泥炭地储存了全球土壤10-30%的总有机氮和总有机碳，对全球温室气体N2O、CH4和CO2的释放影响重大。自人类世（Anthropocene）以来，北方季节性冻土区泥炭地以地球平均升温速率两倍的速度（每10年0.6°C）升温。升温引起氮矿化速度加快，导致冻土区泥炭地大量非活性氮变为生物可利用态氮，并进入微生物氮循环过程。越来越多的证据表明，北极和亚北极地区永久冻土区泥炭地已经融化并释放大量N2O。与活跃层融化的永久冻土相比，季节性冻土区泥炭地在土壤剖面中融化过程更强烈，具有更大的氧化还原电位梯度，因此可能释放更多的N2O。基于以上分析，我们提出科学假设：季节性冻土区泥炭地是N2O释放的“热区”，而融化时期是每年N2O释放的“热时”。
图1 采样时间和土壤剖面实景照片
研究发现，季节性冻土区泥炭地在春季土壤融化时期的N2O排放通量为1.20±0.82 mg m-2 d-1，显著高于其他时期和同纬度的其他生态系统，甚至高于全球最大的天然陆地N2O释放源——热带森林。15N-18O同位素示踪和抑制剂联用研究结果显示，细菌和真菌反硝化作用（83.1±8.4%）是泥炭地剖面（0–200 cm）N2O的主要微生物来源。宏基因和宏转录组测序技术进一步分析表明，季节性冻土区泥炭地具有较高的N2O产生潜力，冻融作用显著刺激了N2O产生基因的表达，加强了N2O产生微生物之间的互作关系，从而导致了春季融化时期N2O的大量产生，融化时期大量的N2O释放使得季节性冻土区泥炭地成为了一个重要的N2O排放源。这项研究提供了关于季节性冻土区泥炭地解冻后潜在氮释放的新见解，并为地球系统模型提供了重要信息，从而能够更好地预测气候变暖条件下北方泥炭地的生物地球化学循环。
图2 样点和区域尺度上季节性动土区炭地N2O释放通量
随着全球气候变暖的加剧，泥炭地中碳降解和氮矿化速率将大幅增加。我们的研究表明，季节性冻土区泥炭地“热时”时期N2O的排放将加剧变暖效应，可能使泥炭地成为一个净“加热源”。人类生产活动与自然环境变化都可能加速这种效应。因此，保护泥炭地对于全球生态安全和气候变化至关重要。
研究成果发表于微生物生态TOP期刊The ISME Journal，并受Nature Portfolio Communities邀请发表评述：Behind the paper of “Hot moment of N2O emissions in seasonally frozen peatlands”。中国科学院生态环境研究中心博士毕业生王晓敏为论文的第一作者，祝贵兵研究员为通讯作者。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41396-023-01389-x
环境水质学国家重点实验室
2023年3月13日