土壤呼吸 | 荒漠草原的“呼吸密码”：一场关于碳汇与气候变化的秘密对话

当我们谈到气候变化时，总会关注北极冰川、碳达峰、绿色能源……但你是否知道，一片荒漠草原的土壤，也在悄然影响着全球碳循环？

近期，内蒙古农业大学草地资源团队在《植物生态学报》发表研究成果，揭示了荒漠草原土壤在不同“冻融阶段”下，对气候变暖和氮沉降的响应机制。

图1. 土壤不同冻融阶段对应的平均气温、降水量、土壤温度和含水量。A,平均气温和降水量。B, 0–10cm深度的土壤温度。C, 0–10cm深度的土壤含水量。D,不同处理下的土壤冻融阶段。黑色垂直线区分生长季(Gs)和非生长季节(Ngs), 灰色垂直虚线之间的区域是冬季冻结期(Sfw), 黑色垂直虚线之间的区域是秋季冻结期(Saf); Sst, 春季解冻期。CK, 对照; N, 氮添加; W, 增温; W+N, 增温+氮添加。Freezing, 秋-冬季冻结; Frozen, 冬季冻结; Thawed, 融化; Thawing, 冬-春季解冻。

图2.  不同处理下土壤CH₄全年和季节性累积吸收通量以及季节性吸收通量对全年通量的相对贡献。A, 土壤CH₄累积吸收通量(平均值±标准误)。B, 土壤CH₄季节性吸收通量对年吸收通量的相对贡献。CK, 对照；N, 氮添加；W, 增温；W+N, 增温+氮添加。Gs、Saf、Sfw和Sst分别指生长季、秋季冻结期、冬季冻结期和春季解冻期。不同小写字母表示同一时期不同处理间差异显著(p < 0.05)。*, p < 0.05; **, p < 0.01; ***, p < 0.001。

本研究区域位于内蒙古自治区乌兰察布市西北部的四子王旗，本研究利用SF-3500多通道土壤气体通量测量系统（北京科技有限公司），在一年中不间断监测了内蒙古荒漠草原的土壤甲烷（CH?）和二氧化碳（CO?）通量。结果发现：

荒漠草原是甲烷的“净吸收器”（即“碳汇”），全年吸收通量高达344–471mg C·m^-2，其中非生长季贡献竟占了41%！

CO?则以排放为主，非生长季也贡献了9%的年度排放总量。

特别是在“秋冻”“冬冻”和“春融”这些特定阶段，土壤的气体交换行为表现出不同的“性格”：

秋季：土壤尚未完全冻结，微生物活跃，CH?吸收最多。

冬季：土壤进入低温沉寂，CH?吸收虽少，但并未完全“停工”。

春季：随着温度回升，CO?排放“骤然苏醒”。

表1. 增温、氮添加、不同时期及其交互作用对土壤CH₄和CO₂通量影响的线性混合效应模型分析

单独增温使土壤CH?吸收略有提升；

氮添加或增温+氮添加，反而在多个阶段抑制了CH?吸收；

相比之下，CO?排放在增温、氮添加条件下普遍增强，尤其是春季解冻期，排放量迅速攀升。

研究指出，这种现象可能与氮素干扰了微生物的“呼吸”机制有关。特别是在春季融雪期间，水分封闭土壤孔隙，影响CH?和CO?的扩散，进而抑制甲烷氧化菌的活性。

图3. 不同处理下土壤CO₂全年和季节性累积通量以及季节性通量对全年通量的相对贡献。A, 土壤CO₂累积通量(平均值±标准误)。B, 土壤CO₂季节性通量对全年通量的相对贡献。CK, 对照; N, 氮添加; W, 增温; W+N, 增温+氮添加。Gs、Saf、Sfw 和Sst分别指生长季、秋季冻结期、冬季冻结期和春季解冻期。不同小写字母表示处理间差异显著(p < 0.05)。*, p < 0.05; **, p < 0.01; ***, p < 0.001。

表2. 增温和氮添加对土壤理化性质的影响(平均值±标准误)

图4. 土壤CH₄和CO₂通量与土壤温度和含水量的线性拟合。实线为线性回归拟合线, 灰色阴影表示95%置信区间。CK, 对照；N, 氮添加；W, 增温; W+N, 增温+氮添加。***, p < 0.001。

过去的很多研究往往聚焦在生长季，而忽视了非生长季的土壤变化。这项研究提醒我们：真正影响气候模型和碳预算的关键“盲区”，或许藏在冰雪覆盖下沉默却重要的冬天。未来在构建全球变化模型时应同时考虑生长季和非生长季的碳通量格局, 以更精准地评估生态系统碳循环过程。

SF-3500系统，是由（LICA）研发的高精度土壤气体通量监测设备。可以与各种气体分析仪联合使用，除CO₂ 外，还可以测量N₂O、CH₄ 等气体通量，也可以测量¹³CO₂ 同位素气体通量。