转自：气候变化与多年冻土
摘要
N2O是由土壤中同时发生的各种生物和化学过程产生的。N2O的产生途径主要是通过硝化作用【N2O是是铵（NH4+）氧化为硝酸盐（NO3-）的副产物】和反硝化作用【N2O是亚硝酸盐（NO2-）和NO3-还原为氮气（N2）的中间产物】。这两个过程相互关联，主要由温度、氧气可用性和底物可用性驱动，并且在生长季较短的高纬度生态系统中受到限制。因此，在多年冻土区，由于寒冷和潮湿的环境条件导致矿物氮的可用性有限，N2O的排放量通常被认为可以忽略不计。变暖会导致氮的分解、矿化和释放增加，这些氮以前被锁在富含有机质、以多年冻土为主的北极土壤中。添加这种释放的生物可利用氮可以作为增加N2O产量的底物。
植物对可用无机氮的激烈竞争可以减少植被区N2O的产生和排放。由于植物对氮的需求大于供给，植物最终吸收了大部分生物可利用氮。较高的微生物周转率（3-5天）导致土壤氮的重新分配，而植物由于其较低的周转率（1-3个月）从而缓慢积累了大部分可用氮。然而，在北极地区常见的无植被地区，维管植物消除了对氮的竞争，并且由于硝化和反硝化过程中无机氮的可用性增加，可能导致更高的N2O产量。
由于N2O的排放在景观尺度和微观尺度上具有很高的时空异质性，因此很难捕获。这在一定程度上是由于在好氧和厌氧土壤条件下同时产生N2O，这可以在高度复杂的土壤基质的微观尺度上同时发生。随着充水孔隙空间（WFPS）的增加，N2O的生成可以从硝化作用转变为不完全反硝化作用，前提是有足够的NO3−可用，并最终在土壤完全水饱和时以N2释放结束，从而限制了氧气的可用性。这些动态过程导致难以上推N2O预算，特别是在偏远的北极地区，因为数据收集活动可能很少。尽管如此，一些研究表明，多年冻土生态系统的N2O排放可能对全球N2O预算产生重大且日益增长的影响，每年贡献0.14-1.27 Tg N2O-N（占全球预算的7%）。升高的土壤温度和相关的水文变化可能有利于氮循环的增加。考虑到这种对变暖的潜在正反馈，需要更好地了解多年冻土区N2O动态对变暖和相关环境变化的响应。
尽管关于GHG通量的研究有很多，但在阿拉斯加北坡发表的N2O原位测量结果很少。阿拉斯加北坡是由湖泊、池塘、排水湖盆、排水高地苔原和有机碳、氮含量高的多边形苔原等一系列景观特征组成的，多边形苔原的特征是由冰楔的共同发育和生长造成的地表起伏。随着时间的推移，这些冰楔抬升了土壤区域，形成了山脊，形成了复杂的湿地，这些湿地具有独特的多边形图案，在地下水位的位置有所不同。
该地区的景观异质性部分归因于冻融动力学。特别是多边形苔原覆盖了北极沿海平原的65%，覆盖北极陆地的3%（~250,000 km2），可能会导致植被组成、水文、GHG动态和大范围GHG预算估计的显著变化。水文、冰楔动力学和冻融循环的复杂相互作用形成了高中心多边形，即突出在地下水位以上的土丘。低温扰动、融化过程、热侵蚀和水文变化会破坏和移动上覆土壤结构，破坏维管植物的生根结构，并导致高中心多边形退化。这可能会导致受热融喀斯特影响的高中心多边形特征，其土壤裸露和无植被（以下简称“热融喀斯特多边形”），这会增加氮的矿化率，并影响植物-微生物对无机氮的竞争。值得注意的是，阿拉斯加北坡景观的复杂特征镶嵌已被空气涡流协方差筛查确定为具有较高的N2O潜力，而源特征仍然未知。
1. 在阿拉斯加州Utqiaġvik以南的多边形苔原巴罗环境观测站（BEO）上使用静态箱技术估算了GHG通量。我们在生长季节（7月）对无植被区和有植被区的热融喀斯特多边形表面测量了N2O和CO2的通量（净生态系统交换NEE），以显示这些高纬度生态系统中两种主要GHG的综合气候强迫潜力（Fig. 1）。
2. （1）无植被区N2O排放量（中位数和平均值±标准误差分别为 104.7和187.7±17.4 μg N2O-N m−2 h−1）显著高于有植被区（中位数和平均值±标准误差分别为13.5和34.2±12.1 μg N2O-N m−2 h−1）。该地无植被区的N2O排放量比多年冻土湿地高出两个数量级以上（中位数和平均值分别为0.8和5.2 μg N2O-N m−2 h−1），并且远高于北极泥炭地和高地苔原（两者的中位数和平均值分别为2.5和24.8以及1.4和8.8 μg N2O m−2 h−1）。排放量也高于多年冻土无植被区的排放量（中位数和平均值分别为18 和42 μg N2O-N m−2 h−1），接近北极无植被泥炭地（~230 μg N2O-N m−2 h−1）和穹形泥炭丘泥沼（~270 μg N2O-N m−2 h−1）的平均N2O排放量。（2）NEE的测量结果表明，相对于白天有植被区的弱汇（中位数和平均值±标准误差分别为−7.7和−6.6±0.08 mg C-CO2 m−2 h−1），无植被区的CO2排放量明显更大（表现为源，中位数和平均值±标准误差分别为36.2和38.0±1.88 mg C-CO2 m−2 h−1）。这种差异可能主要是由于无植被区没有通过光合作用吸收CO2，只进行生态系统呼吸。有植被区和无植被区的CO2通量分别与之前估计的NEE和ER相似。在估算热融喀斯特多边形的GWP100时，CO2和N2O的综合效应（中位数和平均值±标准误差分别为64.58和89.07±6.6 mg CO2eq m−2 h−1）几乎是CO2单独作用的两倍。这种比较只反映了正午的情况，并没有考虑到CO2和N2O的日变化。如果考虑日变化，尽管N2O日变化是未知的，但是CO2排放的相对影响可能会更大（Fig. 2）。
3. 线性混合效应模型表明，无植被区较高的N2O排放量与较低的WFPS有关，并倾向于较高的温度。在植被区，WFPS和温度与N2O通量之间无显著相关。植被区和无植被区在排放模式上的差异可能部分是由于维管植物对无机氮的竞争减少、土壤温度相对温暖以及土壤通气性增强导致氧气可用性增加。无植被区土壤的容重（0.073±0.004 g cm−3）明显低于有植被区的容重（0.119±0.006 g cm−3），这可能会增加氧气渗透到土壤柱中的程度，从而更有利于硝化作用，至少在测量土壤含水量的顶部15 cm处。N2O排放量在顶部15 cm处的WFPS约为20%时达到峰值（Fig. 3）。
Fig. 4 | δ 15N, δ 13C and C:N ratio. Comparison of (a) δ 15 N (‰), (b) δ 13 C (‰), and (c) C:N ratio from soil samples with unvegetated and vegetated surface. Circles represent means and violin plots indicate the distribution of data. Asterisks indicate significance level: *p < 0.01; **p < 0.005; ***p < 0.001 (Two sample unpaired t-test).
