肖塘地區(qū)夏季土壤CO2濃度日變化特征及影響因素

阿力木·阿巴斯，買買提艾力·買買提依明，何　清，霍　文，楊　帆，楊興華，熱娜古麗·太來提

（1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆　烏魯木830054；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊830002；3.塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測試驗站，新疆　塔中841000；4.克州氣象局，新疆　阿圖什845350）

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肖塘地區(qū)夏季土壤CO2濃度日變化特征及影響因素

阿力木·阿巴斯1，2，3，買買提艾力·買買提依明2，3*，何清2，3，霍文2，3，楊帆2，3，楊興華2，3，熱娜古麗·太來提4

（1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆烏魯木830054；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆
烏魯木齊830002；3.塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測試驗站，新疆塔中841000；4.克州氣象局，新疆阿圖什845350）

摘要：利用塔克拉瑪干沙漠北緣流動沙漠—古河床過渡帶肖糖地區(qū)2012年6—8月土壤40 cm深處CO2濃度和相關(guān)氣象要素資料,對該區(qū)域的土壤CO2濃度變化特征及影響因子進行了分析。結(jié)果表明:（1）肖塘地區(qū)夏季土壤40 cm深處CO2濃度的日變化過程中呈現(xiàn)出夜間低、白天高的單峰型，日最高值出現(xiàn)在18:00左右，最低值出現(xiàn)在6:30左右，濃度平均值保持在506.97～518.14 ppm之間；（2）隨著土壤溫度和土壤濕度的變大,土壤CO2濃度增大,兩者呈顯著正相關(guān)；（3）風(fēng)速和土壤CO2濃度之間存在一定的滯后性；（4）大氣壓力對土壤CO2濃度變化產(chǎn)生顯著影響，兩者呈負相關(guān)。

關(guān)鍵詞：塔克拉瑪干沙漠；土壤CO2濃度；影響因子

阿力木·阿巴斯，買買提艾力·買買提依明，何清，等.肖塘地區(qū)夏季土壤CO2濃度日變化特征及影響因素[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（2）：63-69.

工業(yè)革命以來，由于化石燃料燃燒、水泥生產(chǎn)以及土地利用變化等人類活動造成大氣中CO2、CH4等溫室氣體濃度不斷升高，溫室效應(yīng)增強，導(dǎo)致了全球性的氣候增暖。IPCC第四次評估報告指出，目前大氣中CO2濃度是過去42萬年來未曾達到過的，認(rèn)為觀測到的過去50 a來的大部分變暖可能主要是由人類活動引起的，關(guān)于這一點的結(jié)論比第三次評估報告評估更確定。在諸多溫室氣體當(dāng)中，CO2成為最早受人們所關(guān)注的溫室氣體，其溫室效應(yīng)對氣候變暖的貢獻超過其他氣體，達56%[1]。陸地、大氣、海洋生物之間的碳交換過程會影響大氣中CO2濃度的變化，土壤作為陸地各種生物的棲息地，在CO2變化和轉(zhuǎn)換過程中扮演著非常重要的角色，是地球大氣CO2的重要來源之一[2]。在大氣中CO2含量約占0.03%，而土壤空氣中CO2含量比大氣中高5～10 倍[3-4]。因此，對土壤CO2濃度進行觀測，分析其變化規(guī)律及影響因素，在開展陸—氣碳循環(huán)過程研究中具有重要意義。針對土壤CO2濃度變化研究，國內(nèi)外學(xué)者開展了不少研究[5-14]。其中，趙擁華等[8]分析了青藏高原北麓河凍土層中氣體CO2濃度的分布狀況，給出了土壤溫度和土壤有機碳貯量呈明顯相關(guān)性的結(jié)論。趙景波等[9]測定了巴丹吉林沙山地區(qū)CO2濃度的晝夜變化，并指出土壤CO2濃度晝夜變化主要由溫度變化引起。黃磊等[10]在沙坡頭沙漠試驗站對土壤結(jié)皮情況下的土壤CO2濃度變化及其驅(qū)動因子進行分析指出，土壤40 cm深處CO2濃度平均值為919.05 ppm。邵天杰等[11]對騰格里沙漠民勤地區(qū)沙丘CO2濃度研究指出，該區(qū)域的土壤CO2濃度變化存在著明顯的晝夜變化特征。塔克拉瑪干沙漠作為世界第二大流動沙漠，約占中國沙質(zhì)沙漠面積的1/2。有關(guān)該沙漠的研究主要集中在沙漠邊界層、陸面過程、氣溶膠以及沙漠氣候等領(lǐng)域[15-26]，針對塔克拉瑪干沙漠土壤CO2濃度的相關(guān)研究未見報道。本文利用野外試驗觀測數(shù)據(jù)，對塔克拉瑪干沙漠北緣過渡帶土壤CO2濃度變化特征及影響因素展開研究，分析該區(qū)域的土壤CO2濃度變化特征及影響因素，進而為開展該區(qū)域的碳循環(huán)機理研究提供初步基礎(chǔ)。

1　研究區(qū)概況

肖塘氣象觀測站（40°48＇126″N，84°18＇211″E，海拔912 m）位于塔克拉瑪干沙漠北部邊緣，與塔里木河相距約40 km[24]，是典型的沙漠腹地—荒漠—綠洲過渡帶[25]，下墊面以平坦沙地為主，部分地區(qū)有風(fēng)蝕裸露古河床無植被覆蓋。其東側(cè)距離塔克拉瑪干沙漠公路1號井1000 m左右[26]（古河床的南岸），北側(cè)2 km以外為胡楊林，向南距離流動沙丘約200～300 m，南部沙丘下伏地貌屬于沖積—泛濫平原，是典型的沙漠與荒漠的交匯之處。氣候類型屬于暖溫帶荒漠氣候，降水量很少，年平均風(fēng)速為2.5 m·s-1，春季最大，冬季最小。肖塘氣象站氣溫變化與風(fēng)速的變化基本上相似，以6—7月最大，12—1月最小。該區(qū)域沙塵暴發(fā)生頻繁，主要集中在春、夏季，占全年的80%以上，冬季比較少。地表土壤多為沙土，質(zhì)地輕，粒徑細，組成以細沙（125～250 μm）、極細沙（62.5～125 μm）為主，約占78.5%，并含有一定量的中沙（250～500 μm）和粉沙（3.9～62.5 μm），約占20.4%。該處植被資源極為貧乏，主要有檉柳（Tamarixramosisima）和胡楊（Populuseuphratica）[26]。

2　數(shù)據(jù)處理

圖1　觀測點示意圖

本文所用CO2濃度數(shù)據(jù)來自安裝在該站土壤40 cm深處的芬蘭VAISALA公司生產(chǎn)的GMT22型CO2濃度探測傳感器，其他數(shù)據(jù)來自安裝在該站的10m梯度探測系統(tǒng)（儀器配置見表1），所有傳感器用美國Campbell公司生產(chǎn)的CR1000型數(shù)據(jù)采集器采集，并獲得1 min、30 min和1 h的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。本文采用2012年6—8月30 min尺度的土壤CO2濃度數(shù)據(jù)和氣象要素觀測數(shù)據(jù)，對該區(qū)域的土壤CO2濃度變化及影響因素進行了回歸分析。

表1　觀測系統(tǒng)傳感器配置

3　結(jié)果與分析

3.1土壤CO2濃度日變化

對2012年6月到8月土壤40 cm深處CO2濃度進行分析發(fā)現(xiàn)（圖2），6—8月40 cm深處土層中土壤CO2濃度平均值分別是520.02 ppm、505.15 ppm與511.14 ppm，6月平均濃度明顯大于7月和8月，3個月的觀測數(shù)據(jù)中，7月土壤CO2濃度最低。就日變化而言，6月從2:30開始土壤CO2濃度緩慢下降，7:00降到511.87 ppm，然后開始緩慢升高，在18:00達到527.40 ppm，而后開始緩慢下降到，在23時降到517.24 ppm，之后緩慢升高，2:30達到521.20 ppm。整個過程中，CO2濃度比較高的時段為14:00—19:00這與氣溫較高的時段基本吻合。在7月，土壤CO2濃度變化范圍為498.23～511.21 ppm，從00:00開始CO2濃度緩慢下降，在7: 30降為498.23 ppm，之后緩慢上升，在17:00，達到511.21 ppm，之后緩慢下降。8月土壤CO2濃度變化范圍為504.64～517.37 ppm，比其他兩月變化幅度較小。6—8月土壤CO2濃度日變化曲線因土壤溫度呈現(xiàn)高—低—高—低的變化規(guī)律，但是細節(jié)上有所差異；6月和7月的曲線變化相似，曲線波動基本符合，但是8月有一些差異。6—8月的土壤CO2平均濃度變化與8月土壤CO2濃度變化類似，即從凌晨00:00到當(dāng)日23:30，土壤CO2濃度呈現(xiàn)由高—低—高—低的變化規(guī)律，變化范圍為506.97～518.14 ppm，平均值為512.1 ppm。從2:30開始CO2濃度緩慢下降，6:30降為506.97 ppm，之后緩慢上升，18:00達到518.14 ppm，之后又迅速下降，23:00降到510.53 ppm。

整體來講,各個月份或者3個月的平均值都以6～7 h的周期變化，從00:00到7:00土壤向空氣釋放熱量，土壤溫度下降，導(dǎo)致土壤CO2濃度也降低；從7:00到16:00溫度升高，空氣向土壤輸送熱量，土壤溫度升高，導(dǎo)致土壤CO2濃度升高；下午從16:00開始到20:00空氣溫度降低，土壤向空氣釋放熱量，土壤溫度下降，土壤CO2濃度也降低。這種變化規(guī)律與騰格里沙漠民勤沙丘的CO2濃度變化規(guī)律類似。極端干旱的民勤沙漠區(qū)CO2濃度晝夜變化也相當(dāng)明顯，從當(dāng)日的9:00到次日的9:00均呈現(xiàn)由低到高再到低的變化規(guī)律[11]。

圖2　土壤CO2濃度夏季日變化

3.2影響土壤CO2濃度變化的因子

3.2.1土壤CO2濃度與土壤溫度的關(guān)系

土壤溫度、濕度、氣壓及風(fēng)速等各種氣象要素在很大程度上影響土壤CO2濃度，并且濃度變化有一定的日變化規(guī)律[13]。為了過濾天氣系統(tǒng)影響所造成的土壤CO2濃度的變化，本文選取6—8月期間15個晴天天氣下的40 cm土壤溫度與土壤CO2濃度數(shù)據(jù)進行了分析。由圖3可知，研究區(qū)土壤CO2濃度與土壤溫度的變化趨勢基本一致。隨著土壤溫度上升，土壤CO2濃度升高，反之亦然。就日平均變化而言，晴天天氣條件下，土壤CO2濃度最大值為519.92 ppm，最小值為503.34 ppm，平均值為512.76 ppm。分析土壤CO2濃度與氣溫相關(guān)關(guān)系可知（圖4和表2）：土壤CO2濃度與土壤溫度之間存在著正相關(guān)關(guān)系（R=0.736，在顯著水平為0.01）。土壤溫度對土壤CO2濃度的影響在森林區(qū)中更加明顯[27-29]。土壤呼吸和CO2釋放過程中溫度的影響是不可忽視。通常，土壤呼吸主要包括土壤根系呼吸和微生物呼吸[30]，土壤CO2中68%來自于土壤微生物呼吸作用和排放作用，而直接影響土壤微生物活動的主要因素是土壤溫度。土壤溫度的升高會導(dǎo)致土壤微生物活動的加強，很大程度上加快了含碳物質(zhì)分解和CO2的產(chǎn)生速度，同時土壤中各種生物的呼吸作用也會加強。對于沙漠地區(qū)來說，由于沒有植被，土壤溫度主要通過影響土壤微生物活動，間接造成土壤CO2濃度的變化。因此，溫度在土壤CO2濃度變化過程中起著很重要的作用。

圖3　土壤CO2濃度和土壤溫度變化過程

圖4　土壤CO2濃度與土壤溫度的相關(guān)性分析

表2　土壤CO2濃度與土壤溫度、土壤濕度及風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)

3.2.2土壤CO2濃度與土壤濕度的關(guān)系

干旱區(qū)最主要的氣候特征之一是干旱少雨。土壤水分狀況的變化會導(dǎo)致土壤微生物和土壤透氣性等發(fā)生變化，相應(yīng)地，土壤CO2濃度也會發(fā)生變化。由圖5可知，土壤10 cm濕度具有明顯的日變化規(guī)律，變化范圍為2.3%～3.5%,平均值為2.8%。從00:00開始，土壤濕度緩慢下降，到6:30左右降到最低水平（2.3%），然后開始緩慢升高，到16:00左右升到最高水平（3.5%），之后開始下降。土壤CO2濃度與同期的土壤濕度之間保持同步變化規(guī)律。即，土壤CO2濃度隨著土壤濕度的增加呈升高的趨勢。與土壤溫度類似，土壤濕度也是影響土壤CO2濃度的影響因子。土壤濕度的增加，引起土壤孔隙度減少，抑制土壤空氣中CO2的擴散,從而增加土壤中CO2濃度。此外，土壤濕度的變化直接影響到土壤內(nèi)的微生物活動，從而影響到土壤CO2濃度的變化。這種情況與騰格里沙漠民勤沙區(qū)中的土壤CO2濃度變化情況類似。邵天杰等[11]指出，干燥缺水的騰格里沙漠區(qū)沙層水分含量多少是決定CO2濃度高低的主要因素。土壤水分和土壤CO2濃度之間的關(guān)系也可從圖6的回歸分析可以得出，即，土壤CO2濃度與土壤濕度呈很高的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達R=0.95。

圖5　土壤CO2濃度和土壤濕度變化過程

圖6　土壤CO2濃度與平均濕度的相關(guān)性分析

3.2.3土壤CO2濃度與風(fēng)速的關(guān)系

在土壤粗糙表面因風(fēng)作用引起的氣流變化會造成壓力差。氣壓的增高或減少影響氣流對土壤投入或擴散，高風(fēng)速使土壤表面空氣投入土壤中會導(dǎo)致土壤CO2濃度的減少，當(dāng)風(fēng)速低或者沒有風(fēng)的時候土壤空氣擴散到空氣中及使土壤CO2濃度增高。由圖7可知，土壤CO2濃度和風(fēng)速有著相似的變化趨勢。實驗期間風(fēng)速日變化呈現(xiàn)雙峰型，第一峰值出現(xiàn)在6:00—9:00，第二峰值出現(xiàn)在17:00—19:00，白天的風(fēng)速明顯大于夜間，其變化范圍為1.5～3.8 m/s，平均值為2.6 m/s。就日變化而言，日最高值出現(xiàn)在18:00時左右，最低值出現(xiàn)在4:30時左右。從00:00開始風(fēng)速減小，4:30降到1.5 m/s，然后開始增大，8:30升到3.3 m/s。之后很少，保持一定水平，18:30開始緩慢減小，22:30降到1.9 m/s。通過分析發(fā)現(xiàn)，土壤CO2濃度與風(fēng)速之間有很好的對應(yīng)關(guān)系，即土壤CO2濃度高時相應(yīng)地風(fēng)速也大，土壤CO2濃度低時相應(yīng)地風(fēng)速也小，不過兩者之間存在一定的滯后性。如，風(fēng)速達到高值后一段時間，才能引起土壤CO2濃度的升高。同樣，風(fēng)速變小1～2 h之后，土壤CO2濃度才能出現(xiàn)較低的濃度值。本文中，由于未考慮滯后相關(guān)的參數(shù)計算，土壤CO2濃度和風(fēng)速的相關(guān)性分析結(jié)果顯示出正相關(guān)性，這與趙景波等[27]在西安人工林區(qū)域開展的風(fēng)速與土壤CO2濃度的變化情況類似。由圖8可以看出，土壤CO2濃度和風(fēng)速之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)R=0.549），雖然相關(guān)系數(shù)比土壤溫度、土壤濕度與土壤CO2濃度的相關(guān)關(guān)系差，但也是影響該區(qū)域土壤CO2濃度變化的影響因子之一。

3.2.4土壤CO2濃度與氣壓的關(guān)系

圖7　土壤CO2濃度和風(fēng)速變化過程

氣壓也是影響土壤CO2濃度的主要因素之一。當(dāng)氣壓增高，土壤空氣被壓縮及大氣空氣投入土壤之中，使得土壤CO2濃度減小，同樣，氣壓的減小對土壤空氣提供擴散到土壤表面的機會，這個過程引起增加土壤CO2濃度。由圖9可知，肖塘地區(qū)夏季氣壓變化幅度為896.1～908.7 hPa，平均值為900.8 hPa，最高值出現(xiàn)在8月31日，最低值出現(xiàn)在6月20日。就兩者變化關(guān)系來看，土壤CO2濃度較高時相應(yīng)地氣壓較低、土壤CO2濃度較低時相應(yīng)地氣壓較高，兩者呈顯著性負相關(guān)。這種變化關(guān)系在Sánchez-Ca?ete在西班牙南部進行的土壤CO2濃度觀測試驗得到證實。西班牙南部干旱區(qū)中，大氣壓力增強時，土壤CO2在氣壓作用下向更深層次的土壤滲透或遷移。當(dāng)大氣壓力變小時，土壤深處的CO2向土壤表層遷移，使得測量區(qū)域的土壤CO2濃度升高[14]。

圖8　土壤CO2濃度與風(fēng)速的相關(guān)性分析

圖9　土壤CO2濃度和氣壓變化過程

4　結(jié)論

（1）土壤CO2濃度呈明顯的晝夜變化特征，整體上呈白天升高，夜間回落的趨勢。濃度最高值和最低值分別出現(xiàn)在白天和夜間。6—8月40 cm深處土層中土壤CO2濃度平均值分別是520.02 ppm、505.15 ppm與511.14 ppm，6月平均濃度明顯大于7月和8月。

（2）土壤溫度是影響土壤CO2濃度的決定性環(huán)境因子。同時，土壤濕度對土壤CO2濃度的影響也不容忽視。土壤濕度通過控制土壤空氣的空隙而影響土壤CO2濃度。

（3）風(fēng)速也是土壤CO2濃度的影響因子之一，但與土壤CO2濃度變化之間存在一定的滯后性。

（4）土壤CO2濃度的變化還受氣壓的影響。氣壓對土壤CO2濃度的影響不是直接的，通過改變土壤空氣密度而影響土壤CO2濃度變化，兩者具有負相關(guān)性，氣壓的增高會減小土壤CO2濃度，氣壓的降低會增大土壤CO2濃度。

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Daily Variation Characteristicsand Influence FactorsofSoilCO2Concentration in Xiaotang Region in Summer

Alim Abbas1，2，3，AliMamtimin2，3，HE Qing2，3，HUO W en2，3，YANG Fan2，3，YANG Xinghua2，3，RenaguliTailaiti4
（1.CollegeofGeographicalScienceand Tourism，Xinjiang NormalUniversity，Urumqi830054，China；2.InstituteofDesertMeteorology，China MeteorologicalAdministration，Urumqi830002，China；3.The Taklimakan DesertAtmosphere EnvironmentObservation Station，Tazhong841000，China；4.Kezhou MeteoroligicalBureau，Atux845350，China）

AbstractThe characteristics and influence factors ofsoil CO2concentration were analyzed by using soil CO2concentration,soil temperature,soil humidity at a depth of40 cm,and data of atmospheric pressure and wind speed from Xiaotang region,a transition zone ofmobile desertof northern borderofTaklimakan desert,from 1 stJulyto31 stAugust,2015.Theresultsshowed that, （1）the daily change ofsoilCO2concentration ata depth of40 cm appeared a single peak curve （lowervaluesatnightand high valuesatday）,the daily maximum value occurred atabout18:00 and the lowestvalue appeared atabout06:30,the average concentration value varied from 506.97 ppm to 518.14 ppm;（2）soil CO2concentration increased as the soiltemperature rose with a significantpositive correlation,（3）the highersoilrelative humidityaccompanied the highersoilCO2concentration with a significantpositive correlation because the soilCO2was noteasily dispersed underhigherrelativehumidity；（4）atmosphericpressureaffected soilCO2concentration byallowing air into the soilor soildecreased CO2concentration by atmospheric diffusion,and there were a negativecorrelation between them.

Key wordsTaklimakan desert;soilCO2concentration;influencefactors

中圖分類號：P461.4

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1002-0799（2016）02-0063-07

doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.02.010

收稿日期：2015-11-19；修回日期：2016-01-22

基金項目：國家自然科學(xué)基金（41175140）；公益性行業(yè)專項（GYHY201306066）共同資助。

作者簡介：阿力木·阿巴斯（1988-），男（維吾爾族），碩士研究生，主要從事干旱區(qū)環(huán)境演變的研究。E-mail：342483183@qq.com

通訊作者：買買提艾力·買買提依明（1978-），男（維吾爾族），副研究員，主要從事沙漠大氣邊界層研究。E-mail：ali@idm.cn