内蒙古典型草原土壤不同剖面深度CO2 通量格局及其驱动因子

内蒙古典型草原土壤不同剖面深度CO2 通量格局及其驱动因子 张智才*，刘峻杉，朱锴，陶岩，邵振艳，田玉强 北京师范大学资源学院//地 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875 摘要：土壤CO2的释放能够显著增加大气中CO2的浓度，增强温室效应，从而对全球气候和环境变化产生重要影响。但是，不同的土壤层对CO2通量的贡献量有很大的差异。文章通过挖坑法结合红外气体分析法研究了内蒙古草原典型针茅(Stipa krylovii)群落和羊草(Leymus chinensis)群落不同剖面深度土壤CO2通量格局以及影响CO2通量的驱动因素。结果表明，表层土壤移走后，土壤CO2通量的变化可分为瞬时、短期、长期三种格局。新剖面上最初的0~21 min内释放的CO2通量均大于初始土壤表层CO2通量，而且两者比值随土壤深度增加而增大，也随土壤CO2生产能力增强而增大。2~4 d后，新剖面CO2通量持续下降至低于初始土壤表层CO2通量的水平，形成短期稳定状态。更长时间后，新剖面则逐渐表现出与初始土壤剖面表层相近的CO2通量特征。我们认为，（1）在新剖面形成时的CO2通量瞬时和短期格局主要受土壤中存留的原始CO2的浓度及其扩散过程控制，（2）长期格局则由资源水平和环境条件共同决定的土壤CO2生产能力主导。文章进一步揭示了建立包含垂直分层的SOC分解和CO2扩散过程的生态系统模型的必要性。 关键词：土壤呼吸；二氧化碳通量；土地利用；土壤结构；生态系统模型 中图分类号：X144        文献标识码：A        文章编号：1672-2175（2008）05-2024-07 CO2浓度的变化对全球气候变暖可能带来的影响在过去20多年间引起了科学家们的密切注意，碳循环成为一个热点研究问题[1-4]。土壤含有大于陆地植物碳库两倍的碳储量，是全球碳循环的第二大碳库[5]。土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的主要环节，也是人类活动影响大气CO2浓度升高的关键生态学过程[6-7]。 目前，研究人员在地表土壤呼吸通量[8-11]和土壤有机碳储量[12-15]方面的研究做了大量的工作，对比了不同土地利用方式对土壤呼吸的影响[16-17]，揭示了土地利用及其变化对土壤有机碳储量的影响[18]。对土壤呼吸的研究主要集中在土壤表层CO2通量的测量，而土壤有机碳库的研究则集中于土壤剖面一定深度内的资源总量，因此目前对不同层次土壤资源对土壤CO2通量的贡献率方面了解非常有限。 对土壤的扰动能改变土壤局部小气候与土壤物理特性强烈的交互作用，使本来受到团聚体保护的土壤有机质得以暴露，这可能是加快SOM降解的主要因素之一[19]。Reicosky等[20-21]研究了农田机械耕作对土壤CO2排放的影响，提出翻耕土壤比未翻耕土壤损失CO2更多，土壤翻耕深度越大，土壤累积CO2损失就越大。但是土壤不同剖面深度对土壤CO2通量的影响的相关研究目前却很少见[22]。 针对以上问题，本文研究了内蒙古半干旱典型草原针茅群落和羊草群落表层土壤移走后，不同剖面深度CO2通量的格局变化，探讨了不同阶段土壤呼吸的控制因素，为建立更加机理性的、能反映存在土壤扰动和土地利用方式变化下的土壤CO2排放模型提供依据。 1  研究地点和方法 1.1  研究地点 研究地点选在内蒙古自治区锡林郭勒盟的北京师范大学太仆寺旗实验基地。地理坐标为 42 03′55″—10′37″N，115 20′32″—29′43″E。太仆寺旗处于中温带半干旱地区的内蒙古高原南缘农牧交错脆弱生态区内，属我国北方典型的农牧交错带。近35年来平均气温2.1 ℃，年均降水量384.4 mm，年均风速3.3 m·s-1，土壤以栗钙土为主，质地较粗，富含沙和砾石，土壤有机质含量低[23]。本研究选择两个样地：针茅群落和羊草群落，相距约500 m。针茅群落，优势种为克氏针茅（Stipa krylovii），同时伴生有冷蒿和小叶锦鸡儿。植被覆盖率约30%，草高30~50 cm；0~30 cm土壤层以含粉沙为主。羊草群落，在一个滩地上，水分含量较针茅群落高，优势种为羊草（Leymus chinensis），同时伴生碱蒿和芨芨草，植被覆盖率达约90%，草高30~40 cm；芨芨草丛可达150 cm；0~100 cm土壤层以含粉沙为主，30~50 cm处有一个碱土层。 1.2  研究方法 在样地挖掘三个不同深度的土壤剖面（移走土壤表层的土），坑的规格是2 m×2 m，分别是深度为-10 cm、-20 cm和-30 cm的三个样方。在土壤剖面被挖掘后迅速对其进行土壤呼吸的测量，一个土壤坑一个样方，测量土壤呼吸通量基本达到平衡时再结束，时间大致在2小时左右，根据具体的变化而定。 本试验是从2007年7月9日开始，对两个样地进行同样的试验，每个样地每个深度为一个样方，在每个样方在挖掘第1天、第2天、第3天、第4天连续测量。并在8月23日、24日、8月25日和10月24日再次测量原址的土壤CO2通量，测量土壤CO2通量的试验期间塑料环都不移动，环内除了有少量的降尘外，没有植物生长。在测量样方的同时，取样测量相邻近5 m内土壤表层CO2通量。 （1）土壤呼吸测量方法 用LI-8100测量：CO2通量测定仪采用Li-COR公司的LI-8100闭路式土壤碳通量自动测量系统。 在土壤坑开挖之前，首先剪去草本植物的地上部分，移走表层凋落物，再将LI-8100专用塑料环插入土层3 cm左右，砸实外圈土壤并用土覆盖1~2 cm以防漏气，测量土壤表层的CO2通量，每个样方测量一次土壤表层CO2通量。 随即快速挖掘土壤坑，并平整土面，安放好塑料环，立刻测量，为达到瞬时测量的效果。从开挖到开始获取数据，整个过程不超过30 min。从挖好剖面，土面平整、安放塑料环到获取第一个数据，控制在5 min之内。每3 min取一个CO2通量数据，连续测量2小时，直到土壤CO2通量达到相对平稳。除第一次测量为两小时外，其他几次测量的取样数据6~20个不等，时间大约20~60分钟。为了减少土壤CO2通量日变化的影响，每个样方取样都是在每天一定的时间点。 （2）土壤养分以及植物生物量的测量 土壤养分取样用挖剖面的方法，分别是每个样地用挖剖面法取三个样方，深100 cm，合并为一个样品，取样土层分别是：0~10、10~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm。土壤样品土壤有机碳由北京林业大学土壤研究室分析，土壤有机碳测量用重铬酸钾容量—外加热法。生物量包括地上植物的绿色部分、枯立部分和凋落物部分，每次取三个样方的平均数。 （3）其它 测定地点的土壤温度由红外CO2分析仪LI-8100在测定土壤呼吸速率的同时进行测定。CO2通量数据计算和作图用Excel2003完成，渐近线拟合和相关性检验用Spss13.0和SigmaPlot10.0完成。 2  结果 2.1  土壤有机质 两个样地所处地形相差很大，土壤水分和地上植被不同，土壤养分含量也有很大差别，如表1所示，羊草群落的SOM（土壤有机质）含量最高，表层0~10 cm分别达到28.98 ，10~20 cm土层有机质含量分别为25.6 ，在0~40 cm土层中有机质占0~100 cm土层的79%，针茅群落约87%。羊草群落的生物量比针茅群落稍大。 表1  生物量和土壤养分 Table 1  biomass and soil SOM 样地 生物量/(g·m-2) 土壤深度/cm 土壤有机质/(g·kg-1) 针茅群落 113.26 0~10 28.23 10~20 17.90 20~40 9.37 40~60 5.11 60~80 2.68 80~100 0.69 羊草群落 144.42 0~10 28.98 10~20 25.60 20~40 12.39 40~60 9.60 60~80 6.46 80~100 2.16         2.2  不同深度土层移走后土壤CO2通量的瞬时变化 土壤表层被移走对土壤CO2通量的影响是非常大（图1和图2）。针茅群落在土壤层被移走前，三个样方（-10 cm、-20 cm、-30 cm）的土壤表层CO2通量分别是：（0.97±0.18） （均值± 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 偏差，后同；n=34）、（1.66±0.15） (n=15)和（1.12±0.12） (n=12)。在土壤层被移走后，土壤CO2通量迅速增加，瞬时CO2释放量可以分为三个阶段（经对比检验，三个阶段呈显著差别，图1），以-10 cm样方为例，第一阶段为0~21 min，通量从1.52 降到1.26 ，降幅达17%；第二阶段为21~72 min，第72 min才降到1.08 ，降幅达14%；第三阶段为72~120 min，到第120 min 为0.83 ，第138 min为0.83 ，基本达到瞬时平衡状态。-20 cm和-30 cm样方均存在这样三个阶段的变化。 羊草群落在土壤层被移走前三个样方（-10 cm、-20 cm、-30 cm）的土壤表层CO2通量分别是：（3.67±0.65） （n=35）、（3.09±0.52） (n=20)和（3.42±0.72） (n=22)。在土壤层被移走后，CO2的瞬时释放量也分为三个阶段（图2），0~21 min是急剧下降，如-20 cm样方开始3min内通量14.76 ，但在第21 min测量的数据就减少到了7.36 ，第二阶段的下降速率稍微减缓，到72 min测量是5.02 ，缩小到了开始3 min的三分之一，此后在72~120 min变化非常缓慢，处于一个相对平稳的阶段，可以认为在短期内变化不是很大，达到瞬时的平衡。 图1  针茅群落不同土壤剖面深度CO2瞬时释放量及其拟合效果 Fig. 1  CO2instantaneous flux and Fitting results in Stipa krylovii community at different soil depths (10 cm,20 cm and 30 cm are three samples) 土壤层被移走后CO2通量在2 h左右到达相对平稳（称之为瞬时平衡），向某一个平衡数值逼近，其曲线可以用下列公式拟合： （1） 式中t表示时间（单位：min），y表示土壤CO2通量，b1、b2、b3是拟合系数，其中b1是渐进线，也就是在2 h内达到平衡状态的CO2通量。 图3  针茅群落不同土壤剖面深度CO2通量的短期和长期格局 （10 cm、20 cm、30 cm分别表示-10 cm、-20 cm、-30 cm三个样方；垂直线段为标准偏差（n=6~20）） Fig. 3  CO2 flux pattern of short-term and long-term in Stipa krylovii community at different soil depths (10 cm, 20 cm and 30 cm are three samples, vertical short line is STDEV(n=6~20) ) 用公式（1）对针茅群落和羊草群落的三个样方土壤CO2通量随时间的变化进行拟合（图1和图2），得到b1、b2、b3如下： 从表2可以看出两个样地的b1的值（也就是瞬时平衡的土壤CO2通量），羊草群落要比针茅群落要高很多。 表2  土壤CO2瞬时格局的渐近线函数拟合 Table 2  Asymptote function fitting of soil CO2 flux in instantaneous 样地 样方 b1 b2 b3 R2 针茅群落 -10cm 0.88 0.764 -0.021 0.85 -20cm 1.575 2.605 -0.043 0.90 -30cm 1.285 1.634 -0.039 0.88 羊草群落 -10cm 7.518 5.216 -0.069 0.34 -20cm 5.395 11.814 -0.085 0.86 -30cm 5.972 9.462 -0.023 0.89             土壤瞬时CO2释放量的计算方法：用积分法计算累积CO2释放总量。由于并不是每一个样方的取样都是120 min，对少于120 min的，或者中间有少量数据缺失的，先用Spss13.0拟合曲线，然后用拟合曲线的预测值填补实测值的空缺，最后累加120 min内释放的CO2的总量。 在初始的120 min内，针茅群落的-10 cm、-20 cm、-30 cm三个样方分别释放CO2为0.36 、0.65 和0.51 。而此段时间（用剖面开挖前测量值近似替代），土壤表层CO2通量是1.25 （n=61），120 min内的释放CO2只有0.40 。 图2  羊草群落不同土壤剖面深度CO2瞬时释放量及其拟合效果 （横轴获取CO2通量数据的时间，10实测表示-10 cm样方， 依次类推是-20 cm和-30 cm样方） Fig. 1  CO2 instantaneous flux and Fitting results in Leymus chinensis community at different soil depths (10 cm, 20 cm and 30 cm are three samples ) 而羊草群落的三个样方（-10 cm、-20 cm、-30 cm）分别释放CO2为2.56 、2.03 和2.88 。而此段时间，土壤表层呼吸通量是3.39 （n=77），120 min内的释放CO2只有1.07 。 2.3  不同深度土层移走后土壤CO2通量短期和长期变化 从第2天开始，各个样方普遍低于原土壤表层的土壤CO2通量（如图3和图4），在随后的第3天、第4天的CO2通量继续下降，针茅群落下降的速度比羊草群落要大。 图4  羊草群落不同土壤剖面深度CO2通量的短期和长期格局 （10 cm、20 cm、30 cm分别表示-10 cm、-20 cm、-30 cm三个样方；垂直线段为标准偏差（n=6~20）） Fig. 4  CO2 flux pattern of short-term and long-term in Leymus chinensis community at different soil depths (10 cm, 20 cm and 30 cm are three samples, vertical short line is STDEV(n=6~20) ) 针茅群落在随后的第43天和第44天里，土壤呼吸依然保持低通量，但是比第4天要高。在第104天测量时土壤呼吸比同期土壤表层CO2通量0.7 要低，这时候-10 cm的地温从第5天的18 ℃左右、第44天的20 ℃左右降到了约6 ℃。-10 cm、-20 cm、-30 cm样方均没有同一时期土壤表层CO2通量高，也没有土壤层移走前土壤表层CO2通量高。 羊草群落在随后的第44天、第45天、第46天里，与针茅样地一样，土壤CO2还是处于低通量，低于原土壤表层CO2通量。在第104天低于原土壤表层CO2通量，也比同期的土壤表层CO2通量0.63 要低，这时候-10cm的地温已经从第6天的22 ℃左右、第46天的17 ℃左右降到了第104天的7 ℃。 3  结论与讨论 土壤表层移走后，底层土壤直接暴露于空气中，CO2通量急剧上升，基本上可以分为三个阶段。第一个阶段是0~21 min，急剧下降，第二阶段21~72 min下降幅度较为平缓，第三阶段72~120 min达到相对的瞬时平衡。且在这里120 min内的CO2通量变化可以用公式拟合，成渐近线趋势，相关性比较好。Reicosky等[21]研究不同深度的翻耕后瞬时CO2通量的变化，得出从翻耕后0.5 min开始连续测量到5 h，分为两个阶段0.5 min~0.22 h为快速下降时期，0.22~5 h为缓慢下降阶段，本研究结果与Reicosky的结果类似。 土壤被移走土层越厚，瞬时CO2通量在0-21 min内比土壤表层CO2通量增加量越大，-30 cm、-20 cm和-10 cm的土壤CO2通量与土壤表层CO2通量的比：针茅群落是2.1:1>1.9:1>1.5:1，羊草群落是3.8:1>3.2:1>2.8:1。这可能是由深层土壤空气CO2浓度更高引起的，土壤深度增加，CO2浓度也在随之增加。梁福源[24]用埋管法测CO2浓度，20 cm为0.43%~0.55%，40 cm为0.50%~0.66%，60 cm为0.51%~0.73%。不同土壤剖面深度释放的CO2有很大的差别，土壤空气中CO2浓度高使得瞬时CO2释放量更大。 在初始的120 min内，-10 cm、-20 cm、-30 cm三个样方，针茅群落释放CO2为0.36 、0.65 和0.51，而几乎同一时期，土壤表层CO2通量在120 min内的释放CO2是0.40 ，与三个样方的量相差不大，而且还比-10 cm样方要多，原因有两个：一个可能是针茅群落的土壤CO2扩散性能比较强，土壤层内CO2浓度不是很高，散失很快；第二个可能是因为针茅草原的土壤根系等大部分集中在土壤表层，移走表层对CO2通量影响很大，深层土壤对CO2通量贡献不是很大。而在羊草群落三个样方分别释放CO2为2.56 、2.03 和2.88 ，远大于土壤表层释放CO2的1.07 。 土壤表层CO2通量越大，其瞬时平衡的CO2通量也越大。从图4中我们可以看出土壤表层CO2通量在三个样方中大小排列是：-10 cm>-30 cm>-20 cm；而从表2中的b1中渐近线的数值大小排列是也是：-10 cm>-30 cm>-20 cm。这与针茅样地类似，针茅样地土壤表层CO2通量依次：-20 cm>-30 cm>-10 cm，其b1渐近线的数值也是-20 cm>-30 cm>-10 cm（图4和表2）。 土壤层被移走后，原存储在土壤空气中的CO2会大量释放，短期内CO2通量变化很大，在随后的第2、3、4天里，CO2通量连续下降，这说明头两个小时，乃至于短期的几天内一部分CO2通量是靠存储在土壤空气中的CO2维持，由于土壤空气存储CO2有限，致使CO2通量逐渐下降，短期内土壤温度、土壤水分和土壤有机质的变化对CO2通量的影响很小。 同理第40天左右和第104天各个样方中，CO2通量比同一时期土壤表层要低，这可能因为土壤内空气存储的CO2在前期消耗很大，土壤-大气的浓度差减小，土壤CO2通量的影响因子主要是土壤有机碳等资源水平以及环境因子，而此时资源水平和环境因子都比土壤表层要弱，成为土壤CO2通量的主导因素。Winkler[25]研究显示在120天的培养实验里，直接暴露的不同剖面层全碳下降1%~3%。在本研究的长期状态下，土壤温度和土壤有机碳等成为控制因子[26]。 影响土壤CO2通量的因素主要有以下四个方面：1、土壤阻力（图5），假如土壤均匀，那么土壤阻力将是从原点出发的一条直线，土壤-大气界面阻力为零；2、土壤资源水平，包括土壤有机质[27]、植物根系[28]和土壤生物[29]，从土壤表层往下锐减（如有机质，表1所示），可视为CO2释放量的本底资源；3、土壤的CO2生产量，影响因素土壤的CO2生产量的主要有土壤资源水平和土壤的温度[30，31]、土壤含水量[32，33]等，与土壤资源水平一样，土壤剖面中CO2的生产是随土壤深度增加而减少；4、土壤中空气的CO2浓度，从大气-土壤界面有一个CO2扩散过程，越往土壤深处CO2浓度越大[34]。 图5  影响土壤CO2通量的主要因素随土壤深度变化的示意 (①土壤阻力；②土壤资源水平；③土壤CO2生产量；④土壤CO2浓度） Fig. 5  The sketch of the main factors change of impact soil CO2 flux with soil depths (①Soil resistance；②soil resource level；③soil CO2 production；④soil CO2 concentration） 当土壤层未移走前，土壤CO2通量曲线如图6①所示，移走土层后，土壤剖面的挖掘破坏了土壤的结构时，使得低层土壤直接暴露在大气中，低层土壤与大气间的土壤阻力瞬间下降，大气-土壤之间CO2浓度差增大，大量土壤孔隙中聚集的CO2直接的释放，因此土壤被破坏的瞬时CO2通量增加很大（图6②），但是此后的4天内CO2通量快速下降（图6中从②到③），大部分的CO2排放都是来源于由土壤孔隙物理性封存的CO2，此时低层土壤CO2的生产量变化不大，因为资源水平几乎不变，只是温度和水分有些变化。 图6  土层扰动对土壤CO2通量影响的示意 (①土壤扰动前CO2通量；②土壤扰动后瞬时通量； ③土壤扰动后几天-几个月通量；④土壤扰动后的恢复水平） Fig. 6 Impact sketch of soil CO2 flux under soil disturbance (①CO2 flux before soil disturbance;②CO2 instantaneous flux after soil disturbance; ③several days or months flux after soil disturbance; ④Resumption level after soil disturbance） 在此后在未来的一个月或者三个月，土壤CO2通量将逐渐由四大因素（图5）共同起主要作用，本研究由于季节的变化，主要由温度占主导因素。而土壤剖面CO2通量曲线从图6中③到④将是一个很漫长的过程，有可能几年、几十年，如果条件恶劣的话，引起土壤严重退化，可能再也不能恢复到图6①曲线的通量。 本研究通过移走不同深度的土壤表层，把底土直接暴露在空气中，对不同时间CO2通量的动态变化进行研究，并对同期影响土壤CO2通量的驱动因子进行了探讨。为下一步建立包含土壤垂直分层的SOC分解和CO2扩散过程的生态系统模型提供必要的先期探索，以更精确的模拟土壤CO2的排放过程。 参考文献： [1] JENKINSON D S, ADAMS D E, WILD A. 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