非生长季温室气体排放研究范文

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摘要：中高纬度或高海拔地区低温生态系统在非生长季的温室气体排放量虽然低，但其累积的释放量在年通量中占有不可忽视的比例。已有研究表明，非生长季温室气体的排放受植被类型、土壤理化性质、土壤微生物、地表覆盖物的有无及其厚度、土壤冻结及冻融循环等因素的影响。本文概述了非生长季温室气体的排放及其影响因素的研究结果以及该领域研究中尚待解决的一些问题。

关键词：温室气体；非生长季

人类对化石燃料的使用及对土地利用方式的改变而引起的大气温室气体浓度增加，导致了全球变暖已是不争的事实。据报道，2011年全球大气中CO2、CH4、N2O浓度也较工业革命前增加了40%、150%和20%[1]。温室气体CO2、CH4和N2O不仅具有较强的全球变暖增温潜能（GWP）[2]，而且与陆地生态系统碳氮循环密切相关。这三种温室气体对环境的影响已引起了国际学术界和各国政府的广泛关注。目前，国内外已对生长季内温室气体的排放规律、排放量估算及影响因素等开展了大量研究，并取得许多重要成果。与之相比，在非生长季的研究工作较少。虽然低温致使非生长季生态系统的温室气体通量较低，但由于漫长的非生长季的累积，温室气体释放量在年通量中仍然占有很大的比例[3]。因此，国际社会和科学界对非生长季温室气体的排放给予了高度重视，一系列的研究工作也在逐步开展。非生长季包含土壤冻融循环和冬季土壤冻结两个时期[4，5]。土壤冻结和土壤冻融循环是在高纬度或高海拔地带低温生态系统土壤普遍存在的现象，是表土及以下土壤的冻结—解冻的反复过程[6]。该过程影响着土壤水热平衡、有机质的分解、养分有效性及动态、微生物动态等生态系统过程[7-9]，因而直接关系到CO2、CH4和N2O的排放动态。全球陆地约有60%的区域存在季节性积雪、土壤冻结及冻融循环[10]，包括苔原、草地、森林及山区[11]。CO2、CH4、N2O从产生到排放受生物因素诸如植物、土壤微生物及非生物因素如土壤温度、含水量、pH值等的影响。非生长季温室气体排放及C、N循环已成为当前全球变化生态学领域研究的一个热点问题。本文对目前已有的研究结果进行总结和概述，以期有助于探讨全球变化背景下温室气体排放通量及其影响因素的环境效应。

1影响非生长季温室气体排放的因子及其作用

1.1植被类型对温室气体排放的影响

不同植被类型下温室气体排放量不同。如冻融期桦树林N2O的排放量显著低于枫树林[12]，冻融期自然植被N2O排放量低于农田[13]。天然草地中，青藏高原高寒草甸冻融期N2O排放量为6.79mg•m-2，约为0.68kg•hm-2[14]；估算冻融期温带草原N2O排放量约为0.18kgN•hm-2[15]。研究者认为这可能与不同植被类型的生产力、土壤有机碳累积量等有关。美国新罕布什尔地区季山毛榉、糖槭、黄桦树硬木林土壤非生长季N2O排放的年贡献为11%-41%，德国挪威云杉林高达73%[16]。

1.2土壤对温室气体排放的影响

1.2.1土壤类型

冻融条件下苔原土壤CO2、N2O排放量均低于森林土壤，研究中甚至未发现苔原土壤N2O的排放，产生这一现象的原因可能是苔原土所含的有机碳及NO3-较少[17，18]。Teepe和Ludwig研究冻融期N2O的排放时发现不同类型土壤对其影响较大：经历过同样的冻融循环后，沙土中N2O气体排放没有增加，而壤土中N2O排放量明显增加[19]。王娓等发现冬季草地与森林的土壤呼吸均值分别为12gC•m-2、95gC•m-2，相差较大[20]。Qinetal.通过对三种土地类型（农田、荒漠和弃耕地）冬季土壤C排放量的研究，发现荒漠土壤C排放量仅为9-82gC•m-2，远低于弃耕地和农田的109-132gC•m-2[21]。有研究指出非生长季森林土壤CO2年贡献率一般在7.3%-23%，CH4年贡献为13%-18%；而非生长季湿地CH4年贡献率约为3.5%-21%，低于苔原（40%）、高寒草甸（43.2%-46.1%）[16]。这可能与不同植被类型的生产力、土壤有机碳累积量等条件有关。

1.2.2土壤温度

土壤温度也是影响温室气体排放的重要因子。土壤温度对温室气体产生和排放的影响是通过改变土壤有机质分解速率、气体扩散速率、土壤微生物的活动等实现的。王广帅等发现非生长季高寒草甸CO2通量与土壤5cm温度有显著正相关关系，CH4通量和N2O通量与温度均无显著相关关系，认为非生长季温度是CO2通量的主要影响因子，而对CH4和N2O通量影响较小[14]。丁维新和蔡祖聪认为温度是影响CH4的间接因子，它通过改变土壤产甲烷菌群落结构而间接对甲烷的产生发生影响[22]。CH4主要由产甲烷菌在严格厌氧环境下氧化有机物的过程中形成。这种菌对温度的变化敏感（最适为30-40℃），温度下降会降低其产生CH4的能力[23]。因此，温度的季节变化会使寒冷地区生态系统的CH4的产生和排放也具有一定的季节性规律变化[24，25]。土壤呼吸释放CO2的过程，是陆地生态系统C循环的重要环节。土壤温度被认为是决定冬季土壤呼吸季节动态的最主要因素。一般认为，维持土壤呼吸活跃及其存在的关键因素是使土壤温度维持在-7—-5℃。如果土壤低于该温度，冻结的自由水将降低土壤微生物可利用水的有效性，进而导致微生物的呼吸降低[26，27]。

1.2.3土壤含水量\水分

土壤含水量\水分对温室气体的影响是通过对土壤氧化还原电位（Eh）、土壤微生物活性、透气性及气体扩散速率等的改变来产生的。王广帅等发现非生长季高寒草甸CO2、CH4、N2O通量均与土壤5cm湿度表现出显著正相关关系。湿地及稻田之所以有较高的CH4排放，与之土壤的水分较多有重要关系[14]。CH4产生所需要的厌氧条件在很大程度上取决于土壤水分状况。CH4主要由产甲烷菌形成，但土壤中同时存在另一类微生物—甲烷氧化菌，其能够在有氧条件下将CH4转化为CO2。据报道土壤中普遍存在着产甲烷菌和甲烷氧化菌[28]。但两者对土壤氧气含量的敏感性有差异，在含水量高及淹水的土壤中由产甲烷菌占主导，在含水量低的土壤中则以甲烷氧化菌占主导[29，30]。因此对于季节性淹水的生态系统来说，其对大气CH4的“源—汇”功能也会随着土壤含水量季节性变化而改变。如某草地在夏季暴雨期和春季积雪融化时期为CH4源，而其它时期则为汇[31]。此外，温室气体还与土壤的有机质、氮的形态（硝态氮/铵态氮）、pH等有关[32]。如透光抚育温带帽儿山红松林会降低其非生长季CO2、CH4和N2O的排放通量，增加其CO2排放与土壤温度、含水量、铵态氮的相关性[16]。刘泽雄等在对闽江河口湿地冬季CO2排放量时发现，其与土壤pH值是显著的负相关关系[33]。

1.3土壤微生物对温室气体排放的影响

温室气体的产生和排放是生态系统复杂的生物化学过程。CO2的排放包括植物根系呼吸、土壤微生物呼吸、土壤动物呼吸以及含碳物质的氧化作用，其中土壤微生物的异养呼吸和植物的根系呼吸是土壤呼吸的重要组成[34]。CH4排放是产甲烷菌及甲烷氧化菌共同作用和传输的综合过程。N2O是通过硝化作用和反硝化作用完成的，该过程离不开微生物的参与[4]。因此，温室气体的产生和排放与土壤微生物是密不可分的[35]。冬季和冻融期生物过程对N2O排放具有重要影响的报道最早出现在1998年[36]。在寒冷冬季，深层土壤仍存在微生物活动，且积雪覆盖维持了雪下土壤相对温暖和稳定的环境，导致冬季土壤呼吸及CO2的持续排放[20，37]。Fahnestocketal.发现亚北极苔原在非生长季有土壤CO2排放[38]，并由此可以估算出亚北极苔原冬季CO2总排放量在全年占一定地位。更进一步分析，如果将这些地区冬季温室气体的排放量纳入其全年的C收支，将使亚苔原生态系统、高纬度地区生态系统的年C通量有不同程度的增加，甚至使其由温室气体的“汇”转变为“源”[39，40]。

1.4覆盖物对温室气体排放的影响

非生长季自然覆盖物主要为凋落物与积雪。凋落物\积雪是否存在及其厚度对土壤温度高低及变化程度有很大影响，尤其是在低温的冬季。凋落物或积雪能够改变（增加）所覆盖土壤的温度，从而对温室气体的产生和排放产生影响。例如较厚的覆盖层能够隔离表层土壤与低温空气，降低土壤冻结的强度及冻结的深度，这种环境会有利于反硝化作用[41，34]。据报道冬季放牧会减少土壤调落物覆盖，从而导致冻融期草地N2O排放显著降低[15]。冬季季节性的积雪覆盖是北半球中高纬度地区常有的现象。积雪是影响该区土壤温度的重要因素。冬季积雪对CO2、CH4和N2O的通量变化有强烈影响[42]。积雪对土壤温度的影响与积雪厚度有关。普遍认为积雪要高于30cm才能对土壤有较好的保温作用[28，34，41]。冬季随着雪深度的增加，北极冻原灌丛和草甸土壤呼吸分别有不同程度的增加，对年呼吸总量的贡献也随之增加[43]；而冬季积雪减少会加大土壤温度的波动，使土壤养分损失加重[44]，较少的积雪条件下冬季土壤呼吸往往呈现脉冲式的释放[34，45]。

1.5冻融循环对温室气体排放的影响

土壤冻结及冻融交替会对土壤微生物群落结构以及其代谢活性产生影响[46，47]。冻融循环过程会改变土壤的理化性质，对微生物活性及微生物种群产生强烈的影响[11]，因此冻融循环不仅影响土壤碳、氮动态过程，也影响着N2O和CO2的产生和排放。Ludwigetal.研究发现冻融初期土壤排放的N2O中，来自反硝化作•92•邢军会等非生长季温室气体排放研究进展用的占83%[48]。冻融循环会通过改变土壤的理化性质、生物性质（酶活性、微生物效应）从而影响对温室气体的排放[11]。全球气候变化可能导致部分地区冬季积雪量的变化，改变积雪的覆盖时间，因此积雪的存在与否、厚度及覆盖时间的变化对土壤系统的影响都是值得重点关注的[34]。

2当前研究存在的问题及展望

2.1原位研究有待加强

当前对非生长季生态系统温室气体排放的研究，主要有野外原位模拟和室内模拟。关于冻融循环对温室气体影响的研究多为实验室模拟[11，13]，而野外原位研究较少。室内模拟多通过冰箱和培养箱控制气温而实现土壤冻融交替，与自然状况差别较大[3，11，34，49]。因此，为了准确评估生态系统在全球碳库中的地位，加强对高纬度、高海拔地区重要生态系统的原位定量研究是必要的。

2.2研究区域有待加广

有关特殊水热环境的湿地和农田生态系统温室气体的研究比较少[34]。已有的研究区域大多位于北纬45°以北，及少数低纬度、高海拔（3000米以上）地区的相关研究[15，34，50]。而在中纬度温带地区的生态系统类型更多、面积更广、气候变异更大，目前关于这些地区的温室气体排放特征尚不明确[34]，从高纬度、高海拔地区所得到的研究结果是否能够完全或部分适用于中纬度地区也尚不明确，因此扩大相应研究区域也是有必要的。

2.3研究手段有待加强

已有研究认为植被、覆盖物（凋落物\积雪）都会对土壤理化性质产生影响，从而影响温室气体的排放。低温生态系统的温室气体排放是一个多因素影响的综合效应过程。但是某生态因子的改变对生态系统非生长季温室气体排放的影响大小，在不同的研究中存在差异[11，34]。因而，今后研究也应运用更多现代分析手段，如同位素、PLFA、DGGE等，对非生长季土壤理化性质、微生物功能群的多样性及其动态变化等进行分析[11]。这也将是今后研究工作的一个方面。

作者:邢军会 倪红伟 沙威 单位:黑龙江省科学院自然与生态研究所