西藏高寒草地生態(tài)系統(tǒng)呼吸與甲烷通量的流域尺度格局及控制因素
生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Re）和甲烷（CH4）通量是兩個重要的土壤-大氣碳交換過程，已經(jīng)在局地尺度上得到充分記錄。然而，在流域尺度上，對青藏高原多年凍土區(qū)這些過程的空間格局和控制因素尚不清楚。
基于此，為了填補研究空白，在本研究中，來自四川大學、中國科學院成都山地災害與環(huán)境研究所、山西農業(yè)大學、中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院和西南民族大學青藏高原研究所的研究團隊在青藏高原風火山（34°40′-34°46′ N和92°50′–92°62′ E；4580-5410 m a.s.l.；圖1a）測量了兩個生長季節(jié)（2017年和2018年）不同坡向（北向（陰坡）和南向（陽坡））和不同海拔（低、中和高坡位）的生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Re）和CH4通量，旨在闡明青藏高原草地流域尺度的Re和CH4通量模式并量化生物和非生物因子調節(jié)Re和CH4通量的相對貢獻。
作者利用LGR UGGA便攜式溫室氣體分析儀+PS-3000便攜式土壤呼吸系統(tǒng)（北京理加聯(lián)合科技有限公司）+SC-11便攜式呼吸室（北京理加聯(lián)合科技有限公司）于2017年和2018年生長季節(jié)（6-12月）每30天測量一次Re和CH4通量。同時，還測量了土壤溫度、體積含水量、地上生物量和地下生物量、土壤有機質、pH、土壤全氮、土壤容重、溶解性有機碳、微生物量碳、微生物量氮、土壤蔗糖酶活性、NH4+-N和NO3--N濃度。
圖1 西藏高寒草地研究區(qū)和樣地位置。
（a）青藏高原植被類型圖顯示了研究區(qū)位置。
（b）2個溝谷的2個坡向的3個海拔位置的18個研究地塊。
（c）山坡上的高寒草甸。
（d）陽坡低坡位的高寒沼澤草甸。
【結果】
微生物因子對高寒草地流域Re空間變異具有控制作用。在高海拔陰坡位置，較低的土壤溫度和土壤有機質含量降低了土壤微生物活性，從而抑制了Re的產(chǎn)生。作者發(fā)現(xiàn)高寒草地是大氣CH4的凈匯，流域內平均CH4通量率表現(xiàn)出很大的空間變異性，范圍為-1.6~-10.48μg CH4 m-2 h-1。土壤體積含水量的空間變異解釋了流域內76%的CH4通量變異。作者認為在高寒草地流域，永凍層對水文狀況的影響可能會增加土壤水分（土壤體積含水量和充水孔隙空間）的空間變異性，通常在Re和CH4吸收受到抑制的低坡位形成排水不良的地貌。結果強調了地形和永凍層通過對生物物理化學因子的影響間接影響著Re和CH4通量。作者建議在地球系統(tǒng)模型中應重視青藏高原草地流域尺度上Re和CH4通量的空間變異性，尤其是CH4通量隨海拔位置的變異性。
圖2 兩個生長季節(jié)生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Re）速率（a-c）和CH4通量（d-f）及其范圍（g和h）的季節(jié)性變化。
圖3生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Re）和生物物理化學因子之間的關系。
圖4 變異劃分分析（a）和結構方程模型（b）研究了驅動因素對生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Re）的多變量影響。圖（a）中，ST代表土壤溫度，SOM代表土壤有機質。圖（b）中，實線箭頭表示顯著相關（P＜0.05）；虛線箭頭表示無顯著相關（P＞0.05）；箭頭寬度與關系強度成正比。多層矩形表示土壤有機質和微生物因子的主成分分析的第一成分；土壤有機質包括土壤有機碳（SOC）和土壤全氮（STN），微生物因子包括微生物量碳（MBC），微生物量氮（MBN）和蔗糖酶活性。
圖5 CH4通量率和土壤溫度（a）、土壤體積含水量（b）、充水孔隙度、NH4+-N（d）和NO3—N（e）之間的關系。
【結論】
為期兩年的西藏高寒草地野外研究發(fā)現(xiàn)，由于流域內溝壑斜坡沿線的土壤水分差異，海拔位置顯著影響CH4通量。在流域尺度上，生物和微生物因子相互作用影響Re，微生物因子對Re具有直接調控作用。研究結果表明，在山坡水文中永凍層可能會進一步增加土壤水分的空間異質性，這可能會改變高寒草地的碳交換，尤其是考慮到低坡CH4凈吸收率弱于其他坡位。這些發(fā)現(xiàn)對于估算西藏多年凍土區(qū)山地的碳交換具有重要指示意義。山地覆蓋了青藏高原約60.58%的區(qū)域，忽視流域尺度Re和CH4通量的空間變異性可能會誤導對碳交換的評估。因此，作者建議在地球系統(tǒng)模式中應該考慮流域尺度Re和CH4通量的空間變異性，以改進對西藏高寒草地碳交換的評估。
