内蒙古典型草原冻融循环中降水对N2O排放的多机制调控作用及其气候意义

针对高纬度草原冻融期N2O排放机制不明的问题，研究人员通过3年野外观测，揭示冬季降水通过调控土壤水分-氮循环-微生物活性的协同作用影响N2O通量，干旱年出现脉冲排放而湿润年深层土壤N2O浓度升高但表观通量降低，为寒区温室气体模型优化提供新依据。

　　

在全球气候变化背景下，高纬度草原生态系统的氮循环过程正经历显著改变。作为温室效应强度达CO₂273倍的强效温室气体，N₂O的排放动态备受关注。中国78%的草原位于北纬30°以北的冻融频繁区，这些区域冬季降水形式的变化（如降雪减少、降雨增加）可能通过改变土壤水热条件和氮转化过程，深刻影响冻融期的N₂O排放。然而，现有研究多聚焦生长季排放，对冻融期这一关键窗口的N₂O产生-消耗平衡机制认识不足，特别是冬季降水如何通过多途径调控排放通量仍存争议。

针对这一科学问题，鲁东大学水利与土木工程学院的研究团队在内蒙古草原生态系统研究站（IMGERS）开展了为期3年的野外观测。通过比较2018（干旱年）、2021（湿润年）和2023（平水年）三个水文年的冻融期N₂O通量、土壤剖面气体浓度及环境因子，结合结构方程模型解析了冬季降水的多维度影响机制。相关成果发表在农林科学领域权威期刊《Soil and Tillage Research》上。

研究团队采用静态暗箱-气相色谱法监测N₂O通量，配套原位土壤气体采样系统测定5-50 cm剖面N₂O浓度；通过EM50数据采集器连续记录土壤温湿度；运用氯仿熏蒸提取法测定微生物生物量碳氮（MBC/MBN）；结合KCl浸提-流动分析仪检测铵态氮（NH₄⁺-N）和硝态氮（NO₃^--N）含量；最后采用结构方程模型（SEM）量化各驱动因素的贡献率。

3.1 N₂O排放的年际差异

干旱年（2018）所有处理均出现显著排放峰，UG99处理峰值达60.6 μg m^-2 h^-1；而湿润年（2021）深层土壤（20-50 cm）N₂O浓度升高至6000 μL m^-3但表层通量出现负值，表明降水促进深层气体滞留。

3.2 冻期降水对土壤参数的影响

湿润年土壤含水量（0.12-0.14 g g^-1）显著高于干旱年（0.07 g g^-1），伴随微生物量碳（MBC）增加85%-320%而NO₃^--N降低65%-97%，反映降水通过促进微生物固持改变氮有效性。

3.3 累积排放特征

UG79处理在干旱年表现为N₂O源（28.47 g ha^-1），湿润年转为汇（-11.02 g ha^-1）；连续放牧（CG）处理年际差异不显著，显示放牧活动削弱了降水效应的敏感性。

3.4 驱动机制解析

SEM模型揭示冻期累积降水（路径系数-1.41）、NH₄⁺-N（0.49）、土壤含水量（0.49）和N₂O浓度（0.92）共同解释81.5%的通量变异。降水通过三重途径调控排放：增加深层气体浓度但抑制扩散；促进反硝化使N₂O进一步还原为N₂；通过提升MBC加速氮转化。

这项研究首次在野外尺度证实冬季降水对冻融期N₂O排放存在"浓度-通量解耦"效应，挑战了传统冻融模型的理论假设。发现湿润条件下虽然土壤N₂O产生量增加，但高水分导致的扩散限制和完整反硝化过程反而降低净排放，这一发现为寒区温室气体预算评估提供了新视角。研究强调未来模型需整合降水驱动的双向通量机制，同时指出管理春季融雪深度和土壤铵态氮或是减少寒区N₂O排放的关键抓手。Wangchen Zhang等的工作为理解气候变化背景下草原氮循环响应提供了重要的实证基础。