北极冻原生态系统中土壤呼吸与地下气体传输的热力和水文控制作用

《Environmental Science & Technology》：Thermal and Hydrological Controls on Soil Respiration and Subsurface Gas Transport in Arctic Tundra Ecosystems

　　

摘要翻译：近年来，北极冻原生态系统经历了显著的温度和降水格局变化。这些变化对控制土壤呼吸和CO₂排放的物理及生物地球化学机制的影响仍知之甚少。研究人员通过将实验室实验和野外观测与基于过程的模型相结合，研究了季节性热-水文动态如何影响典型排水良好的北极冻原生态系统中的土壤冻结/融化、土壤呼吸以及O₂和CO₂的传输与交换。研究结果表明，低温在一年中的大部分时间内限制了土壤CO₂的产生和排放，但早春气温升高和大量融雪入渗减少了热力限制，并诱导出相对短暂但重要的土壤水饱和状态时期。在这些时期，深度分辨测量显示氧气传输和相应的CO₂产生受到显著限制，从而导致CO₂排放通量降低。融雪入渗还通过促进CO₂向下迁移减少了CO₂排放，并通过限制向大气的扩散传输延迟了其排放，直至水位退却。将模拟结果与无融雪情景进行比较，研究人员发现这些短期内的物理和生物地球化学控制共同使年CO₂排放通量减少了7%，凸显了气候驱动的强迫作用在调节土壤温室气体排放中的重要性。

# 北极冻原生态系统土壤呼吸与地下气体传输的热-水文耦合控制机制研究解读

## 研究背景与科学问题

北极冻原土壤储存着全球大量的有机碳，在全球碳循环中扮演着至关重要的角色。在数十年至数百年尺度上，低温环境抑制了土壤有机质（OM）的微生物分解，从而促进了碳的长期封存。然而，近几十年来北极地区的气温上升速度是全球平均水平的四倍，这一快速升温趋势已导致土壤微生物呼吸增强和CO₂排放量增加。与此同时，气候变化也深刻影响了北极地区的季节性水文动态，包括春季融雪的规模和持续时间。这些水文变化可能对与地下气体传输、土壤呼吸以及冻原土壤温室气体释放相关的关键物理和生物地球化学过程产生重要影响。

土壤呼吸强烈依赖于温度以及地下氧气等电子受体的可利用性。当氧气浓度较低时，呼吸速率呈非线性下降；氧气从大气向地下的输送主要受土壤含水量及物理性质（如质地、孔隙度和弯曲度）控制。北极冻原土壤经历着强烈的季节性水文变化，从冬季的冻结状态转变为早春融雪入渗后的近水饱和和部分水饱和状态。这种季节性动态在预计的气候变化下将加剧，可能对土壤湿度和温度产生时空异质性分布，进而控制氧气向土壤的传输行为、土壤呼吸动力学以及CO₂向大气的释放。然而，准确量化热-水文过程、传输过程和微生物呼吸过程之间相互作用对冻原生态系统CO₂排放的调控仍存在相当大的局限性。这些限制主要源于获取深度分辨的热-水文和化学数据集的困难，以及难以区分温度和水文在不同季节驱动土壤呼吸动态的作用。此外，现有模型通常采用较为经验化的物理和生物地球化学过程表征，未明确考虑地下气体传输过程及其与热-水文动态的耦合，这限制了其对经历频繁冻融循环和强季节性热-水文条件变化的土壤系统气体动态的模拟能力。

## 研究内容与技术方法

本研究旨在通过结合实验室实验、野外观测和基于过程的建模，揭示物理和生物地球化学过程（包括氧气传输、土壤呼吸和CO₂排放）如何响应北极冻原生态系统中季节性热-水文动态。具体目标包括量化北极冻原土壤水饱和条件的持续时长、确定这些时期对地下O₂和CO₂时空分布的影响，以及探讨周期性（近）水饱和条件是否约束氧气可利用性并影响土壤呼吸和CO₂排放。野外调查在格陵兰西部迪斯科岛（Disko Island）Bl?sedalen地区进行，该站点属于低北极到高北极的过渡带，植被以矮灌木为主，土壤为覆盖于砂质玄武岩沉积物之上的浅层有机层。研究期间收集了2019年8月至2021年期间两年多的深度分辨温度、土壤含水量、O₂和CO₂浓度以及CO₂通量数据。

研究采用的主要关键技术方法包括：（1）在5个区组共40个样方中进行深度分辨的土壤温度、含水量和气体浓度野外连续监测；（2）基于完整土柱测定土壤水分特征曲线（SWCs）和土壤气体扩散系数；（3）开展短期和长期培养实验，分别测定深度分辨的最大呼吸速率（V_max）和氧气半饱和常数（k_O2）；（4）构建集成的基于过程的一维数值模型，耦合求解热传输、冻融相变、多相流体运移和气体传输的偏微分方程组（PDEs）。

## 研究结果

### 土壤基本性质与呼吸速率

对土壤样品的分析显示研究站点土壤剖面具有物理和化学异质性。表层土具有高碳和氮含量，随深度增加显著下降，容重随深度增加而增加。深度分辨的持水曲线显示各层土壤在孔隙大小分布和质地上存在显著差异，这种物理异质性强烈影响水分分布和气体扩散性。长期培养实验获得的氧气半饱和常数为5.25%，与先前报道的5.8%基本吻合。短期培养实验表明，最大呼吸速率在表层土最高并随深度大幅降低，这与有机碳可利用性随深度的分布一致。

### 热-水文过程的时空动态

土壤剖面的温度和水动态表现出显著的季节性变化。温度动态遵循循环模式，秋冬季节处于零下条件，春夏升至冰点以上。温度波动强烈影响水文动态，诱导了土壤孔隙空间中冰、水和气体的不同分布模式。秋季出现冻结锋面向下推进，冻深达70 cm；春季融化锋面的出现和向下推进逐渐减少冻结区域，与积雪融化同步导致融雪水入渗。融雪入渗持续近一个月，随后在夏季经历重力驱动和蒸散发驱动的排水过程，气体相前沿逐步向土壤中推进。

### 热-水文对气体传输和土壤呼吸的影响

季节性热-水文动态通过改变孔隙空间中流体相的分布机制控制着气体扩散传输。夏季由于气相占主导，氧气主要通过气相快速扩散供给，呼吸消耗的氧气被迅速补给，维持氧分压在大气水平。秋季和冬季低温强烈抑制微生物呼吸，氧消耗最小。早春融雪期间，近水饱和条件使气相扩散受到强烈限制，液体扩散和融雪入渗引起的平流成为主要传输机制，导致呼吸耗氧无法得到充分补给，出现氧耗竭现象，表层土10 cm处氧分压下降约14%，深层下降较少。氧气的可利用性作为关键电子受体，在融雪期间调控着呼吸速率和CO₂产生。CO₂分压在一年大部分时间接近大气值，仅在融雪期间出现脉冲性升高。夏季产生的大量CO₂通过快速扩散迅速释放到大气，表现为高CO₂排放通量；融雪期间水饱和条件限制CO₂向大气扩散，导致CO₂在土壤中积累；融雪后积水排干、气相恢复时，积累的CO₂被快速释放，产生排放脉冲。植被样方和去除植被样方的通量时间趋势相似但量值差异显著，植被样方通量可达非植被样方的三倍。模拟的平均土壤呼吸CO₂通量在非生长季为0.8 mmol m^–2 h^–1，生长季为1.57 mmol m^–2 h^–1，非生长季通量降低约50%。

### 气候强迫下气体传输与交换的模型分析

情景模拟结果表明，氧气从大气进入土壤的供给在一年大部分时间相对稳定，但在融雪入渗期间受到强烈限制。在野外实测水文条件下，10 cm处氧分压耗竭至约7%；延长融雪情景下，氧分压可降至氧气半饱和常数以下。年累计CO₂排放通量在无融雪条件下为10.2 mol m^–2，实测条件为9.45 mol m^–2，延长融雪条件为8.32 mol m^–2。这表明实测融雪事件使年CO₂排放减少约7%，而延长融雪入渗可进一步预期减少至多12%。CO₂排放的减少不仅源于融雪期间的氧气限制，还与融水入渗的物理过程有关：一方面促进已产生的CO₂向深层迁移，另一方面用水置换孔隙中的气相，限制CO₂的相间分配并向大气的扩散传输。呼吸速率在秋季和冬季主要受温度约束，产生的CO₂完全释放至大气；春季温度升高时大量CO₂产生，但融雪期间排放通量与呼吸速率的比值趋近于零，排水后累积的CO₂被释放，排放通量暂时超过产生速率。这表明CO₂产生与排放通量并非等同，准确描述排放通量必须显式考虑气候强迫施加的瞬态条件。

## 研究结论与环境意义

本研究通过野外观测和过程建模相结合，量化了温度和水分对地下气体传输、土壤呼吸以及土壤-大气界面气体交换的影响。研究表明，北极冻原土壤的呼吸和CO₂排放在一年大部分时间受低温调控，早春融雪入渗通过多种机制影响CO₂排放：诱导近水饱和条件、限制氧气传输并施加代谢约束、阻碍CO₂向大气迁移并解耦CO₂产生与排放的时间关系，以及通过融水入渗将产生的CO₂迁移至深层。相对短暂的融雪事件（约一个月）可通过多种流动和传输机制使年CO₂排放减少约7%，这些机制在当前基于过程的模型对土壤碳动态的表征中尚未被显式纳入。该发现对于评估北极冻原生态系统这一对气候变化高度脆弱区域的温室气体通量和碳收支具有重要意义。该模型框架还可用于分析不同气候强迫情景下这些过程如何响应，为冻原生态系统尺度模型提供更好的深层生物地球化学热点表征，以降低高纬度地区碳氮循环模拟的不确定性。