長(zhǎng)沙東郊不同土地利用類型土壤CO2通量初步研究

常 明，周 游，余 韻，夏戰(zhàn)鷹，廖超林

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

人類活動(dòng)等導(dǎo)致大氣中的CO2濃度升高[1]，其中土地利用的改變和土地管理措施是影響溫室氣體排放的重要因素[2-4]。據(jù)Houghton等[5]研究，在1850～1990年間，由于土地利用變化造成的全球CO2排放約為1.24×1011t。土壤對(duì)大氣中溫室氣體濃度的增加同樣也起著重要作用，據(jù)估計(jì)大氣中每年凈釋放量中有5%～20%的CO2來源于土壤及土地利用方式的改變等過程[6]。城市化是人類社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)和現(xiàn)代市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的客觀要求。城郊農(nóng)用土壤作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是城鎮(zhèn)居民生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)[7]。城市在擴(kuò)張的同時(shí)，也引起了城郊土地利用類型的變更，相應(yīng)的導(dǎo)致了土壤性質(zhì)的改變。土壤溫室氣體排放受土壤理化性狀的影響，包括土壤有機(jī)碳含量、土壤質(zhì)地、土壤溫度、濕度以及pH值等[8]。本研究選擇位于長(zhǎng)沙城郊的湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)習(xí)基地——耘園及其附近等地作為典型研究區(qū)，選擇基本農(nóng)田及其變更為旱地、林地、草地和荒地的土地作為觀測(cè)點(diǎn)，通過堿吸收測(cè)定法研究了不同土地利用途徑變更條件下土壤CO2通量的變化特征，對(duì)于研究土地利用性質(zhì)變更條件下土壤CO2通量及其動(dòng)態(tài)變化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于長(zhǎng)沙市東郊湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地—耘園及附近，屬河流沖積性地貌，為亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫17.2℃，年積溫為5457℃，年均降水量1361.6 mm，土壤類型為紅底河潮土，呈弱酸性。

1.2 研究方法

分別選擇荒地、草地、菜地、水田、林地5種主要利用類型的土地做觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，CO2通量測(cè)定方法采用堿吸收田間容量法測(cè)定[9-10]。試驗(yàn)觀測(cè)在2010年4月至2011年3月進(jìn)行，根據(jù)作物生產(chǎn)規(guī)律及天氣狀況確定每月測(cè)定天數(shù)。每次測(cè)定在上午8∶00～10∶00進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)滴定所消耗的總堿液量，計(jì)算平均CO2釋放量。每塊樣地選取有代表性樣點(diǎn)2個(gè)，每點(diǎn)重復(fù)測(cè)定3次。為研究土壤CO2釋放量和有關(guān)環(huán)境因子的關(guān)系，在觀測(cè)點(diǎn)同步測(cè)定地溫、土壤含水量。用曲管地溫表測(cè)定地表5 cm處地溫，烘干法測(cè)定土壤5 cm處的自然含水量。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤表面CO2通量季節(jié)變化特征

圖1為長(zhǎng)沙東郊不同植被類型土壤表面CO2通量變化曲線圖?？梢钥闯?，不同土地利用類型的土壤CO2通量表現(xiàn)不同。整體上，以水田CO2通量最高，以林地最低；不同植被類型土壤CO2通量變化趨勢(shì)大致一致，均以2月份最低，荒地、草地、水田、菜地和林地分別為 32.22、15.96、30.66、13.77、21.15 mg/m2·h。最大值均出現(xiàn)在氣溫最高的8月，分別為127.98、280.32、425.52、317.67、196.70 mg/m2·h，最高的為水田。本研究中5種土地利用方式土壤CO2排放通量的變化范圍在13.77～425.52 mg/m2·h之間，這些結(jié)果基本都在Raich等[11]所報(bào)道的溫帶土壤CO2排放通量的范圍內(nèi)（21～506 mg/m2·h）。就同一植被類型土壤來說，從2010年4月到2011年2月，水田CO2通量在4月有所變化，但變化不大，4月24日突變升高，可能與天氣晴朗，溫度升高較快有關(guān)。從4月27日到8月3日，CO2通量由106.88 mg/m2·h 升高到 425.52 mg/m2·h。8 月 20 日，由于降雨降溫的作用，CO2通量降為 220.21 mg/m2·h，之后逐漸升高。到9月16日，CO2通量由313.72 mg/m2·h轉(zhuǎn)折下降，這一變化趨勢(shì)可能與晚稻成熟、收割和農(nóng)閑及氣溫下降有關(guān)。菜地土壤CO2通量變化最無(wú)規(guī)律，這可能與除受土壤水分和土壤溫度等影響外，還與菜地復(fù)耕指數(shù)高，受環(huán)境因素影響較大相關(guān)。

圖1 長(zhǎng)沙東郊不同土地利用類型土壤CO2通量排放季節(jié)變化

2.2 與其他觀測(cè)法觀測(cè)結(jié)果比較

與已報(bào)道的利用箱室法研究的結(jié)果比較（表1），由于各觀測(cè)點(diǎn)所處的地理位置、土壤母質(zhì)和土壤理化特性的差異，各稻田監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤呼吸并不完全相同，但其土壤呼吸速率和年排放量有較好的一致性，處在一定的變化范圍內(nèi)。如鄒建文等研究表明，水稻生長(zhǎng)期稻田土壤CO2平均排放速率為（198.3±34.0）mg/m2·h；謝艷兵等對(duì)遼河下游稻田休閑期的土壤呼吸通量測(cè)定結(jié)果為10～200 mg/m2·h；朱詠莉等觀測(cè)結(jié)果表明，晚稻生長(zhǎng)期稻田土壤呼吸平均為 285.4 mg/m2·h；任秀娥等采用渦度相關(guān)法對(duì)桃源生態(tài)站多年水田觀測(cè)結(jié)果表明，稻田土壤呼吸平均為178.5～259.9 mg/m2·h。與箱室法觀測(cè)結(jié)果對(duì)比，堿吸收法有較好的一致性，利用堿吸收法對(duì)土壤觀測(cè)結(jié)果得到的關(guān)系模式可以估算長(zhǎng)沙東郊土壤呼吸。

2.3 土壤表層CO2通量與大氣溫度的關(guān)系

溫度對(duì)土壤CO2排放的影響是通過多種途徑起作用的，如可以提高作物根系的呼吸，加速土壤中有機(jī)質(zhì)的分解和提高微生物活性等，從而促進(jìn)CO2的釋放。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，CO2排放通量與大氣溫度（圖2）、土壤5 cm深處溫度（圖3）呈正相關(guān)，其中以土壤5 cm處溫度與CO2排放通量的相關(guān)性最好，其擬合方程分別為水田y=16.621 e0.1089x，荒地y=14.906 e0.0645x，草地 y=6.5566 e0.115x，菜地 y=5.3598 e0.119x，林地 y=10.114 e0.0911x。研究表明，土壤 5 cm溫度至少可以解釋CO2排放通量變化的60%以上。此外，如圖2、圖3所示，在溫度較低的情況下CO2排放通量的散點(diǎn)集中在擬合曲線附近，而溫度較高的時(shí)候，點(diǎn)就散開了，這一現(xiàn)象表明溫度較低的情況下土壤呼吸受溫度變化的影響較顯著，而溫度較高的情況下，其他因素的影響就更為突出，李凌浩等[16]也有報(bào)道類似的研究結(jié)果。

Q10表示溫度升高10℃時(shí)CO2排放通量的變化速率，它被認(rèn)為是表達(dá)CO2排放通量與溫度之間關(guān)系較好的參數(shù)。多數(shù)研究者采用Q10值反映CO2排放通量對(duì)溫度的敏感性。利用CO2排放通量與5 cm處土溫的冪函數(shù)方程計(jì)算得到4種土壤的Q10值分別是：水田 2.97，荒地 1.91，草地 3.16，菜地3.29，林地2.49。該結(jié)果表明菜地對(duì)溫度的敏感性最高，而荒地最低。Raich等[17]報(bào)道了各種生態(tài)系統(tǒng)中Q10變化在1.3～3.3之間，平均為2.4。本研究所獲得的Q10值恰好在此范圍內(nèi)。

2.4 土壤表層CO2通量與土壤含水率的關(guān)系

影響土壤CO2排放速率變化的主導(dǎo)因子可以是溫度也可以是土壤濕度，這主要取決于哪一個(gè)因子是限制性環(huán)境因子。Sorensen等[18]認(rèn)為，土壤的干濕循環(huán)會(huì)增加土壤有機(jī)碳和氮的礦化作用；研究發(fā)現(xiàn)土壤濕度存在一個(gè)閾值，在閾值之下，土壤CO2排放速率隨土壤濕度的增加而增大，超過這個(gè)閾值，土壤CO2排放速率隨土壤濕度的增加而減小。因?yàn)橥寥浪质侵参锷L(zhǎng)和土壤微生物活動(dòng)的必要營(yíng)養(yǎng)成分，在一定范圍內(nèi)土壤水分含量增加能使這兩個(gè)過程加強(qiáng)，另一方面，土壤濕度過大時(shí)，會(huì)造成土壤通透性降低，從而抑制土壤CO2排放。試驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)（圖4），長(zhǎng)沙東郊不同植被類型土壤CO2通量與土壤濕度呈較好的正相關(guān)關(guān)系，其擬合方程分別為荒地 y=4.5176 x-6.4774，R2=0.5523*，草地y=11.321 x-76.033，R2=0.5674*，菜地 y=15.435 x-149.23，R2=0.6992*，林地 y=5.5380 x-44.421，R2=0.7025*，土壤呼吸速率與土壤濕度呈顯著二次曲線相關(guān)，土壤含水率小于35.8%時(shí)，土壤呼吸與土壤濕度呈正相關(guān)，但當(dāng)土壤含水率超過35.8%這個(gè)閾值時(shí)，土壤濕度就成了土壤呼吸的抑制因子。

圖2 土壤表層CO2通量與大氣溫度的關(guān)系

圖3 土壤表層CO2通量與5 cm土壤溫度的關(guān)系

圖4 土壤表層CO2通量與土壤含水率的關(guān)系

3 結(jié) 論

（1）不同土地利用類型土壤CO2通量表現(xiàn)不同。整體上，以水田CO2通量最高，以林地最低；不同植被類型土壤CO2通量變化趨勢(shì)大致一致，均以2月份最低，最大值均出現(xiàn)在氣溫最高的8月，最高的為水田。

（2）CO2排放通量與大氣溫度及土壤5 cm深處溫度呈正相關(guān)，其中以土壤5 cm處溫度與CO2排放通量的相關(guān)性最好。利用CO2排放通量與5 cm處土溫的冪函數(shù)方程計(jì)算得到5種土壤的Q10值分別是：水田 2.97，荒地 1.91，草地 3.16，菜地3.29，林地2.49。該結(jié)果表明菜地對(duì)溫度的敏感性最高，而荒地最低。

（3）長(zhǎng)沙東郊不同植被類型土壤CO2通量與土壤濕度呈顯著的二次曲線相關(guān)。

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