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高纬度湿地生物气候梯度决定甲烷排放

  甲烷(CH4)是大气中最丰富的碳氢化合物,是仅次于二氧化碳的温室气体。自然湿地是大气CH4的最大自然排放源,全球一半的湿地位于北半球高纬度地区,这些湿地的地下覆盖着厚厚的冻土层。高纬度地区的快速增温导致土壤活动层的加深和热喀斯特的形成(图1),从而加剧湿地冻土中有机碳的分解,并将大量的碳释放到大气中,形成对气候变化的正反馈效应。因此,为了评估高纬度湿地CH4排放动态及其对气候的潜在生物地球化学反馈,迫切需要更好地了解该地区湿地CH4排放特征及其控制因子。虽然科学家们已在北半球高纬度地区开展了大量站点尺度的研究,但不同湿地类型间环境异质性对大尺度空间CH4排放的影响尚未得到充分解释,特别是已有的模式和遥感观测缺少关注不同湿地类型的生物气候差异。

  近日,中国科学院大气物理研究所东亚中心的包韬博士,贾根锁研究员和徐希燕副研究员基于荟萃(meta) 分析手段,收集了环北极83个站点的近9000个静态箱式法观测数据(图2),揭示了自然湿地的生物气候和空间异质性对CH4排放强度的决定作用。

  该研究发现,湿地类型的异质性是通过影响主要生物气候因子来影响CH4的释放。综合来看,矿养泥炭湿地(Fen)CH4通量最高,其次是草本植物湿地(Marsh)和酸性雨养泥炭湿地(Bog),木本植物湿地(Swamp)CH4通量最低。通量的空间梯度受地下水位、土壤温度、优势植物功能型的控制。酸性雨养泥炭湿地、草本植物湿地/矿养泥炭湿地和木本植物湿地CH4排放的最佳水位分别是地面以下、地面附近以及地面以上(图3)。CH4排放的温度敏感性随着纬度增加而增加,并且在不同的湿地类型上具有显著差异性。矿养泥炭湿地对温度最为敏感,而木本植物湿地对温度最不敏感。

  研究还发现温度和地下水位对CH4排放的交互影响还受到优势植被功能型调控。以维管植物为主的湿地CH4排放对物种组成的依赖程度显著高于以非维管植物为主的湿地。以禾草类植物为主的矿养泥炭湿地CH4通量显著高于以乔木类植被为主的木本植物湿地。

  因此,精确评估高纬度湿地CH4排放动态,需要充分考虑不同湿地类型的生物气候差异。该研究可以帮助我们更好的认识北半球高纬度地区湿地CH4排放的空间格局及其驱动因素,为地球系统模式的改进提供必要的理论基础。

  图1 高纬度湿地景观,冻土融化,热喀斯特的形成

  图2.研究区域和站点分布

  图3.不同湿地类型CH4排放的地下水位分布

  延伸阅读:http://www.iap.cas.cn/gb/xwdt/kyjz/202107/t20210714_6132418.html(刘文钊选编)

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