東北地理所李祿軍研究員團(tuán)隊(duì)揭示凍融期間長期農(nóng)業(yè)管理措施調(diào)控黑土農(nóng)田溫室氣體排放
在北方季節(jié)性凍融區(qū)，反復(fù)的凍融作用可改變土壤理化與微生物性質(zhì)，破壞團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致微生物細(xì)胞裂解，并釋放大量活性碳氮。尤其在秋凍與春融的關(guān)鍵轉(zhuǎn)換期，底物釋放及微生物群落結(jié)構(gòu)重組強(qiáng)烈影響溫室氣體的排放速率與組成。然而，現(xiàn)有研究多集中于土壤融解階段，對凍結(jié)過程及完整凍融周期的系統(tǒng)認(rèn)識仍顯不足。特別是在農(nóng)業(yè)管理背景下，長期施肥與種植制度的差異如何通過改變土壤屬性進(jìn)而調(diào)控凍融期間的溫室氣體排放，尚不明確。針對這一問題，中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所李祿軍研究員團(tuán)隊(duì)以東北黑土農(nóng)田為研究對象，基于長期施肥與種植制度定位監(jiān)測平臺，在土壤凍結(jié)初期、凍結(jié)后期、完全凍結(jié)期、融解初期和融解后期五個(gè)凍融關(guān)鍵階段，開展了非生長季高頻氣體采樣。該研究旨在揭示凍融過程中CO2、CH4和N2O的排放動(dòng)態(tài)，及其與土壤理化性質(zhì)和微生物屬性變化之間的內(nèi)在聯(lián)系。
研究發(fā)現(xiàn)，土壤CO2排放速率在凍結(jié)期呈“駝峰型”動(dòng)態(tài)，融解期逐漸上升，其累積排放量主要發(fā)生在秋季凍結(jié)與春季融解階段（圖1a-c）；CH4排放動(dòng)態(tài)與CO2相似，融解期累積排放量較凍結(jié)期增加266%，整個(gè)凍融期間土壤表現(xiàn)為CH4的凈吸收（圖1d-f）；N2O排放呈現(xiàn)顯著的“脈沖式”特征，其在融解期的累積排放量顯著高于凍結(jié)期（圖1i-k）。在整個(gè)凍融期間，土壤CO2、CH4和N2O排放主要受到土壤溫度波動(dòng)和水分相變的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也受到土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、碳氮有效性及微生物群落變化的綜合調(diào)控（圖2和3）。融解期三種溫室氣體排放速率與資源與微生物之間的碳氮比失衡程度均呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)（圖3），表明該期間土壤資源與微生物需求之間的化學(xué)計(jì)量失衡的緩解，觸發(fā)了融解期間CO2、CH4和N2O的脈沖式排放。
圖1凍融期間土壤CO2、CH4和N2O排放的動(dòng)態(tài)變化
此外，凍融期間三種溫室氣體排放受到土壤肥力和種植制度的顯著影響，高肥力土壤在融解期的CO2、CH4和N2O累積排放量均顯著高于低肥力土壤（圖1），這一差異主要?dú)w因于其較低的初始碳氮比、較高的可利用碳氮含量，以及特定的微生物群落結(jié)構(gòu)（更高的F:B與G+:G-比）（圖2）。與輪作制度相比，長期玉米連作導(dǎo)致土壤底物質(zhì)量下降、微生物量碳氮比升高（圖2d和g），不僅增加了凍融期間CO2和N2O累積排放量，也削弱了土壤對CH4的吸收能力，從而進(jìn)一步加劇凍融期間的溫室氣體排放（圖5）。綜上，土壤初始底物質(zhì)量、微生物群落結(jié)構(gòu)及其對凍融響應(yīng)的環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子共同調(diào)控著凍融期間溫室氣體的排放動(dòng)態(tài)。該研究為通過優(yōu)化農(nóng)田管理措施減輕非生長季的氣候影響提供了田間實(shí)證依據(jù)。
相關(guān)論文以“Freeze-thaw?induced greenhouse gas emissions from a Mollisol agroecosystem: Microbial and edaphic regulation under long-term agricultural management”為題，在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Soil &Tillage Research。論文第一作者為中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所在讀博士生王丹丹，通訊作者為李祿軍研究員，合作者還包括東北地理所戴閃閃、何朋特別研究助理，張志明項(xiàng)目高級工程師，在讀博士生周健穎，臺州學(xué)院劉明慧副教授，以及東北地理所張士秀項(xiàng)目研究員。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金、黑龍江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（創(chuàng)新基地）及教育部寒地黑土生境健康國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室開放基金的共同資助。
圖2. 土壤初始屬性與CO2、CH4和N2O累積排放量的關(guān)系
圖3多個(gè)預(yù)測因子對土壤CO2、CH4和N2O排放通量的相對影響
圖4凍融期間低肥力和高肥力土壤CO2、CH4和N2O排放的概念圖
論文信息：Wang, D.D., Dai, S.S., He, P., Zhang, Z.M., Zhou, J.Y., Liu, M.H., Zhang, S.X., Li, L.J., 2026. Freeze-thaw?induced greenhouse gas emissions from a Mollisol agroecosystem: Microbial and edaphic regulation under long-term agricultural management. Soil &Tillage Research 264, 107298.
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.still.2026.107298
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