實驗室在溫帶森林土壤吸收甲烷的溫濕度雙重調(diào)控機制研究取得新進展
甲烷(CH4)是全球第二大溫室氣體,其百年尺度的增溫潛勢是二氧化碳的28到34倍。森林土壤是大氣甲烷最重要的生物匯,貢獻超過60%的土壤CH4匯功能。然而,傳統(tǒng)手動靜態(tài)箱法受限于每周或每月一次的采樣頻率,難捕捉降雨事件等短時環(huán)境變化對CH4通量的影響,因此較難解析土壤溫濕度動態(tài)變化與CH4氧化過程的復(fù)雜關(guān)系,限制了我們對于CH4氧化過程在動態(tài)環(huán)境條件下機制的深入理解?;诖?,中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所穩(wěn)定同位素生態(tài)學(xué)團隊依托清原森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站建立了高頻連續(xù)土壤CH4通量的自動采樣和觀測系統(tǒng),對該站點森林土壤CH4的通量進行了連續(xù)四年的觀測(圖1)。
研究發(fā)現(xiàn)該森林土壤呈持續(xù)CH4匯特征,年均吸收量為5.2 kg CH4-C ha-1 yr-1。CH4吸收速率呈現(xiàn)顯著季節(jié)動態(tài)。夏季吸收速率高,吸收率峰值為244 μg C m-2 h-1,冬季吸收速率低,最低吸收率僅為0.8 μg C m-2 h-1。土壤CH4吸收主要受土壤溫度與濕度的雙重調(diào)控機制影響,CH4氧化細菌豐度和土壤有機碳含量也起到一定作用。簡單線性回歸模型表明,土壤溫度和濕度分別解釋了CH4吸收變異性的36%和56%(圖2)。研究發(fā)現(xiàn)溫度和濕度雙因子(Temp-WFPS)模型能解釋CH4年吸收量變異性的86%,甚至高于擴散反應(yīng)過程模型的53%。研究證實傳統(tǒng)月尺度采樣會導(dǎo)致年吸收量估算偏差達19%,采用自動觀測系統(tǒng)顯著提升通量評估可靠性。本研究通過土壤CH4通量的高頻測量,提供了詳盡的日、季節(jié)和年度CH4吸收測量數(shù)據(jù)及其對環(huán)境因素變化的響應(yīng),有助于更好
的理解土壤溫濕度對土壤CH4吸收調(diào)控機制,推動更精確的生物地球化學(xué)模型進展,從而提高全球CH4預(yù)算的估算。此外,該研究還系統(tǒng)分析了全球森林CH4年吸收速率及其影響因素之間的關(guān)系。
研究成果以“Temperature and moisture both control net methane uptake in a temperate forest soil”為題,于2025年發(fā)表于《Agricultural and Forest Meteorology》期刊上。中國科學(xué)院沈陽生態(tài)所博士研究生劉娛齊為第一作者,方運霆研究員為通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委重點項目和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會等項目的支持。
?原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2025.110574

圖1. 大氣和土壤溫度(a)、土壤濕度和日降水(b)、土壤CH4吸收(c)的季節(jié)動態(tài)

圖2. 結(jié)冰(Frozen)、凍融交替(Freeze-Thaw Cycle)和非凍融時期(Thawed),CH4日吸收量與土壤溫度(a)和土壤水分WFPS(b)的相關(guān)性
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