[科研前线│EGM-5]冬季气候变化重塑新型融雪实验中的土壤气候与生物地球化学过程

来源：汉莎科技集团有限公司更新时间：2025-09-30 10:45:19 阅读量：122

导读：[科研前线│EGM-5]冬季气候变化重塑新型融雪实验中的土壤气候与生物地球化学过程

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冬季气候变化正加速改变季节积雪生态系统（如北半球温带森林）的土壤环境：降雪量减少、冬季“热浪” 频发导致融雪频繁，破坏了原本稳定的积雪保温层，使土壤暴露于深度冻结、冻融循环及干湿交替中。这些变化直接威胁土壤生物地球化学循环（如碳储存、养分保留），而此前研究多聚焦于生长季，缺乏对冬季原位融雪场景的模拟，难以揭示冬季气候变化对土壤过程的长期影响。

近期Caitlin E. Hicks Pries教授团队，依托达特茅斯学院的冬季气候变化实验平台，在《Global Change Biology》期刊上发表了标题为“Winter Climate Change Reshapes Soil Climate and Biogeochemistry in a Novel Snowmelt Experiment”的研究论文。研究团队设计了“森林融雪响应测定实验（DeFR?ST）”，该实验通过原位融化积雪层，旨在揭示气候变化如何引发新型冬季土壤条件，解析土壤气候与生物地球化学过程的关联机制（图1）。

图1 冬季气候变化如何改变森林土壤生物地球化学过程的假设机制

实验的核心前提是“让融雪效果可控”—研究团队通过地上加热电缆（只融雪不升温），成功制造了三种截然不同的积雪环境：全融处理（100%积雪融化）、中度融处理（50%积雪融化）和对照处理（0%积雪干预）（图2），为后续观察土壤变化打下基础。

图2 DeFR?ST样地布局与实验设计

DeFR?ST实验操纵成功融化了雪层，对土壤条件和生物地球化学过程产生了连锁影响。通过手动测量和传感器数据均显示：在1月8日-3月20日的融雪季，对照样地的平均积雪深度（10.3±0.6 cm）是中度融雪样地（5.4±0.5 cm）的2倍，而完全融雪样地更极端—积雪深度≥5 cm的天数仅3天，几乎全年无稳定积雪覆盖（图3）。

图3 融雪处理缩小了积雪层厚度：(a) 全融组（橙色）、中度融雪组（金色）和对照组（蓝色）

雪融化导致冬季土壤温度降低，土壤冻土更深。全融样地3.5 cm土层冻结天数（89±21.6天）是对照（9.6±2.6天）的9倍，10 cm土层冻结天数（116±4.8天）是对照（2.6±2.6天）的44倍，仅全融样地20 cm土层出现冻结（17.5±17.1天）（图4），并且由于融雪事件，冬季中期土壤湿度条件变得更加不稳定（融雪事件导致融雪组表层土壤6 cm出现3次湿度脉冲波动，对照样地无此现象）（图5）。

图4 融化处理对土壤温度剖面的影响

图5 连续性人工调控融雪事件导致全融样地（橙色）的表层土壤（6 cm深度）湿度出现波动

为探究融雪对土壤CO2产生量及土壤对O2的吸收量的影响。作者使用EGM-5（PP Systems）测量融雪区（总融/中度融）与对照区的CO2通量差异。结果显示：全融区土壤剖面的平均CO2浓度达3901±304 ppm，而对照仅1480±208 ppm。与CO2相反，O2是从大气向土壤扩散的。但完全融雪样地冻结时，剖面O2浓度降至20.3%±0.03%，显著低于对照（20.65%±0.03%）和自身非冻结期（20.59%±0.02%）（图6）。证实了土壤气候的变化抑制了气体在土壤剖面中的扩散，并导致融化区域的土壤氧气水平在冬季降低。

图6 CO2(a)和O2(b)浓度在土壤剖面中的分布情况

通过对土壤呼吸与氮（N）矿化的同步监测发现，冬季融雪会对生长季土壤养分供应产生滞后影响。一方面是有氧过程受抑制，对照组冬季土壤有氧分解（以 CO?产生为指标）及净氮矿化速率（0.24±0.15 μg N g?1 day?1）均高于融雪组，其中完全融雪组净氮矿化速率降至 0.05±0.10 μg N g?1 day?1，中度融雪组甚至出现氮固定现象（净氮矿化速率为 - 0.30±0.13 μg N g?1 day?1，负值代表氮固定）；另一方面是厌氧过程增强，融雪组（完全融雪、中度融雪）冬季土壤孔隙水中 “溶解碳-铁” 呈现显著相关关系（完全融雪组斜率为 214，中度融雪组斜率为 46.2），而对照组无此相关性，这表明冬季融雪导致土壤处于低氧化还原条件，在此环境下铁还原作用会驱动有机-矿物结合体溶解，进而释放出碳与养分（图7）。

图7 融雪处理改变了冬季生物地球化学过程变化的指标

DeFR?ST实验显示，融雪显著减少积雪，加剧土壤冻结与湿度波动，阻碍气体扩散。同时，融雪抑制有氧过程，增强厌氧过程。该实验填补了冬季原位融雪场景模拟的研究空白，明确了冬季融雪通过“积雪-土壤气候-气体交换-生物地球化学过程”的连锁机制影响土壤功能，为理解季节积雪生态系统对冬季气候变化的响应提供了科学依据。

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