加拿大西部北极冻原—湖泊界面热喀斯特侵蚀后CO2与CH4通量的相反响应

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Contrasting Responses of Carbon Dioxide and Methane Fluxes Following Thermokarst Erosion Across Tundra-Lake Interfaces in the Western Canadian Arctic

　　

富含冰多年冻土融化（“热喀斯特”，thermokarst）造成的侵蚀会改变冻原植被覆盖和土壤水分，并将有机物质横向输送入湖泊，从而改变二氧化碳（CO₂）净通量（FCO₂）、甲烷（CH₄）净通量（FCH₄）和氧化亚氮（N₂O）净通量（FN₂O）。冻原和湖泊很少被一起考察，尽管理解其对广泛热喀斯特侵蚀的耦合生物地球化学响应需要联合视角。研究人员旨在理解热喀斯特侵蚀对FCO₂、FCH₄和FN₂O及其跨冻原—湖泊界面潜在生物地球化学控制的影响。研究人员在加拿大西北地区（NT）Inuvialuit Settlement Region的稳定和侵蚀冻原及相邻湖泊中，于生长季（2022年6—8月和2023年）开展每周样地尺度测量。与直觉相反，侵蚀冻原比稳定冻原吸收更多CO₂（?64.0 ± 79.7 mg C m^?2 h^?1，n = 85，对比?26.7 ± 84.2 mg C m^?2 h^?1，n = 98；平均值±标准差），这由有植被的侵蚀冻原中光合活性增强和土壤水分较高所驱动。稳定冻原为净CH₄汇（?0.024 ± 0.027 mg C m^?2 h^?1，n = 108）。该汇能力随温度升高和冻土表加深而增强，但随侵蚀而减弱。侵蚀湖岸的湖泊FCH₄显著高于稳定湖岸（2.56 ± 5.65 mg C m^?2 h^?1，n = 88，对比1.05 ± 3.61 mg C m^?2 h^?1，n = 90）。冻原和湖泊FN₂O通常可忽略不计。CO₂和CH₄通量的相反响应凸显热喀斯特侵蚀跨冻原—湖泊连续体的复杂效应。

研究背景方面，北极冻原正经历快速增温、降水与扰动格局变化，威胁冻原土壤中具有全球意义的碳（C）和氮（N）库；多年冻土融化速率上升，既表现为活动层逐渐加深，也表现为富含冰多年冻土融化导致地表塌陷的热喀斯特启动，后者在富含冰多年冻土景观中频率增加并影响陆地与水生生物地球化学。热喀斯特侵蚀改变景观生态生理和生物地球化学条件，增加冻原土壤C、N库进入活动层循环的风险，并可通过侧向输送有机质（OM）、沉积物和溶解气体增强陆地—水生C、N循环联系。稳定冻原高地全年因冷季排放抵消生长季光合CO₂吸收而接近净CO₂中性，且可从CH₄小源到潜在重要的大气CH₄汇；热喀斯特扰动常增加CO₂排放，但不同热喀斯特特征因形态、土壤水分、热状况和土壤有机碳含量差异而不同，植被存在和物种组成对扰动后CO₂源汇功能重要。冻原CH₄通量高度依赖土壤水分和植被覆盖，湿裸热喀斯特微生境排放增加而较干有植被微生境较低；N₂O多来自半湿裸微生境，热喀斯特侵蚀后可有排放。湖泊富含的连续多年冻土冻原景观日益被视为重要大气CO₂源，多年冻土影响湖泊CH₄排放已有较多记录并随 warming 增加，湖泊约占富含冰冻原景观25%，其温室气体贡献可观；但多年冻土影响湖泊N₂O数据少，且湖岸热喀斯特侵蚀侧向输入溶解气体、DOM和养分可能增加湖泊CO₂、CH₄及N₂O排放。西加拿大北极湖岸逆行热融滑塌形成增加，但冻原—湖泊界面热喀斯特侵蚀对温室气体通量的生物地球化学影响仍认识不足，且很少同时考虑CO₂、CH₄和N₂O并同步测量冻原与湖泊。为此，研究人员在三条冻原—湖泊界面样带上，于2022和2023年生长季测量净CO₂、CH₄、N₂O通量及辅助生物地球化学变量，旨在量化原位通量、判定持续热喀斯特侵蚀是否改变这些通量和变量，并识别生态系统特异的非生物与生物控制。研究得出，侵蚀冻原因有植被微生境总初级生产量（GPP）增强而吸收更多CO₂，稳定冻原CH₄汇随侵蚀减弱至近零，侵蚀湖岸CH₄排放更高，N₂O通量总体可忽略；这表明热喀斯特侵蚀通过改变冻土表深度、植被覆盖和土壤水分直接或间接影响多数温室气体通量，对改进区域C、N预算和地球系统模型具有重要意义。

方法概述（≤250字）：研究样点位于加拿大西北地区Inuvialuit Settlement Region、Inuvik以北约45 km的Trail Valley Creek Research Station周边连续多年冻土区；在Big Bear（BB）、Little Bear（LB）和Kigiaq（KI）三个湖泊的冻原—湖泊界面布设三条样带，划分稳定冻原、侵蚀冻原、侵蚀湖岸、湖心和稳定湖岸，并设微样点重复。2022年6—8月和2023年生长季每周（KI较少）用手动腔室法测冻原CO₂、CH₄、N₂O通量及CO₂组分通量，用不透明浮置腔室测湖泊扩散通量；便携气体分析仪和气相色谱分析。同步测土壤温度、体积含水量（VWC）、冻土表深度、植被绿度、土壤养分和湖泊水化学。统计用Mann-Whitney/Kruskal-Wallis检验和线性混合效应模型（LMM）。

结果部分：3.1 温室气体通量。3.1.1 跨冻原—湖泊界面的微样点与采样区间变异：通过分区比较发现，侵蚀和稳定冻原均为生长季净CO₂汇，侵蚀冻原FCO₂显著更低，由GPP显著更低而生态系统呼吸（ER）无差异驱动；稳定冻原持续净CH₄吸收而侵蚀冻原近零；湖泊各区间CO₂排放显著高于冻原，湖岸CH₄排放显著高于冻原，侵蚀湖岸和湖心CH₄显著高于稳定湖岸；冻原和湖泊FN₂O总体可忽略，但2023年7月31日LB和BB湖岸出现0.40—1.50 mg N₂O m^?2 h^?1的“热时刻”（hot moment，指排放异常高的短时段）。3.1.2 对热喀斯特侵蚀改变植被覆盖的响应：通过有植被与裸土微样点分组发现，侵蚀冻原裸土微样点FCO₂、ER和GPP最小，ER差异显著；侵蚀冻原有植被微样点FCO₂和GPP显著更负，即吸收更多CO₂；侵蚀冻原CH₄在植被与裸土间无显著差异，FN₂O差异可忽略。3.2 生物地球化学变量及其对跨冻原—湖泊界面热喀斯特侵蚀的响应：通过土壤和水化学比较发现，侵蚀冻原VWC显著更高、冻土表更早加深且平均更深，有植被侵蚀微样点较裸土更暖更干，侵蚀冻原植被绿度更高；湖泊DOC、N、P浓度在区间间无显著差异，湖水和混合状态有变异。3.3 冻原和湖泊温室气体通量的非生物与生物控制：通过LMM发现，冻原FCO₂固定效应解释57%方差，植被绿度和VWC与FCO₂显著负相关，有植被微样点CO₂通量更低；冻原FCH₄固定效应解释86%方差，冻土表深度和气温（Tair）与FCH₄显著负相关，热喀斯特侵蚀显著增加FCH₄；湖泊FCO₂固定效应解释78%方差，湖泊面积负效应显著；湖FCH₄模型2固定效应解释65%方差，水温（Twater）正效应、电导率（EC）负效应显著；湖FN₂O固定效应解释57%方差，采样区间深度负效应、溶解氧（DO）正效应显著，稳定湖岸和湖心FN₂O更偏正。

讨论部分总结：与已有观测相比，稳定冻原FCO₂与北极高地冻原相似，湖泊FCO₂平均值与加拿大东部热喀斯特湖相似但低于西伯利亚；稳定冻原CH₄吸收较近期合成更强，湖CH₄与小型热喀斯特湖及多类北极热喀斯特湖相似但低于西伯利亚，且仅测扩散排放可能低估湖CH₄；冻原和湖泊FN₂O近零，湖FN₂O热时刻最大值可与全球内陆水最大速率相比。冻原FCO₂受VWC和植被绿度主导而非Tair，FCH₄受Tair、冻土表深度和侵蚀控制，冻土表深度可作气体扩散性代理。湖泊FCO₂随面积增加而降低，湖FCH₄随Twater升高而增加并与EC弱负相关，湖FN₂O与采样区间深度和DO相关，浅湖岸热时刻突出。侵蚀冻原吸收更多CO₂归因于有植被微样点GPP增强，侵蚀带来更高VWC、更早更深冻土表、稍暖土壤、矿质层NO₃^?较高和更绿植被；稳定冻原CH₄汇被侵蚀降至近零，湖岸侵蚀提高湖CH₄排放；湖FCO₂对侵蚀无显著响应，DOC与通量关系弱，沉积物埋藏OM可能重要；冻原FN₂O未显著改变，单时点采样可能遗漏高变异排放；湖FN₂O在LMM中受侵蚀显著影响，湖岸高于湖心，热时刻可能受NO₃^?可利用性驱动，沉积物过程可能重要。

结论翻译：研究结果表明，热喀斯特侵蚀提高某些冻原微样点的土壤水分、冻土表深度和植被生产力，从而增加CO₂吸收；相反，更湿和改变的土壤条件削弱CH₄吸收，而湖泊温度升高促进湖泊CH₄排放。研究发现，热喀斯特侵蚀下植被覆盖的持续存在或恢复对确定CO₂通量大小至关重要，因为有植被微样点中植物生产力增强是热喀斯特特征净CO₂吸收增加的唯一原因。相反，热喀斯特侵蚀降低稳定高地冻原的净CH₄汇能力，且与植被覆盖无关。结果进一步支持冻原和湖泊生态系统中N₂O通量可忽略的观察。然而，冻原FN₂O单时点测量可能遗漏在更湿条件或初始侵蚀后年份可能出现的高变异N₂O排放。非生物和生物控制的相对重要性因温室气体和生态系统类型而异，强调北极生物地球化学循环的复杂性。温度是陆地CH₄吸收和水体CH₄排放的重要控制，证明气温和水温用于模拟CH₄通量的效用。热喀斯特侵蚀、采样区间深度和DO对湖泊FN₂O的重要性，提供了对热喀斯特湖N₂O排放和生物地球化学循环的新认识。热喀斯特侵蚀通过改变冻土表深度、植被覆盖和土壤水分等控制，直接或间接显著影响大多数温室气体通量。研究人员在冻原—湖泊界面观察到土壤和湖泊DOC、N、P浓度随热喀斯特侵蚀的显著差异很少；采样混合上层湖水可能未能解析湖岸侵蚀引起的湖内生物地球化学响应；湖泊养分采样频率低和土壤养分仅在活动结束后单次采样，使研究人员无法直接将养分浓度与温室气体通量联系。未来工作应包括与未扰动湖泊站点比较，并同时高分辨率测量湖泊和土壤养分以匹配通量观测。结果证明考虑小型热喀斯特侵蚀特征对改进异质北极景观原位监测和降低区域C和N预算不确定性的重要性。研究人员呈现了湖岸热喀斯特侵蚀下净CO₂、CH₄和N₂O通量及其潜在控制平行响应的首批直接观测之一，并识别出冻原CO₂和CH₄通量对热喀斯特侵蚀的相反响应，这对变暖世界中的陆地北极C预算具有更广泛意义。