冻融循环对土壤温室气体排放的影响取决于冻结持续时间：一项元分析

《Pedobiologia》：Effects of freeze-thaw cycle on soil greenhouse gas emissions depend on freezing duration: a meta-analysis

全球变暖导致冻融循环（FTC）模式改变，本研究通过元分析55项研究中的726个观测数据，发现FTC显著增加土壤CO?（15.2%）和N?O（192%）排放，同时抑制CH?吸收（45.2%），但未显著影响CH?排放。主要驱动因素包括冻融持续时间、溶解有机碳/氮比例及微生物生物量。

　　

王颖|张海宁|尹丽明|丁俊霞|刘瑞强|何阳辉|周旭辉

中国哈尔滨市东北林业大学生态学院，教育部可持续森林生态系统管理重点实验室，碳中和研究所，邮编150040

摘要

预计全球变暖将改变永久冻土区的冻融循环（FTCs）。然而，温室气体（GHG）通量对冻融循环的响应模式仍不明确。通过对全球55项研究中的726个观测数据进行元分析，我们探讨了冻融循环对主要温室气体通量（即CO₂、CH₄和N₂O）影响的全球模式及其相关驱动因素。研究结果表明，冻融循环使CO₂和N₂O的排放量分别增加了15.2%和192%，显著抑制了CH₄的吸收量（减少了45.2%），但对CH₄的总体排放量没有显著影响。我们发现冻融循环对温室气体通量的影响具有不同的驱动因素。具体而言，冻结持续时间对CO₂和N₂O的影响最大。进一步分析表明，冻结持续时间主要通过增加溶解有机碳/溶解有机氮（DOC/DON）和微生物生物量碳/微生物生物量氮（MBC/MBN）来增加CO₂的排放量，而N₂O的排放量则随着冻结持续时间的延长和年平均温度（MAT）的升高而增加。这些结果表明，冻融循环对温室气体通量的影响在很大程度上取决于冻结持续时间。因此，将不同冻结持续时间下的温室气体通量动态纳入未来的建模框架可以提高对冰冻圈介导的碳-氮-气候反馈的预测准确性。

引言

预计2021年至2040年间，全球平均温度将上升1.5℃，这将对地球的未来产生不可逆转的影响，主要原因是大气中温室气体（如二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）浓度的增加（IPCC, 2023; He等人, 2017）。土壤是这些温室气体的重要来源，但大多数研究主要集中在生长季节的温室气体通量上（Zhao等人, 2024）。值得注意的是，高纬度、高海拔地区以及某些温带地区的土壤会经历反复的冻结和解冻过程，北半球约55%的陆地面积每年都会发生季节性冻结（Kreyling等人, 2008; Zhang等人, 2003）。预计的全球变暖可能会改变冻融循环的模式（Liu等人, 2024），并且土壤冻融的强度和频率可能会增加（Brooks等人, 2011; Campbell等人, 2010; Li等人, 2017）。然而，冻融循环对土壤温室气体排放的影响及其背后的机制仍不清楚。

先前的研究表明，在实验条件下，温室气体通量受到冻融强度和频率的影响（Yang等人, 2023; Zhang等人, 2022; Gao等人, 2021）。然而，温室气体的响应主要取决于土壤性质（如土壤有机碳（SOC）和总氮（TN）以及气候条件（如年平均温度（MAT）和年平均降水量（MAP），这些因素会影响养分可用性、微生物活动和土壤的物理化学性质（Ding等人, 2025; Zhao等人, 2024; Liu等人, 2024）。因此，在评估冻融循环对温室气体通量的贡献时，需要综合考虑背景因素和实验条件，以确定主要调节因素及其相对重要性。

冻融循环可能会破坏土壤团聚体结构，损害植物根系，并影响土壤微生物，从而导致土壤可溶性养分的释放增加（Leuther和Schlüter, 2021; Liu等人, 2023; Xiao等人, 2019; Yang等人, 2023）。养分的增加为微生物提供了更多的可利用底物，可能会改变微生物群落组成并影响温室气体通量（Gillespie等人, 2023; Gao等人, 2018; Rooney等人, 2022; Song等人, 2017）。由此导致的温室气体通量增加会加剧全球变暖，并可能进一步加剧土壤碳和氮气排放（Sun等人, 2025）。

多项研究表明，冻融循环在调节大气中的温室气体通量方面起着重要作用。大约45%的年CO₂排放发生在冻融期间，而CH₄排放占冻融期间年通量的23.5%-36.9%。此外，超过50%-70%的N₂O排放可能来自冻融过程（Haro等人, 2019）。现在人们普遍认为，温室气体通量的增加是冻融循环的常见后果（Gao等人, 2018; Ji等人, 2022; Liu等人, 2024; Song等人, 2017; Zhao等人, 2024），但不同研究中调节这些排放的主要因素存在显著差异。先前的研究报道，高冻融强度显著增加了N₂O和CO₂的排放，这主要是由于土壤中溶解有机碳（DOC）、氮和硝酸盐浓度的变化（Kong等人, 2025）。另一项元分析也表明，严重的冻结（即较低的冻结温度）会增强土壤呼吸作用（Zhao等人, 2024）。尽管已有研究探讨了冻融循环对温室气体通量的影响，但不同冻融条件下温室气体通量的全球响应及其背后的机制仍不完全清楚。这一知识空白对于准确评估和预测未来气候变化背景下的全球温室气体通量至关重要。

在这里，我们汇编了来自55篇同行评审出版物的726个观测数据，以回答两个关键问题：（1）温室气体通量对冻融循环的总体响应模式是什么，其主要驱动因素是什么；（2）不同温室气体对冻融循环的响应机制是什么，这些主要驱动因素之间是否存在差异？通过综合这些数据，我们旨在（i）确定温室气体通量对冻融循环的普遍响应；（ii）阐明不同温室气体对冻融循环的具体响应机制。

数据收集

我们通过搜索Web of Science（https://apps.webofknowledge.com/）和中国国家知识基础设施（CNKI，http://www.cnki.net），使用关键词“freeze thaw carbon dioxide or CO₂ or nitrous oxide or N₂O or methane or CH₄ or greenhouse gas”收集了2025年之前发表的同行评审期刊文章中的数据。共从55篇出版物中收集到726个观测数据（见补充表S1）。选定研究地点的全球分布如图S1所示。

冻融循环对土壤温室气体通量、土壤养分和微生物性质的影响

对于气体通量，冻融循环使土壤CO₂通量增加了15.2%，N₂O通量增加了192%，其95%的置信区间（CIs）不与零重叠（图1），表明冻融循环对这两种气体有显著的正面影响。冻融循环下土壤对CH₄的吸收量显著减少了45.2%，而CH₄的排放量没有显著变化（图1）。

此外，我们的结果表明，冻融循环的模式在很大程度上决定了其对CO₂、N₂O和CH₄的影响程度。

温室气体通量对冻融循环的不同响应

本研究基于55篇出版物和726个观测数据进行了元分析，系统评估了冻融循环对土壤CO₂、N₂O和CH₄（排放和吸收）的影响。结果表明，冻融循环使CO₂和N₂O的排放量分别增加了15.2%和192%，而CH₄的吸收量减少了45.2%（图1）。相比之下，冻融循环对CH₄的总体排放量没有显著影响（图1）。这些结果与之前的元分析结果一致（Gao等人，

结论

通过元分析，我们的研究了冻融循环对温室气体通量的影响及其背后的机制。结果表明，冻融循环显著增加了CO₂和N₂O的排放量，同时减少了CH₄的吸收量。冻结持续时间在冻融循环对温室气体通量的影响中起着关键作用。冻结持续时间通过改变可溶性底物C和N的比例以及微生物C和N的比例来影响CO₂的释放。随着冻结持续时间的延长，N₂O的通量也增加了。

未引用的参考文献

(Margesin和Miteva, 2011; Myrold和Tiedje, 1986; Patel等人, 2021; Song等人, 2008; Yang等人, 2023; Yang等人, 2023; Yu等人, 2010)

CRediT作者贡献声明

丁俊霞：写作 – 审稿与编辑。尹丽明：写作 – 审稿与编辑。张海宁：调查、数据管理。王颖：写作 – 初稿撰写、可视化、方法论设计、调查、数据分析、概念化。周旭辉：资金获取。何阳辉：写作 – 审稿与编辑、资金获取、概念化。刘瑞强：写作 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢为本元分析提供已发表数据的研究人员的工作。本研究得到了国家自然科学基金（32271713, 32241032）和黑龙江省头雁创新团队计划（森林碳汇评估与碳封存管理创新团队）的财政支持。支持本研究所有发现的数据均可在补充材料中找到。