青海湖南側(cè)土壤CO2濃度變化特征研究

侯雨樂，胡 堯，廖光萍

(1．阿壩師范學(xué)院，四川 汶川 623002；2. 陜西師范大學(xué)旅環(huán)學(xué)院，陜西 西安 710061)

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青海湖南側(cè)土壤CO2濃度變化特征研究

侯雨樂1,2，胡 堯1，廖光萍1

(1．阿壩師范學(xué)院，四川 汶川 623002；2. 陜西師范大學(xué)旅環(huán)學(xué)院，陜西 西安 710061)

通過連續(xù)6年(2009-2014年)對青海湖南側(cè)不同植被條件下土壤CO2和空氣中CO2的濃度的定點檢測試驗，研究了該區(qū)土壤CO2濃度變化特點、規(guī)律及其主要影響因素。不同植被相同深度CO2濃度變化規(guī)律：高草地CO2濃度明顯高于裸地；高草地的小時平均濃度是裸地的4.74倍，而且茂密高草地的CO2濃度的變化曲線更加平緩。溫度是影響該區(qū)土壤CO2濃度的主要因素。統(tǒng)計學(xué)分析表明，青海湖南側(cè)地區(qū)CO2濃度的變化與溫度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；并且隨著全球CO2濃度的增加，青海湖南側(cè)地區(qū)土壤CO2濃度仍有持續(xù)增加的趨勢。

江西溝鄉(xiāng)，土壤CO2濃度變化；高草地

大氣CO2濃度增加是造成全球氣候變化的首要原因，自工業(yè)革命以來空氣中CO2濃度迅速增加，而陸地土壤碳庫儲量約是大氣碳庫儲量的3倍[1]，土壤CO2排放量在全球CO2土壤-大氣交換和大氣CO2濃度變化中起著重要作用[1]。土壤碳庫的微小變化都會影響大氣CO2濃度乃至全球氣候的變化，從20世紀80年代初開始，隨著氣候變化對全球生態(tài)環(huán)境的影響日益增大，CO2濃度升高對陸地生態(tài)系統(tǒng)影響成為了全球氣候變化研究的熱點[2-3]。土壤碳循環(huán)是全球碳循環(huán)的重要組成部分和研究熱點之一[4-5]，是土壤碳庫的主要輸出途徑和大氣CO2重要的源。目前國內(nèi)外針對土壤CO2濃度的研究大量集中于森林和草地生態(tài)系統(tǒng)[6-8]，而針對于高海拔草地生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2的濃度長期研究較少，研究高海拔草地生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2的變化規(guī)律顯得極其重要。有鑒于此，筆者通過連續(xù)6年(2009-2014年)對青海湖南側(cè)不同植被條件下土壤CO2和空氣中CO2的濃度的定點檢測試驗，研究和分析了該區(qū)土壤CO2濃度變化特點、規(guī)律及其主要影響因素，對于估算真實的土壤呼吸速率、理解土壤呼吸的調(diào)控機理等有重要意義，為推動高海拔地區(qū)土壤碳循環(huán)和碳固定的研究提供了科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海湖南側(cè)青海省藏區(qū)畜牧業(yè)經(jīng)濟比重較大的江西溝鄉(xiāng)(N35°30′～37°21′，E99°20′～105°30′)，位于青海湖南部的湖濱平原，地勢由南向北部傾斜，海拔約3100 m，典型的高原大陸性氣候，海拔高，空氣稀薄，干旱少雨，氣候溫涼，日照充足，晝夜溫差大，蘊藏著極為豐富的光能資源，年平均日照時數(shù)2907.8 h，年平均氣溫4.1 ℃，≥10 ℃年積溫3000～3500 ℃，無霜期250 d，年均降水量250～450 mm，主要集中在5-9月。地形以高原山地為主，平均海拔3200 m，最高峰海拔5290 m[9]。由于該區(qū)山體相對高差大，使大氣降水、植被及土壤類型具有明顯的分布規(guī)律，草地類型主要可以分為山地干草原、山地草甸草原、山地草甸3種(高草地)和裸地，土壤類型主要包括草甸土、灰褐土、紅褐土和黑壚土等。

1.2 研究方法

采用野外調(diào)查和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，于2009年9月至2014年9月在青海湖南側(cè)江西溝鄉(xiāng)靠近青海湖農(nóng)場(野外定位站)選取平坦且未受人類干擾的高草地和裸地作為樣地類型，每個樣地重復(fù)選取4個，高草地土層深厚，植被高度約為30～60 cm，蓋度≥80，裸地植被稀疏，蓋度≤10，每個樣地面積大小約為100 m×100 m，分別在每個樣地內(nèi)隨機取10個樣點，利用輕型人力鉆打出不同深度的鉆孔，采樣深度分別為200、100 和50 cm，并同時測量了地上100 cm高度的CO2濃度作為對比，使用紅外CO2檢測儀進行不同深度土壤CO2濃度以及離地面CO2濃度的測定，并記錄樣地主要生境因子，采用美制GPS確定樣地和采樣點所在的經(jīng)(G)緯(L)度，海拔表測所選樣地海拔高度(H)，在2009年9月至2014年9月測定高草地和裸地土壤CO2濃度的年際變化。

1.3 數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計分析：利用SPSS 18.00統(tǒng)計分析軟件進行相關(guān)分析和差異性檢驗，并進行逐步回歸分析，LSD進行多重分析比較，Excel 2007作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 高草地土壤CO2濃度的變化

2.1.1 高草地土壤100 cm深處CO2濃度的變化 由圖1可知，高草地土壤地下100 cm深度處的CO2濃度變化范圍在0.282～0.320，小時平均濃度為0.299。在08：15-11：15期間，CO2濃度在范圍在0.288 %～0.320 %之間波動。在11：15-14：15期間CO2濃度變化較小，范圍在0.294 %～0.298 %。在15：15-19：15期間CO2濃度持續(xù)上升，范圍在0.282 %～0.313 %。最高值出現(xiàn)在08：15和10：15，最低值出現(xiàn)在15：15。結(jié)合溫度變化趨勢，看出12：15-17：15這個時間段CO2濃度的峰值出現(xiàn)時間與土壤空氣溫度的峰值出現(xiàn)時間基本一致。

2.1.2 高草地土壤100 cm高度空氣CO2濃度的變化 由圖2可知，高草地土壤地上100 cm處CO2濃度的變化范圍從0.009 %～0.030 %，平均小時濃度為0.017 %。在08：15-11：15期間，CO2濃度在0.018 %～0.030 %波動。在12：15-18：15期間，CO2濃度的變化較小，范圍在0.014 %～0.018 %。然后在19：15下降至0.009 %。其中CO2濃度最高值出現(xiàn)在10：15，最低值出現(xiàn)在19：15。結(jié)合氣溫變化曲線，發(fā)現(xiàn)CO2濃度的變化趨勢與溫度變化趨勢基本一致。

2.1.3 高草地土壤不同高度處CO2濃度的變化 由圖3可知，高草地土壤不同深度處的CO2濃度變化趨勢基本一致，但是各深度的濃度差異較大。其中地下50 cm深處的CO2濃度與地上100 cm高度處的濃度差異顯著。地下50 cm深度處的小時平均濃度是地上100 cm高度處的20.65倍，小時最高濃度是地上100 cm高度處的14.3倍，小時最低濃度是地上100 cm處的36.4倍。小時平均濃度最高的為50 cm深度，其次是100 cm深度，再次是200 cm深度，最低的為地上100 cm高處。地上100 cm深度濃度最低與前面實驗結(jié)果一致，地下部分隨著深度的增加CO2濃度反而降低，與之前實驗結(jié)果恰好相反。

圖1 高草地土壤100 cm深處CO2濃度的變化Fig.1 Changes of soil CO2 concentration in the depths of 100 cm at high grassland

圖2 高草地土壤地上100 cm高度CO2濃度的變化Fig.2 Changes of CO2 concentration on the ground 100 cm height at high grassland

圖3 高草地不同高度處CO2濃度的變化Fig.3 Changes of CO2 concentration at different heights CO2 concentration at high grassland

圖4 江西溝鄉(xiāng)附近裸地處CO2濃度變化Fig.4 Changes of soil CO2 concentration in the depths of 100 cm at bare land

2.2 裸地土壤CO2濃度的變化

2.2.1 裸地土壤100 cm深度CO2濃度的變化 由圖4可知，裸地土壤100 cm深度處CO2濃度的變化范圍從0.023～0.090，平均小時濃度為0.077。在08：40-12：40時間段CO2濃度曲線變化波動較大，變化范圍從0.023 %～ 0.085 %。隨后CO2濃度曲線的變化趨勢較為平緩，變化范圍為0.077 %～0.090 %。CO2濃度最低值出現(xiàn)在08：40，與氣溫最低值出現(xiàn)時間一致。CO2濃度曲線整體呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢。

2.2.2 裸地地上100 cm處CO2濃度的變化 由圖5可知，裸地地上100 cm處CO2濃度的變化范圍從0.021 %～0.030 %，平均小時濃度為0.024 %。在08：40-14：40期間，CO2濃度波動上升，變化范圍在0.021 %～0.030 %。在15：40-17：40期間，CO2濃度緩慢下降，變化范圍在0.022 %～0.026

圖5 江西溝鄉(xiāng)附近裸地地上100 cm處CO2濃度變化曲線Fig.5 Changes of CO2 concentration on the ground 100 cm height at bare land

圖6 江西溝鄉(xiāng)附近裸地上不同高度處CO2濃度變化Fig.6 Changes of CO2 concentration at different heights CO2 concentration at bare land

%。在18：40-20：40期間，CO2濃度變化較小，范圍在0.023 %～0.025 %。CO2濃度最高值出現(xiàn)在14：40，此時也是空氣溫度的高值。CO2濃度整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。

2.2.3 裸地不同高度處CO2濃度變化對比 由圖6可知，裸地不同高度處CO2濃度的變化趨勢基本一致，但是各高度的CO2濃度差異較大。其中100 cm深處的CO2濃度與100 cm高度處的濃度差異顯著。100 cm深度處的小時平均濃度是100 cm深度處的3.21倍，是50 cm深度的1.75倍，小時平均濃度最高的為100 cm深度，其次是50 cm深度，最低的為地上100 cm高度處。

3 討 論

3.1 土壤CO2晝夜?jié)舛鹊淖兓?guī)律

土壤中CO2在一個晝夜中的濃度變化是和溫度具有一定的相關(guān)性[10]，一般情況下，CO2濃度變化從早8：00到次日8：00具有從高到低再到高的變化規(guī)律。這與氣溫的變化特點基本一致。但是變化并不和溫度完全同步[1]。溫度雖不是左右土壤CO2濃度的唯一因素，但影響力很大[2,13]。

土壤中CO2的濃度相對與溫度的變化在時間上并不完全一致，相對來說CO2濃度的變化曲線更加平緩。通過CO2的濃度變化曲線，我們可知，單峰型的情況較少。在大多數(shù)情況下，晝夜變化呈現(xiàn)為多個小高峰。土壤CO2濃度的晝夜對比上，晚上的CO2濃度要高于白天的濃度。由于地表植被覆蓋的不同，不同生態(tài)系土壤中CO2濃度的變化是有明顯差異的。通過對比不同植被處土壤的CO2濃度，可知裸地CO2濃度的波動范圍更大。

本實驗中對不同的植被和不同的深度的CO2濃度進行了分別的測定，各種不同條件下的實驗結(jié)果存在一定的差異，但是規(guī)律還是基本一致。前人的研究成果也說明了確實在某些地區(qū)存在這種規(guī)律，如趙景波[3,14]等對西安地區(qū)土壤CO2濃度量的研究等。

3.2 土壤CO2濃度的主要影響因素

3.2.1 溫度與土壤CO2濃度的關(guān)系 土壤CO2濃度的變化是一個非常復(fù)雜的生物-化學(xué)過程，經(jīng)常受到多種環(huán)境因素的影響[5]?？偟膩碚f，土壤CO2的濃度與氣象氣候條件、土壤的物理化學(xué)性質(zhì)、生態(tài)群落的類型以及人類的活動都有密切關(guān)系。下面主要從溫度、降水、植被、土層性質(zhì)對CO2濃度的影響來進行討論。

土壤CO2濃度的大小與溫度有密切關(guān)系。溫度高的時段常對應(yīng)CO2濃度量低的時段，溫度低的時段常對應(yīng)CO2濃度高的時段。即白天土壤CO2濃度小，夜間濃度大。但這并不說明土壤CO2濃度與溫度呈負相關(guān)關(guān)系[6]。但事實恰恰相反，溫度升高時，植物呼吸作用加強，微生物數(shù)量增多，同時溫度的升高也加速了土壤中含碳物質(zhì)的分解，使CO2的含量增加。因此，溫度升高使土壤CO2濃度增多，反之則少。通過實驗數(shù)據(jù)可知，大部分地點CO2濃度的最高值和最低值出現(xiàn)時間均比氣溫最高值和最低值出現(xiàn)時間有0～4 h的延遲。這是因為大氣溫度向土層下部傳遞需一定的時間過程，這一過程就是滯后時間。

3.2.2 降水對土壤CO2濃度的關(guān)系 降水通過影響土壤中生物活動和根系生長所需要的水量、土壤含水量以及土壤溫度來影響土壤呼吸；土壤呼吸隨季節(jié)降水量的變化而一般呈正相關(guān)關(guān)系[7]。

Baldachin等人[18]對加利福尼亞州一年生草地的研究也發(fā)現(xiàn)，一段時間的相對干旱期后的降水事件對高稈草草原土壤呼吸具有顯著影響，生態(tài)系統(tǒng)CO2通量明顯增大。一段無降水時段之后，土壤水分降低,土壤微生物代謝活動受到抑制，土壤呼吸釋放CO2的量降低；當(dāng)降水發(fā)生后，土壤濕度增加，植物和土壤微生物活動加強，土壤呼吸釋放CO2的量會迅速升高。

3.2.3 植被對土壤CO2濃度的影響 植被是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。植被及地表覆被的凋落物對土壤CO2釋放的影響是很重要的；不同的植被下土壤有機質(zhì)含量、pH值、溫度、濕度等因素也大不相同，土壤呼吸也隨著發(fā)生變化。薄土層濃度明顯小于厚土層，這主要是因為薄土層植被發(fā)育不如厚土層和有機物與微生物含量少。植被發(fā)育越好，土層有機物含量越多，土壤CO2濃度越多。植被的覆蓋一方面使土層蒸發(fā)減少，導(dǎo)致土壤濕度增加，并在土層中產(chǎn)生了較多的有機質(zhì)，為微生物活動提供能源，促進其活動，使CO2含量增加。據(jù)研究[9]，有60 %的CO2是微生物分解有機物產(chǎn)生的。另一方面，植被改變了，使土層疏松多孔，從而增加土層CO2濃度。

不同植被下土壤CO2濃度不同，而且變率也不相同。通過對比相同深度處不同植被的CO2濃度，可知高草地CO2濃度明顯高于裸地，高草地的小時平均濃度是裸地的4.74倍。而且茂密高草地的CO2濃度的變化曲線更加平緩。

3.2.4 土層厚度對土壤CO2濃度的影響 通過實驗數(shù)據(jù)分析可知，土層深度小于100 cm的情況下，土壤CO2濃度隨著深度的增加而增加，但是超過100 cm深度后，土壤中CO2的濃度反而隨著深度的增加而遞減。這應(yīng)該是由于土壤表層結(jié)構(gòu)疏松，孔隙度大有利于土壤空氣和大氣進行氣體的自由交換，微生物活動不斷消耗土壤中的O2而產(chǎn)生CO2。而在土層100 cm深度以下受土壤氣體交換受阻，微生物活性降低，并且隨著巖石與土壤的接近，土壤中的CO2受碳酸鹽巖-水-CO2三相化學(xué)動態(tài)平衡的制約而成為巖溶動力[20]，由于巖溶作用吸收土壤中的CO2，故出現(xiàn)100 cm深度以下的土壤CO2濃度隨深度增加而減小的現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

(1)青海湖南側(cè)土壤CO2的濃度從8：00到次日8：00具有由低到高再到低的變化規(guī)律，與溫度的變化趨勢基本一致，但并不完全同步，時間上有0～4 h的延遲。

(2)不同觀測CO2濃度差異較大，高草地CO2濃度明顯高于裸地；高草地的小時平均濃度是裸地的4.74倍。茂密高草地的CO2濃度的變化曲線更加平緩。

(3)不同的深度處CO2的濃度存在明顯的差異。在深度為0～100 cm的土層中，CO2濃度隨著深度的增加而增加；在厚度為100～200 cm的土層中，CO2的濃度隨著深度的增加而降低。

(4)影響青海湖南部地區(qū)土壤CO2濃度變化的主要因素中溫度是最主要的。CO2濃度的變化與溫度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。隨著全球變暖，土壤CO2的濃度還會增加。

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(責(zé)任編輯 李 潔)

Characteristics of CO2Concentration Changes at South Side of Qinghai Lake

HOU Yu-le1,2, HU Yao1, LIAO Guang-ping1

(1. Aba Teachers College, Sichuan Wenchuan 623002, China; 2. College of Tourism and Environment Sciences, Shaanxi Normal University, Shaanxi Xi’an 710061, China)

Through the CO2concentration (2009-2014) in soil and air under different vegetation conditions at Jiangxigou township of Gouhe Country, the changes in the area of soil CO2concentration characteristics, rules and its main influencing factors were researched in the present study. The results showed the CO2concentration change of different vegetation with the same depth: CO2concentration of tall prairie grass was significantly higher than bare ground; And the hour average concentration of tall prairie grass was 4.74 times of bare ground and changes in the lush meadows of the high CO2concentration curve is much gentler. The temperature was the main factors affecting soil CO2concentration in the area.Through statistical analysis, CO2concentration and temperature change had a significantly positive correlation. With global warming, soil CO2concentration will increase.

Jiangxigou township；Changes of the concentration of CO2in soil；High grass

1001-4829(2016)07-1666-06

10.16213/j.cnki.scjas.2016.07.030

2015-06-11

阿壩師專校級科研項目汾河流域旱澇災(zāi)害研究(ASB14-09)

侯雨樂(1983-)，男，講師，山西交城人，碩士，主要從事自然地理研究，E-mail：houyule83@163.com。

S152.7

A