本研究由中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室的Yongfeng Fu、Chunyan Liu（通讯作者）等人共同完成，合作单位还包括中国科学院大学地球科学学院以及中国科学院西北高原生物研究所。该研究成果于2018年发表在学术期刊《Agriculture, Ecosystems and Environment》上。
研究的学术背景 本研究的核心科学领域是生物地球化学循环，特别是陆地生态系统与大气之间的温室气体交换。研究聚焦于青藏高原这一独特而敏感的地理单元。青藏高原拥有世界上面积最大的高寒草甸，这些生态系统不仅支撑着当地的畜牧业发展，而且在碳固存、水资源保护和生物多样性维护方面扮演着关键角色。然而，由于严酷的气候条件，高寒草甸生态系统极其脆弱，对气候变化和人类活动（如过度放牧）高度敏感。其退化可能导致土壤碳氮库的释放，进而改变甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）等温室气体的通量。准确量化这些气体的通量，对于评估全球变化对青藏高原生态系统的影响及其对气候变化的反馈至关重要。
长期以来，对高寒草甸温室气体通量的评估存在两大不确定性来源。第一，由于寒冷气候，过去的研究大多集中在生长季，对长达7个月的非生长季的观测要么缺失，要么测量频率极低。一些研究简单地假设非生长季通量占全年总量的固定比例（如30%）进行外推，这可能引入较大误差。特别是春季融冻期可能出现的脉冲式N₂O排放，若测量频率不足（如每月仅一两次），则极易被遗漏。第二，在采用静态箱-气相色谱法测量N₂O通量时，中国不同研究团队使用了四种不同的气相色谱配置方法（即载气和辅助气体的类型与处理方式不同）。其中，使用纯N₂作为载气而不对样品进行额外处理的方法（简称纯N₂法）已被实验室和农田对比研究证明可能因CO₂干扰而显著高估N₂O通量。然而，此前许多高寒草甸的N₂O通量测量恰恰使用了这种方法，这可能导致对中国天然草地N₂O源汇功能的错误判断。为解决这些问题，本研究旨在对青藏高原东部一种典型的高寒金露梅灌丛草甸进行为期两年半（2012年4月至2015年4月）的高频次、全年观测，以期准确量化其CH₄和N₂O通量。
研究的具体工作流程 本研究是一个基于野外原位观测的生态系统通量研究，其工作流程主要包括实验点设置、气体通量测量、辅助环境因子测量以及数据统计分析四个部分。
第一，实验点设置。 研究地点位于青海省海北高寒草甸生态系统研究站以北约3公里处（北纬37°38′27.720″，东经101°19′7.572″），海拔3260米。样地地势平坦，植被以灌木层和草本层为主，灌木层覆盖度90-98%，以金露梅为优势种。该草甸自20世纪60年代起作为冬春牧场使用，实行夏休牧、冬春放牧的轮牧制度，载畜量约为4.0羊单位/公顷/年。土壤为冻融Cambisol土。研究团队在100公顷的实验区内随机选择了6个空间重复样点（彼此间距至少30米），每个样点永久性安装了一个不锈钢基座（0.5m × 0.5m × 0.15m），用于后续放置采样箱。
第二，气体通量测量。 这是本研究的核心环节。通量测量采用静态暗箱-气相色谱法。采样时，将一个覆盖隔热泡沫和反光锡箔的不锈钢箱体（0.5m × 0.5m，高度通常为0.4m，植株过高时使用0.8m高箱体）扣在基座上，利用橡胶条密封。箱体装有通风管以平衡内外气压，并配备数字铂电阻温度计监测箱内气温。测量在每日上午8:00至10:00之间进行，此时通量和气温接近日平均值。在每个样点，使用注射器在箱体封闭后的80分钟内，以20分钟间隔采集5个气体样品。所有样品在8小时内使用配备火焰离子化检测器（FID）和电子捕获检测器（ECD）的气相色谱仪进行分析。
本研究在N₂O测量中采用了 “N₂-CO₂法”这一特定的气相色谱配置。具体而言，使用纯N₂作为载气，同时将一种CO₂和N₂的混合气体（10% CO₂ in N₂）作为补充气（make-up gas）直接引入ECD检测池。该方法由Wang等人于2010年推荐，因其检测限低（适用于低交换速率的生态系统）且成本低于使用Ar-CH₄混合气作为载气的方法。文中明确指出，这是为了确保测量的准确性，避免使用已被证明可能高估通量的“纯N₂法”。CH₄和N₂O通量根据气体浓度随时间变化的曲线，通过非线性或线性拟合计算得出。
测量频率根据通量变化水平动态调整，这是本研究方法上的一个重要细节：在春季融冻期及重大降雨事件后，进行每日观测；在其他观测时期，进行每周观测。这种高频次设计旨在捕捉非生长季，特别是融冻期可能出现的短期通量动态。
第三，辅助环境因子测量。 为探究通量变化的环境驱动力，研究同步监测了多项环境因子。气象数据（气温、降水）来自海北站的自动气象站。土壤温度（5厘米深度）由温度记录仪每30分钟记录一次。土壤含水量（0-6厘米）在冻结期采用重量法测量，非冻结期使用便携式水分探头测量，并计算充水孔隙度（WFPS）。在所有气体采样日期，同步采集表层土壤样品（0-10厘米），分析其中铵态氮（NH₄⁺）和硝态氮（NO₃⁻）的浓度。
第四，数据统计分析。 研究运用了非线性拟合和逐步回归分析来确定气体通量的关键环境调控因子。特别是使用范特霍夫方程拟合，得到了CH₄吸收对土壤温度（5厘米深处）的敏感性系数Q₁₀。所有统计分析使用SPSS、Origin和SigmaPlot等软件完成。
研究的主要结果 1. 环境条件特征： 观测期间，生长季长度在161至171天之间，非生长季长达194至202天。春季融冻期持续48-50天。年降水量在三个观测年度内逐年增加（370.6, 485.9, 594.9毫米），且80-90%集中在生长季。土壤水分也随降水增加而逐年上升，第三个年度春季融冻期的平均WFPS高达86.8%。土壤无机氮浓度在生长季较低，但在春季融冻期观测到相对较高的值（> 5 mg N kg⁻¹）。
2. CH₄通量动态： 整个观测期间，所有CH₄通量值均为负值，表明该高寒灌丛草甸始终是大气CH₄的汇。吸收通量存在明显的季节变化，生长季强于非生长季。年度累计吸收量为1.33至1.35 kg C ha⁻¹ yr⁻¹，年际变异不大。一个关键发现是：尽管非生长季的吸收速率较弱，但由于其持续时间长，其累计吸收量贡献了全年总吸收量的29%至35%。统计分析表明，土壤温度是调控CH₄吸收季节变化的主要因子，两者呈显著指数相关。全年尺度的Q₁₀值为1.79，处于中国天然草地的低值范围。
3. N₂O通量动态： N₂O通量在大部分时间接近检测限，但在第二和第三个年度的春季融冻期观测到了脉冲式高排放（>10 μg N m⁻² h⁻¹）。这些脉冲排放持续时间分别为约一周和一个月，导致了较高的累计排放量（0.06和0.14 kg N ha⁻¹）。结果显示出巨大的年际变异：春季融冻期排放量从0.03到0.14 kg N ha⁻¹不等。年度N₂O排放总量为0.18和0.27 kg N ha⁻¹ yr⁻¹。数据分析发现，春季融冻期的累计排放量在第二、三年分别占全年总量的33%和52%。当脉冲排放发生时，非生长季的排放主导了全年总量（贡献率达67-74%）。
4. 环境因子对通量的影响： 逐步回归分析揭示，土壤WFPS和NH₄⁺浓度共同调控了N₂O通量的季节变化。高N₂O排放（≥10 μg N m⁻² h⁻¹）需要相对高的土壤WFPS（≥75%）和无机氮浓度（≥6 mg N kg⁻¹）两个条件同时满足。春季融冻期的高底物浓度和高土壤湿度共同为脉冲式N₂O排放创造了条件。年降水量，尤其是前一个生长季的降水量，是决定春季融冻期土壤湿度和N₂O排放量的关键预测因子。
5. 不同气相色谱方法的对比分析（基于文献综述）： 本研究的一个重要延伸分析是系统回顾了中国天然草地全年N₂O通量的观测研究。发现使用“纯N₂法”的研究报道的N₂O排放量（最高达1.85–2.61 kg N ha⁻¹ yr⁻¹）比使用“N₂-CO₂法”、“Ar-CH₄法”和“N₂- Ascarite法”的研究结果（0.01–0.43 kg N ha⁻¹ yr⁻¹）高出一个数量级。结合实验室比对研究的结论，作者指出“纯N₂法”很可能显著高估了天然草地的N₂O排放。而采用其他三种可靠方法的研究结果一致表明，未施肥的中国天然草地是微弱的N₂O源。
研究的结论与价值 结论： 本研究首次利用“N₂-CO₂法”并结合高频次观测，准确定量了青藏高原高寒金露梅灌丛草甸的全年CH₄和N₂O通量。该草甸是稳定的CH₄汇，但吸收速率处于中国草地的低值范围，其对温度升高的敏感性（Q₁₀值）也较低，意味着同等程度的全球变暖对青藏高原高寒草甸CH₄汇功能的提升作用可能小于其他草原区。N₂O排放表现出强烈的年际变异，春季融冻期的脉冲排放与年降水量（特别是前期生长季降水）密切相关。非生长季（尤其是融冻期）的通量对全年总量的贡献显著，因此必须进行高频次的全年观测才能准确量化年际通量。不恰当的测量方法（如“纯N₂法”）和过低的测量频率（双周或每月）可能导致对天然草地N₂O排放量的严重高估或低估。排除“纯N₂法”的数据后，可以得出结论：中国未施肥的天然草地在总体上是非常微弱的N₂O源。
科学价值与应用价值： 1. 数据价值： 提供了青藏高原高寒灌丛草甸首个基于可靠方法和高频次观测的长时间序列CH₄和N₂O通量数据集，减少了该区域温室气体收支评估的不确定性。 2. 方法学价值： 明确指出了不同气相色谱配置对测量结果的影响，特别是证实了在草地生态系统中“纯N₂法”可能导致严重高估，为未来相关研究的实验方法选择提供了关键指导。 3. 过程理解价值： 阐明了高寒生态系统非生长季温室气体通量的重要性及其调控机制，特别是揭示了土壤水分和前期降水在触发春季融冻期N₂O脉冲排放中的核心作用。 4. 尺度外推价值： 基于实测数据，估算出高寒草甸可能贡献了中国草地CH₄吸收总量的五分之一到三分之一，凸显了其在区域乃至全球温室气体收支中的重要性。同时，将中国天然草地的平均N₂O排放通量（0.20 ± 0.03 kg N ha⁻¹ yr⁻¹）与模型估算结果进行了对比验证，增强了区域评估的可信度。 5. 管理启示： 研究结果强调了在评估草地生态系统对气候变化响应时，必须考虑降水格局变化（尤其是极端降水事件）对非生长季N₂O排放的潜在影响。
研究的亮点 1. 研究对象典型、区域重要： 聚焦于青藏高原广泛分布且生产力较高的金露梅灌丛草甸，该生态系统具有重要的生态和经济功能。 2. 观测周期长、频率设计科学： 进行了为期两年半的连续观测，并根据通量变化动态调整采样频率（春季融冻期每日观测），成功捕捉到了短期脉冲事件，这是准确量化年通量的关键。 3. 测量方法可靠、直面争议： 主动选用并阐述了“N₂-CO₂法”的优势，并在文中系统批判性地回顾和对比了不同测量方法导致的巨大结果差异，澄清了学术争议。 4. 多要素同步观测、机制探讨深入： 不仅测量气体通量，还同步监测了土壤温度、水分、氮素等多种环境因子，通过统计分析揭示了多因子协同调控通量的机制，特别是明确了高土壤水分和高底物浓度是触发N₂O脉冲排放的必要条件。 5. 综合分析与尺度链接： 不仅报告了站点尺度的研究结果，还通过广泛的文献综述，将本研究置于中国天然草地温室气体通量研究的大背景下，评估了高寒草甸的相对贡献，并指出了未来观测研究在方法选择和采样频率上的改进方向。