色季拉山急尖長苞冷杉林不同層次土壤CO2濃度對短時降雨的響應(yīng)

劉合滿,曹麗花,李江榮,楊 紅

1 信陽農(nóng)林學(xué)院, 信陽 4640002 西藏農(nóng)牧學(xué)院高原生態(tài)研究所, 林芝 8600003 西藏高原森林生態(tài)教育部重點實驗室, 林芝 8600004 西藏農(nóng)牧學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院, 林芝 860000

土壤CO2排放是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的一個重要途徑,在大氣CO2濃度增加方面起著不可忽視的作用。有估計全球陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2排放量達到77×1015g C/a[1],是化石燃料排放的10倍以上。土壤CO2主要來自于土體內(nèi)植物根系、土壤微生物、動物等生物呼吸和有機碳氧化分解的非生物學(xué)過程,所產(chǎn)生的CO2通過土壤孔隙傳導(dǎo)至土壤表面最終釋放到大氣中。這一過程受土壤微生物、植物根系等生物及土壤溫度、含水量、土壤孔隙狀況等非生物因素[2- 3]的綜合影響。土壤孔隙是水和空氣貯存的場所,又是土體內(nèi)部空氣交換與傳輸?shù)闹匾ǖ?故土壤孔隙狀況和水分含量將直接影響CO2的產(chǎn)生和在土壤中的擴散[4],尤其是降雨過程可快速改變表層土壤含水量、溫度及土壤氣體擴散速率,并可能對土壤呼吸CO2產(chǎn)生激發(fā)或抑制效應(yīng),在生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)對氣候變化的瞬態(tài)響應(yīng)中發(fā)揮著重要作用[5]。如Liu等[6]研究表明,土壤水分條件良好的森林,降雨引起的干濕交替可使土壤呼吸速率顯著降低,CO2濃度下降,這可能是由于降雨在土壤孔隙中的快速替代作用,阻礙了氧氣向土壤中的擴散,從而抑制了微生物的呼吸作用。在降雨量小的干旱鹽生荒漠植被群落區(qū),土壤CO2釋放量與總降雨量之間極顯著正相關(guān),降雨引起土壤CO2脈沖式增加,水分成為土壤CO2通量的主要限制因子[7- 8]。在土壤含水量較低時,小的降雨事件即能引起土壤CO2通量的顯著增加[9]。然而,降雨對土壤CO2代謝的影響具有較大的不確定性,這將不利于我們對土壤呼吸時空變化機制的理解,和對碳通量的準確估算[10- 11]。

森林是西藏東南部一類重要的陸地生態(tài)系統(tǒng),具有受人為擾動小、植被生物量大、地表土壤有機質(zhì)含量高等特點,從而成為研究自然生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)的一個天然實驗室。而目前圍繞藏東南森林生態(tài)系統(tǒng)有機碳循環(huán)的研究,主要集中在土壤有機碳含量[12]、土壤呼吸CO2排放特征[13]等方面,對于短時降雨事件對不同層次土壤CO2濃度影響的研究尚未見報道,且目前常用土壤呼吸測定系統(tǒng)受呼吸罩的影響,呼吸環(huán)內(nèi)無法接受降雨,從而不利于進行降雨對土壤CO2排放的影響評價。降雨事件是西藏東南部森林生態(tài)區(qū)經(jīng)常發(fā)生的天氣事件,科學(xué)闡明短時降雨對不同層次土壤CO2濃度的影響,有利于揭示土壤呼吸CO2排放的時間異質(zhì)性及對土壤含水量響應(yīng)的機制。本研究以西藏東南部色季拉山急尖長苞冷杉林為研究對象,采用不同層次CO2測量系統(tǒng)自動監(jiān)測CO2濃度,分析降雨和降雨停止后的水分再分布階段,不同層次土壤CO2濃度的變化特征,以期為西藏高原森林生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2濃度變化對短時降雨的響應(yīng)預(yù)測提供科學(xué)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

色季拉山(93°12′—95°35′E,29°10′—30°15′N)屬念青唐古拉山脈,位于西藏東南部林芝市境內(nèi),地處雅魯藏布江中下游,是尼洋河流域與帕隆藏布江的分水嶺。山體土壤與植被垂直分布規(guī)律,急尖長苞冷杉(Abiesgeorgeivar. smithii)、林芝云杉(Picealikiangensisvar. linzhiensis)、高山櫟(QuercussemicarpifoliaSmith)等森林植被分布廣泛。土壤以山地酸性棕壤、山地棕壤分布最多。氣候?qū)儆诎霛駶櫯c濕潤區(qū)過渡地帶,山體氣候條件差異較大,年均溫由海拔3326 m的5.07℃到東坡林線(海拔4390 m)區(qū)的0.26℃,最冷月(1月)氣溫分別為-3.51℃和-7.89℃[14- 15]。

1.2 實驗設(shè)計

本研究選擇西藏東南部色季拉山急尖長苞冷杉林為研究對象,在位于94°42′56″ E,29°39′1″ N的區(qū)域,選擇林窗位置,去除表層苔蘚層和枯落物堆積層。于2018年7月19日,挖開一個0—70 cm層次的土壤剖面,在挖剖面時盡可能減少對被測面土壤的擾動,將各測定探頭分別平行插入各測定深度(5,10,20,40 cm和60 cm),同一層次上,TDR探頭與CO2采氣矛水平相距5 cm左右。埋設(shè)好探頭后,將挖出的土壤重新填回,使其自然沉實。然后開啟儀器,設(shè)置測定時間步長為30 min。為減少插入傳感器對土壤的擾動而影響測定結(jié)果的準確度,在插入傳感器3 d后正式開始采集數(shù)據(jù)。土壤剖面CO2濃度采用Envidata-SC土壤剖面CO2梯度監(jiān)測系統(tǒng)進行測定。CO2濃度測量采用芬蘭Vaisala公司生產(chǎn)的Carbocap CO2傳感器,測量范圍為0—10000 μmol/mol,精度±1.5%。TDR土壤水分、溫度傳感器為Trime-Pico32型,土壤水分(體積含水量,即土體中水的體積與土壤總體積之比)測定范圍為0—100%,精度為±1.0%,溫度測定范圍-15—50℃,測量精度為±0.2℃。為研究自然降雨對不同層次土壤CO2的影響,根據(jù)表層5 cm層次土壤含水量變化情況,選擇8月10日4:00—8月11日24:00的降雨和降雨停止后的水分再分布階段,其中8月10日4:00—20:30為降雨階段,表層土壤含水量快速增加,然后降雨停止,表層土壤含水量開始下降,即為水分再分布階段。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的基本處理采用EXCEL 2007進行,作圖采用Origin 9.0進行,不同層次土壤含水量、溫度及CO2濃度之間差異,將不同時間點所測數(shù)據(jù)作為各層次的重復(fù),然后采用單因素方差分析(One way analysis of variance),LSD多重比較法進行,土壤CO2濃度與土壤層次、溫度和含水量之間回歸分析,及不同層次土壤CO2濃度之間相關(guān)性分析采用SPSS 20.0軟件進行。同一層次土壤及0—60 cm層次CO2的平均濃度均采用不同測定時間或不同層次土壤CO2濃度的算術(shù)平均數(shù)進行計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨對不同層次土壤含水量的影響

在測定的時間段內(nèi),各層次土壤含水量變化特征如圖1所示,不同層次土壤含水量表現(xiàn)為5 cm>10 cm>40 cm>60 cm>20 cm,即5 cm土壤含水量最高,中間層(20 cm)含水量最低。5、10 cm和40 cm層次土壤平均含水量分別為0.408、0.392和0.330。降雨發(fā)生時,表層5 cm土壤含水量快速增加,由初始的0.375增加到0.424,然后降雨停止,土壤水分開始進入再分布階段,5 cm層次土壤含水量開始下降,由0.424降低到0.400。10 cm層次土壤含水量由初始的0.375增加到0.400,但最大值出現(xiàn)的時間較5 cm延遲了4個小時。此次降雨事件主要使表層5 cm和10 cm土壤含水量增加,水分尚未入滲到20 cm,同時20 cm層次土壤為表層壤土向下層沙壤土的過渡層,具有良好的導(dǎo)水性,故在土壤水分以蒸發(fā)為主時,20 cm層次土壤水也易于向上層蒸發(fā)損失,從而呈現(xiàn)較低的含水量。20 cm和60 cm層次土壤含水量之間差異不顯著,平均值分別為0.291和0.292,其他各層次之間差異均達極顯著水平(P< 0.001)。從時間變異上來看,5 cm>10 cm>20 cm>40 cm>60 cm,變異系數(shù)分別為2.93%,2.20%,0.31%,0.23%和0.17%,即土壤含水量在時間動態(tài)上的變化隨土壤層次的加深而減小。

2.2 不同層次土壤溫度變化特征

不同層次土壤溫度表現(xiàn)為5 cm>10 cm>20 cm>40 cm>60 cm,即隨著土壤層次的加深(圖1),土壤溫度呈降低趨勢,表現(xiàn)為日射型變化特征。除5 cm與10 cm之間差異不顯著外,其他各層土壤溫度之間差異均達極顯著水平(P<0.001),觀測時段內(nèi)均值分別為11.40,11.12,10.41,9.93、9.62℃。5 cm和10 cm土壤溫度具有較明顯的日變化特征,呈單峰型,在無明顯降雨的8月11日,5 cm層次土壤溫度在0:00—10:00之間呈降低趨勢,最低值出現(xiàn)在10:00時為10.98℃,然后開始增加,到19:30時達最大值,為12℃,并開始逐漸降低。觀測的8月10日同樣表現(xiàn)相似的日變化特征,但由于降雨的影響,使日最低值和最高值均較8月11日有所推遲,分別出現(xiàn)在11:30和20:00。10 cm層次土壤溫度亦呈單峰型變化特征,但變化幅度低于5 cm,且峰值出現(xiàn)時間延遲于5 cm。8月11日10 cm層次土壤溫度最低值和最高值分別出現(xiàn)在13:30和24:00。該樣點20、40、60 cm土壤溫度具有小的日變化幅度,在測定的時間段內(nèi),變異系數(shù)分別為0.12%,0.14%和0.17%,而5 cm和10 cm分別為2.61%和1.04%。由此可知,在該含水量條件下,各層次土壤熱量傳導(dǎo)較慢。將測定兩天的土壤溫度按照時間及對應(yīng)層次平均后進行回歸,可得土壤溫度(ST)與深度(D)之間顯著負相關(guān)(R=0.9560,F=32.149,P=0.011),回歸方程為ST=-0.032D+11.35,即在0—60 cm剖面上,深度每增加1 cm,土壤溫度大約降低0.032℃。

圖1 不同層次土壤含水量及土壤溫度變化特征Fig.1 The variation of soil water content and soil temperature in different depth

2.3 不同層次土壤CO2濃度的變化特征

圖2 降雨和水分再分布階段不同層次土壤CO2濃度變化特征Fig.2 Variation of soil CO2 concentration in rainfall and water redistribution stage

不同層次CO2濃度隨著土壤層次的加深而增加(圖2),各層次土壤CO2平均濃度之間差異均達極顯著水平(P<0.01),分別為4179,4335,4990,5304、5365 μmol/mol,60 cm層次土壤CO2平均濃度分別較以上其他層次高1.16%,7.52%,23.78%和28.39%。土壤深度與CO2濃度之間符合極顯著(R=0.9764,P=0.004)對數(shù)函數(shù)關(guān)系,y=531.1lnD+3274,y為土壤CO2濃度(μmol/mol),D為土壤深度(cm),即隨著土壤層次的加深,土壤具有更高的CO2濃度。

各層次土壤CO2小時平均濃度之間相關(guān)性如表1所示,5 cm與10 cm土壤CO2濃度之間極顯著負相關(guān)(R=-0.693),與20、40、60 cm之間正相關(guān),但未達顯著水平。而10 cm層次與其以下各層CO2濃度之間均極顯著正相關(guān),尤其是相鄰兩層之間相關(guān)性更強,如20 cm和40 cm之間相關(guān)系數(shù)達到0.918,40 cm和60 cm之間達到0.980。這些結(jié)果表明,5 cm層次土壤CO2濃度可能更敏感的響應(yīng)于降雨及含水量的變化,并主要對其相鄰的10 cm層次土壤CO2產(chǎn)生影響,當(dāng)降雨發(fā)生時,5 cm土壤含水量增加,在水對土壤孔隙的封閉和壓力作用下,使5 cm層次土壤CO2向下遷移,濃度降低,而增加了10 cm層次土壤CO2濃度。反之,降雨停止,5 cm層次土壤含水量逐漸下降,土壤孔隙對空氣的傳導(dǎo)能力增強,促進10 cm層次土壤CO2向上層遷移,從而增加5 cm土壤 CO2濃度,而使10 cm土壤CO2濃度下降。

表1 不同層次土壤CO2濃度相關(guān)性分析(R)

2.4 短時降雨對土壤CO2濃度的影響效應(yīng)

降雨階段,5 cm層次土壤CO2濃度呈降低趨勢,而10 cm和20 cm層次有一個明顯的增加(圖2)。5 cm土層CO2濃度由4196 μmol/mol下降到19:00時的4176 μmol/mol,而10 cm層次則從4252 μmol/mol增加到18:30時的4354 μmol/mol,到20:30時為4343 μmol/mol。

本研究時間段內(nèi),5 cm層次土壤含水量均高于初始含水量,故水分可能是土壤CO2濃度變化的主要因素。表層5 cm和10 cm土壤CO2濃度具有較為明顯的波動,在測試時間段內(nèi),分別有兩個峰值和兩個低值,20 cm層次土壤CO2濃度有一個峰值,出現(xiàn)時間大約在停止降雨后5個小時。而40 cm和60 cm兩個層次土壤CO2濃度隨著測定時間的延長,呈極顯著線性增加趨勢,增加幅度分別為3.45 μmol mol-1h-1和4.66 μmol mol-1h-1(P<0.0001),由此可知,隨著土壤層次的加深,降雨對土壤CO2的影響效應(yīng)逐漸延遲。

圖3 0—60 cm層次土壤CO2平均濃度與5 cm土壤含水量的相關(guān)性Fig.3 Correlation analysis of SWC of 5 cm layer and mean CO2 concentration in 0—60 cm layer

降雨和水分再分布階段,5 cm層次土壤含水量與0—60 cm層次土壤CO2濃度平均值相關(guān)性如圖3所示,在降雨階段,土壤CO2濃度顯著增加,與5 cm層次土壤含水量之間呈線性極顯著正相關(guān)(R=0.9821,P<0.001),即短時降雨可顯著促進土壤體系CO2濃度的增加。在降雨停止的水分再分布階段,土壤體系內(nèi)CO2濃度逐漸下降,與5 cm土壤含水量之間極顯著冪函數(shù)負相關(guān)(R=-0.7624,P<0.001),即降雨停止后,隨著表層5 cm土壤含水量的下降,土壤剖面CO2濃度顯著降低。

2.5 土壤含水量和溫度對不同層次土壤CO2濃度的影響效應(yīng)

2.5.1土壤含水量和溫度對5 cm土壤CO2的影響效應(yīng)

降雨和水分再分布階段,5 cm層次土壤CO2濃度與溫度和含水量之間的關(guān)系較為復(fù)雜,但最大值主要出現(xiàn)在高溫低含水量區(qū)(圖4)。以土壤CO2濃度為因變量,土壤溫度(ST)和含水量(SWC)為自變量進行回歸分析,可得y=3448.37-404.24SWC+78.61ST?；貧w分析結(jié)果表明,土壤CO2濃度與土壤溫度之間極顯著正相關(guān)(P<0.001),與土壤含水量之間極顯著負相關(guān)(P=0.002),回歸方程R=0.8579(P<0.001),即平均而言,土壤含水量增加0.1個單位,則該層次土壤CO2濃度下降40.42 μmol/mol,而當(dāng)溫度增加1℃時,土壤CO2濃度增加78.61 μmol/mol。在降雨階段,土壤CO2濃度與含水量和溫度之間回歸方程為y=3745.01-621.69SWC+60.03ST(P<0.001,n=34),即在降雨階段,5 cm層次土壤CO2濃度更強烈的受土壤含水量的影響,隨著含水量的增加,CO2濃度顯著下降。在降雨停止后的水分再分布階段,回歸方程y=2903.68+526.41SWC+92.76ST,方程檢驗達極顯著水平(P<0.001,n=55),但在此階段,土壤含水量對土壤CO2濃度的影響效應(yīng)未達顯著水平(P=0.186),即在水分再分布階段,5 cm層次土壤CO2濃度可能更多的受土壤溫度的影響。但在單獨考慮土壤CO2與土壤含水量及土壤溫度的相關(guān)性時,CO2濃度與土壤含水量之間極顯著之間負相關(guān)(R=-0.480,P<0.001),與土壤溫度之間極顯著正相關(guān)(R=0.875,P<0.001)。

2.5.2土壤含水量和溫度對10 cm土壤CO2的影響效應(yīng)

10 cm層次土壤CO2濃度整體與5 cm呈相反趨勢(圖4),高值區(qū)主要集中在低溫高含水量的區(qū)域內(nèi),低值區(qū)出現(xiàn)在低含水量高溫區(qū),即較低含水量和較高溫度時,有利于土壤CO2向上層的擴散傳導(dǎo),從而使該層次CO2濃度下降。土壤CO2濃度與土壤溫度和含水量的回歸方程為y=6023.01+ 2221.57SWC-230.15ST(R=0.938),各回歸系數(shù)檢驗均達極顯著水平(P<0.0001),即該回歸方程具有顯著意義。由方程回歸系數(shù)可知,10 cm層次土壤CO2濃度與土壤溫度之間極顯著負相關(guān)(R=-0.826,P<0.0001),而與土壤含水量之間呈極顯著正相關(guān)(R=0.704,P<0.0001)。10 cm層次土壤含水量變化較小,根據(jù)含水量情況可分為水分增加和降低兩個階段,在含水量增加和降低階段,土壤CO2濃度與土壤含水量和溫度之間的回歸方程分別為y=5624.50+2329.80SWC-198.06ST(P<0.001,n=73)和y=6253.34+3859.56SWC-307.63ST(R=0.948,P<0.001,n=16)。其中在含水量增加階段,土壤含水量和溫度對土壤CO2濃度之間的回歸系數(shù)均達顯著或極顯著水平,而在含水量下降階段,土壤含水量與CO2濃度之間的回歸系數(shù)未達顯著水平(P=0.727)。

圖4 土壤溫度和含水量對不同層次CO2濃度的影響效應(yīng)Fig.4 Effects of soil temperature and water content on CO2 concentration in soil profile

2.5.3土壤含水量和溫度對20 cm及以下各層土壤CO2的影響效應(yīng)

20、40、60 cm土壤含水量受地表短時降雨的影響很小,CO2濃度對土壤含水量和溫度的響應(yīng)關(guān)系較表層5 cm和10 cm簡單。相同溫度條件下,20 cm層次土壤CO2濃度隨含水量(0.290—0.293)的增加而增加(圖4),土壤CO2濃度與土壤溫度和含水量的回歸方程為y=-12979.53+63326.63SWC- 46.95ST,回歸方程R=0.919,回歸系數(shù)檢驗表明,土壤CO2濃度與土壤含水量之間回歸關(guān)系達極顯著水平(P<0.001),而與溫度之間關(guān)系不顯著(P=0.839)。即在該試驗條件下,20 cm層次土壤CO2濃度主要受土壤含水量的影響,在0.290—0.293含水量范圍內(nèi),含水量越高,土壤CO2濃度越大。

40 cm層次土壤,當(dāng)溫度相同含水量增加,或含水量相同溫度增加時,土壤CO2濃度均呈增加趨勢(圖4)。土壤CO2濃度與含水量及溫度之間回歸方程為y=-22157.29+29980.94SWC+1767.99ST(R=0.908,P<0.001),方程有科學(xué)意義。對回歸系數(shù)檢驗,結(jié)果表明,土壤含水量和溫度對土壤CO2的影響效應(yīng)均達極顯著水平(P<0.001),相關(guān)系數(shù)分別為0.807和0.812,即該層次土壤CO2隨土壤含水量和溫度的增加而顯著增加。

本研究60 cm層次土壤含水量具有較小的時間變異性(圖4),在0.292—0.293之間。在含水量相同時,隨著溫度的增加,土壤CO2濃度呈增加趨勢,而溫度相同,土壤CO2濃度隨含水量的增加而降低,如在測定時間段內(nèi),平均溫度11.44℃,含水量為0.292和0.293時,土壤CO2濃度分別為5414 μmol/mol和5276 μmol/mol?；貧w方程為y=-9954.87-37640.36SWC+2736.97ST,回歸方程R=0.933(P<0.001),各回歸系數(shù)檢驗均達極顯著水平(P<0.001)。

由不同層次土壤CO2濃度與土壤溫度和含水量的相關(guān)系數(shù)可知(表2),除40 cm層次土壤溫度和含水量對CO2均具有正效應(yīng)外,其他各層均為相反的影響效應(yīng)。在5 cm和60 cm層次上,土壤CO2與土壤含水量之間極顯著負相關(guān),而與溫度之間極顯著正相關(guān)。剖面的中間層(10—40 cm),土壤CO2濃度與含水量之間極顯著正相關(guān),而10 cm和20 cm層次與土壤溫度之間極顯著負相關(guān)。

3 討論

3.1 不同層次土壤CO2濃度變化特征

本研究表明,色季拉山急尖長苞冷杉林0—60 cm層次土壤CO2濃度隨土壤深度的增加而增加,這與Tang等[16]在橡樹林、王超等[17]在人工杉木林、Jassal[18]等在加拿大溫哥華海岸花旗松林的研究結(jié)果一致。但在0—60 cm層次剖面上,土壤CO2濃度與植物細根生物量[19]和微生物數(shù)量[20]的垂直分布呈相反趨勢,這表明不同層次土壤CO2濃度除受土壤根系、微生物和動物的呼吸作用影響外,還可能更多的受土壤通氣性的影響,尤其是深層土壤。如有研究表明,森林生態(tài)系統(tǒng)表層0—15 cm層次土壤占CO2總通量的比例可達50%以上[17,21],亦有研究表明,土壤CO2釋放量超過75%來自于表層20 cm土壤[18],即表層土壤所產(chǎn)生的CO2更易于通過土壤孔隙向土表釋放,從而使其CO2濃度相對較低。下層土壤CO2的來源相對較少,但受長期高含水量、低空氣交換量等因素的影響,不利于CO2向表層遷移,從而使其具有較高的濃度。

表2 不同層次土壤CO2濃度與土壤溫度及含水量的相關(guān)性分析

本研究中,5 cm層次土壤CO2濃度顯著高于王超[17]等3月份在杉木人工林上測定的平均結(jié)果(892.6 μmol/mol),也顯著高于Bekele[22]等在加拿大針葉林上夏季的測定結(jié)果(3000 μmol/mol),這可能是由于本研究測定時間處于該區(qū)域的雨季,表層土壤含水量高,不利于CO2的釋放。同時本研究區(qū)表層土壤有機碳具有較高含量水平[23],為微生物呼吸提供了豐富的生活基質(zhì),從而促進CO2的產(chǎn)生。

3.2 降雨對不同層次土壤CO2濃度的影響效應(yīng)

水分對土壤孔隙中CO2的替代、對CO2擴散的阻滯,及對植物根系和微生物活性與數(shù)量的影響是降水對土壤CO2影響的重要機制[24]。本研究表明,降雨使5 cm層次土壤CO2濃度顯著降低,而10 cm層次顯著升高。這可能是由于降雨使土壤—大氣界面產(chǎn)生壓力脈沖,降低5 cm層以下土壤氣體擴散率,同時表層5 cm土壤水替代孔隙中CO2使部分CO2快速排出土壤,和在水壓作用下部分CO2向下層轉(zhuǎn)移,使表層土壤CO2濃度的短期下降[25],同時促進了5 cm層以下土壤CO2濃度升高,這與Jassal等[18]的研究結(jié)果一致。本研究中,降雨階段5 cm層次土壤含水量與0—60 cm層次土壤CO2平均濃度極顯著正相關(guān)(P<0.001),而在降雨停止的水分再分布階段,二者之間極顯著負相關(guān)(P<0.001),即短時降雨整體上促進了土壤CO2濃度的升高,這與游賢慧[26]等的研究結(jié)果一致。這主要是由于降雨可能引發(fā)土壤微生物呼吸的瞬間脈沖[5,27]及降低下層土壤空氣的擴散率,從而使土體CO2濃度增加。一次小的降雨(10 mm)事件引起土壤總微生物、真菌和細菌數(shù)量[28]或活性增加[29],促進土壤微生物產(chǎn)生CO2量的增加。同時,土壤含水量顯著影響著土壤CO2的擴散速率,二者之間極顯著負相關(guān)[25],故在降雨階段,下層土壤CO2濃度增加,而在水分再分布階段,表層土壤含水量逐漸下降,則使土壤中CO2擴散速率增加,促進土壤CO2向大氣中排放,從而使土壤CO2濃度下降。

3.3 土壤含水量和溫度對土壤CO2的綜合影響效應(yīng)

土壤含水量和溫度是土壤CO2產(chǎn)生和釋放的重要參量[17,30],共同決定了土壤中與碳循環(huán)相關(guān)的生物和非生物過程。在年際尺度上,土壤溫度的變化可以50%地解釋土壤CO2總通量的變異,而含水量可以解釋18%[31]。土壤表面CO2通量來自于各層次CO2向土表的遷移,故各層次土壤CO2對溫度和含水量的響應(yīng)將直接決定土壤CO2的總通量,如有研究表明土壤表面CO2通量與50 cm深土壤CO2濃度顯著線性正相關(guān)[18]。

本研究中,不同層次土壤CO2濃度對土壤含水量和溫度的響應(yīng)特征不同,5 cm和60 cm層次土壤CO2濃度與土壤含水量極顯著負相關(guān),與土壤溫度顯著正相關(guān),而10、20、40 cm則與土壤含水量顯著正相關(guān),但對土壤溫度的響應(yīng)分別為顯著負相關(guān)、不顯著負相關(guān)和顯著正相關(guān)。10 cm和20 cm層次土壤CO2濃度與溫度之間負相關(guān),可能是由于這兩個層次距離土表較近,在溫度較高條件下,空氣分子活性增強,土壤空氣的擴散率增加,促進CO2向表層的遷移釋放；而與土壤含水量之間正相關(guān),可能是由于含水量增加促進土壤包氣帶的形成及增加土壤孔隙的粘滯性,從而使其具有較高的CO2濃度。本研究亦表明,短時降雨使表層土壤含水量快速增加,從而使土壤含水量成為0—60 cm層次土壤CO2濃度的關(guān)鍵控制因素。

4 結(jié)論

(1)0—60 cm剖面上,土壤CO2濃度隨土壤層次的加深而增加,即：60 cm>40 cm>20 cm>10 cm>5 cm；

(2)短時降雨主要對表層5 cm和10 cm土壤CO2濃度產(chǎn)生影響,使5 cm層次土壤CO2濃度顯著降低,而10 cm層次則呈升高趨勢,降水停止后,5 cm層次CO2濃度呈增加趨勢,而10 cm層次則降低；

(3)短時降雨引起表層5 cm土壤含水量的增加,顯著提高了0—60 cm層次土壤CO2的濃度,而在水分再分布階段,0—60 cm層次土壤CO2濃度與表層5 cm土壤含水量之間顯著負相關(guān)。

(4)不同層次土壤CO2濃度對土壤溫度和含水量的響應(yīng)特征不同,40 cm層次CO2濃度與土壤溫度和含水量之間均呈正響應(yīng),而其他各層次土壤CO2濃度與溫度和含水量之間呈現(xiàn)相反的影響效應(yīng)。