西南喀斯特地區(qū)輪作旱地土壤CO2通量

房 彬，李心清，程建中，王 兵，程紅光，張立科，楊 放

(1. 中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所 環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴陽(yáng) 550002；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

西南喀斯特地區(qū)輪作旱地土壤CO2通量

房 彬1,2，李心清1,*，程建中1，王 兵1，程紅光1，張立科1,2，楊 放1,2

(1. 中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所 環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴陽(yáng) 550002；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

中國(guó)已承諾大幅降低單位GDP碳排放，農(nóng)業(yè)正面臨固碳減排的重任。西南喀斯特地區(qū)環(huán)境獨(dú)特，旱地面積占據(jù)優(yōu)勢(shì)比例，土壤碳循環(huán)認(rèn)識(shí)亟待加強(qiáng)。以貴州省開(kāi)陽(yáng)縣玉米-油菜輪作旱地為研究對(duì)象，采用密閉箱-氣相色譜法對(duì)整個(gè)輪作期土壤CO2釋放通量進(jìn)行了觀測(cè)研究，結(jié)果表明：(1)整個(gè)輪作期旱地均表現(xiàn)為CO2的釋放源。其中油菜生長(zhǎng)季土壤CO2通量為(178.8±104.8) mg CO2·m-2·h-1，玉米生長(zhǎng)季為(403.0±178.8) mg CO2·m-2·h-1，全年平均通量為(271.1±176.4) mg CO2·m-2·h-1，高于緯度較高地區(qū)的農(nóng)田以及同緯度的次生林和松林；(2)CO2通量日變化同溫度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，季節(jié)變化與溫度呈現(xiàn)顯著指數(shù)正相關(guān)關(guān)系，并受土壤濕度的影響，基于大氣溫度計(jì)算得出的Q10為2.02，高于同緯度松林以及低緯度的常綠闊葉林；(3)CO2通量與土壤pH存在顯著線性正相關(guān)關(guān)系，顯示出土壤pH是研究區(qū)旱地土壤呼吸影響因子之一。

土壤CO2通量；溫度；濕度；喀斯特地區(qū)

土壤碳庫(kù)是地球表層系統(tǒng)中最大、最活躍的碳庫(kù)之一[1]。土壤呼吸作用是土壤碳庫(kù)向大氣輸出主要方式，包含植物根系的自養(yǎng)呼吸和微生物的異養(yǎng)呼吸[2]。據(jù)估算，2008年全球土壤碳庫(kù)向大氣中的碳輸出量為(98±12) Gt，是化石燃料燃燒排放量的十倍左右[3]，其碳通量絕對(duì)值僅次于陸地生態(tài)系統(tǒng)光合作用的碳吸收量[3- 4]，因此土壤呼吸作用對(duì)大氣CO2濃度影響重大，是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，決定著陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支的平衡[5- 6]。

作為碳排放大國(guó)，中國(guó)在國(guó)際社會(huì)面臨碳減排的巨大壓力。中國(guó)已經(jīng)在2011年德班氣候大會(huì)上做出減排承諾。走低碳發(fā)展道路對(duì)于保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展空間，減緩氣候變化至關(guān)重要。從農(nóng)業(yè)角度來(lái)看，全球耕地面積為1369 Mhm2，占全球陸地面積的10.5%，農(nóng)業(yè)CO2排放占據(jù)了全球人為排放量的15%[7]。探索農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸變化規(guī)律及控制機(jī)理不僅對(duì)于減少農(nóng)業(yè)土壤碳排放有重要指導(dǎo)意義，還對(duì)減緩我國(guó)因工業(yè)發(fā)展帶來(lái)的減排壓力有現(xiàn)實(shí)意義。

中國(guó)西南喀斯特地區(qū)屬低緯度熱帶-亞熱帶氣候，較為濕熱的氣候條件下土壤呼吸特征及對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)可能與其他生態(tài)系統(tǒng)不同；另外，特殊地質(zhì)背景造就了其生態(tài)環(huán)境脆弱性和敏感性，加之人地矛盾尖銳，土壤退化日益嚴(yán)重，土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量急劇下降[8- 9]，因而這一地區(qū)的土壤碳通量需要深入研究。目前喀斯特地區(qū)碳通量研究還相對(duì)薄弱，已有研究主要集中在林地和草地[10- 11]，對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2通量的研究開(kāi)展的還比較少。此外，對(duì)于碳循環(huán)晝夜變化的監(jiān)測(cè)明顯不足，導(dǎo)致無(wú)法精確估算這一地區(qū)碳通量。旱地農(nóng)田是西南喀斯特地區(qū)面積較大的生態(tài)系統(tǒng)，以貴州為例，旱耕地面積約占335.43萬(wàn)hm2[12]，在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支中有重要作用。研究這一地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2通量及其影響因素不僅能為認(rèn)識(shí)該地區(qū)碳收支、評(píng)估它在區(qū)域和全球碳循環(huán)中的作用提供依據(jù)，而且對(duì)于如何提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、保持土壤碳庫(kù)都有重要意義。本研究選擇地處喀斯特地區(qū)的貴陽(yáng)市開(kāi)陽(yáng)縣開(kāi)展了旱地農(nóng)田碳通量的觀測(cè)研究，以認(rèn)識(shí)：1)西南喀斯特地區(qū)輪作旱地土壤CO2通量日變化以及季節(jié)變化規(guī)律。2)CO2通量與土壤水熱條件的關(guān)系。3)CO2通量與土壤pH等理化性質(zhì)間的關(guān)系。4)據(jù)此估算貴州旱地CO2的年排放量。

1 研究區(qū)域概況

研究地區(qū)位于貴州省貴陽(yáng)市開(kāi)陽(yáng)縣東南，地理位置為107°02′48.1″E，27°00′39.9″N，海拔1118 m。地貌上，屬于云貴高原東側(cè)梯狀斜坡地帶，附近喀斯特發(fā)育較為典型。氣候類型屬亞熱帶季風(fēng)性溫潤(rùn)氣候，四季分明，年均氣溫介于10.6—15.3 ℃之間，最熱為7月，平均溫度22.3℃，最低溫度為1月，平均氣溫2.0℃；雨水充沛，全年降水量926.5—1419.2 mm，降水多集中在夏季，雨季平均為180d。全年日照時(shí)數(shù)898.1—1084.7h，其中夏季日照時(shí)數(shù)占全年39%。試驗(yàn)田土壤類型為石灰土，土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)土地土壤理化性質(zhì)

本研究樣地的油菜-玉米輪作是當(dāng)?shù)氐湫洼喿髦贫?，在喀斯特地區(qū)旱地具有很強(qiáng)的代表性。油菜種植期是從2010年11月18日到2011年6月9日，玉米種植期從2011年6月15日到9月24日，作物田間管理同區(qū)域旱地管理方法。在油菜種植期，油菜種植當(dāng)天按1250 kg/hm2的比例施復(fù)合底肥，然后于2011年2月5日和2011年2月24日按300 kg/hm2的比例追施尿素兩次。玉米種植當(dāng)天按370 kg/hm2的比例施復(fù)合肥，2011年7月10日按325 kg/hm2的比例追施尿素一次。

2 研究方法

2.1CO2采集、測(cè)定和通量計(jì)算

本次研究農(nóng)田土壤呼吸監(jiān)測(cè)時(shí)間為2010年11月到2011年10月，包含了完整的油菜-玉米輪作周期。每2周監(jiān)測(cè)1次，基本涵蓋了本地區(qū)土壤溫度和含水量的季節(jié)變化范圍，其中前一次監(jiān)測(cè)時(shí)間從11:00持續(xù)到17:00，重復(fù)4次(4次CO2通量平均值和日平均值基本一致)，第2次監(jiān)測(cè)時(shí)間從13:00持續(xù)到翌日11:00，重復(fù)11次，重復(fù)之間的間隔為2h。

2010年11月在樣地內(nèi)隨機(jī)布置3個(gè)不銹鋼基座，壓入土中并保持位置固定，注水到基座凹槽以進(jìn)行密封。采樣基座布置完畢后，至少24h后開(kāi)始第1次測(cè)定。采用較為常用的密閉靜態(tài)箱法進(jìn)行土壤呼吸的監(jiān)測(cè)，具體操作是，將不透明有機(jī)玻璃密閉箱(箱體大小約為30 cm×30 cm×50 cm)罩在基座上，在罩箱后的0、7、14、21、28 min分別抽取箱內(nèi)氣體30mL注入提前抽成高真空的labco 12mL頂空進(jìn)樣瓶，在實(shí)驗(yàn)室用氣相色譜儀(Agilent7890A)測(cè)定CO2濃度，并用CO2釋放通量公式(1)式計(jì)算土壤呼吸CO2通量(mg CO2·m-2·h-1)。

(1)

式中，F(xiàn)為CO2排放通量mg CO2·m-2·h-1，ρ0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CO2密度(g/L)，H為采樣箱氣室的高度(cm)，p為采樣點(diǎn)的氣壓，p0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣壓力(1.013×105)，T0為絕對(duì)溫度(K)273.15,Ta為采樣時(shí)箱內(nèi)平均氣溫(℃)，dct/dt為采樣箱內(nèi)CO2濃度(μL/L)對(duì)時(shí)間t(min)的變化率。

在每次監(jiān)測(cè)土壤呼吸的同時(shí)，測(cè)定通量箱內(nèi)部溫度、土壤5 cm溫度、大氣壓力以及氣溫日間變化。溫度用水銀溫度計(jì)測(cè)量，大氣壓力由數(shù)字大氣壓力表測(cè)定。

2.2 土壤樣品的采集和理化性質(zhì)測(cè)定

土壤樣品取自地表0—10cm土層，除硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和含水量測(cè)定用新鮮土外，其余土壤樣品室內(nèi)風(fēng)干，過(guò)篩。土壤基本理化性質(zhì)參照魯如坤方法[13]測(cè)定：硝態(tài)氮測(cè)定采用酚二磺酸比色法，銨態(tài)氮測(cè)定采用KCl浸提-靛酚藍(lán)比色法，土壤質(zhì)量含水量采用105℃烘干法，土壤pH值采用電位法(水土比2.5∶1)，以上各種理化性質(zhì)每月測(cè)定2次。此外，有機(jī)質(zhì)含量采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法，有效磷采用Olson碳酸氫鈉法，考慮到有機(jī)質(zhì)和有效磷變化性較小，每月測(cè)定1次有機(jī)質(zhì)和有效磷含量；土壤總氮用元素分析(PE2400)測(cè)定。按下式計(jì)算土壤孔隙含水量(WFPS)：

土壤孔隙度(%)=(1-土壤容重/2.65)×100%

土壤孔隙含水量(%)=(土壤質(zhì)量含水量×土壤容重×100)/土壤孔隙度

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS16.0軟件做統(tǒng)計(jì)分析。圖形的繪制采用Sigmaplot10.0。

為了得到土壤CO2釋放通量F對(duì)溫度變化的敏感系數(shù)Q10,采用如下指數(shù)模型[14- 16]擬合F與T之間的關(guān)系：

F=αeβT

(2)

式中,T為土壤表層溫度或近地表大氣溫度(℃)；α為溫度為0℃時(shí)的土壤CO2釋放通量，β為溫度反應(yīng)系數(shù)。

Q10通過(guò)下式確定[17]：

Q10=e10β

(3)

3 結(jié)果與討論

3.1CO2通量日變化及其控制因素

在油菜和玉米生長(zhǎng)季分別進(jìn)行的6次和3次CO2通量日變化觀測(cè)結(jié)果表明，試驗(yàn)田土壤一直表現(xiàn)為CO2的釋放源。CO2通量日變化一種表現(xiàn)為規(guī)律性變化，另一種表現(xiàn)為非規(guī)律性變化(圖1)。在天氣正常、沒(méi)有人為擾動(dòng)的情況下，CO2通量呈現(xiàn)出白天高夜晚低的規(guī)律性日變化特征，與氣溫和地表溫度變化趨勢(shì)一致。一天中，排放量最大值出現(xiàn)在13:00—15:00，緩慢下降后在24:00左右達(dá)到最小值，而后緩慢上升至次日中午又達(dá)到最大值。受多種環(huán)境因子共同影響，CO2通量平均值在不同月份出現(xiàn)時(shí)間。很多研究利用一天中9:00—11:00這段時(shí)間來(lái)表征土壤CO2通量平均值和環(huán)境因子指標(biāo)[18]，不適用于本研究，而11:00—17:00的不同時(shí)間段平均CO2通量能很好代表日變化平均值。在異常天氣條件下，比如冷空氣過(guò)境或是陰雨天氣，晝夜溫差不大時(shí)，土壤CO2通量變化則表現(xiàn)為另一種變化趨勢(shì)：全天變化幅度很小，沒(méi)有白天夜晚的起伏變化。

溫度是土壤呼吸作用的影響因子中最重要的一個(gè)[19- 21]。不同月份土壤CO2通量日變化與大氣溫度及土壤表層溫度相關(guān)關(guān)系(表2)分析顯示，絕大多數(shù)CO2通量的日變化與溫度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。而且在玉米和油菜生長(zhǎng)的不同月份，CO2通量日變化形式基本相同。這種關(guān)系表明，在較短時(shí)間尺度內(nèi)，當(dāng)土壤條件、氣候因素和植物體以及土壤微生物維持在一個(gè)較為穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，溫度是造成玉米和油菜田CO2通量日變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。

圖1 輪作期不同月份CO2 通量日變化Fig.1 Diurnal change of CO2 flux in different months during the crop rotation

3.2CO2通量變化的人為影響

土壤擾動(dòng)造成CO2通量的顯著增加。圖2所示的是2011年6月15日CO2通量日變化，其中在6月15號(hào)下午的土地翻耕(翻耕深度約為20 cm，持續(xù)時(shí)間如圖中陰影部分所示)使得CO2通量顯著增加，在正常情況下出現(xiàn)釋放低值的21:00至23:00出現(xiàn)釋放峰值。其原因在于翻耕使得土壤中不穩(wěn)定碳組分加速氧化，增加了土壤呼吸過(guò)程，同時(shí)破壞了土塊和土壤團(tuán)聚體，使其暴露在空氣中，而土壤團(tuán)聚體中具有更高的CO2濃度[22]。有機(jī)質(zhì)含量分析顯示翻耕之后第2天土壤有機(jī)質(zhì)含量降低至全年平均水平之下，證實(shí)翻耕加快了有機(jī)質(zhì)分解[23]，導(dǎo)致CO2的大量釋放。

表2 各晝夜觀測(cè)土壤CO2通量與溫度相關(guān)性

*表示相關(guān)性顯著(Plt;0.05)，**表示相關(guān)性極顯著(Plt;0.01)

圖2 受擾動(dòng)后土壤CO2通量及氣溫晝夜變化 Fig.2 Soil CO2 flux and temperature variation after disruption

圖3 輪作期內(nèi)CO2通量、大氣溫度以及WFPS季節(jié)變化Fig.3 Seasonal changes of CO2 flux, temperature and WFPS during the crop rotation

3.3CO2通量季節(jié)變化及其控制因素

土壤CO2通量季節(jié)變化規(guī)律比較明顯，與大氣溫度的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化總體上較為一致(圖3)。從2010年12月到2011年8月，CO2通量呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，最低值出現(xiàn)在氣溫最低的2月，最高值則出現(xiàn)在氣溫和土壤WFPS都最高的8月。2011年8月之后，CO2通量隨著氣溫的降低開(kāi)始回落。從整個(gè)輪作期看，各月份之間差異和波動(dòng)比較大。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，玉米生長(zhǎng)期CO2通量平均值為(403.0±178.8) mg CO2·m-2·h-1，高于油菜生長(zhǎng)期的(178.8±104.8) mg CO2·m-2·h-1，且兩者存在顯著性差異，其原因在于玉米生長(zhǎng)期氣溫顯著高于油菜，更利于微生物及根際的呼吸作用。輪作期土壤平均CO2通量為(271.1±176.4) mg CO2·m-2·h-1，這一通量值高于喀斯特地區(qū)次生林土壤的CO2通量((259.6±448.4) mg CO2·m-2·h-1)，低于馬尾松林土壤(491.7±288.9) mg CO2·m-2·h-1的通量[11]，位于二者之間，同時(shí)高于緯度略低的亞熱帶地區(qū)的鼎湖山混交林、松林土壤CO2通量(不含凋落物，(233.3±20.6)和(178.6±20.8) mg CO2·m-2·h-1)[24]，這顯示出輪作農(nóng)田旱地是喀斯特地區(qū)重要的碳源。

根據(jù)公式(2)指數(shù)模型，采用大氣溫度對(duì)CO2通量進(jìn)行指數(shù)擬合，得到的擬合方程為y=46.444e0.0705x(R2=0.867,Plt;0.01,n=17)(圖4)；同樣采用土壤表層溫度對(duì)CO2通量進(jìn)行擬合，得到的擬合方程為y=43.682e0.0768x(R2=0.805,Plt;0.01,n=17)(圖5)。兩方程能較好描述CO2通量與大氣溫度以及地表溫度的指數(shù)函數(shù)相關(guān)關(guān)系，表明溫度是土壤CO2通量變化的主要驅(qū)動(dòng)因子，這與之前的研究結(jié)果是一致的[16, 25- 26]。對(duì)比相關(guān)系數(shù)，土壤CO2通量與大氣溫度的相關(guān)性優(yōu)于土壤表層溫度。Q10通常被用來(lái)土壤呼吸對(duì)溫度變化的敏感程度[14, 21, 27]。根據(jù)公式(3)，可以計(jì)算油菜—玉米輪作農(nóng)田基于大氣溫度和土壤地表溫度的Q10分別為2.02和2.16，略高于喀斯特地區(qū)馬尾松林土壤的1.92[11]，也高于緯度略低的鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林的1.86[24]，以及針闊葉混交林的2.00[18]，顯示了在全球變暖背景下，輪作旱地地表CO2排放對(duì)于溫度升高的響應(yīng)比相同氣候條件下的部分森林生態(tài)系統(tǒng)更敏感。

圖4 土壤CO2通量與大氣溫度的關(guān)系 Fig.4 Relationship between soil CO2 flux and air temperature

圖5 土壤CO2通量與土壤表層溫度的關(guān)系 Fig.5 Relationship between soil CO2 flux and soil temperature in 5cm depth

土壤含水量對(duì)于植物根系、微生物群落的數(shù)量和活動(dòng)有很大影響，是影響CO2通量另一重要的因子[28]。將整個(gè)輪作期的CO2通量與土壤WFPS(變化范圍在19.3%—68.3%，平均值為49.3%，變異系數(shù)為0.30)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明：兩者之間沒(méi)有顯著的線性相關(guān)關(guān)系(R2lt;0.1)。進(jìn)一步將油菜和玉米的CO2通量與土壤WFPS分別作線性相關(guān)分析，結(jié)果表明，油菜生長(zhǎng)期間的CO2通量與土壤WFPS表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)(R2=0.164，n=10)，但玉米生長(zhǎng)期兩者之間表現(xiàn)為正相關(guān)(R2=0.21，n=7)。土壤含水量對(duì)于土壤呼吸作用的影響較為復(fù)雜。在土壤含水量超過(guò)一定閾值時(shí)，氧氣擴(kuò)散受阻，土壤微生物呼吸速率受到抑制[29]；當(dāng)土壤含水量較低時(shí)，土壤根際微生物及根系對(duì)水分的依賴性加強(qiáng)，土壤CO2通量會(huì)受土壤溫度和含水量的共同影響，隨含水量的增加而增加[30]。Xu和Qi[17]對(duì)黃松林的研究表明，當(dāng)土壤體積含水量lt;19%時(shí)，土壤呼吸強(qiáng)度和體積含水量正相關(guān)；土壤體積含水量gt;19%時(shí)，二者負(fù)相關(guān)。本研究油菜生長(zhǎng)期內(nèi)，平均土壤WFPS為56.1%(相應(yīng)土壤體積含水量為28.1%)，變異系數(shù)為0.18。土壤含水量在很長(zhǎng)一段時(shí)間維持在一個(gè)相對(duì)較高狀態(tài)，可能成為土壤呼吸的限制因子。玉米生長(zhǎng)期間，平均土壤WFPS為39.6%(相應(yīng)土壤體積含水量為19.8%)，顯著低于油菜生長(zhǎng)期(Plt;0.05)，8—9月土壤體積含水量低至10%左右，此情況下，含水量可能是土壤呼吸作用增強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)因子。

Kucera和Kirkham[31]指出，只有在土壤水分達(dá)到土壤微生物永久性萎蔫點(diǎn)或者超過(guò)了田間最大持水量的情況下，土壤CO2通量才會(huì)減少。如果所觀測(cè)到的水分變化沒(méi)有超出極端范圍，不足以影響土壤微生物與植物根系的活動(dòng)，則難以檢測(cè)出水分對(duì)土壤呼吸的影響。在本研究中，土壤含水量并沒(méi)有超出極端范圍，與土壤CO2通量之間相關(guān)關(guān)系也沒(méi)有達(dá)到顯著水平，表明水分并沒(méi)有成為本實(shí)驗(yàn)觀測(cè)期間影響CO2通量的最主要限制因子。

3.4土壤pH對(duì)CO2通量的影響

在CO2通量監(jiān)測(cè)期間，采集試驗(yàn)田土壤測(cè)定理化性質(zhì)，主要是pH值、土壤有機(jī)質(zhì)含量、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和有效磷(表1)。相關(guān)分析表明，CO2通量和pH達(dá)到顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.398,Plt;0.01,n=17)，顯示了pH的升高有利于CO2的釋放。pH的升高能促進(jìn)微生物活性，進(jìn)而提高CO2通量，這在世界上其它地區(qū)土壤碳通量研究中也得到證實(shí)[32- 33]。已有研究表明土壤微生物維持生物活性適宜的pH值最小為3，最大是7—8[34]；當(dāng)pH值gt;9時(shí)，土壤呼吸作用可能受抑制而減弱[33]，本研究土壤pH均值為8.3，因而升高時(shí)對(duì)土壤呼吸有促進(jìn)作用。

3.5國(guó)內(nèi)不同地區(qū)旱地土壤CO2通量比較

將本研究中CO2通量與國(guó)內(nèi)其他地區(qū)相近植被的結(jié)果進(jìn)行比較如表3。研究區(qū)旱地農(nóng)田CO2通量處于同屬于亞熱帶地區(qū)的江西鷹潭[35]、四川盆地[36]的旱地農(nóng)田CO2通量變化范圍之間。除了只有一季玉米觀測(cè)結(jié)果的山西農(nóng)田37]，研究區(qū)亞熱帶農(nóng)田土壤CO2通量大于溫帶農(nóng)田，反映出地表CO2通量隨緯度降低而升高的趨勢(shì)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因除了各自研究區(qū)的作物及土壤類型差異外，可能主要原因在于低緯度地區(qū)較高的溫度更有利于土壤呼吸。

旱地生態(tài)系統(tǒng)的碳收支(NEP)由土壤異養(yǎng)呼吸和凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)共同決定。為精確估算生態(tài)系統(tǒng)碳收支，必須對(duì)自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸占土壤呼吸的比例進(jìn)行量化[38]。這是以后喀斯特地區(qū)旱地碳通量研究需要加強(qiáng)的地方。

表3 國(guó)內(nèi)和世界上不同地區(qū)旱地農(nóng)田土壤CO2通量值的比較

4 結(jié)論

(1) 貴州喀斯特地區(qū)輪作旱地土壤表現(xiàn)為CO2的釋放源，由于生長(zhǎng)期氣溫的差異，油菜生長(zhǎng)季CO2通量，顯著小于玉米生長(zhǎng)季CO2通量。整個(gè)輪作期的平均CO2通量為(271.1±176.4) mg CO2·m-2·h-1，顯示輪作農(nóng)田土壤是這一地區(qū)重要的碳源。

(2) CO2通量日變化呈現(xiàn)白天高夜晚低的特征，主要受溫度變化的影響，與大氣溫度和地表溫度相關(guān)性顯著。CO2通量的季節(jié)變化與大氣溫度或是地表溫度呈現(xiàn)顯著的指數(shù)正相關(guān)關(guān)系，表明溫度是土壤呼吸最重要的驅(qū)動(dòng)因子。CO2通量與土壤濕度(WFPS)相關(guān)關(guān)系不顯著，但土壤含水量過(guò)高或過(guò)低時(shí)，會(huì)和溫度協(xié)同影響土壤呼吸。研究區(qū)基于大氣溫度的Q10為2.02，表明輪作旱地CO2通量對(duì)溫度的響應(yīng)較為敏感。

(3) 傳統(tǒng)耕作方式的翻耕能在短時(shí)間內(nèi)促進(jìn)CO2排放，加快土壤有機(jī)質(zhì)分解。

(4) CO2通量與土壤pH存在極顯著線性正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明對(duì)于喀斯特旱地土壤，pH的升高能促進(jìn)微生物的活動(dòng)，進(jìn)而提高土壤呼吸作用。

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CO2fluxintheuplandfieldwithcorn-rapeseedrotationinthekarstareaofsouthwestChina

FANG Bin1,2, LI Xinqing1,*, CHENG Jianzhong1, WANG Bing1, CHENG Hongguang1, ZHANG Like1,2, YANG Fang1,2

1StateKeyLaboratoryofEnvironmentalGeochemistry,InstitutionofGeochemistry,ChineseAcademyofSciences,Guiyang550002,China2UniversityofChineseAcademyofScience,Beijing100049,China

Farmland ecosystems constitute great carbon sources in terrestrial ecosystems and have important influence on the global carbon cycle. As China has promised to reduce carbon emission significantly, China′s agriculture is facing the challenge of carbon sequestration and reduction of carbon emission. As the environment in karst area of southwest China is unique and upland field covers a large scale, further research is badly needed to quantify diurnal and seasonal variations of soil CO2flux, and to investigate the effects of temperature, soil water content and soil properties on soil CO2flux.

Taking upland field with corn-rapeseed rotation in Kaiyang country of Guizhou province as our study subject, we used static enclosed chamber coupled with GC to observe the soil CO2flux of all the rotation period. Continuous measurements of soil temperature and moisture were conducted together with several other physical and chemical properties of the soil. It was found that the upland with corn-rapeseed rotation performed as the source of CO2. The mean CO2flux was (178.8±104.8) mg CO2·m-2·h-1in the rapeseed growing season, (403.0±178.8) mg CO2·m-2·h-1in the maize growing season, and (271.09±176.37) mg CO2·m-2·h-1for the whole rotation period. These values are in the upper part of the range of published soil-surface CO2flux date. There were significant positive correlations between soil CO2flux and temperature in both diurnal changes and seasonal fluctuations. The diurnal fluctuations of CO2flux showed similar patterns and fluctuated from minimum around 12 pm to maximum at 1 pm to 3 pm. For the seasonal variations, soil CO2flux was positively correlated with temperature in the whole crop rotation with the minimum value of 31.10 mg CO2·m-2·h-1in February and the maximum value of 665.46 mg CO2·m-2·h-1in August. An exponential function provided the best fit for describing the relationship between seasonal soil CO2flux and temperature for the whole crop rotation, with the higher correlation found with the soil temperature at 5 cm depth. About 86.7% of the seasonal soil CO2flux variations can be explained by air temperature, while 80.5% by the soil temperature at 5 cm depth. The results showed that the temperature was the determinant factor controlling temporal variation of soil CO2flux both diurnally and seasonally. The correlations between soil CO2flux and soil water content differed for the two kinds of crops. For the rapeseed growing season when soil water content was relatively high, the soil CO2flux and soil water content had a positive correlation. While there was a negative relationship between soil CO2flux and soil water content for the maize growing season. Both the relationships were not statistically significant which indicated that the soil water content was not the determinant factor for the soil CO2flux changes. TheQ10value was calculated as 2.02 based on the atmospheric temperature, higher than pinewood at similar latitudes and evergreen broad-leaved forest at lower latitudes. This meant that the upland field corresponded more sensitively to the temperature changes. The significant positive correlation between soil CO2flux and soil pH indicated that the soil CO2flux was influenced by several parameters at the same time.

soil CO2flux; temperature; moisture; karst area

國(guó)家自然基金(40872212)；中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性科技先導(dǎo)專項(xiàng)(碳專項(xiàng))；貴州省農(nóng)業(yè)攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(黔科合NY字[2011]3079號(hào))

2012- 06- 16;

2012- 10- 26

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xinqinglee@hotmail.com

10.5846/stxb201206160864

房彬，李心清，程建中，王兵，程紅光，張立科，楊放.西南喀斯特地區(qū)輪作旱地土壤CO2通量.生態(tài)學(xué)報(bào),2013,33(17):5299- 5307.

Fang B, Li X Q, Cheng J Z, Wang B, Cheng H G, Zhang L K, Yang F.CO2flux in the upland field with corn-rapeseed rotation in the karst area of southwest China.Acta Ecologica Sinica,2013,33(17):5299- 5307.