湿地(稻田和芦苇)土壤CO2排放对冻融过程的响应机制

Freeze-thaw cycles can alter soil physical properties, chemical composition, and microbial characteristics, and further, soil CO2 emission dynamics. At present, there are some shortcomings for the relevant researches, including 1) soil CO2 emission during freeze-thaw period may be underestimated because of the low frequency of measurements and high temporal variability of CO2 flux; 2) Furthermore, the mechanisms on soil CO2 emission remained unclear for both diurnal and seasonal freeze-thaw cycles; and 3) the studies on effects of different land use practices on soil CO2 emission during freeze-thaw cycles are very few. Focused on these points as mentioned above, this study is proposed. It would be conducted at Panjin wetland ecosystem research station, using eddy covariance and static chamber methods to measure soil CO2 emission from paddy rice and reed marsh which are two typical land use types in the Liaohe Delta. The objectives of this study are 1) to establish an unique data set of high frequency and continuous soil CO2 flux, and identify diurnal and seasonal variations of CO2 emission during freeze-thaw cycles; 2) to explore mechanisms of soil CO2 emission during diurnal and seasonal freeze-thaw cycles; and 3) to explain role of different land use practices in the relationship between freeze-thaw cycles and soil CO2 emission.

冻融过程导致土壤物理性状、养分含量、微生物性质等发生变化，进而影响土壤CO2排放。针对现有研究中，1)CO2通量观测频率较低，不能全面捕获冻融土壤短期或瞬时的CO2排放动态；2)昼夜与季节冻融循环对CO2排放影响机制间的差异不明；3)不同土地利用类型下冻融对土壤CO2排放影响研究的不足，依托盘锦湿地生态系统野外观测站，以辽河三角洲代表类型稻田(人工湿地)和芦苇(自然湿地)为研究对象，采用涡度相关法和静态箱式法对冻融期稻田和芦苇湿地土壤CO2排放进行动态监测，通过两套数据的转换互补，获取高频连续的冻融土壤CO2排放动态特征，结合生物/环境因子观测资料，揭示昼夜和季节冻融循环对土壤CO2排放的影响及其控制机制的差异，以更准确地估算冻融期土壤CO2排放量；对比研究稻田和芦苇湿地土壤CO2排放的冻融效应，阐释土地利用方式对冻融土壤CO2排放的影响，为准确评估湿地碳收支提供依据。

土壤冻融交替是中、高纬度和高海拔地区常见的自然现象，且在全球变化背景下冻融的发生更为广泛和频繁。冻融过程导致土壤物理性状、养分含量、微生物性状等发生变化，进而影响CO2排放。湿地的碳汇功能使得其在全球碳循环中具有重要作用。辽河三角洲湿地是我国主要的滨海湿地，项目以该区域代表类型稻田(人工湿地)和芦苇(自然湿地)为研究对象，采用涡度相关法对冻融期稻田和芦苇湿地土壤CO2排放进行动态监测，获取高频连续的冻融土壤CO2排放动态特征，全面捕获冻融土壤短期或瞬时的CO2排放动态，结合生物/环境因子观测资料，分析研究冻融过程对辽河三角稻田和芦苇湿地土壤CO2排放的影响，研究结果可为湿地碳收支的准确评估提供依据。主要研究结果包括：(1)辽河三角洲芦苇湿地和水稻农田的土壤冻融期基本一致，一般从12月初开始，至3月末或4月初结束。土壤冻融过程呈现单向冻结、双向消融的特征，总体上冻结慢、消融快。日冻融循环(土壤夜间冻结，白天消融)持续时间较短。冻融期开始与结束时间、最大冻结深度以及完全冻结期持续时间有明显的年际变异。5 cm土壤未冻水含量在整个冻融期呈现“凹”型曲线，在完全冻结期低于10%；(2)辽河三角洲水稻农田和芦苇湿地冻融期土壤CO2排放量分别为69 gC/m2、76 gC/m2，占各类型生态系统CO2年排放总量的比例分别14.1%和12.5%，在年排放总量估算中不容忽视。冻结期至春季土壤消融前土壤CO2排放速率较低，在消融期土壤CO2排放速率增大，并在3月下旬出现消融期土壤CO2排放的峰值。(3)由于冻融导致的土壤CO2排放增量，对于研究中的水稻农田和芦苇湿地分别为19.6 gC/m2、27.1 gC/m2，分别占各类型生态系统CO2年排放总量的4.01%和4.46%,日冻融循环导致的土壤CO2排放增量与5~10cm土壤温度正相关(R2=0.57)。