高纬度苔原和针叶林、中纬度阔叶林和草原、高山和 高原地区普遍存在季节性、昼夜性甚至持续数小时的冻融循环。北半球近55%的陆地面积经历季节性冻融,土壤冻融循环持续时间从几天到150天不等。频繁的冻融循环改变了土壤微生物群落结构和代谢,加速土壤有机质的分解,并以温室气体(如CO2、CH4和N2O)或溶解有机碳(DOC)的形式排放。这些过程已成为生态学、冻土学和生物地球化学研究的重点。
冻融循环对地表土壤CO2和CH4通量的影响备受关注。一项研究发现,积雪对冬季土壤呼吸的影响是短暂的,厚度变化对CO2通量影响小。了解活动层过程对多年冻土区土壤CO2和CH4动态的响应和反馈至关重要。冻融循环频率和持续时间对高寒地区土壤碳通量具有重要调控作用。不同生态系统在融化期具有较高的CO2和CH4通量,研究表明,在近地表土壤冻结期间CO2通量达到峰值,随后显著下降。春季融化期(20-30天)的甲烷通量占全年总量的11%。
本研究在内蒙古自治区大兴安岭生态系统国家野外观测研究站(NFORS-DXAE)进行。该地区具有典型的大陆性季风半干旱气候,多年平均气温为-4.4°C,年蒸发潜力800-1200毫米,年降水量450-550毫米,其中60%集中在7月和8月,降雪期为9月至次年5月,平均降雪厚度约30厘米。实验地块位于海拔820米的北坡落叶松林,主要乔木为兴安落叶松和白桦,平均胸高10 cm,平均树高10±4.90 m。主要灌木为杜香,平均株高0.31±0.07 m,平均植被盖度39±8%。土壤为棕色针叶林土,土层厚度30-40 cm(包括10 cm的腐殖质层),有机质含量42.74±0.92 g·kg−1。根据2009-2011年地温数据,活动层厚度为0.5至2.0 m。