東北季節(jié)性凍融農(nóng)田土壤CO2、CH4、N2O通量特征研究

陳　哲，韓瑞蕓，楊世琦，張愛平，張晴雯，米兆榮，王永生，楊正禮*（.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所農(nóng)業(yè)清潔流域創(chuàng)新團隊/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，北京0008；.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南新鄉(xiāng)4500；.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京00097）

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東北季節(jié)性凍融農(nóng)田土壤CO2、CH4、N2O通量特征研究

陳哲1，韓瑞蕓1，楊世琦1，張愛平1，張晴雯1，米兆榮2，王永生3，楊正禮1*
（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所農(nóng)業(yè)清潔流域創(chuàng)新團隊/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，北京100081；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南新鄉(xiāng)453002；3.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京100097）

摘要：為了評估季節(jié)性凍融交替對土壤溫室氣體排放的影響，采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法，監(jiān)測了東北松嫩平原兩種典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)（稻田和玉米田）非生長季土壤CO2、CH4和N2O通量變化。研究表明：三種溫室氣體排放在土壤凍結(jié)期、覆雪期、融雪期和解凍期具有明顯的季節(jié)動態(tài)特征。凍結(jié)期和融雪期對溫室氣體排放貢獻最大，這兩個時期內(nèi)稻田和玉米田CO2排放量分別占非生長季總累積排放量的74.9%和68.6%，稻田CH4排放占非生長季總排放的95.7%，盡管玉米田土壤CH4以吸收為主，但在融雪過程中存在明顯釋放峰；短暫的融雪期內(nèi)N2O呈集中爆發(fā)性釋放，稻田和玉米田N2O通量峰值分別是凍結(jié)前的40倍和99倍，排放量占到總累積排放量的73.9%和80.7%，覆雪期土壤CH4和N2O存在弱的吸收。另外，土壤溫室氣體排放存在土地利用方式間的差異，表現(xiàn)在稻田土壤比玉米田（非生長季）具有更高的溫室氣體排放潛力。稻田土壤CO2、CH4和N2O累積排放量均高于玉米田，表現(xiàn)為凈排放（源），而玉米田土壤CH4通量表現(xiàn)為凈吸收（匯）；稻田土壤CO2和CH4平均排放速率顯著高于玉米田；除覆雪期外，其他時期內(nèi)三種溫室氣體平均通量在兩類農(nóng)田之間也存在顯著差異。總之，在評價季節(jié)性凍土區(qū)溫室氣體排放時需要重視土壤凍結(jié)和融化過程，同時需要考慮不同土地利用方式間的差異。

關(guān)鍵詞：黑土；非生長季；溫室氣體；凍融交替；雪被；源匯；凈溫室效應(yīng)

陳哲，韓瑞蕓，楊世琦,等.東北季節(jié)性凍融農(nóng)田土壤CO2、CH4、N2O通量特征研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2016, 35（2）：387-395.

全球中高緯度地區(qū)土壤廣泛受到凍融作用的影響，僅北半球土壤存在凍融交替現(xiàn)象的面積就達79.3×106km2，占到北半球陸地總面積的82.7%[1]。這類地區(qū)平均氣溫低，土壤有機質(zhì)礦化分解緩慢，土體儲藏大量有機質(zhì)，是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要碳庫和全球碳、氮循環(huán)中的重要角色[2]。近年來在全球增溫驅(qū)動下，寒冷地區(qū)土壤有機質(zhì)分解呈加速趨勢[3]，可能導(dǎo)致長期儲存在土壤有機質(zhì)中的碳氮以CO2、CH4和N2O的形式排放，對氣候變暖產(chǎn)生正反饋[4-7]。同時，非生長季內(nèi)土壤凍結(jié)、積雪覆蓋、雪水補給以及頻繁的晝夜凍融等特殊因素，造成該時期溫室氣體生產(chǎn)機制、排放特征以及對碳氮收支貢獻的比例不同于生長季。已有研究表明，非生長季凍融交替時期是大氣溫室氣體的熱點排放源[8-10]，凍結(jié)及融凍過程中土壤的痕量氣體排放量可能占到全年總量的20%～70%[11]。這可能是由于非生長季中頻繁的凍融交替、極端的凍結(jié)溫度、漫長的積雪覆蓋、大量的雪水補給等特殊因素，對土壤團聚結(jié)構(gòu)、通氣狀況、微生物區(qū)系、土壤酶活性、速效養(yǎng)分等造成影響[12-14]，進而加速土壤溫室氣體產(chǎn)生和排放。室內(nèi)凍融模擬試驗也證明，在土壤“凍結(jié)-融化”過程中CO2、CH4和N2O的釋放明顯增加[15-16]。因此，在評價季節(jié)性凍土區(qū)土壤溫室氣體排放時應(yīng)當考慮非生長季的排放情況，但目前研究多集中在植物生長季，非生長季土壤溫室氣體監(jiān)測存在取樣頻率低、采樣時間代表性不強的缺點，這可能會低估非生長季的溫室氣體排放。

本研究試驗地點選擇在我國緯度最高的東北地區(qū)進行，希望通過開展野外原位監(jiān)測、提高采樣頻率的方式重點監(jiān)測土壤凍結(jié)、積雪覆蓋、積雪融化和土壤解凍這些關(guān)鍵時期內(nèi)土壤CO2、CH4和N2O通量的變化特征，以期為進一步認識凍融環(huán)境中溫室氣體排放規(guī)律提供支持，為非生長季土壤溫室氣體排放的溫室效應(yīng)評估提供科學(xué)數(shù)據(jù)。同時希望通過對比稻田和玉米田兩種土地利用方式下土壤溫室氣體排放差異，為準確計算季節(jié)性凍融農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮收支提供必要數(shù)據(jù)，為我國寒冷凍融區(qū)農(nóng)田土壤溫室氣體排放提供原始數(shù)據(jù)積累。

1　材料與方法

1.1試驗地概況

試驗所在地區(qū)為哈爾濱市方正縣，位于黑龍江省中南部、松嫩平原東北部，松花江中游南岸、長白山支脈張廣才嶺北段西北麓、螞蜒河下游，屬于典型的中緯度季節(jié)凍土區(qū)，作物非生長期長達200 d，每年存在晝夜凍融的天數(shù)約110 d。該地氣候?qū)儆诤疁貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，春季風(fēng)大雨小，夏季炎熱雨多，秋季涼爽干旱，冬季漫長、酷寒、干燥，年均氣溫2.6℃，極端低溫-36.8℃，極端高溫36.3℃，年均積溫2500～2700℃，無霜期125 d，年降水量400～600 mm，年均太陽可照時數(shù)4446 h。土壤類型以棕壤土、黑壤土、草甸土、草甸化白漿土為主。大田農(nóng)作物主要為水稻和玉米，生育期5月初至9月底[17]。本試驗樣地地理坐標為：水稻田128。48'42.5088″E，45。49'46.4088″N；玉米田128。52'24.744″E，45。47'51.7524″N。兩類樣地土壤0～30 cm土層基本理化性質(zhì)詳見表1。

1.2樣品采集與測定

試驗所在地每年10月初至次年4月底為耕作休閑期，即非生長季。當?shù)匾酝鶜庀筚Y料表明3月中旬至4月中旬、10月中旬至11月中旬晝夜氣溫差異大，為土壤發(fā)生凍融交替的主要時期。為保證采樣的代表性，這兩段時間內(nèi)監(jiān)測頻率設(shè)為2 d一次，而11月中旬至次年3月初土壤完全凍結(jié)，采樣時段設(shè)為10 d一次。本試驗監(jiān)測期為2014年9月底至2015年5月初。參考往年氣象數(shù)據(jù)，凍結(jié)期（Freezing period）為秋季日最低溫第一次出現(xiàn)0℃以下的日期至日最高溫低于0℃且積雪不再消融的日期；當日最高溫持續(xù)低于0℃時起至次年春季日最高氣溫再次高于0℃為止，該時期積雪不融化，稱為覆雪期（Snow cover period）；融雪期（Snow melting period）為春季第一次出現(xiàn)日最高溫高于0℃的日期至積雪全部融化的日期；當積雪融化后，土壤開始自上而下解凍，直到播種前全部融化，該時期為解凍期（Thawing period）。根據(jù)試驗期間大氣溫度和積雪覆蓋的變化，本研究所監(jiān)測的時間段內(nèi)凍結(jié)期、覆雪期、融雪期、解凍期的具體時間和持續(xù)天數(shù)分別為：2014.09.29—2014.11.26（59 d）、2014.11.27—2015.03.13（106 d）、2015.03.14—2015. 03.31（18 d）、2015.04.01—2015.05.05（35 d）。

表1　水稻田和玉米田土壤理化性質(zhì)（0～30 cm）Table 1 Soil physicochemical properties of paddy and maize fields（0～30 cm）

依照目前國際上的通用做法，選擇在晴朗天氣上午8：00—11：00采集氣體樣品，并假定該時段測定值能夠代表當日交換通量。試驗采用密閉靜態(tài)暗箱采集氣體樣品。靜態(tài)暗箱由不銹鋼材料制成的采樣箱（長0.5 m×寬0.5 m×高0.3 m）和底座（長0.5 m×寬0.5 m×高0.3 m）兩部分組成。箱體內(nèi)置高靈敏度溫度探針、空氣攪拌風(fēng)扇和采樣管。采樣箱外壁用錫紙包裹，以反射陽光從而防止太陽輻射下箱內(nèi)空氣溫度過快升高。箱體底部粘貼有3排D型密封條，確保箱體和底座連接密閉。將底座下端插入土體30 cm深。氣體一次完整采樣在30 min內(nèi)完成，用100 mL注射器每10 min（第0、10、20、30 min）從靜態(tài)箱中抽取一管空氣，經(jīng)三通閥注入鋁箔采集袋（大連海德科技有限公司）。每次取樣時記錄抽氣時間、箱內(nèi)外溫度、土壤溫度[18]。氣體樣品采用中國科學(xué)院大氣物理研究所研制的CA-5進樣儀注入氣相色譜（Agilent 7890A，美國），一次進樣可同時測定CO2、CH4、N2O三種氣體濃度。

1.3數(shù)據(jù)分析

氣相色譜儀測得樣品中氣體的峰面積AS，用下式計算樣品的氣體濃度CS（CO2、CH4:mL·m-3；N2O: μL·m-3）。

式中：C0為標準氣樣濃度（CO2:398.60 mL·m-3；CH4: 1.97 mL·m-3；N2O:318.00 μL·m-3）；A0為標準氣樣所測峰面積。

由于當?shù)卮髿鈮簭姴⒎菢藴蚀髿鈮?，在計算氣體通量時需要根據(jù)實際大氣壓和大氣溫度對氣體密度ρ經(jīng)行校準。經(jīng)推導(dǎo)，氣體交換通量F（CO2：mg·m-2· h-1；CH4、N2O：μg·m-2·h-2）計算公式可表示如下：

式中：dc/dt為采樣箱內(nèi)氣體濃度隨時間變化的回歸曲線斜率；M為氣體摩爾質(zhì)量，g·mol-1；P為當?shù)卮髿鈮簭姡?9.991 kPa）；T為箱內(nèi)實際溫度，K；V0、P0、T0分別為標準狀態(tài)下的氣體摩爾體積（22.4 L·mol-1）、標準大氣壓（101.325 kPa）和大氣溫度（273 K）；H為采樣氣室高度（0.3 m）。

F為負值時表示氣體凈吸收，正值時表示凈排放。溫室氣體的累積通量采用線性內(nèi)插法計算。農(nóng)田凈溫室效應(yīng)目前普遍采用全球增溫潛勢來衡量，以CO2、CH4、N2O三種溫室氣體凈交換量的CO2當量的代數(shù)和來計算。由于單位質(zhì)量CH4和N2O在百年時間尺度全球增溫潛勢分別是CO2的25倍和298倍，凈溫室效應(yīng)（kg CO2·hm-2）可表示為：

凈溫室效應(yīng)=CO2+ CH4×25+N2O×298

本研究所得數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析在R（3.2.1）軟件（R Developmentcore team，2015）中進行。采用一般線性模型單變量兩因素方差分析判斷時間和樣地類型是否影響溫室氣體通量；樣地間，非生長季溫室氣體平均通量和不同凍融時期平均通量采用配對t檢驗比較；同一樣地不同凍融時期間，溫室氣體平均通量差異性采用單因素方差分析比較。差異顯著性水平a=0.05。圖形繪制使用Origin 8.5軟件。

2　結(jié)果與分析

2.1溫度和積雪變化

如圖1所示，在觀測期內(nèi)試驗所在地日平均氣溫-6.4℃，白天平均溫度-0.6℃，夜間平均溫度-12℃，白天最高溫31.3℃，夜間極端最低溫-34.0℃（2015 年2月9日）。土壤凍結(jié)前和積雪融化過程中，晝夜溫差大，波動幅度為1.7～26.0℃，劇烈的溫度變化使土壤發(fā)生顯著的晝夜凍融交替現(xiàn)象。在整個非生長季試驗區(qū)降水量達115.3 mm，主要集中在9月、10月和4月、5月。2014年11月上旬出現(xiàn)積雪覆蓋，隨冬季降水的增加2015年3月2日雪被厚度達到最大值44.7cm，但最大積雪厚度持續(xù)時間較短，3月底全部融化。凍結(jié)期內(nèi)土壤熱量以釋放為主，凍結(jié)鋒面整體向下延伸。此階段內(nèi)由于氣溫晝夜波動較大，夜晚低于零度，晝夜頻繁的熱量交換使表層土壤發(fā)生多次凍融交替，持續(xù)天數(shù)達到59 d；非生長季中超過一半的時間土壤處于覆雪狀態(tài)，積雪天數(shù)長達107 d；融雪期內(nèi)白天氣溫高于0℃積雪逐漸融化，約2周時間全部融化；積雪融化后土壤進入解凍期，裸露的土壤受太陽輻射作用，土壤熱量以吸收為主，融化層逐漸向下延伸。解凍期初期與凍結(jié)期類似，氣溫晝夜波動大，表層土壤發(fā)生多次凍融交替，持續(xù)25 d。

圖1　非生長季溫度（a）、降水量和積雪覆蓋（b）變化Figure 1 Variation of temperature（a），rainfall and snow cover（b）during non-growing season

2.2 CO2、CH4、N2O通量時空變化特征

水稻田和玉米田土壤在作物非生長季內(nèi)CO2、CH4和N2O三種溫室氣體呈現(xiàn)不同排放規(guī)律（圖2）。樣地土壤CO2在覆雪前均具有較高的排放量，隨著溫度的降低以及積雪的出現(xiàn)排放量逐漸降低，當積雪開始融化后CO2排放量逐漸增加，整體上呈“U型”變化趨勢。水稻田在積雪覆蓋前CO2排放峰值（132.05 mg·m-2·h-1）要遠大于積雪融化后（65.03 mg· m-2·h-1），而玉米田在覆雪前后CO2排放峰值差異不大。稻田土壤CH4呈“雙峰型”動態(tài)特征，在覆雪前、融雪過程中以釋放為主，排放峰值分別為104.37、109.31 μg·m-2·h-1，而在冬季積雪覆蓋時期監(jiān)測通量均為負值，即存在CH4吸收現(xiàn)象；而玉米田在整個非生長季土壤CH4以吸收為主，只在積雪融化和融化后很短的時間出現(xiàn)弱的釋放峰，最大釋放速率僅為20.72 μg·m-2·h-1。水稻田和玉米田樣地中N2O通量變化都呈明顯的“單峰型”變化規(guī)律，積雪覆蓋前表現(xiàn)為弱釋放，覆雪期為弱吸收，而在積雪消融及土壤開始解凍的短期內(nèi)排放速率急劇增加，通量峰值分別達到257.43、207.44 μg·m-2·h-1，分別是土壤凍結(jié)前N2O平均排放速率的40.10倍和99.25倍。可見在春季融雪和土壤解凍的過程N2O存在脈沖式集中釋放。

圖2　非生長季水稻田和玉米田土壤溫室氣體排放動態(tài)變化Figure 2 Dynamics of greenhouse gas emissions from paddy and maize fields during non-growing season

時間、樣地兩因素顯著影響非生長季內(nèi)水稻和玉米田土壤CO2、CH4通量（P＜0.05），且存在顯著的交互作用，而N2O排放只與時間因素有關(guān)。這三種溫室氣體通量在時間序列上均具有較大的變異系數(shù)，特別是N2O通量的變異系數(shù)在水稻和玉米樣地中分別達到1.97、1.92（表2），屬于高度變異，表明非生長季溫室氣體排放的波動性大，存在明顯的時間動態(tài)。同時，配對t檢驗表明非生長季土壤CO2和CH4通量在水稻和玉米樣地間具有顯著差異（P＜0.05）。水稻田土壤CO2和CH4平均通量均顯著高于玉米田。而兩種樣地中N2O非生長季平均通量差異不顯著（P=0.118），見表2。由此可見，種植不同作物的土壤在非生長季CO2和CH4通量存在顯著差異，而N2O通量動態(tài)變化主要與時間因素有關(guān)，與作物種植的類型關(guān)系不大。

表2　非生長季溫室氣體平均通量及采樣時間和樣地類型對溫室氣體排放影響的重復(fù)測量方差分析Table 2 Average greenhouse gas flux during non-growing season and repeated measures ANOVA on sampling date and field type

2.3不同凍融期CO2、CH4、N2O通量特征

試驗所在區(qū)域冬季漫長、酷寒，積雪覆蓋時間長、厚度大，且土壤凍結(jié)前和積雪融化后表層土壤存在晝夜凍融交替顯現(xiàn)，這種特殊條件會影響土壤溫室氣體排放。監(jiān)測結(jié)果表明：CO2、CH4和N2O在凍結(jié)期、覆雪期、融雪期和解凍期的平均通量均具有顯著差異（圖3）。稻田不同凍融時期土壤CO2平均通量表現(xiàn)為凍結(jié)期＞解凍期＞融雪期、覆雪期（圖3a）；稻田土壤CH4平均通量融雪期、凍結(jié)期顯著高于解凍期，而覆雪期CH4平均通量為負值，表現(xiàn)為弱“匯”（圖3b）；稻田在融雪期內(nèi)N2O平均通量顯著高于其他三個時期（圖3c）。玉米田土壤CO2凍結(jié)期和解凍期平均通量顯著高于覆雪期和融雪期（圖3a）；融雪期內(nèi)玉米田CH4平均通量為正，表現(xiàn)為“源”，而凍結(jié)期、覆雪期和解凍期CH4平均通量為負值，表現(xiàn)為“匯”，其中凍結(jié)期CH4的平均吸收速率顯著高于其他兩個時期（圖3b）；融雪期和解凍期內(nèi)玉米田土壤N2O排放表現(xiàn)為“源”，平均釋放速率顯著高于凍結(jié)期，盡管覆雪期N2O平均通量為負值，表現(xiàn)為弱“匯”，但與凍結(jié)期弱的釋放速率差異不顯著（圖3c）。這表明在氣溫回暖過程中，特別是積雪融化和土體開始解凍的初期土壤存在N2O的急劇釋放過程。

同一凍融時期內(nèi)，各溫室氣體在不同樣地間的平均通量亦存在顯著差異。具體表現(xiàn)為：凍結(jié)期，稻田土壤CO2、CH4、N2O平均通量顯著高于玉米田；覆雪期，CO2和CH4平均通量在兩類樣地間無差異，而水稻和玉米田N2O的源匯關(guān)系相反；融雪期，稻田土壤CO2、CH4、N2O平均通量均顯著高于玉米田；解凍期，稻田土壤CO2平均通量顯著高于玉米田，而N2O平均通量卻顯著低于玉米田，但CH4在兩類樣地中的源、匯關(guān)系恰相反，且差異顯著。

2.4非生長季溫室氣體累積排放量

稻田整個非生長季的土壤CO2、CH4和N2O表現(xiàn)為凈釋放，總累積排放量分別達到1172.15、893.83、706.67 g·hm-2。玉米田整個非生長季土壤CO2和N2O同樣表現(xiàn)為凈釋放，但總累積排放量分別僅為812.16 kg·hm-2和482.44 g·hm-2，顯著低于稻田排放量，而玉米田土壤CH4卻表現(xiàn)為凈吸收，總累積排放量為-596.82 g·hm-2?？梢姴煌恋乩梅绞较路巧L季土壤溫室氣體排放量有所差別，特別是玉米田土壤是大氣CH4的重要“匯”。

不同凍融時期各溫室氣體累積排放量在整個非生長季排放量中所占比例有所區(qū)別。凍結(jié)期和解凍期是非生長季土壤CO2排放的主要時期，該時期內(nèi)水稻和玉米田對總排放量的貢獻分別為74.91%、68.56%。稻田土壤CH4總排放量中95.69%來自于凍結(jié)期和融雪期，覆雪期CH4表現(xiàn)為凈吸收，對總排放量的貢獻為-12.40%；與稻田不同，玉米田土壤CH4凈吸收主要發(fā)生在凍結(jié)期和覆雪期，占凈吸收總量的86.99%，而融雪期表現(xiàn)為弱釋放，對總吸收量的貢獻僅為-6.90%。融雪期是稻田和玉米田土壤N2O排放的重要時期，分別占總排放量的73.89%、80.74%，所不同的是玉米田土壤在覆雪期表現(xiàn)為N2O的凈吸收，對總排放量的貢獻為-13.84%（圖4）。

圖3　不同凍融時期溫室氣體平均通量Figure 3 Average GHG flux during different freezing and thawing periods

圖4　非生長季土壤溫室氣體累積釋放量Figure 4 Cumulative emissions of greenhouse gasesduring non-growing season

就非生長季凈溫室效應(yīng)來看，水稻田的全球增溫潛勢達到1 405.08 kg CO2·hm-2，顯著高于玉米田（941.01 kg CO2·hm-2）?？梢姡巧L季水田與旱田相比具有較高的溫室氣體排放潛力（圖5）。

圖5　非生長季水稻田和玉米田凈溫室效應(yīng)Figure 5 Net greenhouse effect of paddy and corn fields during non-growing season

3　討論

3.1凍融環(huán)境下土壤CO2排放

土壤CO2釋放主要與土壤呼吸有關(guān)，而非生長季不存在植物根系呼吸，土壤凍結(jié)也使土壤動物的活動受限，故土壤微生物呼吸是非生長季土壤CO2產(chǎn)生的主要來源。從稻田和玉米田非生長季土壤CO2通量變化可以看出，隨著氣溫的降低，CO2排放速率逐漸下降并在深冬覆雪期維持在較低的排放水平，而當氣溫回暖積雪開始融化后呼吸強度上升，同時在融雪期內(nèi)出現(xiàn)短暫的排放峰。可見土壤凍結(jié)前和積雪融化后溫度上升、土壤含水量提高時微生物呼吸代謝增強，是非生長季土壤CO2排放的主要時期。大量的野外原位監(jiān)測同樣表明土壤呼吸強度同土壤溫度、土壤濕度顯著正相關(guān)[19]。融雪期CO2釋放出現(xiàn)短暫排放峰，這一現(xiàn)象在北極苔原、北方針葉林、北方落葉闊葉林、高寒草地等季節(jié)性凍融特征明顯的生態(tài)系統(tǒng)中同樣被發(fā)現(xiàn)[20-21]。目前普遍認為融雪和解凍過程中土壤頻繁的凍融交替作用是導(dǎo)致該時期氣體排放出現(xiàn)釋放峰的主要因素。凍融交替會打破土壤原有團聚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，暴露出更多活性有機碳，增加呼吸作用所需碳源[7]；同時土壤中冰晶的形成會殺死部分微生物，其死亡后裂解釋放出大量可供存活微生物利用的呼吸底物（如糖、氨基酸），從而刺激呼吸作用[22]。盡管在融雪過程中存在CO2釋放峰，但有天然植被覆蓋的土壤中并未發(fā)現(xiàn)凍融交替使CO2累積排放量增加的現(xiàn)象[23]。有研究根據(jù)野外農(nóng)田觀測結(jié)果估算了凍融期的CO2排放量，發(fā)現(xiàn)僅占其全年排放量的5%左右[20]；農(nóng)田土壤室內(nèi)培養(yǎng)試驗也表明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加（三次以上），CO2排放速率不再增加并趨于穩(wěn)定[15]?？梢妰鋈诮惶鎸ν寥繡O2排放的影響有限。而稻田非生長季CO2排放量高于玉米田，可能主要是由于前者土壤有機質(zhì)含量更高（表1），微生物碳源較玉米田更豐富。

3.2凍融環(huán)境下土壤CH4排放

大氣CH4主要來源于土壤微生物活動，由產(chǎn)甲烷菌在嚴格厭氧環(huán)境中氧化有機物的過程中產(chǎn)生。稻田屬于濕地的一種，在淹水條件下是陸地生態(tài)系統(tǒng)中大氣CH4的熱點排放源。一般熱帶、亞熱帶地區(qū)稻田休閑期很短甚至常年淹水，但我國東北稻作區(qū)屬于高緯度地區(qū)，氣候寒冷，農(nóng)田休閑期長，長期處于落干狀態(tài)，因此該地區(qū)非生長季CH4排放是一個長期被忽略的部分。但本研究卻發(fā)現(xiàn)在積雪覆蓋前土壤仍存在CH4釋放峰，且具有較大的波動。這可能與稻田落干后土壤中仍然存活的產(chǎn)甲烷菌活動有關(guān)。在土壤上凍過程中凍融交替會影響土壤通氣狀況和氧化還原條件，當土壤凍結(jié)時形成的厭氧環(huán)境有利于產(chǎn)CH4菌活動，而當土壤融化后會釋放出這部分CH4。在西伯利亞的泥炭沼澤中同樣發(fā)現(xiàn)深秋土壤上凍時期CH4排放量明顯增大[24]。也有研究通過高頻率自動通量呼吸室監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，高緯度沼澤地中在生長季結(jié)束后（9月下旬），CH4排放量下降到穩(wěn)定的低值，但是在土壤和根區(qū)凍結(jié)深度不斷增加（9月下旬至10月底）過程中，可以觀測到CH4排放量有持續(xù)幾個星期的大幅度增長，這一時期的排放速率比夏季大很多，且排放總量相當于夏季排放量的總和[8]。這與本研究稻田CH4通量動態(tài)變化類似，在2014年10月中旬至10月下旬CH4排放量下降，而11月初至11月底近一個月時間內(nèi)CH4的排放速率有所增加。Mastepanov等[8]指出這些現(xiàn)象發(fā)生在土壤的活躍層逐漸結(jié)凍時期，可能是積累在這些土層孔隙中的甲烷在土壤結(jié)凍過程中被擠壓出來所致。覆雪期稻田土壤甲烷呈現(xiàn)弱吸收，則是由于冰凍層和積雪阻隔了土壤同大氣間的氣體交換，且積雪疏松的結(jié)構(gòu)和較大的比表面積有利于吸附部分CH4。漫長的冬季土壤凍結(jié)期為產(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造了厭氧環(huán)境，有利于甲烷產(chǎn)生，因此當積雪融化、土壤解凍時，被禁錮在土體中的CH4得以釋放。同時由于凍結(jié)層的存在，融化的雪水無法下滲，導(dǎo)致表層土壤處于雪水浸泡之下，形成了高度厭氧環(huán)境，使融雪過程土壤CH4產(chǎn)量增加，排放量增多。這可能也是造成玉米田在積雪融化過程中出現(xiàn)CH4弱的排放峰的重要原因。凍結(jié)期和融雪過程是非生長季稻田CH4排放的主要時期，占總排放的95.69%。在其他生態(tài)系統(tǒng)中也發(fā)現(xiàn)在土壤融化過程中的CH4釋放量在全年占有重要比重，如東北三江平原地區(qū)沼澤濕地凍融交替時期（4月至6月）CH4釋放量占全年排放量的23.5%～36.9%[10]；青藏高原高寒沼澤濕地連續(xù)監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)解凍期CH4存在排放峰，且非生長季的排放量占到全年43.2%～46.1%。這表明以往可能低估了CH4非生長季排放對全年的貢獻[25]。非生長季玉米田土壤CH4通量不同于水稻田，大部分時間表現(xiàn)為凈吸收，是大氣CH4的匯。土壤CH4吸收的現(xiàn)象在草地、森林、荒漠等類型的生態(tài)系統(tǒng)中同樣存在[26]，是由于在透氣良好的土壤中甲烷氧化菌會消耗大氣中的CH4，因此通氣較好土壤也是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的CH4匯[27]。

3.3凍融環(huán)境下土壤N2O排放

本研究發(fā)現(xiàn)在非生長季短暫的融雪過程N2O排放量急劇增加，排放速率可達其他時期的40～100倍，融雪期累積排放量占到了非生長季總排放量的70%以上。類似的研究結(jié)果在中高緯度的農(nóng)田、高寒草甸、針葉林、落葉林等生態(tài)系統(tǒng)中同樣存在，僅春季融雪和解凍的過程中N2O的排放量就占到全年排放量的50%以上[21，23，28-29]。N2O主要來源于土壤硝化作用和反硝化作用，前者發(fā)生在厭氧環(huán)境下，后者發(fā)生在好氧環(huán)境下。而在融雪和土壤開始解凍的初期土壤水分頻繁的發(fā)生“固相-液相”交替，當冰晶融化后在土壤內(nèi)部形成大量“有氧”、“無氧”或者介于二者之間的具有獨特氧化還原條件的微域，這種特殊的氧化還原條件有利于硝化作用和反硝化作用同時進行[12]。盡管硝化和反硝化過程對N2O產(chǎn)生的貢獻難以量化，但有研究表明凍融交替過程中反硝化作用是導(dǎo)致N2O釋放量增加的主要過程[16]。另外，凍融交替造成的團聚體破碎、細根斷裂、微生物死亡等會增加土壤有效氮含量，刺激微生物反硝化作用。還有研究表明，漫長的冬季中土壤凍結(jié)期內(nèi)溫帶草原[30]和亞高山森林[31]土壤氮礦化量特別是NO-3凈積累量增加，因此凍結(jié)土壤硝酸鹽的累積無疑會促進土壤解凍后反硝化微生物的活動。同時該地區(qū)長期較高的氮肥施用量（稻田60 kg·667 m-2，玉米田80 kg·667 m-2）造成土體硝酸鹽累積，這為反硝化作用提供大量底物。土壤凍融模擬試驗表明凍融過程中N2O釋放與循環(huán)次數(shù)、凍結(jié)溫度、土壤水分有關(guān)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加N2O增量逐漸減少[32]，極端溫度（-13℃）凍結(jié)處理后，凍融交替過程中N2O的排放大于溫和的凍結(jié)處理（-3℃）[11]，融雪期土壤N2O排放主要來源于表層濕潤土壤[33]。而積雪融化后，裸露的農(nóng)田土壤易于吸收熱量，凍結(jié)溫度隨之上升，且干燥的氣候會加速雪水蒸發(fā)，土壤趨于干旱，通氣性增強，因此經(jīng)過短期的融雪期后稻田和玉米田N2O排放迅速回歸正常。稻田N2O累計排放量以及融雪期的排放速率高于玉米田，主要是與稻田較高的有機質(zhì)、速效氮含量有關(guān)。此外，還監(jiān)測到玉米田土壤在凍結(jié)期、覆雪期和土壤完全解凍后N2O存在吸收的現(xiàn)象。Chapuis-Lardy等[34]明確指出，當土壤N2O還原量超過N2O產(chǎn)生量時土壤N2O表現(xiàn)為負排放；Goldberg等[35]認為，在土壤較為干旱或有氧條件下也會發(fā)生N2O負排放；Wu等[36]發(fā)現(xiàn)當土壤氮素含量較低時，反硝化細菌可以利用N2O代替NO-3作為電子受體，將更多N2O還原為N2，這會增加土壤對N2O的消耗，甚至出現(xiàn)凈吸收。非生長季旱田土壤干燥、通氣，且物質(zhì)分解緩慢，土壤有效氮素相對貧乏，與Wu等提出的低氮環(huán)境下N2O吸收機制相吻合，同時積雪覆蓋和冰凍層的隔絕阻礙了土壤中N2O向大氣的擴散，且其性質(zhì)不穩(wěn)定，在反硝化作用下最終被還原為N2，因此N2O不會在土壤中長時間累積。這不同于CH4和CO2，不存在N2O禁錮釋放?？傊?，積雪融化和土壤解凍初期N2O的劇烈排放同該時期頻繁的凍融交替、有效氮含量較高、硝化/反硝化微生物活躍有關(guān)。關(guān)于凍融環(huán)境中N2O釋放的具體機制目前仍不清楚，還需要應(yīng)用微生物學(xué)方法進行深入研究。

4　結(jié)論

東北季節(jié)性凍融農(nóng)田在非生長季，土壤仍是大氣溫室氣體的重要排放源。CO2、CH4和N2O三種溫室氣體的排放具有明顯的季節(jié)動態(tài)，盡管凍結(jié)期、融雪期、解凍期在非生長季中持續(xù)的時間短，但卻是溫室氣體排放的關(guān)鍵時期，因而在這三個時期應(yīng)重點監(jiān)測。覆雪期土壤CH4和N2O存在負排放，冬季土壤是大氣CH4和N2O的弱匯。短暫融雪期內(nèi)土壤CO2、CH4和N2O均存在釋放峰，且N2O脈沖式釋放特征突出，占整個非生長季N2O釋放的70%以上。土地利用方式的差異使水稻田土壤溫室氣體排放高于玉米田，因而非生長季水田比旱田具有更高的溫室氣體排放潛力?？傊?，在計算以及評估季節(jié)性凍土區(qū)溫室氣體排放時需要考慮不同土地利用方式下土壤凍融和積雪融化過程中的溫室氣體排放。

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Fluxes of CO2, CH4and N2O from seasonal freeze-thaw arable soils in Northeast China

CHEN Zhe1, HAN Rui-yun1, YANG Shi-qi1, ZHANG Ai-ping1, ZHANG Qing-wen1, MI Zhao-rong2,WANG Yong-sheng3, YANG Zheng-li1*
（1.Agricultural Clear Watershed Innovation Group, Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agro-Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China; 2.Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453002, China; 3.Beijing Research Center for Information Technology in Agricultural, Beijing 100097, China）

Abstract：We monitored the dynamics of soil CO2, CH4and N2O fluxes of two typical agricultural ecosystems（paddy/maize field）in Songnen Plain using static opaque chamber-gas chromatograph method. The greenhouse gases（GHG）emissions showed obvious seasonal pattern, which could be divided into four periods-- freezing, snow cover, snow melting, and frost free. The freezing and snow melting periods were critical for greenhouse gases（GHG）emissions. During these two periods, CO2emissions from paddy and maize fields accounted for 74.9% and 68.6% of the total cumulative CO2emissions, respectively. The CH4emissions from paddy field amounted to 95.7% of the total CH4emissions. In the maize field, CH4showed absorption during the experimental period. However, it had large releases during snow melting. Soil N2O emissions showed intensive explosive release during the short snow melting period. The peak of N2O flux from paddy and maize fields was respectively 40 times and 99 times higher than that before soil freezing. The cumulative emissions of N2O from two farmlands accounted for 73.9% and 80.4% of the total N2O emissions, respectively. During the snow covering period, CH4and N2O were weakly absorbed. In addition, different land uses showed different patterns of GHG emissions. Paddy had higher potential GHG emissions thanbook=388,ebook=189maize field did. Taken together, CO2, CH4and N2O fluxes from paddy field were net emissions（source）, and the total cumulative emission was higher than that of maize field. The average emission rates of CO2and CH4were significantly higher in paddy than in maize field. However, CH4flux of maize field was net absorption（sink）. The average GHG flux was significantly different between these two types of farmland. In conclusion, GHG emissions during soil freezing, thawing and snow melting periods should be taken into account when evaluating the GHG emissions in seasonal frozen regions. GHG emissions under different land uses are different.

Keywords：black soil; non-growing season; greenhouse gas; freeze-thaw cycle; snow cover; source and sink; net greenhouse effect

*通信作者：楊正禮E-mail：yangzl426@126.com

作者簡介：陳哲（1987—），男，陜西寶雞人，博士研究生，從事農(nóng)田土壤氮循環(huán)與溫室氣體排放研究。E-mail：chenzhe80122@163.com

基金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項（2014ZX07201-009）

收稿日期：2015-09-23

中圖分類號：X511

文獻標志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）02-0387-09

doi:10.11654/jaes.2016.02.025