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LICA United Technology Limited
高緯度苔原和針葉林、中緯度闊葉林和草原、高山和?高原地區普遍存在季節性、晝夜性甚至持續數小時的凍融循環。北半球近55%的陸地面積經歷季節性凍融，土壤凍融循環持續時間從幾天到150天不等。頻繁的凍融循環改變了土壤微生物群落結構和代謝，加速土壤有機質的分解，并以溫室氣體（如CO2、CH4和N2O）或溶解有機碳（DOC）的形式(shi)排(pai)放(fang)。這些過程已成(cheng)為生(sheng)態(tai)學、凍土學和生(sheng)物(wu)地球化學研究的重點。
凍融循環對地表土壤CO2和CH4通量的影響備受關注。一項研究發現，積雪對冬季土壤呼吸的影響是短暫的，厚度變化對CO2通量影響小。了解活動層過程對多年凍土區土壤CO2和CH4動態的響應和反饋至關重要。凍融循環頻率和持續時間對高寒地區土壤碳通量具有重要調控作用。不同生態系統在融化期具有較高的CO2和CH4通量，研究表明，在近地表土壤凍結期間CO2通量達到峰值(zhi)，隨后顯著下(xia)降。春(chun)季融化(hua)期（20-30天(tian)）的甲烷通量占(zhan)全年總量的11%。
本研(yan)(yan)究在(zai)內蒙(meng)古自(zi)治(zhi)區大興安(an)嶺生態系(xi)統國家野外觀測研(yan)(yan)究站（NFORS-DXAE）進行。該地區具有(you)典型(xing)的大陸性季(ji)風(feng)半干旱氣(qi)候，多(duo)年(nian)(nian)平(ping)均(jun)氣(qi)溫為(wei)-4.4°C，年(nian)(nian)蒸發潛(qian)力(li)800-1200毫(hao)米(mi)，年(nian)(nian)降水量450-550毫(hao)米(mi)，其中60%集中在(zai)7月(yue)和8月(yue)，降雪(xue)期為(wei)9月(yue)至次年(nian)(nian)5月(yue)，平(ping)均(jun)降雪(xue)厚(hou)度(du)約30厘米(mi)。實驗(yan)地塊位于海拔820米(mi)的北坡(po)落葉松(song)林，主要喬木為(wei)興安(an)落葉松(song)和白樺，平(ping)均(jun)胸高10 cm，平(ping)均(jun)樹高10±4.90 m。主要灌木為(wei)杜香，平(ping)均(jun)株(zhu)高0.31±0.07 m，平(ping)均(jun)植被蓋度(du)39±8%。土壤為(wei)棕色針葉林土，土層厚(hou)度(du)30-40 cm（包括10 cm的腐殖質層），有(you)機質含量42.74±0.92 g·kg?1。根據2009-2011年(nian)(nian)地溫數據，活(huo)動層厚(hou)度(du)為(wei)0.5至2.0 m。
圖1. 內蒙古(gu)自治區(qu)大(da)興安嶺生態系統國家(jia)野外科學(xue)觀測(ce)研(yan)究站研(yan)究區(qu)位于中(zhong)國東北大(da)興安嶺北部。
由(you)于(yu)測(ce)(ce)量系(xi)統配套設(she)施通道數(shu)量和(he)長度(du)有限，樣(yang)地(di)被劃分(fen)為4個(ge)(ge)子(zi)(zi)區(qu)(qu)。為保(bao)證測(ce)(ce)量的(de)(de)(de)可靠(kao)性(xing)和(he)代表性(xing)，樣(yang)地(di)被劃分(fen)為16個(ge)(ge)5×5 m的(de)(de)(de)子(zi)(zi)區(qu)(qu)。每(mei)個(ge)(ge)子(zi)(zi)區(qu)(qu)隨機選擇(ze)4個(ge)(ge)子(zi)(zi)樣(yang)。在每(mei)個(ge)(ge)子(zi)(zi)區(qu)(qu)放置一(yi)個(ge)(ge)點來測(ce)(ce)定土壤呼吸(xi)速率。為此，將一(yi)個(ge)(ge)高10 cm、直(zhi)徑20 cm的(de)(de)(de)PVC土環(huan)的(de)(de)(de)一(yi)端壓(ya)入(ru)土壤5cm深，并清(qing)除(chu)表面廢(fei)棄物。PVC土環(huan)在土壤呼吸(xi)測(ce)(ce)量前一(yi)周鋪設(she)，整個(ge)(ge)測(ce)(ce)試過程中PVC土環(huan)保(bao)持靜止。由(you)于(yu)該區(qu)(qu)域降雪(xue)較大(da)，為防(fang)止土壤呼吸(xi)室受到(dao)降雪(xue)和(he)吹雪(xue)的(de)(de)(de)影響(xiang)，在觀測(ce)(ce)點安裝了1×1 m的(de)(de)(de)擋雪(xue)設(she)備，并定期或根據需要清(qing)除(chu)積雪(xue)，避免(mian)積雪(xue)對(dui)呼吸(xi)室觀測(ce)(ce)的(de)(de)(de)影響(xiang)，確(que)保(bao)觀測(ce)(ce)點儀(yi)器環(huan)境的(de)(de)(de)安全。
本研究采用動態室法觀測土壤表面的CO2?和 CH4通量，使用激光氣體分析儀以及SF-3000 系(xi)列多通(tong)(tong)道土壤氣體通(tong)(tong)量測量系(xi)統(tong)（北京理(li)加聯合科技(ji)有限公司(si)）進(jin)行多通(tong)道、長期、連(lian)續土壤呼吸觀測。
土壤CO2通量計算的標準閉合時間為2分鐘（120秒），為保證CH4通量測(ce)量的準確性，將(jiang)測(ce)量時間延長至3分鐘（180秒(miao)）。與其他類型(xing)的儀(yi)(yi)器和設(she)備相比，該(gai)儀(yi)(yi)器可實現多點、長時間進行測(ce)量，測(ce)量數據(ju)可實時傳輸和顯示，便于(yu)研究人員觀察數據(ju)的穩(wen)定性，快速發現數據(ju)采集(ji)中的異常。
圖2. 研究中使用的(de)表(biao)層土壤溫室氣體連續觀測系統。
圖3. 本研究實驗地塊落葉松林土壤表面CO2通量的月變化。
圖4. 2018年(nian)10-11月和2019年(nian)4-5月本(ben)研究(jiu)落葉(xie)松林實驗地塊土壤表面甲(jia)烷吸收速率的日變化。
圖 5. 2018 年(nian) 10-11 月和(he) 2019 年(nian) 4-5 月本(ben)研究(jiu)根河試驗地塊甲(jia)烷吸收率的月變化。
注(zhu)：(a) CH吸(xi)(xi)收率(lv)(lv)的月變化(hua)（誤差線表示一個標準(zhun)差）；(b) 地(di)表土壤解凍期土壤 CH吸(xi)(xi)收率(lv)(lv)變化(hua)的箱線圖（上(shang)邊緣(yuan)表示最大值(zhi)，下(xia)邊緣(yuan)表示最小值(zhi)）。
表1. 2018年10-11月和2019年4-5月根河試驗地土壤表面CO2通量、CH4吸收速率、土壤表面溫度和土壤表面水蒸氣濃度的最佳擬合方程。
圖 6. 2018 年 10 月至 11 月和 2019 年 4 月至 5 月土壤表面 CO2?流出和 CH4?吸收與土壤表面溫度和土壤表面水蒸氣濃度（氣室內）的擬合圖。
本研究發現，東北大興安嶺森林土壤 CO2?通量呈現單峰型日變化。2018 年 11 月底和 2019 年 4 月初，觀測到的 CO2?和 CH4?通量分別小于 100 和 ?0.1 nmol·m?2·s?1。在近地表土壤融化期（4 月至 5 月），春季 CO2?釋放峰值短暫。土壤凍融循環顯著改變了 CO2?的釋放速率和 CH4?的吸收速率，但并未顯著改變土壤 CO2?和 CH4?通量的日變化模式。在春季近地表土壤凍融期觀測到間歇性的土壤 CO2?和 CH4?通量羽流。土壤溫度和水分含量波動顯著影響近地表土壤凍融期 CO2?和 CH4?通量的變化。這些特征大部分可以通過氣室內土壤溫度和土壤表面水蒸氣的變化來解釋。此外，土壤呼吸的 Q10 值在近地表土壤凍融期最大，對土壤溫度變化敏感。近地表土壤凍融期累積的CO2?和 CH4通量對這些冬季總量的貢獻最大。考慮到持續的氣候變化可能會極大地改變中國東北森林生態系統的年碳通量（匯或源），更準確地測量、預測和評估未來土壤CO2?和 CH4?通(tong)量的時間模式非(fei)常重要。? ??