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中国北方永久冻土区泥炭地增温对氧化亚氮通量的影响研究

本研究由中国科学院长春地理与农业生态研究所湿地生态与环境重点实验室的崔倩、宋长春（通讯作者）、王宪伟、施福喜、余雪洋、谭文文共同完成，合作单位还包括中国科学院大学。该研究成果于2018年发表在环境科学领域的知名期刊《Science of the Total Environment》（第616–617卷，第427–434页）。

一、 研究背景与目标 本研究隶属于全球变化生态学和生物地球化学循环领域。随着全球气候变暖，高纬度地区，特别是北方（boreal）生态系统，正经历着比全球平均更快的升温过程。这些地区的永久冻土层储存了全球约50%的土壤有机质和大量的氮素。冻土退化可能导致储存的碳和氮加速分解，进而影响温室气体（如二氧化碳、甲烷和氧化亚氮）的排放。过去的研究多聚焦于碳动态，而对另一种强效温室气体——氧化亚氮（N2O，其百年尺度全球增温潜势是CO2的310倍）在永久冻土区的通量及其对变暖的响应关注不足。已有的增温实验在北极、亚北极等不同生态系统得出的结论不一致，有的显示N2O排放增加，有的显示减少或无显著影响。这种不一致可能与土壤湿度、有机质含量、碳氮比及植被生长等条件的差异有关。

中国大兴安岭地区分布着富含有机质的北方泥炭地，且处于连续永久冻土带，对环境变化极为敏感。明确该区域泥炭地N2O通量对气候变暖的响应，对于准确评估未来气候变化反馈至关重要。因此，本研究的主要目标是：(1) 观测不同时间尺度（日、月、生长季）上N2O通量的时间变异；(2) 评估模拟增温对N2O通量的影响；(3) 探究驱动永久冻土区泥炭地N2O通量的关键环境因子。

二、 详细研究方案与工作流程 本研究在位于中国东北大兴安岭连续永久冻土带的一处矿养泥炭地（坐标：52°94′ N, 122°86′ E）进行。研究时间为2013年至2015年的植物生长季（通常为5月至9月）。

1. 研究样地与实验设计 研究选择了两种典型的植被群落作为研究对象：以落叶灌木Betula fruticosa（毛赤杨）和泥炭藓为主的灌木群落（简称B. fruticosa），以及以常绿灌木Ledum palustre（杜香）和泥炭藓为主的矮灌木群落（简称L. palustre）。两种群落相距约200米，代表了该泥炭地内不同的微生境。 为了模拟气候变暖，研究团队采用了开放式顶棚增温系统（Open Top Chambers, OTCs）。该装置依据国际冻原实验（ITEX）协议设计，为一个八边形镀锌钢架结构，覆盖6毫米厚的有机玻璃，顶部开口直径为1.3米。其工作原理是允许大部分可见光透过，同时减少内部向外再辐射的红外波长热量散失，从而被动地提升棚内温度。2012年6月，研究团队在每个植被群落内分别设置了3个OTC（增温处理）和3个对照样地（无OTC），构成配对实验设计。OTC与相邻对照样地间隔约3米，以减少空间异质性的影响。

2. 气体通量与辅助环境因子测量 N2O通量测量：在每个处理（增温/对照）的3个重复样地内，使用静态箱-气相色谱法进行N2O通量测量。静态箱由不锈钢制成，包括一个可移动的顶部箱体和一个预先插入泥炭层15厘米深度的底座。测量频率为每7-10天一次，通常在上午9:00至11:00进行，以减少日变化的影响。每次测量时，将箱体密闭放置30分钟，并在0、10、20、30分钟时用注射器采集4个气体样品，储存于特氟龙气袋中。样品在一周内使用经过改装（由中国科学院大气物理研究所加装独立进样器）的安捷伦HP-7820A气相色谱仪进行分析，仪器配备火焰离子化检测器。N2O通量根据箱内气体浓度随时间变化的线性斜率计算得出，检测限为2.0 μg N2O m⁻² h⁻¹。即使通量接近零或无明显变化，数据也予以保留以避免偏差。

环境因子同步测量：每次进行气体采样的同时，测量以下环境因子： * 温度：使用便携式数字温度计测量箱内空气温度以及地下5、10、15厘米深处的土壤温度。 * 土壤湿度：使用便携式时域反射仪测量5和10厘米深处的土壤体积含水量。 * 活动层厚度：使用钢钎测量当时土壤的融化深度。 * 空气温度：在OTC内和外部对照样地，使用自动记录系统（UTBI-001）持续监测1.5米高度处的空气温度（每30分钟一次）。 * 降水：使用雨量计记录每日降水量。

3. 植被与土壤本底调查 2014年8月，调查了每个处理内植物的覆盖度、高度和地上生物量。此外，在研究初期（2012年8月）采集了土壤样品，测定了不同深度（0–10， 10–20， 20–30 cm）土壤的pH值、总氮（TN）、土壤有机碳（SOC）、碳氮比和容重，以表征研究地点的本底土壤性质（数据见表1）。

4. 数据分析方法 使用独立样本t检验比较增温和对照样地之间环境因子及年均N2O通量的差异。采用重复测量方差分析（Repeated-measures ANOVA），以增温处理和植被群落作为主体间因素，采样日期作为主体内因素，分析它们对N2O通量的主效应及交互作用。使用线性回归分析探讨N2O通量与各环境因子（土壤温度、湿度、活动层厚度）之间的关系。所有统计分析均在SPSS 20.0中完成，图表使用Origin 8.0和SigmaPlot 12.5绘制。

三、 主要研究结果 1. 环境因子对增温的响应 * 温度：OTC使1.5米高处的空气温度在2014和2015年生长季平均升高了0.6°C。对土壤温度的增温效应更为显著：在2013-2015年整个研究期间，5、10、15厘米深处的土壤温度分别平均升高了2.0°C、2.1°C和1.95°C。这可能是由于泥炭地表层的泥炭藓覆盖起到了隔热作用，减少了热量散失。 * 土壤湿度：与许多其他增温实验导致土壤变干的结果不同，本研究中增温处理使10厘米深处土壤湿度平均增加了8.25%，但对5厘米深处湿度影响不显著。作者推测两个原因：一是增温促进了冻结土壤水分的释放和向上扩散；二是局部增温的热量扩散到周围环境，导致周围冻土融化水分增加。 * 活动层厚度：增温处理显著增加了活动层厚度，平均加深了6.6厘米。

2. N2O通量的时间动态及对增温的响应 * 通量动态：在对照样地中，N2O通量在-14.21 到 13.09 μg m⁻² h⁻¹之间波动，表明泥炭地时而吸收N2O，时而排放N2O，没有一致的模式。吸收现象多发生在生长季中期（6-7月）。通量峰值出现的时间在不同年份有差异：2013年在5月底出现峰值，而2014和2015年的峰值则出现在8-9月。这可能与年初冻融过程释放积累的N2O、生长季中后期植物停止生长导致氮可利用性增加等因素有关。两种植被群落间的N2O通量动态相似，方差分析也表明群落类型的主效应不显著。 * 增温效应：增温处理极大地改变了N2O通量格局。增温样地的N2O通量范围为-1.82 到 37.62 μg m⁻² h⁻¹，显著高于对照。统计结果显示，增温处理对N2O通量有极显著的主效应。平均而言，在整个研究期间，增温使B. fruticosa和L. palustre群落的季节性平均N2O通量分别增加了156%和137%。具体数据显示，增温样地的平均季节性通量在6.62至9.34 μg m⁻² h⁻¹之间，而对照样地仅在0.41至4.55 μg m⁻² h⁻¹之间。这意味着，增温处理使该北方泥炭地从微弱的N2O汇或接近平衡的状态，转变为一个明确的N2O排放源。累计通量计算也证实了这一点，增温样地的累计排放量（B. fruticosa: 26.11 mg m⁻²； L. palustre: 23.55 mg m⁻²）显著高于对照。

3. N2O通量与关键环境因子的关系 线性回归分析揭示了驱动N2O通量变化的关键因子： * 土壤温度：N2O通量与5、10、15厘米深处的土壤温度均呈显著正相关。这在B. fruticosa和L. palustre两个群落以及不同年份（尤其是2014和2015年）的分析中都得到了验证。 * 活动层厚度：在B. fruticosa群落中，N2O通量与活动层厚度在整个研究期以及2015年呈显著正相关。在L. palustre群落中，这种相关性仅在2015年显著。 * 土壤湿度：与预期不同，N2O通量与土壤湿度的相关性普遍较弱，仅在L. palustre群落2015年的数据中与10厘米深处湿度有显著正相关。

这些结果表明，土壤温度升高和活动层加深是增温促进该地区泥炭地N2O排放的主要驱动因素。土壤温度升高可能加速了有机氮的矿化和硝化/反硝化微生物过程；而活动层加深则释放了 previously frozen 的有机质和矿质氮，为产生N2O的微生物过程提供了更多底物。

四、 研究结论与意义 本研究的核心结论是：在中国大兴安岭永久冻土区的北方泥炭地，模拟气候增温显著提高了土壤温度和活动层厚度，进而强烈刺激了N2O的排放，使生态系统从N2O的汇/平衡状态转变为净排放源。这表明，未来持续的气候变暖可能通过激活冻土中储存的氮素，并在适宜的温湿度条件下促进微生物转化过程，从而显著增加该类型生态系统的N2O排放。

其科学价值在于： 1. 提供了关键区域的数据证据：首次在中国东北永久冻土区泥炭地开展了为期三年的原位增温控制实验，系统地量化了增温对N2O通量的影响幅度（平均增加147%），填补了该区域此类研究的空白。 2. 阐明了主要驱动机制：明确了土壤温度和活动层厚度是调控该生态系统N2O通量的最关键环境因子，而土壤湿度的直接作用相对较弱，这加深了对寒区氮循环响应变暖机制的理解。 3. 揭示了潜在的气候反馈：研究指出，由增温诱导的、持续增强的N2O排放，可能在未来形成一种“非碳反馈”（non-carbon feedback），即不通过碳循环，而是通过氮循环（释放强效温室气体N2O）来加剧气候变暖。这对于全面评估永久冻土区气候变化反馈的强度和路径具有重要意义。

五、 研究亮点 1. 研究对象特殊且重要：聚焦于对气候变化高度敏感但研究相对薄弱的中国北方永久冻土区泥炭地，其结论对于区域乃至全球温室气体预算评估具有参考价值。 2. 实验设计规范：采用国际通用的ITEX-OTC增温装置进行原位模拟，设置了重复和对照，并持续三年观测，保证了数据的可靠性和结论的稳健性。 3. 系统性的观测与分析：不仅监测了气体通量，还同步获取了多层次的环境因子数据，并通过统计学方法清晰地揭示了通量与关键驱动因子（土壤温度、活动层深度）的因果关系，机制阐释较为清晰。 4. 明确的转化效应：研究定量地揭示了增温导致生态系统功能状态发生根本性转变——从N2O的“汇”转为“源”，这一发现具有突出的警示意义。

六、 其他值得关注的内容 研究在讨论部分对比了其增温幅度（空气+0.6°C， 土壤5 cm +2°C）与其他类似研究（如亚北极苔原、高寒草甸）的差异，并合理解释了本研究中OTC对土壤增温效应强于空气、以及土壤湿度不降反升的可能原因，体现了对实验技术细节和局地环境特殊性的深入思考。此外，文章对N2O吸收现象（主要在对照区出现）也进行了探讨，将其归因于低矿质氮有效性、高水分含量以及植物吸收竞争等条件限制了N2O的产生、甚至促进了其消耗，这丰富了人们对寒区泥炭地氮循环复杂性的认识。