典型巖溶丘陵區(qū)生長(zhǎng)季土壤CO2、CH4通量研究

劉九纏，孫玉川，2，沈立成，劉寧坤，吳 超，游賢慧，王正雄

（1.西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院/巖溶環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所/國(guó)土資源部、廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004）

大氣中CO2、CH4的輻射增溫效應(yīng)分別占溫室氣體總效應(yīng)的56%和15%［1］，而二氧化碳、甲烷對(duì)強(qiáng)化溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)量分別居第1、第2位［2］，在過(guò)去的幾十年中，大氣中的CO2、CH4濃度分別以0.5%和0.8%的速度增長(zhǎng)［3］。以往對(duì)于土壤CO2、CH4通量的研究多集中在非巖溶區(qū)，如東北森林土壤［4］、華南森林土壤［5］、濱海濕地［6］及紅樹(shù)林土壤［7］等。在巖溶地區(qū)，房彬等［8］對(duì)貴陽(yáng)附近灌叢林研究發(fā)現(xiàn)土壤CO2、CH4通量具有明顯的季節(jié)變化，且表現(xiàn)為CO2源、CH4匯；程建中等［9］采用氣象色譜法研究了不同土地利用下土壤中CO2濃度與地表CO2通量的季節(jié)變化及其相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明地表CO2排放強(qiáng)烈依賴(lài)于土壤中CO2濃度積累和分布。據(jù)估算，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)土壤呼吸每年排放到大氣的碳通量為64～100 Pg，是化石燃料排放量的11倍［10-13］。我國(guó)西南地區(qū)是世界上面積最大、最集中連片的巖溶區(qū)［14］，巖溶丘陵區(qū)作為西南地區(qū)重要的巖溶地貌類(lèi)型，植物對(duì)巖溶丘陵區(qū)土壤CO2、CH4通量的影響較大，而對(duì)巖溶丘陵區(qū)土壤CO2、CH4通量研究的不足嚴(yán)重影響了碳通量的精確估算，因此探究巖溶丘陵區(qū)土壤表面有植被覆蓋和無(wú)植被覆蓋的CO2、CH4通量及其日變化特征對(duì)于碳通量的研究意義重大。

本研究選擇國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃的實(shí)施樣區(qū)重慶市南川巖溶丘陵為研究區(qū)，通過(guò)觀(guān)測(cè)土壤表面有草、無(wú)草CO2和CH4通量變化特征，結(jié)合土壤溫、濕度，分析了巖溶丘陵區(qū)生長(zhǎng)季土壤表面CO2、CH4通量的變化特征及其影響因素，分析地表植物對(duì)土壤表面CO2、CH4通量的影響，同時(shí)探討巖溶丘陵區(qū)土壤表面CO2、CH4通量的日變化模式。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市南川區(qū)南平鎮(zhèn)（106°56′15″ ～107°0′30″ E，29°05′30″～29°0′10″N）境內(nèi)（圖1），地處南川市西南部邊緣，距市區(qū)25 km，地形總體呈西高東低，中間為U型河谷平緩帶，兩邊為淺丘，大部分屬淺丘地貌，部分地區(qū)為低山地貌，海拔578～1 031 m，相對(duì)高差453 m，平均海拔690 m，地層為三疊系嘉陵江組地層。該區(qū)主要發(fā)育黃色石灰土和黃壤，土層薄厚不均，大部分土壤含碳酸鈣，植物類(lèi)型主要以亞熱帶灌喬木分布最廣，用材林主要樹(shù)種為馬尾松、杉木、柏樹(shù)、香樟，灌木林主要有杜鵑、馬桑等樹(shù)種，人工林主要是馬尾松、楊樹(shù)、花椒等樹(shù)種，但造林比較分散零星，不成規(guī)模，且人工林主要處于生長(zhǎng)初期，郁閉度較低。研究區(qū)平均氣溫16℃，極端最高溫度39.8℃，極端最低溫度-5.3℃，平均年降水量1 300 mm，最大年降水量1 528 mm，最小年降水量826 mm。

1.2 研究方法

圖1 研究區(qū)位置示意圖

如圖1所示，選擇4個(gè)林地（多為人工造林地，有喬木生長(zhǎng)，依次為坡改梯、棄耕地、楊樹(shù)林、花椒林）和附近3個(gè)草地（多生長(zhǎng)雜草，無(wú)喬木，依次為荒地、非坡改梯、金銀花），在每個(gè)林地和草地內(nèi)選擇平緩地帶分別安裝2個(gè)靜態(tài)暗箱。一個(gè)靜態(tài)暗箱內(nèi)部地表無(wú)草，即每月采樣前割草，保證土壤表面無(wú)植被覆蓋；另一個(gè)內(nèi)部表面不割草（有草），即每個(gè)采樣點(diǎn)2個(gè)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共14個(gè)土壤通量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)有草和無(wú)草對(duì)土壤表面CO2、CH4通量的影響。

于2017年4～9月，采用密閉靜態(tài)箱法［15］對(duì)14個(gè)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行土壤表面有草和無(wú)草CO2、CH4通量的監(jiān)測(cè)（研究區(qū)內(nèi)林地和草地相間分布，因此隨機(jī)選擇了14個(gè)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中8個(gè)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于林地，6個(gè)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于草地）：將不透明密閉箱（箱體尺寸為40 cm×40 cm×40 cm，頂部有小風(fēng)扇和采氣孔）罩在鐵槽上（鐵槽底部提前打入土中5 cm），鐵槽中注水使其密封，避免箱內(nèi)與外界氣體交換。在密封后0、5、10、15 min分別用20 mL注射器（帶有3通閥）同時(shí)抽取2份箱內(nèi)氣體，并旋緊閥門(mén)（每月采集氣體1次，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采樣時(shí)間為15 min，每次間隔5 min，共采集4次；因此每月14個(gè)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)共采集112袋氣體，連續(xù)采集6個(gè)月，所有樣品均采自生長(zhǎng)季）。氣體樣品送回實(shí)驗(yàn)室并用氣相色譜儀（Agilent 7890A，配微池TCD和FID檢測(cè)器）在3 d內(nèi)測(cè)定CO2、CH4濃度，計(jì)算CO2、CH4通量［16］，公式如下：

式中，F(xiàn)為t時(shí)CO2或CH4的排放通量（mg/m2·h），H為水面以上采樣箱高（m），M為被測(cè)氣體摩爾質(zhì)量，Ta為空氣溫度（K），P為采樣點(diǎn)氣壓（×105Pa），dc/dt為采樣時(shí)氣體濃度隨時(shí)間變化的直線(xiàn)斜率。

在每次監(jiān)測(cè)土壤CO2、CH4濃度時(shí)在旁邊利用環(huán)刀法采集5 cm深度土樣，土樣經(jīng)烘干測(cè)定含水率和容重；土壤有機(jī)碳測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化-油浴加熱法（GB 7857-87）；溫度用便攜式溫度測(cè)定儀（FLUKE 51 II）測(cè)定，每隔5 min測(cè)定1次，以準(zhǔn)確計(jì)算CO2、CH4通量（表1）。

表1 研究區(qū)生長(zhǎng)季土壤理化性質(zhì)

2 結(jié)果與分析

2.1 巖溶丘陵區(qū)土壤CO2、CH4通量變化特征

2017年4～9月觀(guān)測(cè)期間，14個(gè)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)都表現(xiàn)為CO2源，其中有草土壤CO2通量均值為552 mg/m2·h，無(wú)草土壤CO2通量均值為352 mg/m2·h，無(wú)草土壤CO2通量?jī)H為有草土壤的64%，有草土壤CO2通量明顯高于無(wú)草土壤的（圖2），二者的變化特征相似且存在顯著差異（圖3）；有草土壤CO2通量隨溫度的升高而升高，在7月中旬達(dá)到最大值735 mg/m2·h，隨著重慶伏旱的加?。▓D4），至8月有草土壤CO2通量降至最小值361 mg/m2·h；無(wú)草土壤CO2通量隨溫度的升高而升高，在7月中旬達(dá)到最大值462 mg/m2·h，在8月重慶伏旱最嚴(yán)重時(shí)無(wú)草土壤CO2通量降至最小值195 mg/m2·h，而隨著9月初降雨的到來(lái)無(wú)草土壤CO2通量再次升高。

土壤CH4通量變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2，14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤整體表現(xiàn)為CH4匯，其中有草土壤CH4通量均值為-80 μg/m2·h，無(wú)草土壤CH4通量均值為-75 μg/m2·h，有草土壤CH4通量與無(wú)草土壤CH4通量隨時(shí)間的變化特征相似且而二者大小相近，無(wú)顯著差異（圖3）；土壤CH4通量隨溫度的升降無(wú)明顯變化規(guī)律，最大吸收量-131 μg/m2·h出現(xiàn)在8月，最小吸收量-28 μg/m2·h出現(xiàn)在4月。

圖2 土壤CO2、CH4通量變化特征

圖3 有草、無(wú)草土壤CO2、CH4通量的相關(guān)性

圖4 土壤表層溫度和含水率變化特征

2.2 巖溶丘陵區(qū)土壤CO2、CH4通量的日變化特征

2017年6月20～21日，土壤表現(xiàn)為CO2源，其中有草土壤CO2通量均值為506 mg/m2·h，無(wú)草土壤CO2通量均值為273 mg/m2·h，有草土壤表面CO2通量明顯高于無(wú)草土壤表面CO2通量，且二者的變化特征相似（圖5）；有草土壤CO2通量在下午15：00后隨溫度的降低而降低，至凌晨6：00達(dá)到最小值385 mg/m2·h，之后隨溫度的升高而升高，并在中午12：00達(dá)到最大值636 mg/m2·h；無(wú)草土壤CO2通量變化特征與有草CO2通量特征相似，在凌晨6：00達(dá)到最小值185 mg/m2·h，在中午12：00達(dá)到最大值 375 mg/m2·h。

圖5顯示，在日變化尺度上，土壤也表現(xiàn)為CH4匯，其中有草土壤CH4通量均值為-72 μg/m2·h，無(wú)草土壤CH4通量均值為-68 μg/m2·h，有草土壤CH4通量與無(wú)草土壤CH4通量隨時(shí)間的變化特征相似且而二者大小相近；土壤表面CH4通量隨溫度變化無(wú)明顯的規(guī)律，最大吸收量-157 μg/m2·h出現(xiàn)在凌晨6：00，最小吸收量-14 μg/m2·h出現(xiàn)在上午9：00。

圖5 土壤表面CO2、CH4通量日變化特征

2.3 巖溶丘陵區(qū)土壤CO2、CH4通量與溫度、濕度的關(guān)系

由巖溶丘陵區(qū)土壤表面CO2通量與土壤溫度關(guān)系（圖6）可知，有草土壤CO2通量與土壤溫度呈正相關(guān)關(guān)系（R2=0.366），無(wú)草土壤CO2與土壤溫度也呈正相關(guān)關(guān)系（R2=0.389）；有草土壤CO2通量隨土壤溫度升高先保持穩(wěn)定，之后呈指數(shù)上升趨勢(shì)，而無(wú)草土壤CO2通量隨土壤溫度的升高而平緩上升。土壤CH4通量與土壤溫度則無(wú)明顯的相關(guān)關(guān)系，這可能是由于生長(zhǎng)季氣溫較高（20℃以上，表1、圖4）、溫差較小，土壤CH4通量對(duì)溫度變化不敏感所致。巖溶丘陵區(qū)土壤CO2、CH4通量與土壤濕度均無(wú)相關(guān)關(guān)系，這可能是在暗箱環(huán)境下，土壤濕度變化較小，土壤CO2、CH4通量受到濕度的變化影響較小，而生長(zhǎng)季降水較多，土壤濕度較高，除伏旱（7、8月）外土壤濕度變化較小，因此對(duì)土壤表面CO2通量、土壤CH4通量的影響較土壤溫度小。

圖6 土壤CO2通量與土壤溫度的相關(guān)性

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，巖溶丘陵區(qū)土壤在生長(zhǎng)季表現(xiàn)為CO2源、CH4匯，植被覆蓋對(duì)土壤CO2通量具有明顯影響，有草土壤CO2通量明顯高于無(wú)草土壤，而土壤表面有草和無(wú)草CH4通量則無(wú)明顯差別，說(shuō)明在生長(zhǎng)季地表植被覆蓋是影響土壤CO2通量的重要因素，而地表植被覆蓋對(duì)土壤CH4通量的影響較小。在生長(zhǎng)季日變化尺度上，土壤也表現(xiàn)為CO2源、CH4匯，有草土壤CO2通量明顯高于無(wú)草土壤，且二者的變化特征一致；而土壤CH4通量受到植被覆蓋的影響較小。土壤CO2通量與土壤溫度呈正相關(guān)關(guān)系，而土壤CH4通量則與土壤溫度無(wú)相關(guān)關(guān)系，表明土壤溫度是影響巖溶丘陵區(qū)生長(zhǎng)季土壤CO2通量的主要因子。土壤濕度是影響土壤CO2、CH4通量的重要因素，而在生長(zhǎng)季由于土壤濕度變化較小，土壤濕度對(duì)土壤CO2、CH4通量的影響較小。

3.1 植被對(duì)土壤表面CO2、CH4通量變化的影響

植被可通過(guò)影響土壤微生物數(shù)量和活性，土壤結(jié)構(gòu)，土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)量、質(zhì)量和根系呼吸速率來(lái)影響土壤呼吸，從而影響土壤CO2通量［17］。本研究利用靜態(tài)箱探究土壤表面CO2通量，發(fā)現(xiàn)有草土壤CO2通量明顯高于無(wú)草土壤。前人研究表明，土壤CO2通量除化學(xué)氧化產(chǎn)生以外，主要是由植物根系自養(yǎng)呼吸和微生物異養(yǎng)呼吸產(chǎn)生；除草后地表植被受到破壞，影響了植物根系自養(yǎng)呼吸和微生物活動(dòng)，并導(dǎo)致表層土壤缺失，土壤表面有機(jī)碳含量下降，造成微生物分解有機(jī)碳產(chǎn)生的CO2量減少，導(dǎo)致土壤表面CO2通量出現(xiàn)明顯下降。土壤表面CH4通量受到植被類(lèi)型、土壤溫度和水分、土壤類(lèi)型等因素的影響，其中植被在CH4排放過(guò)程中可以釋放根系分泌物和凋落物等為產(chǎn)甲烷菌提供底物［18-19］，通過(guò)根系釋放氧氣氧化內(nèi)源甲烷［20-21］，為甲烷釋放提供通道［22-23］；除草后土壤表面CH4通量無(wú)明顯變化，即除草對(duì)于土壤表面CH4通量沒(méi)有影響。這可能是由于除草雖然導(dǎo)致土壤表面植被破壞，表層土壤變疏松，但植被根系依然完好，在暗箱環(huán)境下土壤溫濕度變化較小，因此無(wú)草土壤表面CH4通量無(wú)明顯變化。

3.2 土壤CO2、CH4通量日變化特征分析

生長(zhǎng)季（6月）晝夜監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示巖溶丘陵區(qū)土壤表現(xiàn)為CO2源、CH4匯，土壤CO2通量與溫度的變化特征一致，這可能是由于隨著溫度的升高，植物根系和微生物活性隨之增強(qiáng)，導(dǎo)致土壤CO2通量升高；而隨著溫度的持續(xù)下降植物根系和微生物活性又變?nèi)?，?dǎo)致土壤CO2通量再次降低；相較于土壤CO2通量，土壤表面CH4通量隨溫度的變化無(wú)明顯的規(guī)律。無(wú)草土壤表面CH4通量變化特征與有草CH4通量特征相似，在早上6：00達(dá)到最大值，在早上9：00達(dá)到最小值，這可能是由于日出前溫度達(dá)到最低值，此時(shí)無(wú)草地表凝結(jié)了最多的露水，形成還原環(huán)境更利于CH4的產(chǎn)生，導(dǎo)致土壤表面CH4通量達(dá)到最大值；而隨著日出后表層土壤水分的蒸發(fā)，地表缺氧環(huán)境改善，土壤表面CH4通量逐漸降低，最終CH4通量出現(xiàn)最小值。

3.3 溫、濕度對(duì)土壤CO2、CH4通量變化的影響

土壤溫室氣體排放是一個(gè)極其復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程，影響因素較多，因此了解土壤溫室氣體排放量與環(huán)境因子的關(guān)系對(duì)研究土壤溫室氣體排放的動(dòng)態(tài)變化具有重要意義［24-26］。土壤溫度和濕度是影響土壤溫室氣體排放的環(huán)境因子中最重要的兩個(gè)因素［27-28］。由于土壤溫度和濕度的配置不同，導(dǎo)致土壤溫室氣體排放的季節(jié)差異［29-30］，土壤溫、濕度在生長(zhǎng)季較高，導(dǎo)致土壤微生物和土壤根系活性增強(qiáng)，因此土壤表面CO2、CH4通量較高［31］。土壤表面CO2通量在8月份出現(xiàn)最低值，這可能是由于8月份重慶正值一年中伏旱最嚴(yán)重的時(shí)候，高溫少雨，土壤含水率遠(yuǎn)低于其他月份，造成土壤微生物和土壤根系活性嚴(yán)重降低，導(dǎo)致土壤CO2通量下降［32-33］。土壤表面CH4通量在8月份出現(xiàn)吸收峰、在4月份出現(xiàn)吸收低值，這可能是由于8月份重慶氣溫處于最高值，加之伏旱嚴(yán)重，土壤含水率出現(xiàn)最低值，土壤溫度和含水率達(dá)到CH4排放的最優(yōu)配置［34］，從而造成土壤表面CH4通量出現(xiàn)吸收峰；而4月份重慶正值雨季初，土壤溫、濕度均較低，此時(shí)土壤處于氧化條件下，土壤CH4產(chǎn)生菌群落活性較低，導(dǎo)致土壤CH4氧化增強(qiáng)而排放減弱［35］，因此土壤CH4通量出現(xiàn)最低值。