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多年冻土区氧化亚氮通量研究进展

来源:金冠游戏 位置:农业论文时间:2020-12-21 11:2012

  摘要: 多年冻土区占陆地表面积的25%,土壤中贮藏了大量的土壤有机碳和全氮,是温室气体重要的源、汇和转换器。受到气候变暖的影响,全球尺度的多年冻土都在融化和退化,这会引起温室气体的排放,进而加剧全球气候变化。此外,全球变化(如氮沉降)和人为干扰(如采伐)因素等,也会改变温室气体的排放速率。N2O的温室效应强,在大气中存留时间长,因此越来越受到科学家的关注。目前,科学家已经开展了一些多年冻土区N2O通量排放的研究,取得了一定的研究成果。本文綜述了国内外多年冻土区N2O通量的研究,探讨了多年冻土区N2O通量的排放特征,总结了多年冻土区N2O通量排放的影响因素,分析了不同干扰因素对多年冻土区N2O通量的影响,揭示了多年冻土区N2O通量的产生机制,并对多年冻土区N2O通量排放的研究方向提出了展望。

  关键词: 多年冻土区; 氧化亚氮; 影响因素; 产生机制

林业工程论文

  自2000年以来,大气中温室气体浓度明显增加,气候变暖已经成为不争的事实。氧化亚氮(N2O)是继二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)之后最重要的温室气体。N2O的全球增温潜势高,是CO2的265倍和CH4的9倍,并且能够通过光化学反应破坏臭氧层,对温室效应的贡献率达到6%,越来越受到科学家的重视[ 1, 2 ]。大气中N2O浓度从工业革命前的271 ppb增加到了目前的324 ppb,已经增加了20%,未来还在以0.26% yr-1的速度增加[ 1 ]。预计到2100年,大气中N2O浓度会升高到354~425 ppb[ 3 ]。如何减少N2O通量的排放和减缓温室效应,已经成为世界性的难题。

  多年冻土指地表下一定深度内地温持续2年或者2年以上处于0 ℃以下的土层(土壤、土和岩石)。多年冻土区覆盖了陆地表面积的25%,是全球气候系统五大圈层之一——冰冻圈的重要组成部分[ 4 ],主要分布在高纬度和高海拔地区,对全球气候变化极为敏感。多年冻土中贮存有31~102 Pg的土壤全氮,在全球氮生物地球化学循环过程中起着非常重要的作用。受到全球气候变化的影响,全球范围内的多年冻土都在融化和退化,固定在冻土中的土壤氮活化并且释放到大气中。预计到本世纪末,冻土融化会释放29 Pg的土壤氮[ 3 ]。这会显著改变大气中的N2O浓度,加剧全球气候变化[ 5 ]。

  在多年冻土区,科学家主要关注C循环过程中CO2和CH4通量释放,而对N2O通量研究较少。尽管多年冻土区贮藏有大量的土壤氮,但是由于多年冻土区土壤温度较低,土壤含水量高,氮矿化速率比较慢,能够被植物和微生物直接吸收和利用的矿质氮含量少,使多年冻土成为氮限制地区。科学家认为受到土壤氮的限制,多年冻土区的N2O通量排放几乎可以被忽略不计。然而,在亚北极多年冻土区发现了N2O通量排放的“热区”[ 6, 7 ],在裸露的泥炭地,N2O通量的排放速率可以达到1 297~2 662 μg /m2·h,与热带和农业土壤N2O排放速率相当[ 6, 7 ]。近些年,已开展了一些关于多年冻土区N2O通量排放的研究,探讨多年冻土区N2O通量排放规律,为评估多年冻土区对全球气候变化的影响具有重要意义。本文对多年冻土区N2O通量排放特征、影响因素、干扰因素和产生机制进行了综述,并对未来的研究方向提出了展望。

  1 多年冻土区N2O通量排放特征

  目前,多年冻土区N2O通量的研究主要集中在生长季[ 7, 8 ],而在冻融期鲜有报道[ 9 ]。在生长季,南极地区较早的开展了多年冻土区N2O通量排放的研究,结果表明不同年份的N2O通量排放具有一定的差异性,2005年N2O通量最高排放速率为0.1 mmol/m2·min,是2003年N2O通量最高排放速率的2.7倍[ 8 ]。N2O通量的排放速率与土壤剖面中N2O浓度具有一定的相关性,土壤剖面中N2O浓度高,排放速率也高;而土壤剖面N2O浓度低,排放通量也低[ 8 ]。Ma等[ 10 ]发现北极多年冻土区N2O通量比较低,在含水量较高并且铵态氮含量也高的条件下,N2O通量排放会大一些,不同生态系统在观测期内累计排放了0.59~4.57 g N2O-N hm2。但是在西伯利亚多年冻土区,不同生态系统N2O通量排放差异较大。在观测期内,兴安落叶松林、干旱草地和池塘表面的N2O通量排放速率分别为-0.3~

  4.6、0.1~6.9和-3.4~1.9 μg N2O-N m/h,累计N2O排放量分别为0.009 3~0.043、0.036~0.13和-0.034~

  -0.017 kg N2O-N hm2,表现是N2O通量的弱源或者弱汇[ 11 ]。然而在湿润的草地,水淹期几乎没有N2O通量排放,水淹过后N2O通量排放速率会出现峰值,最高可以达到368 μg N2O-N m2/h,累计N2O排放量可以达到(1.7±0.7)kg N2O-N hm2,明显高于兴安落叶松林、干旱草地和池塘[ 11 ]。

  在亚北极裸露的泥炭地,发现了N2O通量排放的热区,最高排放速率高达31 mg/m2·d,与热带和农业土壤的排放量相近[ 6 ]。但是在植被覆盖的区域,N2O通量排放速率几乎可以被忽略[ 6 ]。在俄罗斯亚北极的科米共和国和乌茨约基多年冻土区,也发现了N2O通量的排放热区,裸露的泥炭地N2O排放速率为31.4 mg/m2·d,累计N2O排放量为14 g/m2·yr,这也表明了多年冻土区可以是N2O通量的重要排放源。但是不同类型的生态系统N2O通量排放差异显著,植被覆盖区域N2O通量和累计通量几乎可以被忽略[ 7 ]。在芬兰北部的泥炭地,N2O排放速率为-0.02~0.01 μmol/m2·s,明显低于亚北极裸露的泥炭地[ 12 ]。亚北极加拿大的多年冻土区N2O通量也很低,不同生态系统类型平均N2O通量范围在-0.03~0.16 nmol/m2·s[ 13 ]。北极的新奥尔松多年冻土区,N2O通量排放速率为-6.5~10.8 μg/m2·h[ 14 ]。在我国大兴安岭多年冻土区,三种类型森林沼泽湿的N2O通量排放为11.81~79.25 μg/m2·h,累计排放了0.79~1.07 kg/hm2[ 15 ]。在全年尺度上,兴安落叶松林、白桦林和樟子松林N2O通量的范围为-3.87~1 。

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