理解北极苔原的甲烷预算

北极苔原位于北半球，是多风无树的平原。因其温度低，生长季短，在冬季土壤下层（向下25-90 cm）被永久冻结（“多年冻土层”），阻碍了树木的生长。在夏季，多年冻土层融化仅足够用于植物的生长和繁殖，由于下层土壤冻结，水分无法下沉并形成湖泊和沼泽。苔原冻土地区占世界土壤结合碳的很大一部分（是当今大气中碳的1.5倍），湖泊和湿地中植被腐烂会产生CH4。过去几十年，人们认为北极苔原是碳汇，因为它可以通过光合作用捕获大气中大量的CO2，而如今受气候变化的影响，它已经成为重要的碳源，将温室气体释放到大气中。因此，对环境科学家而言，理解该生态系统中季节，植被，气候因子对CH4排放的影响至关重要。

大量研究表明，由于多年冻土层的季节性融化，在北极地区夏季CH4从大量不稳定有机质中排放。然而，很少有研究去理解秋季，冬季和春季（代表了北极地区一年中的70-80%）的CH4排放现象。以往的几个研究表明秋季甲烷通量高，而春冬季节无甲烷通量。在所附的文章中“ Cold season emissions dominate the Arctic tundra methane budget”，一组国际跨学科的科学家们报道了全年CH4排放，包括从沿着阿拉斯加北坡300公里纬度样带上的5个阿拉斯加北极苔原涡度协方差（EC）站点测得的通量数据，旨在理解CH4通量的季节性变化。此项目中，EC塔上安装了开路分析仪和闭路LGR-ICOS快速温室气体分析仪（GLA331-GGA，前身为FGGA-24EP）以在连续多年冻土层上进行全年CH4涡度通量观测。

ABB LGR-ICOS 加强型机载温室气体分析仪（GLA331-GGA）

合并开路和闭路仪器中CH4的测量值并平均以产生半小时的涡度通量值。综合估算了5个站点从2013年6月到2015年1月的CH4通量，获取了两个夏-秋-冬周期数据，具有高时间分辨率。

A-E：北坡5个EC站点测得的甲烷通量（mg C- CH4 m−2 h−1）。

F：阿拉斯加地图，表明站点位置和表面淹没的百分比（Zona et al.）。

这些观测结果表明长期以来，冷季（9-5月）CH4排放量与夏季排放量相当或更高。在最干燥的地区，冷季排放量主导了全年的CH4预算，这比以前在其它连续多年冻土地区模型中预测的贡献（35%）明显更高，同时也高于阿拉斯加北部（40%）的全年观测值数。

作者也研究了土壤状况对CH4通量变化的影响（淹水和温度）。

在所示时段内，阿拉斯加北坡3个EC站点甲烷通量随土壤温度的变化。黑色箭头指示每个阶段的季节性进程（Zona et al.）。

他们发现在低淹水的EC站点CH4排放量最高，这与常规预测模型模拟和预测的淹水环境中CH4排放量最高的结果相矛盾。在土壤温度对CH4通量的影响上，作者假设冷季大量CH4排放与延长的“零点幕”期有关，该时期土壤和地下温度都保持在0℃附近，表明总排放量对土壤环境以及相关因素（例如降雪深度）非常敏感。

假设土壤物理过程会影响CH4产生和氧化示意图，该过程与季节有关。浅蓝色表示土壤温度较低，浅棕色表示土壤温度较高；箭头指向夏季解冻锋面的方向，冷季冻结锋面的方向（Zona et al.）。

作者认为在零点幕期，即使CH4生成量较低，土壤近地表冻结降低了CH4氧化，导致了大量的CH4排放。零点幕期持续时间比生长季长，并且当持续时间延长时，如深厚的积雪会延长融化深度，CH4排放量增加。

总之，研究表明冷季（9-5月）CH4排放量占阿拉斯加苔原全年CH4排放量的50%以上，且这些排放量对土壤环境和相关的因素非常敏感。同时表明了，预计北极地区未来会持续变暖和积雪，这将导致全球CH4排放量的显著增加，且该过程中冷季排放量（9-5月）重要性增加。

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Cold season emissions dominate the Arctic tundra methane budget.pdf

美国和英国研究团队在同一EC阿拉斯加4个站点上进行了另一项研究，解决了北极苔原空间异质性的难题。他们测量了土壤CH4和CO2通量以及一系列环境变量，旨在理解北极生态系统植被类型与CH4排放的关系和控制机制。该研究成果报道在所附的文章中“Vegetation Type Dominates the Spatial Variability in CH4 Emissions Across Multiple Arctic Tundra Landscapes”。

为了能在生长季早期安装通量环，作者利用每个站点的航拍图进行了调查，并检查了所有站点的植被地图以及描述，以最大程度与现存分类保持一致性。他们确实了EC研究地区6种不同的植被类型：

丛生苔草（a）

苔藓-地衣（b）

苔藓-灌木（c）

湿苔草（d）

禾本科干杂草（e）

苔藓（f）

在融化季节（2014年6月）安装PVC环（高15 cm/直径20 cm）对选定植被类型的土壤样品进行分离，并在高峰季节（2014年7月）对植被进行调查。每个植被类型共放置6或7个（取决于站点）重复环，深度大约15 cm，所有站点总共91个环。

LGR的便携式温室气体分析仪（GLA132-GGA，前身是UGGA）依次连接各种植被环，使用圆柱形有机玻璃气室通过进口和出口管在闭路循环模式下以1HZ采样率测量CH4和CO2通量。

ABB LGR便携式温室气体分析仪（GLA132-GGA）

在每个采样点，有机玻璃气室放置2 min，以实现气室顶空CH4和CO2浓度的稳定增加。测量后，移开气室以重建环境气体浓度，用黑色毛毡盖覆盖，再放回到环上2 min。

气室通量测量设置示意图，包括气室，环尺寸以及所用设备的详细信息

用一个透明的气室测量净生态系统碳交换量（NEE），用不透明的气室测量生态系统的呼吸量（ER），以计算代表生态系统产生碳生物量总量的总初级生产力（GPP）。（GPP=NEE+ER）。利用线性斜率拟合技术计算气体通量。所有样地都在一天的相同时间测量（10 am-3 pm）。

2014年夏季在4个阿拉斯加北极站点测得的总初级生产力（GPP）通量（Davidson et al.）

利用该设备，科学家们在所有样地的观测结果发现，湿苔草的平均CH4排放量最高，其它植被类型排放量较低。此外，还发现地下水位高于或位于土壤表面的样地CH4排放量最高。作者建立了几个多元回归模型以确定CH4通量的驱动因子，并检验GPP，溶解性有机碳和CH4通量之间的关系。他们发现，一个高度简化的植被分类仅包括3种植被类型（湿苔草，丛生苔草和其它），解释了整个样带中54%的CH4通量变化。其表现几乎与一个更复杂的模型一样，该模型包括多种生物和环境驱动因子例如地下水位，苔草高度以及土壤水分（解释58%的CH4通量变化）。

A：CH4通量，B：2014年夏季在4个阿拉斯加北极站点测得的地下水位深度（正值=积水，负值=水位在土壤表层以下）。条形图是每个日期的平均值±标准误差（Davidson et al.）

作者得出的结论是植被是主要变量，解释了来自多个植被群落，环境状况以及地理位置的各种苔原类型CH4通量的空间异质性。湿苔草群落主导CH4排放，而其他植被类型排放率更低。这些发现表明了植被组成作为与CH4通量有关的条件的综合度量的重要性。

多年来，LGR-ICOS仪器在分析性能，易用性以及耐用性方面享有很高的声誉。其专利离轴积分腔输出光谱技术（OA-ICOS）已在多家同行评审的出版物中得到了证明与肯定。LGR ICOS分析仪可以在多样化的环境中收集科学数据，在海底1000 m处，积雪覆盖的森林，北极苔原，亚马逊河漫滩平原，沙漠，飞机，直升机或无人机上，运行的汽车或卡车上，火车屋顶上或极地海洋巡游的研究船上都可以看到其身影。

ABB LGR-ICOS仪器的应用场景

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Vegetation Type Dominates the Spatial Variability in CH4 Emissions Across Multiple Arctic Tundra Landscapes.pdf