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土壤呼吸 | 冬季增雪促进冻融期N2O排放机制

来源:
时间: 2025-08-18

土壤呼吸 | 冬季增雪促进冻融期N2O排放机制

土壤呼吸 | 冬季增雪促进冻融期N2O排放机制

研究背景:被忽视的“冬季脉冲”释放

一氧化二氮(N2O)作为一种高效温室气体,其单位质量对全球变暖的影响是二氧化碳的近300倍。特别是在寒冷草原地区,每年春季的“冻融期”会爆发剧烈的N2O“热时刻”,而这些短暂却强烈的排放事件,往往被全球温室气体模型忽略。

研究目标:揭秘雪下土壤N2O的爆发机制

中国科学院植物研究所的研究团队,首次结合“原位高频自动通量监测”与“区域土壤柱模拟实验”,系统揭示了加深的冬季积雪如何显著放大草地土壤N2O排放,并进一步明确了水分与微生物联动机制在这一过程中的核心作用。

图1. 研究区概况

实验一:原位自动监测,捕捉全年N2O变化趋势

地点:内蒙古草原生态系统研究站(IMGERS)

方法:在天然草地中布设雪围栏制造“深雪处理”,并使用SF-3500系列多通道土壤气体通量测量系统(北京理加联合科技有限公司),配合高精度激光光腔分析仪,实现全年不间断、每日高频率N2O通量监测。

亮点数据:

深雪下冻融期内最大N2O通量高达252μgNm⁻² h⁻¹,是自然雪层的近9倍;

短短46天的冻融期贡献了全年的57%通量。

实验二:12地土壤柱,揭示区域差异与机制

区域:覆盖干旱、典型、湿润草甸草原,横跨1500公里

方法设计:

每个站点采集天然土壤柱,维持原始结构不扰动;

设置4种模拟雪深处理(0、8、16、28cm),以冰替代雪后融化再冻融,重建真实的土壤温度与水分变化;

用静态箱采气法共采集1920组数据,并配套土壤含水量、微生物碳氮、酶活性和基因丰度等指标分析。

 

结果

1.冬季增雪促进冻融期N2O排放

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图2. 冻融期N2O排放通量

 

2. 调控冻融期N2O排放因素

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图3. 气候、植物和土壤理化性质对生态区不同模拟雪深下冻融期N2O通量的影响

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图4. 生物因素对冻融期N2O排放的影响

 

3.水分-微生物层级调控机制

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图5. 生物与非生物因素的相对重要性

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图6. 水分-微生物对冻融期N2O排放的层级调控机制

 

4. 驱动不同生态区N2O排放热点的因素

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图7. 不同生态区域充水孔隙度和微生物属性变化的控制因素

 


微生物机制揭秘

研究发现当土壤含水率(WFPS)处于43%~66%区间时,N2O排放受水分与微生物“联合作用”控制;

而当含水率超过66%时,N2O释放完全由微生物主导,尤其是与氮循环相关的酶活性和功能基因表达。

关键微生物因素

narG、napA基因(硝酸还原)和nosZ基因(N2O还原)丰度之比,精准预测排放强度;

酶动力学参数(Vmax)清晰反映出N元素在微生物系统中的处理速率。

科学启示:模型中不能忽略的“热时刻”

高雪深 + 高根系生物量 + 湿润气候 = 草地N2O排放“热点区”

研究揭示了N2O释放的“水分–微生物”分阶段控制模型,为改进气候模型提供新思路。

 

参考文献
Luo et al., 2025. Global Change Biology
标题:《Moisture–Microbial Interaction Amplifies N₂O Emission Hot Moments Under Deepened Snow in Grasslands》
DOI: 10.1111/gcb.70254


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