青藏高原被誉为世界屋脊,是我国重要的生态安全屏障和高寒生物种质资源宝库,也是亚洲乃至北半球气候变化的"调节器",在我国生态保护和修复工作中居于特殊重要地位.青藏高原平均海拔超过4000 m,面积约260万km2,自然生态系统类型复杂多样,分布有森林、灌丛、高寒草原、高寒草甸、荒漠和冻土等多种陆地生态系统,还相间了湖泊、河流和沼泽等湿地生态系统,构成了丰富的生态系统多样性和景观多样性.

若尔盖泥炭湿地是世界少有的低纬度永久冻土湿地,具有高海拔、高紫外辐射、高有机质的特点.该区域N2O的排放量对全球气候变暖有重要影响.对若尔盖高原湿地泥炭沼泽土中的亚硝酸盐还原酶(nirK)反硝化细菌群落结构多样性进行分析,以期揭示该区域N,O释放的微生物调控机制.基于若尔盖高原湿地泥炭沼泽土的理化性质和反硝化活性(PDA),结合限制性酶切片段长度多态性(Restriction fragment length polymorphism,RFLP)技术、克隆文库及分子测序对该生态系统中的nirK反硝化细菌群落结构及多样性进行分析.反硝化活性测定结果显示:阿西地区＞麦溪地区＞分区地区,反硝化活性与土壤有机碳、总氮和丰富度呈显著正相关(P＜0.05).Shannon-wiener多样性指数以阿西最高、分区最低.3个样品中共测序15条nirK基因代表序列,系统发育表明若尔盖高原湿地优势nirK反硝化菌群为变形门菌群.其中,阿西地区主要为α-变形菌门,麦溪地区主要为β-变形菌门,分区地区无法确定优势种群.冗余分析(Redundancy analysis,RDA)显示:有效钾和有效磷是影响nirK反硝化细菌群落结构的关键环境因子.本论文显示,若尔盖高原湿地存在着明显的反硝化作用,调控这些反硝化作用的nirK反硝化细菌多样性较高,且与土壤有效钾和有效磷密切相关.

通过室内模拟冻融实验,探讨了冻融强度(-5和-15℃)和循环次数(0、1、5、10和15次)对我国东北连续多年冻土和季节性冻土湿地二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)产生以及土壤微生物生物量碳(MBC)的影响.结果表明,不同冻融条件下,2种冻土中CO2 、CH4排放速率及MBC均表现为:在第1次冻融循环后有所降低,随后随着循环次数的增加,呈现先增高后降低并趋于稳定的趋势.总体上,循环次数显著影响2种冻土CO2、CH4排放和MBC.与对照和小幅度冻融循环相比,大幅温度波动显著促进2种冻土土壤碳排放,但冻融强度对MBC影响不大.实验期间,FTC(-15℃)处理中,连续多年冻土CO2累积排放量(679.99 mg·kg-1)高于季节性冻土(454.32 mg·kg-1),而对CH4累积排放量来说,在FTC(-5℃)处理时,连续多年冻土达到334.49 μg·kg-1,略高于其他处理;而在FTC(-15℃)处理时,季节性冻土则最高(600.07 μg· kg-1),可能意味着冻融过程中2种冻土产甲烷菌的温度敏感性具有一定差异.本研究为科学评估全球气候变化对我国东北主要冻土区的土壤碳周转提供了数据支持.

气候变暖及永久冻土退化将会增加冻土湿地的温室气体排放,但关于大兴安岭永久冻土区沼泽湿地温室气体通量及主控因子尚不明确.采用静态箱-气相色谱法,同步原位观测大兴安岭永久冻土区7种天然沼泽类型(草丛沼泽-C、灌丛沼泽-G、毛赤杨沼泽-M、白桦沼泽-B、落叶松苔草沼泽-LT、落叶松藓类沼泽-LX、落叶松泥炭藓沼泽-LN)土壤CO2 、CH4和N2O通量及土壤温度、水位、化冻深度及土壤碳氮含量、碳氮比、pH值及含水量,揭示永久冻土区沼泽土壤温室气体通量及其主控因子.结果 表明:1)7种沼泽类型土壤CO2年均通量(125.12-163.33 mg m-2 h-1)相近;2)CH4年均通量(-0.007-0.400 mg m-2 h-1)呈草丛显著高于其他沼泽5.6-65.7倍(P＜0.01);3) N2O年均通量(1.52-37.90 μg m-2 h-1)呈阔叶林沼泽显著高于其他类型2.0-23.9倍,针叶林沼泽显著高于草丛、灌丛沼泽2.9-6.2倍(P＜0.05);4) CO2主控因子为土壤温度和水位;CH4主控因子为土壤温度和化冻深度;N2O受到多种环境因子综合调控,共同可以解释N2O变化的26％-99％;5)土壤增温潜势(11.05-15.37 t CO2hm-2 a-1)相近,且均以CO2占绝对优势地位,但草丛以CH4占次要地位,森林沼泽则以N2O占次要地位.综合对比国内外现有研究结果发现目前大兴安岭永久冻土区沼泽土壤仍处于CO2 、CH4和N2O低排放阶段.

采用野外原位实验静态箱-气相色谱法,研究了兴安岭多年冻土不同程度退化地区生长季湿地土壤温室气体CH4、CO2和N2O的排放通量特征,同时分析了环境因子对土壤温室气体排放的影响.结果 表明:1)3种类型冻土区(季节性冻土区、岛状多年冻土区、连续多年冻土区,分别用D1、D2、D3表示)土壤在生长季时期表现为CO2和N2O的源;D1和D3为CH4的源,D2为CH4的汇.D1、D2、D3土壤在生长季中平均CH4排放通量分别为(0.127±0.021)、(-0.020±0.006)、(0.082±0.019) mg·m-2·h-1;CO2排放通量分别为(371.50±66.73)、(318.43±55.67)、(213.19±37.05) mg·m-2·h-1;N2O排放通量分别为(24.05±2.62)、(8.07±2.42)、(2.17±0.25) μg·m-2·h-1.土壤CO2和N2O排放通量随多年冻土退化程度的加剧呈现出升高的趋势.2)细根生物量、凋落物生物量、全碳、全氮、可溶性有机碳、总可溶性氮、土壤容重、土壤温度、土壤含水量等均影响温室气体排放,3种不同类型冻土区土壤CH4、CO2和N2O的排放差异是诸多影响因子综合作用的结果.

CoupModel模拟范围广泛,几乎涉及了陆面过程的各种环节,且具有动态预测性.该模型不但能够较为准确地模拟森林、农田、湿地以及冻土等多种生态系统的土壤水热运移和碳氮循环等过程,还能够科学地预测气候变化背景下的增温潜势.通过对CoupModel的耦合原理及特点、数据的输入输出、多种参数估计方法及模拟结果检验等方面的详细介绍,深入了解了利用该模型模拟土壤-植被-大气系统的物质能量过程;CoupModel在国外多个国家和地区获得应用与认可,引入我国后,通过更改部分参数也在多个地区得到验证.在综合众多前人研究成果的基础上,将该模型与几种使用较广泛的同类模型进行了简单的对比分析,随后从模型参数简化、适用性验证和模型尺度等方面对其未来研究进展进行了探讨.

多年冻土区泥炭沼泽土壤孔隙水甲烷关联微生物及底物的研究有助于深入理解气候变化背景下寒区湿地生态系统甲烷循环过程.选取大兴安岭连续多年冻土区柴桦-泥炭藓和狭叶杜香-泥炭藓两种典型植被群落泥炭沼泽,设置开顶箱(Open Top Chamber,OTC)增温实验.于生长季(6月、7月、8月和9月)采集土壤孔隙水样品,对比分析OTC内外土壤孔隙水中产甲烷菌数量、甲烷氧化菌数量及溶解性有机碳(Dissolved Organic Carbon,DOC)浓度的动态变化特征,并探究土壤孔隙水甲烷关联微生物与DOC浓度的关系.结果表明:增温提高了生长季大兴安岭多年冻土区土壤孔隙水中产甲烷菌数量和DOC浓度,而对甲烷氧化菌数量的影响因月份而异.生长季柴桦-泥炭藓和狭叶杜香-泥炭藓泥炭沼泽土壤孔隙水中产甲烷菌数量的平均增加幅度分别为54.52％和44.97％,DOC浓度的平均增加幅度分别为34.16％和28.33％.增温使得生长季柴桦-泥炭藓和狭叶杜香-泥炭藓泥炭沼泽土壤孔隙水中甲烷氧化菌平均数量分别降低了46.20％和31.42％.一元线性回归分析结果表明,土壤孔隙水中DOC浓度可分别解释柴桦-泥炭藓和狭叶杜香-泥炭藓泥炭沼泽土壤孔隙水中产甲烷菌数量变化的29.00％和24.10％(P＜0.01),而对两种植被群落下土壤孔隙水中甲烷氧化菌数量的影响并不显著(P＞0.05).

多年冻土区河岸森林湿地是水文、生态和生物化学过程的关键区域.本研究以河岸森林湿地及其与泥炭地的交错带土壤为对象,分析了腐殖质层和不同深度土壤理化性质、生态化学计量和微生物呼吸活性(微生物生物量碳、基础呼吸、微生物熵和代谢熵)特征.结果 表明:与大兴安岭多年冻土区泥炭地和河岸森林湿地的交错带相比,河岸森林湿地土壤理化性质主要分异在20 cm土层以下,其总碳、总氮含量和碳磷比、氮磷比显著降低,生态化学计量特征的变化主要是由于氮含量变化引起的,说明河岸森林湿地土壤氮转移相对较快,存在氮限制;交错带湿地土壤中钠、镁、钾和钙含量主要在30 cm土层发生分异,而河岸森林湿地土壤中钠、镁、钾和钙含量主要在20 cm土层发生分异,其镁含量与土壤总碳、总氮和总磷含量显著相关,说明土壤镁含量是大兴安岭河岸森林湿地的重要营养元素;河岸森林湿地和交错带腐殖质层微生物呼吸活性高于其他层土壤,说明其易分解的碳组分含量高;河岸森林湿地和交错带土壤微生物呼吸活性与土壤理化性质、生态化学计量特征及营养元素的相关性存在差异,而河岸森林湿地土壤总氮含量与微生物呼吸活性显著相关,说明大兴安岭河岸带湿地土壤微生物活性受氮的限制.

全球变暖大背景下,大量冻土将面临进一步退化,而冻融过程遍布整个青藏高原,土壤微生物对环境变化更有着高度的敏感性.以青海湖河源湿地湿地冻融退化下的土壤微生物为研究对象,基于16s rRNA及18s rDNA测序探究冻融退化对土壤微生物群落结构及多样性的影响.结果显示:青海湖高寒湿地有效序列注释得到1583个细菌操作分类单元以及80个真菌操作分类单元.冻融退化并未改变土壤微生物的优势菌群:细菌群落中的优势菌群均为变形菌门(Proteobacteria)及酸杆菌门(Acidobacteria),已知的真菌菌群中相对丰度最高的均为子囊菌门(Ascomycota).冻融退化使0—10 cm、10—20 cm的细菌群落结构趋于相似,真菌群落中德福里斯孢属(Devriesia)、担孢酵母属(Erythrobasidium)的相对丰度显著减少.冻融退化显著影响土壤微生物的 α 多样性,降低了细菌群落的ACE指数、Chao1指数、Simpson指数以及真菌群落的ACE指数、Chao1指数、Shannon指数,细菌群落的Shannon指数及真菌群落的Simpson指数有所增加.本研究表明,冻融退化对土壤微生物的群落结构、多样性均有影响,为冻土退化下生态系统作用机制的探究提供参考.

根据三江源地区21个气象台站的最大冻土深度、气温、降水观测数据和欧洲中心再分析资料,利用旋转经验正交分解等方法对1981-1010年三江源地区季节最大冻土深度(MFSD)的时空分布特征进行了分析,并探讨了季节冻土与气候因子之间的关系,结果表明:(1)40年来三江源地区平均MFSD为136.66cm,空间分布呈现出以玛多站最大中心值(218.85cm),向四周递减的分布特征.(2)40年平均变率空间分布和旋转正交经验分解第一模态时间系数均表现出三江源地区MFSD呈现明显下降趋势,季节冻土层明显减薄,平均MFSD递减率为0.51cm/a.(3)表征热力状况的气候因子中,湿润指数、气温和降水是影响三江源地区季节冻土较为重要的气候因子.(4)三江源地区季节冻土的关键区在东北部,MFSD典型高值年有1983年等4个年份;典型低值年有1988年等7个年份.通过对500hPa位势高度场典型高值年、低值年合成分析,季节冻土典型高(低)值年,北半球500hPa位势高度场负(正)异常;同时,南亚高压负(正)异常,其范围偏小(大),强度偏弱(强),温度场中心温度更低(高),对应三江源地区应季节冻土更厚(薄);研究结果可为三江源地区开展冻土保育、退化湿地修复、退化草地近自然恢复等生态环境保护治理技术研发和示范提供气象支撑,为揭示土壤-大气互相影响的机制,应对气候变化,建设三江源国家公园提供理论依据.