冻融作用下藏北高寒草地多年冻土活动层土壤剖面CO2排放特征研究

The organic carbon pool of the Qinghai Xizang Plateau plays an important role in carbon cycle study. With climate warming, permafrost stability is decrease, freeze-thaw cycle is more frequent, and more CO2 release from soil, which make a positive feedback effect on climate warming. Since the huge carbon pool in deep soil, it cannot be ignored. However, at present, the studies of carbon cycle in the Qinghai Tibet Plateau are mostly concentrated on the CO2 flux on soil surface, the monitoring of CO2 emission is lack on the soil profile. How do the CO2 generating, migrating and emission, and what is the response mechanism to freeze-thaw cycle? It's not clear. The alpine grassland has suffered permafrost degradation under the effect of global change, and is an ideal area to study the freeze thaw cycle and its environment influence on CO2 emission. Based on the Xainza Alpine Steppe and Wetland Ecosystem Observation Station, this study will obtain a sires of continuous and simultaneous observation data on the soil profile of permafrost activity layer, such as temperature, water content, CO2 concentration. All the data will be used to analysis the characteristics of hydrothermal distribution during the freeze thaw cycle, discuss the temporal and spatial variation of CO2 concentration and flux in different soil layers, identify the main influencing factors, and reveal the mechanism of CO2 produce- transport-emission. This study can provide a reference for improvement the study of CO2 flux estimation and ecological environmental benefit assessment in permafrost regions.

青藏高原有机碳库在碳循环研究中起着举足轻重的作用。气候变暖背景下，该区冻土稳定性降低、冻融交替频繁，贮存在土壤中的有机碳分解释放出CO2，对气候变暖产生正反馈效应。深层土壤碳含量巨大，土壤垂直剖面CO2排放特征不容忽视。然而目前青藏高原碳循环研究多集中在土壤表层，缺乏对土壤垂直剖面CO2的监测，其产生、迁移及排放规律过程如何，对冻融作用的响应机制又是什么？都尚不清楚。藏北高寒草原是多年冻土区退化及生态环境效应研究的理想地区，本项目依托申扎高寒草原与湿地生态系统观测试验站，采用非分散红外技术，获取非扰动条件下活动层土壤垂直剖面水、温、CO2浓度的连续、同步观测数据；研究土壤剖面冻融循环过程及水、热分布特征；分析不同土层CO2浓度及通量的时空变化规律及其主要影响因素；揭示冻融作用在多年冻土活动层土壤CO2产生、迁移过程的作用机理。为进一步完善多年冻土区CO2通量估算及生态环境效益评估提供参考。

青藏高原有机碳库在碳循环研究中起着举足轻重的作用，气候变暖背景下，多年冻土活动层土壤垂直剖面CO2排放特征不容忽视。项目在申扎高寒草原与湿地生态系统观测试验站开展了非扰动条件下多年冻土活动层土壤垂直剖面水、温、碳的连续观测和室内模拟实验，基于高精度数据，分析了冻融循环过程中水、热、CO2浓度、通量的变化特征，明晰了温度、水分和冻融循环速率对土壤剖面CO2排放的影响，探讨了土壤剖面CO2通量变化特征与土壤理化性质的相关关系。结果表明：1）藏北高寒草原各层土壤温度和含水率的年变化均呈准周期性变化，变化幅度随深度增加而减小，且土壤温度传递存在延迟现象，冻融过程可以划分为初冻期、稳定冻结期、消融前期、消融后期4个阶段，日冻融循环主要发生在初冻期和消融前期的表层土壤；2）高寒草原冻结深度下限和日最低气温负积温之间，以及冻结深度下限和日最高气温积温之间有很好的相关关系，影响高寒草原浅层土壤温度含水率的主要环境因素是气温、相对湿度、净辐射，影响深层土壤温度的主要环境因素有气温、净辐射，而深层土壤含水率几乎不会受到外界环境影响；3）藏北高寒草原土壤0-40 cm独立土层在模拟冻融循环过程中均表现为大气CO2的排放源，0-40 cm土壤剖面不同深度处的CO2通量则呈现排放-吸收波动变化的态势；4）藏北高寒草原CO2通量和土壤剖面的CO2浓度随着培养温度升高而增加，二者呈现正相关关系，冻融循环速率显著影响土壤CO2浓度和通量，土壤呼吸对温度的响应高度依赖于土壤含水量；5）恒温处理的土层CO2平均通量与土壤有机碳、全氮、速效钾含量呈显著正相关关系，藏北高寒草原土壤剖面5-10 cm和15-20 cm土层的有机碳含量最高，给微生物分解提供了大量的底物，因此在土层内积累了较多的CO2浓度，导致CO2气体向上、下两个方向流动，剖面5-10 cm和15-20 cm土壤呈现以排放气体为主的特征。