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生態(tài)系統呼吸（Re）和甲烷（CH4）通量是兩個(gè)重要的土壤-大氣碳交換過(guò)程，已經(jīng)在局地尺度上得到充分記錄。然而，在流域尺度上，對青藏高原多年凍土區這些過(guò)程的空間格局和控制因素尚不清楚。
基于此，為了填補研究空白，在本研究中，來(lái)自四川大學(xué)、中國科學(xué)院成都山地災害與環(huán)境研究所、山西農業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院和西南民族大學(xué)青藏高原研究所的研究團隊在青藏高原風(fēng)火山（34°40′-34°46′ N和92°50′–92°62′ E；4580-5410 m a.s.l.；圖1a）測量了兩個(gè)生長(cháng)季節（2017年和2018年）不同坡向（北向（陰坡）和南向（陽(yáng)坡））和不同海拔（低、中和高坡位）的生態(tài)系統呼吸（Re）和CH4通量，旨在闡明青藏高原草地流域尺度的Re和CH4通量模式并量化生物和非生物因子調節Re和CH4通量的相對貢獻。
作者利用LGR UGGA便攜式溫室氣體分析儀+PS-3000便攜式土壤呼吸系統（北京理加聯(lián)合科技有限公司）+SC-11便攜式呼吸室（北京理加聯(lián)合科技有限公司）于2017年和2018年生長(cháng)季節（6-12月）每30天測量一次Re和CH4通量。同時(shí)，還測量了土壤溫度、體積含水量、地上生物量和地下生物量、土壤有機質(zhì)、pH、土壤全氮、土壤容重、溶解性有機碳、微生物量碳、微生物量氮、土壤蔗糖酶活性、NH4+-N和NO3--N濃度。
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圖1 西藏高寒草地研究區和樣地位置。
（a）青藏高原植被類(lèi)型圖顯示了研究區位置。
（b）2個(gè)溝谷的2個(gè)坡向的3個(gè)海拔位置的18個(gè)研究地塊。
（c）山坡上的高寒草甸。
（d）陽(yáng)坡低坡位的高寒沼澤草甸。
【結果】
微生物因子對高寒草地流域Re空間變異具有控制作用。在高海拔陰坡位置，較低的土壤溫度和土壤有機質(zhì)含量降低了土壤微生物活性，從而抑制了Re的產(chǎn)生。作者發(fā)現高寒草地是大氣CH4的凈匯，流域內平均CH4通量率表現出很大的空間變異性，范圍為-1.6~-10.48μg CH4 m-2 h-1。土壤體積含水量的空間變異解釋了流域內76%的CH4通量變異。作者認為在高寒草地流域，永凍層對水文狀況的影響可能會(huì )增加土壤水分（土壤體積含水量和充水孔隙空間）的空間變異性，通常在Re和CH4吸收受到抑制的低坡位形成排水不良的地貌。結果強調了地形和永凍層通過(guò)對生物物理化學(xué)因子的影響間接影響著(zhù)Re和CH4通量。作者建議在地球系統模型中應重視青藏高原草地流域尺度上Re和CH4通量的空間變異性，尤其是CH4通量隨海拔位置的變異性。
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圖2 兩個(gè)生長(cháng)季節生態(tài)系統呼吸（Re）速率（a-c）和CH4通量（d-f）及其范圍（g和h）的季節性變化。
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圖3生態(tài)系統呼吸（Re）和生物物理化學(xué)因子之間的關(guān)系。
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圖4 變異劃分分析（a）和結構方程模型（b）研究了驅動(dòng)因素對生態(tài)系統呼吸（Re）的多變量影響。圖（a）中，ST代表土壤溫度，SOM代表土壤有機質(zhì)。圖（b）中，實(shí)線(xiàn)箭頭表示顯著(zhù)相關(guān)（P＜0.05）；虛線(xiàn)箭頭表示無(wú)顯著(zhù)相關(guān)（P＞0.05）；箭頭寬度與關(guān)系強度成正比。多層矩形表示土壤有機質(zhì)和微生物因子的主成分分析的第一成分；土壤有機質(zhì)包括土壤有機碳（SOC）和土壤全氮（STN），微生物因子包括微生物量碳（MBC），微生物量氮（MBN）和蔗糖酶活性。
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圖5 CH4通量率和土壤溫度（a）、土壤體積含水量（b）、充水孔隙度、NH4+-N（d）和NO3—N（e）之間的關(guān)系。
【結論】
為期兩年的西藏高寒草地野外研究發(fā)現，由于流域內溝壑斜坡沿線(xiàn)的土壤水分差異，海拔位置顯著(zhù)影響CH4通量。在流域尺度上，生物和微生物因子相互作用影響Re，微生物因子對Re具有直接調控作用。研究結果表明，在山坡水文中永凍層可能會(huì )進(jìn)一步增加土壤水分的空間異質(zhì)性，這可能會(huì )改變高寒草地的碳交換，尤其是考慮到低坡CH4凈吸收率弱于其他坡位。這些發(fā)現對于估算西藏多年凍土區山地的碳交換具有重要指示意義。山地覆蓋了青藏高原約60.58%的區域，忽視流域尺度Re和CH4通量的空間變異性可能會(huì )誤導對碳交換的評估。因此，作者建議在地球系統模式中應該考慮流域尺度Re和CH4通量的空間變異性，以改進(jìn)對西藏高寒草地碳交換的評估。
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西藏高寒草地生態(tài)系統呼吸與甲烷通量的流域尺度格局及控制因素