青藏高原高寒景观甲烷通量的时空特征与环境调控机制

本研究针对青藏高原高寒生态系统甲烷（CH4）通量估算存在的不确定性，通过两年野外观测揭示了不同海拔（3200–3500 m）和生态系统类型（草甸、草原、森林、湿地）的CH4通量时空格局及环境驱动因子。研究发现高寒湿地虽面积占比仅4.6%，但其CH4排放量（17.2–34.3 kg C ha?1 yr?1）显著削弱了高寒旱地（CH4吸收汇：1.12–2.49 kg C ha?1 yr?1）的净汇功能，非生长季通量贡献率达29–46%。土壤含水量（WFPS）是景观尺度CH4通量的首要调控因子。该研究为精准评估高寒生态系统碳-气候反馈提供了关键参数，对全球CH4预算研究具有重要意义。

　　

甲烷（CH₄）作为仅次于二氧化碳（CO₂）的重要温室气体，其全球增温潜势是CO₂的27倍以上，对气候变化具有显著影响。近年来大气CH₄浓度持续攀升，逆转这一趋势已成为实现《巴黎协定》1.5℃目标的关键。然而，全球CH₄收支估算仍存在较大不确定性，其中土壤作为CH₄的源和汇的贡献尚不明确。高纬度及高海拔地区储存了全球过半的土壤有机碳，其CH₄通量对气候变化的响应尤为敏感。青藏高原作为“世界第三极”，拥有多样化的高寒生态系统（草甸、草原、森林、湿地），但以往研究多聚焦单一生态系统或生长季，缺乏景观尺度的综合观测，特别是非生长季通量的贡献被严重低估。

为厘清高寒景观CH₄通量的时空动态及环境驱动机制，由中国科学院大气物理研究所姚志生研究员牵头的研究团队，在青藏高原东部若尔盖流域（海拔3200–3500 m）开展了为期两年的野外实验。研究选取了6个海拔梯度的典型生态系统（高寒草甸M3430、M3326、M3231，高寒草原S3245，高寒森林F3415，高寒湿地W3304），布设28个采样点，采用静态箱-气相色谱法高频监测CH₄通量，同步测定土壤温度、水分、无机氮（NH₄⁺、NO₃^?）、溶解性有机碳（DOC）及水位（WTD）等环境因子。通过随机森林模型和多元回归分析解析关键驱动因子，并基于面积加权法估算了景观尺度的净CH₄收支。

3.1. 环境变量特征

研究期间年均气温（2.7–3.1℃）高于长期均值（1.6℃），降水呈现正常年（615 mm）与干旱年（458 mm）的差异。土壤温度随海拔升高而降低，高寒旱地年均地温为3.2–8.4℃，湿地为4.6–5.5℃。土壤孔隙含水量（WFPS）在旱地为20–58%，湿地高达66–81%。湿地土壤无机氮和DOC浓度显著高于旱地（森林除外）。

3.2. CH₄通量的时间动态

所有高寒旱地均表现为CH₄吸收汇，通量范围为1.7–65.3 μg C m^?2 h^?1，而湿地为CH₄排放源（33–1371 μg C m^?2 h^?1）。通量季节变化显著，生长季高于非生长季。土壤温度与CH₄通量呈指数正相关（Q₁₀=1.23–1.90），WFPS则与旱地CH₄吸收负相关、与湿地排放正相关。随机森林分析确认土壤温度和WFPS是时序变化的主控因子（解释度>70%）。

3.3. 年际与景观格局

旱地年CH₄吸收量为1.12–2.49 kg C ha^?1 yr^?1，非生长季贡献率29–42%；湿地年排放量为17.2–34.3 kg C ha^?1 yr^?1，非生长季占38–46%。年际变异受降水调控，干旱年湿地排放量降低。景观尺度上，WFPS和无机氮是空间分异的主控因子，多元回归模型解释度达81–95%。尽管湿地面积仅占4.6%，其排放量抵消了62%的旱地吸收量，导致景观净CH₄汇为0.72 kg C ha^?1 yr^?1。

本研究首次在青藏高原实现了多生态系统、全年尺度的CH₄通量综合观测，揭示了非生长季通量的重要贡献（29–46%）及土壤水分的关键驱动作用。研究发现高寒湿地虽面积狭小，却是景观CH₄平衡的“关键杠杆”，其排放强度与土壤无机氮含量显著正相关。通过整合氧化亚氮（N₂O）通量数据，研究发现青藏高原高寒景观整体表现为弱CH₄汇（0.15 Tg CH₄ yr^?1），但却是非CO₂温室气体的净排放源（18.2 Tg CO₂-eq yr^?1）。该成果强调了高寒生态系统在全球CH₄预算中的双重角色，为改进地球系统模型提供了关键参数，对预测气候变暖背景下高海拔地区碳-气候反馈具有重要科学价值。论文发表于土壤科学领域顶级期刊《Geoderma》。