青藏高原是中低纬度地带多年冻土分布面积最广的区域之一,土壤有机碳库高达160±87Pg,在全球气候变暖中具有重要作用。活性层作为多年冻土和大气之间的缓冲层,对全球气候变化的响应敏感且迅速,其水热过程是驱动多年冻土碳、氮循环和生物地球化学循环的原动力。目前,活动层不同冻融阶段如何调控土壤碳排放,及其排放模式和驱动机制尚不清楚。

  中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室研究人员在青藏高原腹地北麓河多年冻土区对高寒草甸生态系统土壤呼吸开展为期两年的原位观测,揭示活动层不同冻融阶段土壤呼吸动态及其驱动机制(图1)。研究发现,青藏高原多年冻土区高寒草甸土壤呼吸受活动层冻融过程调控作用明显,活动层不同冻融阶段土壤呼吸模式差异显著(图2)。在活动层夏季融化(ST)、秋季冻结(AF)、冬季降温(WC)和春季升温(SW)四个阶段中,夏季融化、冬季降温和春季升温阶段的土壤呼吸通量与5cm土壤温度和水分均具有较显著的相关关系;而秋季冻结阶段活动层在处于由开放系统向封闭系统转换中,土壤呼吸通量与土壤温度水分相关关系均较弱(图3)。在活动层土壤温度较低的冬季降温和春季升温阶段,以及土壤水分较高的夏季融化阶段,土壤呼吸均具有较高的温度感性(Q10,图3)。夏季融化、秋季冻结、冬季降温和春季升温阶段土壤二氧化碳温室气体的排放量分别占全年排放量的61.32%、8.89%、18.43%和11.29%。

  该研究进一步深化了对青藏高原多年冻土区活动层调控土壤呼吸的认识,为进一步完善陆面过程模式中土壤碳排放的水热调控提供了参数化描述,对提高模式模拟青藏高原多年冻土区地-气相互作用过程的模拟具有一定促进作用。

  相关研究成果以Soil respiration of alpine meadow is controlled by freeze-thaw processes of active layer in the permafrost region of the Qinghai-Tibet Plateau为题,发表在The Cryosphere上。西北研究院副研究员王俊峰为论文第一作者,研究员吴青柏为论文通讯作者。研究工作获得国家自然科学基金、冻土工程国家重点实验室自主课题发联合资助。观测研究工作得到青藏高原北麓河冻土工程与环境综合观测研究站的支持。

图1.活动层不同冻融阶段土壤呼吸动态

图2.活动层不同冻融阶段土壤呼吸模式变化

图3.活动层不同冻融阶段土壤呼吸与5cm土壤温度和水分的关系

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