并结合群落分析、共现网络和随机森林解析其驱动因素;

土壤呼吸 | 退化多年冻土区甲烷通量的非对称温度响应

 2. 2021年和2022年森林(a)和湿地斑块(b)土CH₄通量的季节性变化。

土壤呼吸 | 退化多年冻土区甲烷通量的非对称温度响应 

图3.森林(a:加热阶段;b:冷却阶段;c:汇总数据)和湿地(d:加热阶段;e:冷却阶段;f:汇总数据)生境中土壤CH₄通量的温度阈值。

土壤呼吸 | 退化多年冻土区甲烷通量的非对称温度响应 

图4.基于随机森林的土壤、产甲烷菌相关和甲烷氧化菌相关预测因子对CH₄通量的相对贡献(均方误差增加百分比)。

土壤呼吸 | 退化多年冻土区甲烷通量的非对称温度响应 

图5.在多年冻土区,构建了一个概念框架,将温度变化轨迹、水文条件和微生物对森林-湿地过渡带甲烷通量的控制联系起来。

核心结果

森林与湿地:源汇行为截然不同

1) 湿地:全年始终表现为CH₄净源,通量由5–6月接近零逐渐上升,7–8月盛夏达到峰值,9–10月缓慢回落;

2) 森林:呈现明显的季节性源汇转换,6月下旬为净吸收,7月初骤然转正并维持至8月,9月中下旬又迅速转负;

滞后效应

森林升温相与降温相的温度阈值较为接近,轨迹依赖性较弱;而湿地升温相与降温相的阈值差异明显,表现出显著的滞后效应;

微生物驱动:产甲烷菌占主导,氨氮与水分为关键纽带

1) 森林与湿地的CH₄循环微生物群落结构均存在显著差异,其中产甲烷菌的组成和多样性变化更明显,表明其对生境和季节变化更为敏感;

2) 土壤水分、NH₄⁺-N及产甲烷菌群落与CH₄通量密切相关,其中产甲烷菌相关指标的预测重要性最高(35.46%);

机制解释

1) 升温期:活动层融化→土壤持水增强→厌氧微域扩大→NH₄⁺-N有效性升高→产甲烷菌活性增强→CH₄排放激增;

2) 降温期:排水与冻结→氧气恢复→产CH₄受抑,即使温度仍较高,排放也快速回落;

结语

温度不是唯一答案,水文与微生物才是CH₄通量背后真正的隐藏剧本。这项两年野外观测提醒我们:理解多年冻土碳排放,还需要跳出温度决定一切的思维定式,去看见更复杂、也更真实的过程耦合。

发表期刊:Journal of Forestry Research【影响因子:4.1】

研究单位:哈尔滨师范大学、东北农业大学等

研究地点:中国东北大兴安岭北极镇

使用设备:SF-3500多通道土壤气体通量测量系统

DOI:https://doi.org/10.1007/s11676-026-02100-4 


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