東北地理所李祿軍研究員團隊揭示凍融期間長期農業管理措施調控黑土農田溫室氣體排放
在北方季節性凍融區，反復的凍融作用可改變土壤理化與微生物性質，破壞團聚體結構，導致微生物細胞裂解，并釋放大量活性碳氮。尤其在秋凍與春融的關鍵轉換期，底物釋放及微生物群落結構重組強烈影響溫室氣體的排放速率與組成。然而，現有研究多集中于土壤融解階段，對凍結過程及完整凍融周期的系統認識仍顯不足。特別是在農業管理背景下，長期施肥與種植制度的差異如何通過改變土壤屬性進而調控凍融期間的溫室氣體排放，尚不明確。針對這一問題，中國科學院東北地理與農業生態研究所李祿軍研究員團隊以東北黑土農田為研究對象，基于長期施肥與種植制度定位監測平臺，在土壤凍結初期、凍結后期、完全凍結期、融解初期和融解后期五個凍融關鍵階段，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的排放動態，及其與土壤理化性質和微生物屬性變化之間的內在聯系。
研究發現，土壤CO2排放速率在凍結期呈“駝峰型”動態，融解期逐漸上升，其累積排放量主要發生在秋季凍結與春季融解階段（圖1a-c）；CH4排放動態與CO2相似，融解期累積排放量較凍結期增加266%，整個凍融期間土壤表現為CH4的凈吸收（圖1d-f）；N2O排放呈現顯著的“脈沖式”特征，其在融解期的累積排放量顯著高于凍結期（圖1i-k）。在整個凍融期間，土壤CO2、CH4和N2O排放主要受到土壤溫度波動和水分相變的驅動，同時也受到土壤團聚體穩定性、碳氮有效性及微生物群落變化的綜合調控（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顯著的負相關（圖3），表明該期間土壤資源與微生物需求之間的化學計量失衡的緩解，觸發了融解期間CO2、CH4和N2O的脈沖式排放。
圖1凍融期間土壤CO2、CH4和N2O排放的動態變化
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），這一差異主要歸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構（更高的F:B與G+:G-比）（圖2）。與輪作制度相比，長期玉米連作導致土壤底物質量下降、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，土壤初始底物質量、微生物群落結構及其對凍融響應的環境驅動因子共同調控著凍融期間溫室氣體的排放動態。該研究為通過優化農田管理措施減輕非生長季的氣候影響提供了田間實證依據。
相關論文以“Freeze-thaw?induced greenhouse gas emissions from a Mollisol agroecosystem: Microbial and edaphic regulation under long-term agricultural management”為題，在線發表于國際學術期刊Soil &Tillage Research。論文第一作者為中國科學院東北地理與農業生態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，張志明項目高級工程師，在讀博士生周健穎，臺州學院劉明慧副教授，以及東北地理所張士秀項目研究員。該研究獲得了國家自然科學基金、黑龍江省重點研發計劃（創新基地）及教育部寒地黑土生境健康國際合作聯合實驗室開放基金的共同資助。
圖2. 土壤初始屬性與CO2、CH4和N2O累積排放量的關系
圖3多個預測因子對土壤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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