全球寒区冻土区包括季节性和多年冻土区,主要分布在高海拔和高纬度地区,其土壤中储存了大量的有机碳.该地区正面临着比全球平均温度更高的暖化速率,气候变暖对该地区土壤有机碳的影响及其对气候变暖的反馈作用倍受关注.本文针对气候变暖对季节性和多年冻土草地生态系统碳循环关键过程(如植物生产、凋落物和根系分解、微生物群落结构等方面)的影响,以及土壤有机碳形成和稳定性机制等进行了扼要综述.在此基础上,提出了目前存在的问题,分析了未来在实验设计和新技术应用上的有关发展态势,以期进一步推动气候变暖背景下,我国寒区草地生态系统碳循环关键过程和土壤有机碳库稳定性机制的研究.

西南亚高山森林是典型的季节性冻土区,为深入研究气候变暖背景下冻融循环变化对森林土壤环境的影响,该研究以西南亚高山森林乔木层与灌木层优势种云杉(Picea asperata)和华西箭竹(Fargesia nitida)根区土壤为研究对象,利用红外辐射加热器模拟气候变暖,研究增温对非生长季土壤冻融循环、土壤理化性质和酶活性的影响.在此基础上,开展室内培养实验,进一步验证冻融循环变化对土壤性质的影响.结果表明:(1)与对照小区比较,增温小区5 cm和15 cm土层温度分别升高2.85和2.13 ℃,冻结天数分别减少了60和32天,冻融循环次数分别由3次和1次降为0次.(2)增温增加了两物种根区土壤总氮(TN)、可溶性有机氮(DON)和微生物生物量氮(MBN)含量,但降低了土壤铵态氮(NH4+-N)含量.土壤冻结天数、冻融循环次数与TN、DON含量显著负相关,与NH4+-N含量显著正相关.(3)增温显著促进了两树种根区土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶(NAG)活性,但显著抑制了脲酶(Ure)活性.土壤冻结天数、冻融次数与NAG和Ure活性显著相关.(4)与野外研究相似,室内冻融循环处理可显著增加云杉根区土壤NH4+-N含量与β-葡萄糖苷酶(BG)活性,降低了NAG活性;增加了华西箭竹根区NH4+-N含量,降低了BG与NAG酶活性;但冻融循环对土壤硝态氮(NO3-N)、DON含量、Ure及蛋白酶(Pro)活性的影响与野外研究结果不同.冗余分析表明,华西箭竹根区土壤酶活性主要受土壤DON含量的影响,而云杉根区土壤酶活性与pH、NH4+-N含量、DON含量显著相关.以上结果说明,气候变暖背景下季节性冻土冻融循环消失,会显著影响西南亚高山森林非生长季土壤理化性质(尤其是土壤氮库组分)和酶活性,但其影响机制需要进一步研究.

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.

地温是评价气候变化的重要指标,对土壤的成分、结构以及形成和演化都具有很大影响.分析地温自身的时空变化规律以及与气候间的相互关系,对深入了解地气间相互作用的机理、明确气候变化的响应规律、预测未来地温的发展趋势等方面具有重要的科学意义.辽宁省位于内蒙古高原向渤海湾的过渡地带,地形地势复杂,此外辽宁省又处在季节性冻土区,地温的变化机制更具复杂性.利用辽宁省24个气象站点1960-2016年0cm地温(地表温度)数据和各气象要素(气温、日照时数、风速、降水量)数据资料,采用气候倾向率法、Mann-Kendall突变分析、小波周期分析等方法,系统的分析辽宁省地表温度的时空变化特征以及与气候要素间的关系.结果 表明:辽宁省地表温度年际变化随时间向暖趋势发展,气候倾向率达0.36℃/l0a,不同年代际存在不同的变化趋势,其中20世纪60-80年代低于多年平均地表温度,90年代至21世纪10年代高于多年平均地表温度,此外冬季地表温度增温幅度最大;突变分析显示在1995年发生突变,经检验其升高趋势显著;经周期分析显示辽宁省年地表温度具有30-46a和19-25a的两种时间尺度的周期变化;年地表温度呈西南向东北逐渐降低分布特征.相关分析表明,地表温度与气温的相关性最大,并且其大小在整个区域内呈西高东低的分布特点;在与降水的关系中,降水量高的年份地表温度均比较低,夏季受降水和日照时数的影响最显著,地表温度与风速均呈负相关,但夏季相关性较小,考虑夏季地表温度主要是受气温、日照和降水共同的作用,弱化了风速对地表温度的影响.

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.

冻土是气候变化的敏感区,冻土中真菌对于预测冻土和气候之间的潜在反馈机制至关重要.本研究采用高通量测序技术对黑龙江省多年冻土和季节性冻土中真菌群落结构进行分析,结果表明:得到的454833条序列分属于6个门,40个纲,86个目,122个科.门水平上,真菌群落主要包括子囊菌门、担子菌门、毛霉亚门、芽枝霉菌门、捕虫霉亚门、壶菌门,以及分类未定或未明确菌门,其中子囊菌门优势作用明显,在多年冻土和季节性冻土中所占比例分别为81.23％和76.56％.属水平上,相对丰度前20位菌属中,只比对出Cladosporium、Mrakia、Fusarium、Mortierella、Solicoccozyma五个菌属.LEfSe分析发现,多年冻土中检测出特征种属20种,而季节性冻土中则未有特征性种属检出.Alpha多样性分析表明,多年冻土中真菌丰富度和均匀度平均值与季节性冻土无显著差异,多年冻土中真菌的Observed OTU指数比、Faith's Phylogenetic Diversity指数比均显著高于季节性冻土(P＜0.05).

以高寒半干旱区青海湖流域季节性冻土为研究对象,通过调查采样和室内分析,研究了坡向和坡位对不同深度土壤有机碳含量分布的影响.结果 表明:阴、阳坡有机碳含量均随土壤深度增加而下降,但阳坡下降的幅度(64％)明显高于阴坡(44％).阴坡土壤有机碳平均含量为81.99 g/kg,大于阳坡(61.84 g/kg);不同坡位,土壤有机碳分布特征因坡向而异,其中阴坡土壤有机碳平均含量表现为坡下(89.60 g/kg)＞坡中(86.52 g/kg)＞坡上(69.87 g/kg),而阳坡土壤有机碳平均含量表现为坡上(65.71 g/kg)＞坡下(61.42 g/kg)＞坡中(58.39 g/kg).此外,坡位对不同深度土壤有机碳的影响程度在不同坡向也存在差异.阴坡坡位因子对深层土壤有机碳影响显著,而阳坡坡位因子对浅层土壤有机碳影响显著.一般线性模型结果表明,坡面土壤有机碳含量主要受土层和坡向的影响,可解释74.52％的变异性.

全球气候变暖导致青藏高原永久冻土逐渐退化,并增加了季节性冻土的面积,但对冻融侵蚀时空变化还缺乏系统的认识.通过权重法对年冻融日循环天数、日冻融相变水量、植被覆盖度、年均降雨量、坡度和坡向 6 个冻融侵蚀因子进行赋权,分析青藏高原 2003-2020 年不同强度的冻融侵蚀时空变化和主导驱动因素.结果表明:(1)2003-2020 年青藏高原平均冻融侵蚀面积为(161.37±0.42)×104 km2,占青藏高原面积的 64.55％,中度及以上侵蚀占冻融侵蚀面积的 63.0％,强烈、极强烈和剧烈侵蚀主要分布在雅鲁藏布江流域、昆仑山-祁连山、帕米尔高原地区;(2)2003-2020 年青藏高原冻融侵蚀表现为加剧趋势,加剧的区域达到 29.79×104 km2,占青藏高原面积的 11.6％;2003-2010 年中度及以上平均侵蚀面积为(95.71±3.33)×104 km2,2013-2020 年为(107.60±3.20)×104 km2,其面积增加了 11.89×104 km2,增强的区域主要分布在可可西里山、冈底斯山、藏北高原及三江源地区.(3)日均冻融相变水量变化对侵蚀强度变化的平均贡献率最大,为 49.59％,贡献高值区主要位于藏北高原的多年冻土区;年冻融日循环时间变化对侵蚀强度的平均贡献次之,为40.55％.在冻融侵蚀减弱的区域,植被盖度的平均贡献达37.69％.植被覆盖上升减轻了冻融侵蚀,气候变暖加速了冻融侵蚀,但是植被对冻融侵蚀的减轻作用不足以抵消气候变暖背景下相变水量对冻融侵蚀的增强作用.另外,在侵蚀等级增强的区域,最低温的增幅大于最高温的增幅.研究提升了气候、植被变化背景下对青藏高原冻融侵蚀强度时空变化及其驱动机制的认识,为青藏高原冻融侵蚀治理提供了理论依据.