植被与积雪对东北多年冻土区土壤温室气体通量的调控机制及气候反馈研究

《Atmosphere》：The Influence of Vegetation and Snow Cover on Soil Greenhouse Gas Fluxes in the Permafrost Region of Northeast China

本文系统研究了大兴安岭多年冻土区兴安落叶松（Larix gmelinii）林土壤温室气体（CO2、CH4、N2O）通量对地表植被移除（VR/VP）与积雪处理（SR/SP）的响应规律。通过静态箱-气相色谱法发现，植被保留使CO2、CH4、N2O累积通量分别提升19.5%、37.5%、10.7%；积雪覆盖使CO2、N2O通量增加53.1%、28.6%，CH4通量降低39.3。研究揭示了植被与积雪通过调控土壤水热条件与微生物活动影响温室气体转化的关键路径，为寒区地表气候模型改进提供科学依据。

　　

1. 引言

全球变暖已使地表温度较工业化前上升约1.6°C，而北半球高纬度地区升温幅度可能达全球平均值的两倍。多年冻土作为陆地生态系统的重要碳库，储存约1100–1500 Pg有机碳和31–102 Pg氮，其退化可能释放大量温室气体（GHG），加剧气候变暖。森林生态系统覆盖地球31%的陆地面积，其中高纬度森林储存全球49%的碳，植被与积雪作为关键环境因子，通过调节土壤水热条件、微生物活性及碳氮循环过程，深刻影响多年冻土区温室气体通量。然而，植被与积雪对多年冻土温室气体通量的具体调控机制尚不明确。本研究以大兴安岭典型兴安落叶松林为对象，探究植被与积雪对土壤CO₂、CH₄、N₂O通量的影响，为寒区气候模型优化提供数据支撑。

2. 材料与方法

2.1. 研究区概况

实验区位于大兴安岭连续多年冻土区（53°17′–53°30′ N, 122°06′–122°27′ E），以兴安落叶松林为主，年均温-3.6°C，年降水429.2 mm，积雪期长达6个月。样地设置3个5 m×5 m样方，分别进行生长季（植被保留VP/移除VR）与非生长季（积雪保留SP/移除SR）处理。

2.2. 实验设计

植被处理组在土壤解冻前安装不锈钢基座，生长季每周采样；积雪处理组通过篷布覆盖实现积雪移除，冬季每月采样1–2次。温室气体通量采用静态箱-气相色谱法测定，同步监测土壤温度、水分与活动层厚度。

2.3. 数据分析

气体通量计算公式为F = H × (dc/dt) × (M/V₀) × (P/P₀) × (T₀/T)，累积通量通过时序积分计算。采用t检验与Pearson相关分析评估处理间差异及环境因子关联性。

3. 结果

3.1. 土壤温度动态

活动层4月开始解冻，9月达最大融化深度，10月末完全冻结。VP土壤平均温度（6.5°C）低于VR（7.3°C），SP土壤温度（-5.7°C）显著高于SR（-9.7°C）。

3.2. 温室气体通量特征

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  CO₂通量：VP土壤CO₂累积通量较VR增加19.5%，SP较SR增加53.1%。通量峰值出现在7–8月，与土壤温度和解冻深度正相关。
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  CH₄通量：生长季土壤为CH₄吸收汇，VP土壤吸收量仅为VR的65.9%；积雪期转为排放源，SP土壤CH₄通量较SR降低39.3%。
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  N₂O通量：VP土壤N₂O通量较VR增加10.7%，SP较SR增加28.6%。冬季通量贡献全年总量的11.2%，与土壤水分和温度显著相关。
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4. 讨论

4.1. 植被与积雪对CO₂通量的调控

植被通过根系呼吸与分泌物输入增强土壤CO₂排放；积雪的隔热效应提升土壤温度，促进微生物碳代谢，导致SP土壤CO₂通量显著升高。

4.2. CH₄通量的转化机制

植被根系耗氧形成厌氧环境，促进CH₄产生；积雪覆盖延缓土壤冻结，维持甲烷氧化活性，使SP土壤在积雪早期仍为CH₄汇。

4.3. N₂O通量的复杂响应

N₂O通量受硝化-反硝化过程共同驱动：生长季植被根系促进反硝化，积雪期土壤厌氧环境促使N₂O进一步还原为N₂，导致SP与SR处理差异较小。

5. 结论

植被保留与积雪覆盖分别使土壤CO₂、N₂O累积通量提升16.3–34.7%和4.0–9.7%，而植被移除使CH₄吸收量增加1.52倍。兴安落叶松林在观测期内表现为CO₂、N₂O的排放源，生长季为CH₄汇，积雪期转为CH₄源。气候变化背景下，植被物候延长与积雪减少可能通过改变土壤水热条件与微生物活动，正反馈于区域气候变暖。