典型巖溶槽谷區(qū)土壤CO2濃度變化對(duì)隧道建設(shè)的響應(yīng)——以重慶市中梁山巖溶槽谷為例

吳 韋,賈亞男,*,蔣勇軍,彭學(xué)義,段世輝,劉九纏,王正雄,衛(wèi)敏潔

1 西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 重慶 400715 2 巖溶環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400715

大氣二氧化碳(CO2)是主要溫室氣體,通過(guò)吸收地面輻射來(lái)影響氣候變化[1]。大氣CO2的增加有可能導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)C的釋放和吸收之間的不平衡,從而產(chǎn)生對(duì)大氣CO2積累和全球生態(tài)系統(tǒng)變化的反饋。大氣中的CO2主要受大氣、海洋、陸地生物之間的碳交換過(guò)程所控制[2]。土壤作為陸生生物的主要棲息地,在CO2的轉(zhuǎn)換過(guò)程中占重要作用,因土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的主要碳庫(kù),其碳含量約占生態(tài)系統(tǒng)總碳的三分之二[3- 5],其微小的變化可能引起大氣中CO2濃度的明顯改變,加之土壤CO2濃度可以反映和影響土壤向大氣釋放CO2的通量[6- 7],同時(shí)對(duì)植物根系生長(zhǎng)發(fā)育、土壤微生物活動(dòng)和各種有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化也有較大影響[8],所以提高我們對(duì)不同因素影響下土壤剖面CO2濃度季節(jié)變化特征的理解有助于認(rèn)識(shí)土壤CO2的產(chǎn)生、累積、輸運(yùn)以及向大氣排放的生物和物理過(guò)程,對(duì)于制定和實(shí)施合理的措施來(lái)減少土壤向大氣排放CO2十分有意義[9]。當(dāng)前學(xué)者們對(duì)土壤CO2濃度的研究主要集中在森林、草原和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),且主要關(guān)注如土壤溫度、土壤含水率、植物根系和微生物活動(dòng)等影響土壤CO2濃度變化的因素[10- 11],對(duì)于巖溶地區(qū)而言,盡管也在野外或者室內(nèi)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)工作[12- 20],但是該區(qū)土壤CO2濃度變化的驅(qū)動(dòng)因素仍需要詳細(xì)的報(bào)告,特別是因地下大型水文工程的建設(shè)(如隧道建設(shè))引起CO2的地質(zhì)泄露[21]和土壤CO2濃度的變化關(guān)注較少。

本研究以亞熱帶氣候區(qū)的重慶市中梁山巖溶槽谷區(qū)為研究對(duì)象,該區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,地上地下雙層結(jié)構(gòu)易引起土壤地表漏失,養(yǎng)分地下流失[22],土壤保水能力差[23]。并且隨著重慶交通的快速向西部擴(kuò)展,在長(zhǎng)約70 km的觀音峽背斜中已建成十多條公路、鐵路、城市軌道交通隧道,并有在建、擬建隧道數(shù)條。在11 km2的龍鳳槽谷區(qū),密集分布有3條隧道(圖1)。據(jù)初步調(diào)查,上述隧道開挖以來(lái),槽谷內(nèi)原有的能滿足人畜飲用、灌溉的泉水,水井水位逐漸降低甚至完全消失；原有水田全部干涸,或棄耕或改為旱地,蓄水池也大量干涸,被迫改為旱地,土壤中的水分含量日趨減少,而土壤含水率作為土壤CO2濃度變化的主控因子之一,隧道影響區(qū)土壤含水率的變化在一定程度上也會(huì)影響其土壤CO2濃度。因此,在該區(qū)域開展隧道建設(shè)影響下土壤CO2濃度變化的研究具有一定的代表性。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選擇隧道影響區(qū)與非隧道影響區(qū)的竹林、灌叢、耕地和白蠟樹林為研究對(duì)象,其中白蠟樹林建立了長(zhǎng)期觀測(cè)的點(diǎn),研究隧道建設(shè)影響下土壤CO2濃度的變化特征及其與環(huán)境因子之間的關(guān)系,為我國(guó)乃至全球巖溶區(qū)的隧道建設(shè)提出參考性建議,以減少隧道建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的不利影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Sketch map showing the location of the study plots

研究區(qū)(圖1)位于重慶市中梁山(106°18′14″—106°56′53″E,29°39′10″—30°03′53″N),該區(qū)為巖溶區(qū),土層薄且不連續(xù),地上地下二元結(jié)構(gòu)發(fā)育。海拔400—700 m。屬于中亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候,具有春早、夏長(zhǎng)、秋短、冬遲的特點(diǎn),年均溫度18℃,多年平均降水量1000 mm左右,降水量年內(nèi)變化大,多集中在5—10月。重慶市中梁山是觀音峽背斜的一部分,其地貌特征受地質(zhì)構(gòu)造和巖性的強(qiáng)烈控制：堅(jiān)硬的黃色砂巖形成陡峻的兩翼,紫色頁(yè)巖組成的軸部構(gòu)成波狀起伏的丘陵地形,二者之間的灰?guī)r經(jīng)巖溶作用形成巖溶槽谷,地貌上表現(xiàn)為“一山兩槽三嶺”的格局。研究區(qū)土壤為嘉陵江組灰?guī)r發(fā)育而來(lái)的石灰土。在11 km2的龍鳳槽谷區(qū)(命名為A區(qū),即隧道影響區(qū)),密集分布有3條隧道分別是龍鳳繞城高速公路隧道、蘭海高速公路隧道和軌道交通6號(hào)線隧道,隧道在穿越背斜時(shí),揭露大量巖溶地下水的可能性極大,因此不可避免破壞地下水環(huán)境和土壤水環(huán)境及生態(tài),從而影響土壤CO2濃度；而在龍鳳槽谷南部,從龍車寺至中梁鎮(zhèn)上形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元,即龍車槽谷(命名為B區(qū),即非隧道影響區(qū)),該區(qū)未修建隧道作為對(duì)比區(qū),面積27.5 km2。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和土壤CO2濃度測(cè)定方法

在A區(qū)和B區(qū)分別選擇耕地(3個(gè)重復(fù)),竹林地(3個(gè)重復(fù))和灌叢地(2個(gè)重復(fù)),分別命名為A-CU、A-BA、A-SH和B-CU、B-BA、B-SH,雖已有文章證明土壤CO2濃度的空間變異性與微地形差異無(wú)關(guān)[24],但在本研究中基本保證相同的土地利用方式的微地形相似,安裝自制簡(jiǎn)易裝置收集土壤氣體。挖出土壤剖面,將PVC管的C部分完全插入0—20 cm和20—40 cm土壤深度的側(cè)壁中(圖2)。安裝完成后,將凹坑回填,注意采樣器C和D部分連接處未松動(dòng)。為使擾動(dòng)土壤恢復(fù),2016年12月26日完成野外選點(diǎn)和儀器安裝直至2017年3月22日開始采集土壤氣體樣品。

在A區(qū)和B區(qū)選擇同一坡向的白蠟樹林(Fraxinuschinensis)作為儀器連續(xù)監(jiān)測(cè)的點(diǎn),分別命名為A-FC和B-FC,A-FC樣地的基本特征：經(jīng)緯度為106°26′44″E,29°46′48″N,海拔577 m,坡向東偏南,坡度20°；B-FC樣地的基本特征：經(jīng)緯度為106°26′14″E,29°45′1″N,海拔531 m,坡向東偏南,坡度20°。為使擾動(dòng)的土壤恢復(fù),2017年4月10日完成各類型傳感器的安裝,直至2017年12月1日開始使用其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

本研究中A-CU、A-BA、A-SH和B-CU、B-BA、B-SH樣地,于2017年3月22日—2018年1月18日期間,大約在9:00—11:00之間按月采集土壤氣體樣品。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天內(nèi)測(cè)定土壤CO2濃度。土壤溫度使用便攜式溫度測(cè)定儀(FLUKE 51 II)測(cè)定,土壤含水率采集土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室用烘干法測(cè)定。

A-FC和B-FC樣地土壤CO2濃度、水分和溫度采用北京雨根科技有限公司RR- 1016型數(shù)據(jù)采集器,分別在0—20 cm和20—40 cm土壤深度處安裝相應(yīng)的傳感器,其中各土層的各類型傳感器安裝數(shù)量均為1。監(jiān)測(cè)土壤溫度和水分傳感器型號(hào)分別為AV- 10T和AV-EC5,量程和精度分別為-40—140℃和±0.1℃、0—100%和±0.1%；土壤CO2濃度傳感器使用芬蘭Vaisala公司的GMM221型氣體CO2傳感器,量程為0—20000 ppmv,精度為±1%。于2017年12月1日至2018年11月25日監(jiān)測(cè)0—20 cm和20—40 cm土層深度的CO2濃度、水分和溫度,期間儀器故障,某些數(shù)據(jù)中斷。

同時(shí)使用天津氣象儀器廠有限公司生產(chǎn)的DAVIS Vantage Pro2型自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站對(duì)降水量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),雨量檢測(cè)下限為0.2 mm,使用美國(guó)Davis公司生產(chǎn)的VantagePro野外氣象站自動(dòng)監(jiān)測(cè)氣溫?cái)?shù)據(jù),其精度為0.1℃,所有儀器采樣間隔為15 min,均安裝于鳳凰村村委會(huì)樓頂。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖和野外安置設(shè)備圖Fig.2 Experimental device diagram and field placement equipment map

1.3 土壤樣品的采集及分析

在監(jiān)測(cè)土壤CO2濃度、水分和溫度的同時(shí),在安置傳感器或簡(jiǎn)易氣體收集裝置周圍采集0—20 cm和20—40 cm土壤樣品,每層樣品采集3個(gè)混合土樣,將土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,風(fēng)干、磨碎、過(guò)篩、待測(cè)。另外在每層用環(huán)刀采集3個(gè)土樣測(cè)定土壤容重。具體測(cè)定方法為：土壤pH值用土壤酸度計(jì)測(cè)定,土壤有機(jī)碳用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定,全氮用半微量凱氏法測(cè)定,粒徑分析用簡(jiǎn)易比重計(jì)法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 24.0和Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和描述,采用獨(dú)立樣本T-檢驗(yàn)(one-way ANOVA)比較不同數(shù)據(jù)組間的差異,采用相關(guān)性分析比較土壤CO2濃度與環(huán)境因子之間的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果

2.1 A區(qū)和B區(qū)土壤理化性質(zhì)的變化

如表1所示,A-FC和B-FC的全氮和總有機(jī)碳含量較高,但各樣本點(diǎn)之間并無(wú)顯著差異。A區(qū)和B區(qū)0—20 cm和20—40 cm土壤的pH值相差不大,整體上A區(qū)土壤pH值大于B區(qū)對(duì)應(yīng)土地利用類型的土壤pH值,在A區(qū)中FC和SH的pH值略高,B區(qū)中CU的pH值低于其他土地利用類型的pH值。A區(qū)和B區(qū)全氮和有機(jī)質(zhì)的含量均表現(xiàn)為0—20 cm高于20—40 cm,整體上A區(qū)的全氮、總有機(jī)碳含量大于B區(qū),其中A區(qū)和B區(qū)總有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為FC最大,其次為BA,CU和SH含量小。A區(qū)和B區(qū)中相同土地利用方式下對(duì)應(yīng)層次的土壤容重接近,但A-FC略高于B-FC對(duì)應(yīng)層次的土壤容重。土壤的機(jī)械組成上：兩區(qū)土壤的細(xì)粘粒(<0.001 mm)所占百分比上層小于下層,粗粉粒(0.01—0.05 mm)上層所占比例大于下層,砂粒(0.05—1 mm)各層相差不大,其中A區(qū)CU和FC的細(xì)粘粒所占比例大于B區(qū),BA和SH相反。

2.2 土壤CO2濃度的垂直剖面和季節(jié)變化特征

A區(qū)和B區(qū)各樣本點(diǎn)地質(zhì)背景一致,但土壤CO2濃度變化較大,A區(qū)A-CU、A-SH、A-BA和A-FC的變化范圍分別為648.65—13152.68、1109.53—21305.20、1414.66—23613.89 mg/m3和4133.7—35860.43 mg/m3,B區(qū)B-CU、B-SH、B-BA和B-FC分別為1126.60—17701.35、1269.56—18627.38、1175.68—34248.36 mg/m3和722.80—42131.70 mg/m3,A區(qū)土壤CO2濃度低于B區(qū)對(duì)應(yīng)土地利用方式及對(duì)應(yīng)土層深度的CO2濃度(個(gè)別季節(jié)除外),其中FC的土壤CO2濃度處于四種土壤利用方式的最高值。A區(qū)和B區(qū)相同土地利用類型之間土壤CO2濃度無(wú)顯著性差異P>0.05,不同土地利于方式之間存在顯著性差異P<0.05(除去CU與SH、SH與BA),文章中未展示。在垂直方向上,A區(qū)和B區(qū)土壤CO2濃度基本表現(xiàn)為0—20 cm低于20—40 cm(圖4),可能因該研究區(qū)上層土壤容重小(表1),表明土壤孔隙度大,土壤中的空氣易向外擴(kuò)散,從土壤樣品的采集來(lái)看,植物根系在20—40 cm分布較上層多,根系呼吸可能也增加了下層CO2濃度。在季節(jié)變化上,不同土地利用方式具有相同的季節(jié)變化趨勢(shì)：夏季土壤CO2濃度最高,冬季或春季最低(圖3)。

表1 不同土地利用類型土壤理化性質(zhì)

同一列數(shù)據(jù)后不同大寫字母代表不同土地利用類型之間的差異顯著(P<0.05)

圖3 土壤CO2濃度的季節(jié)變化特征Fig.3 Seasonal variation characteristics of soil CO2 concentration

圖4 土壤CO2濃度的垂直變化特征Fig.4 Vertical variation characteristics of soil CO2 concentration

2.3 A區(qū)和B區(qū)環(huán)境因子的變化特征

A區(qū)和B區(qū)各土地利用類型土壤溫度具有相同的季節(jié)變化趨勢(shì)(圖5)。CU、BA和SH從2017年3月遞增至2017年6月,從2017年9月至2018年1月呈波動(dòng)遞減的趨勢(shì),其中2017年12月表現(xiàn)小幅度波動(dòng)上升趨勢(shì),FC土壤溫度從2017年12月逐漸遞減至2018年2月后逐漸遞增至2018年8月并在該月達(dá)到峰值,隨后逐漸遞減。在垂直方向上,CU、SH、BA和B-FC樣本點(diǎn)土壤溫度變化規(guī)律主要表現(xiàn)為20—40 cm高于0—20 cm,A-FC相反。對(duì)A區(qū)和B區(qū)不同土地利用方式土壤溫度進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),SH和FC在A區(qū)的土壤溫度高于B區(qū)(A區(qū)SH和FC平均值分別為：17.47℃和18.62℃,B區(qū)平均值分別為17.28℃和17.35℃),CU和BA相反(A區(qū)CU和BA平均值分別為：17.19℃和15.97℃,B區(qū)平均值分別為17.32℃和16.77℃)?？傮w上,土壤溫度的季節(jié)變化明顯,CU、SH和BA在2017年9月到達(dá)峰值,最小值出現(xiàn)在2018年1月,FC在2018年8月到達(dá)峰值,最小值出現(xiàn)在2018年2月,BA土壤溫度低于其他土地利用類型,可能與BA高植被覆蓋度有關(guān)。CU、BA、SH與FC土壤溫度的峰值和谷值出現(xiàn)的月份不一致的原因可能在于缺乏或丟失數(shù)據(jù)。

A區(qū)和B區(qū)因受降水的影響,CU、SH和BA土壤含水率時(shí)間變化趨勢(shì)相似(圖6)。從2017年3月逐漸遞增至6月,隨后從2017年9月至2018年1月土壤含水率呈現(xiàn)先遞增后波動(dòng)性遞減的趨勢(shì)；FC土壤含水率在2018年8月達(dá)到峰值,谷值出現(xiàn)在2018年1月。在垂直方向上,CU、SH、BA均表現(xiàn)為上層土壤含水率低于下層,上層的變幅均大于下層(CU、SH、BA中0—20 cm和20—40 cm土壤含水率的變幅分別為12.39%和9.63%、15.16%和13.33%、12.42%和9.19%),加之從FC土壤含水率的變化特征來(lái)看,下層土壤含水率的最大值(平均值)相對(duì)于上層要延遲1—2 h,說(shuō)明上層土壤水更易受到降水和蒸發(fā)的影響?？傮w上,土壤含水率的歷月變化較明顯,時(shí)間變化趨勢(shì)與降水變化趨勢(shì)相似,A區(qū)土壤含水率均低于B區(qū)對(duì)應(yīng)土地利用方式的土壤含水率。

圖5 土壤溫度的季節(jié)變化特征Fig.5 Seasonal variation characteristics of soil temperature

圖6 土壤含水率的季節(jié)變化特征Fig.6 Seasonal variation characteristics of soil water content

2.4 土壤溫度和含水率對(duì)土壤CO2濃度的影響

表2和表3總結(jié)了A區(qū)和B區(qū)不同土地利用方式以及不同層次土壤CO2濃度與土壤含水率和土壤溫度的相關(guān)關(guān)系結(jié)果。由表可知,不同土地利用類型土壤CO2濃度主要受土壤溫度的影響,研究區(qū)不同土地利用方式土壤CO2濃度與土壤溫度的相關(guān)系數(shù)高且顯著,但A區(qū)較B區(qū)顯著。與土壤溫度相比,土壤含水率對(duì)土壤CO2濃度影響較小,但A區(qū)土壤CO2濃度受土壤含水率的影響較B區(qū)大,A區(qū)0—20 cm土壤CO2濃度受土壤含水率的影響順序?yàn)锳-BA>A-SH>A-CU>A-FC,B區(qū)為B-CU>B-BA>B-SH>B-FC,值得注意的是FC土壤CO2濃度與土壤含水率之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,可能是由于連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的差異。在研究區(qū)以20 cm為分界線,當(dāng)深度超過(guò)該界限時(shí),土壤水分的影響開始下降(除去FC)。

對(duì)土壤CO2濃度與土壤溫度和土壤含水率進(jìn)行單因子多種回歸分析后,選擇R2值最高的回歸方式(圖7和圖8),結(jié)果表明土壤溫度對(duì)土壤CO2濃度的影響高于土壤含水率,但在不同研究區(qū)其影響程度有所差異。土壤CO2濃度與土壤含水率之間存二項(xiàng)式回歸或三項(xiàng)式回歸關(guān)系(圖7),A區(qū)各土地利用方式回歸后R2值的變化范圍為0.07—0.82,其中A-BA和A-SH擬合的R2值較高,B區(qū)R2值的變化范圍為0.07—0.46。在FC進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)(圖9,為清晰表示土壤CO2濃度與土壤含水率之間的關(guān)系,僅選擇2017年12月—2018年6月這個(gè)時(shí)段進(jìn)行分析),土壤CO2濃度與土壤含水率關(guān)系復(fù)雜,但可分為兩個(gè)時(shí)段。第一時(shí)段為降水少的時(shí)段：A-FC和B-FC土壤含水率變幅小或基本無(wú)波動(dòng),各層土壤CO2濃度緩慢上升,但B-FC土壤CO2濃度具有隨著土壤含水率下降而升高的趨勢(shì)；第二時(shí)段為降水多的時(shí)段：A-FC降水初期土壤CO2濃度隨著土壤含水率緩慢上升而上升,這一過(guò)程大概持續(xù)了13天左右,B-FC中20—40 cm處有此現(xiàn)象,這一過(guò)程僅持續(xù)了5 d,可能是由于B-FC在降水前期的土壤含水率高,降水補(bǔ)給后的土壤含水率超過(guò)了植物根系呼吸和微生物活動(dòng)所需水量或多余水分阻塞土壤空隙,抑制土壤CO2濃度的升高；當(dāng)降水持續(xù)進(jìn)行時(shí)A-FC和B-FC土壤CO2濃度具有隨土壤含水率的上升而下降的趨勢(shì)?？梢?在亞熱帶巖溶槽谷區(qū)高土壤水分抑制土壤CO2濃度的生產(chǎn)。

研究發(fā)現(xiàn),土壤CO2濃度與土壤溫度之間存在二項(xiàng)式回歸或三項(xiàng)式回歸關(guān)系(圖8),A區(qū)各土地利用方式回歸后R2值的變化范圍為0.54—0.70,擬合的R2值均較高,B區(qū)回歸后R2值的變化范圍為0.41—0.67。對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),A區(qū)各土地利用方式土壤CO2濃度與土壤溫度擬合的R2值均高于B區(qū)對(duì)應(yīng)土地類型的R2值,與相關(guān)性分析的結(jié)果一致,說(shuō)明A區(qū)土壤CO2濃度對(duì)土壤溫度反應(yīng)敏感。

表2 土壤CO2與土壤含水率之間的相關(guān)系數(shù)

**表示相關(guān)性水平在0.01水平上顯著,*表示相關(guān)性水平在0.05水平上顯著

表3 土壤CO2與土壤溫度之間的相關(guān)系數(shù)

**表示相關(guān)性水平在0.01水平上顯著,*表示相關(guān)性水平在0.05水平上顯著

圖7 土壤CO2濃度與土壤含水率的關(guān)系Fig.7 Map of relationship between soil CO2 concentration and soil moisture content

圖8 土壤CO2濃度與土壤溫度的關(guān)系Fig.8 Map of relationship between soil CO2 concentration and soil temperature

圖9 FC樣本點(diǎn)土壤CO2濃度與土壤含水率的關(guān)系Fig.9 Relationship between soil CO2 concentration and soil water content in FC sample point

3 討論

土壤CO2濃度提供了有關(guān)生物CO2生產(chǎn)的綜合結(jié)果[25]。而不同土地利用類型,由于其土壤中水熱組合條件、微生物活動(dòng)、植物根系呼吸等環(huán)境條件的差異[10- 11],導(dǎo)致土壤CO2濃度存在差異。在該研究中,對(duì)巖溶槽谷區(qū)主要土地利用類型土壤CO2濃度的時(shí)空動(dòng)態(tài)及驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行了廣泛的研究。在季節(jié)變化上,各土地利用方式上層土壤CO2濃度低于下層,由于運(yùn)輸和生產(chǎn)因素的相對(duì)強(qiáng)度不同,排水良好土壤CO2濃度通常會(huì)隨著深度的增加而增加[26-27]。上層富含有機(jī)物質(zhì)的土壤通常具有高孔隙率,導(dǎo)致土壤空氣與大氣能快速交換,而在有機(jī)層以下,由于微生物和根系生成CO2引起的CO2積累,CO2濃度通常會(huì)增加,底土與大氣之間的氣體交換速度要慢得多[28-29]。隧道影響區(qū)各個(gè)土地利用類型土壤CO2濃度變化范圍為648.05—35860.43 mg/m3,非隧道影響區(qū)為722.80—42131.70 mg/m3,A區(qū)土壤CO2濃度均低于B區(qū)對(duì)應(yīng)土地利用類型及對(duì)應(yīng)層次的土壤CO2濃度,這種差異存在于整個(gè)研究期間。目前尚沒(méi)有前人對(duì)隧道影響下巖溶區(qū)的土壤CO2濃度進(jìn)行研究,本研究得出的初步結(jié)果為隧道影響區(qū)土壤CO2濃度低于非隧道影響區(qū)。

土壤溫度和土壤含水率是影響土壤孔隙中CO2濃度變化的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)[30-31]。一般來(lái)說(shuō),土壤水分和土壤溫度的升高會(huì)增加微生物活動(dòng),加速土壤中有機(jī)物的分解,從而增加土壤CO2濃度[24,32]。對(duì)隧道影響區(qū)和非隧道影響區(qū)土壤CO2濃度的變化規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn),土壤溫度是土壤CO2濃度變化的主控因子,土壤CO2濃度與土壤溫度的季節(jié)變化相似,經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)土壤溫度可解釋研究期間土壤CO2濃度41%—70%的變化,其中隧道影響區(qū)對(duì)溫度的敏感性高于非隧道影響區(qū)。但在研究期間土壤CO2濃度升高的幅度低于土壤溫度升高的幅度,也就是土壤CO2濃度并未隨著溫度的升高而顯著上升,該現(xiàn)象在較干旱的冬末春初季節(jié)最為明顯,期間土壤CO2濃度與土壤含水率的變化幅度相一致。進(jìn)而對(duì)土壤含水率和土壤CO2濃度進(jìn)行相關(guān)性和回歸分析,發(fā)現(xiàn)隧道影響區(qū)對(duì)土壤含水率的變化反應(yīng)敏感。而在連續(xù)監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn),在降雨前期隧道影響區(qū)土壤含水率基本保持不變,非隧道影響區(qū)有略微的變化,土壤CO2濃度處于緩慢上升的趨勢(shì),降雨初期,土壤CO2濃度隨土壤含水率的增加而增加,降雨時(shí),土壤CO2濃度和土壤含水率之間具有相反的變化趨勢(shì),即土壤CO2濃度隨土壤含水率的升高而降低,但土壤CO2濃度整體上處于上升趨勢(shì)。這說(shuō)明在亞熱帶巖溶槽谷區(qū),土壤CO2濃度的變化主要受土壤溫度的控制,但當(dāng)土壤含水率過(guò)高時(shí),土壤含水率成為限制土壤CO2濃度變化的主要因子。因在土壤環(huán)境中過(guò)低的土壤含水率會(huì)抑制微生物的活動(dòng),甚至造成微生物死亡而影響土壤中CO2濃度[33]。土壤水分適中增加時(shí),土壤CO2濃度會(huì)顯著上升,這不僅是由于微生物活性增加,而且還歸因于土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)以及微生物群落結(jié)構(gòu)的變化所致[34]；土壤水分大幅度增加時(shí),土壤CO2濃度反而會(huì)降低,因過(guò)多的水分會(huì)溶解或替代CO2導(dǎo)致土壤CO2濃度的大幅度下降[35]。

該研究中各土地利用方式地質(zhì)背景一致,土壤類型相同,以及土壤養(yǎng)分含量、pH值和土壤容重?zé)o顯著差異。一般來(lái)說(shuō),土壤中養(yǎng)分含量高,植物營(yíng)養(yǎng)充分生長(zhǎng)速度快,呼吸作用增強(qiáng)會(huì)增加土壤CO2濃度,但是在該研究中各土地利用類型土壤中養(yǎng)分含量差異并不顯著,因此,忽略其對(duì)土壤CO2濃度的影響。研究發(fā)現(xiàn)巖溶區(qū)的土壤因受石灰?guī)r作用土壤pH值一般較高,但土壤pH值越高反而會(huì)抑制微生物的活動(dòng)和植物的呼吸[20],從而降低土壤CO2濃度,研究中隧道影響區(qū)土壤的pH值高于非隧道影響區(qū)(除去BA),過(guò)高的pH值可能會(huì)影響土壤CO2的生產(chǎn),但因研究區(qū)土壤均呈中性至弱堿性且土壤pH值并無(wú)顯著性差異,土壤CO2濃度的變化可能受土壤pH值的影響而產(chǎn)生的差異小[36]。土壤容重是衡量土壤顆粒間排列的緊實(shí)度和土壤孔隙狀況(土壤的透氣狀況)的物理指標(biāo),土壤容重的增加會(huì)降低空氣向土壤中的擴(kuò)散,降低土壤中的含氧量,抑制植物和微生物呼吸從而降低土壤中CO2的濃度[37],A區(qū)與B區(qū)相同土地利用方式下對(duì)應(yīng)層次的土壤容重相差小,但A-FC上下兩層土壤容重均大于B-FC,可能對(duì)土壤CO2濃度的變化具有一定的影響,但不是主要因子。

通過(guò)對(duì)隧道影響區(qū)與非隧道影響區(qū)土壤CO2濃度和影響因子進(jìn)行研究和分析發(fā)現(xiàn),土壤CO2濃度的變化主要受土壤溫度控制,但當(dāng)土壤含水率過(guò)高時(shí),土壤CO2濃度的變化主要受土壤水分的控制,但持續(xù)的時(shí)間短。土壤含水量較低的隧道影響區(qū)土壤CO2濃度與土壤溫度和土壤含水率的相關(guān)性均高于非隧道影響區(qū),說(shuō)明隧道影響區(qū)土壤CO2濃度更易受到外部環(huán)境的影響,在一定程度上會(huì)影響土壤向大氣釋放CO2的通量,影響陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)C的釋放和吸收之間的平衡關(guān)系,進(jìn)一步影響生態(tài)環(huán)境。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)巖溶區(qū)隧道影響區(qū)與非隧道影響區(qū)土壤CO2濃度及環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)測(cè),研究結(jié)論如下：

(1)隧道影響區(qū)與非隧道影響區(qū)土壤CO2濃度存在差異,非隧道影響區(qū)土壤CO2濃度高。但研究區(qū)各土地利用類型土壤CO2濃度具有隨土壤深度的增加而增加的垂直變化特征和雨季(夏季和秋季)土壤CO2濃度大于旱季(冬季和春季)的季節(jié)變化特征。

(2)土壤溫度是影響土壤CO2濃度變化的主要環(huán)境因子,但當(dāng)降水較多時(shí)土壤含水率過(guò)高會(huì)抑制土壤CO2的生產(chǎn),此時(shí)土壤水分對(duì)土壤CO2生產(chǎn)起主控作用。隧道影響區(qū)土壤CO2濃度變化更易受到外界環(huán)境的影響。

(3)土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤CO2濃度具有一定的影響,如A-FC的土壤容重高于B-FC,可能因A區(qū)(隧道影響區(qū))的透氣性低于B區(qū)(非隧道影響區(qū))而導(dǎo)致土壤CO2濃度低,具體需要進(jìn)一步研究。