斯洛文尼亞典型巖溶區(qū)土壤剖面CO2冬季動態(tài)變化特征

章 程,汪進良,肖 瓊,苗 迎,Mitja Prelovsek

1 中國地質科學院巖溶地質研究所,自然資源部/廣西巖溶動力學重點實驗,桂林 541004 2 斯洛文尼亞科學與藝術院巖溶研究所,波斯托尼亞 SI-6230

碳酸鹽巖溶蝕因其快速的反應動力學過程及其對環(huán)境變化的敏感性特點[1—4],決定了巖溶系統(tǒng)水文地球化學特征具有顯著的季節(jié)變化和對降雨過程的快速響應[5—6],而且隨土地利用的變化而變化[7—9],因而是現今全球碳循環(huán)的積極參與者和貢獻者[10—12]。目前,全球碳循環(huán)研究面臨碳收支不平衡現狀,存在巨大的“遺漏碳匯”[13—14]。巖溶作用吸收大氣或土壤CO2,從已有全球或中國因巖溶作用消耗的CO2估算量看,可能是潛在的重要碳匯項[15—17]。主要問題是巖溶作用形成的碳匯量在數量級上是否可與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯相比擬,成為巖溶區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳匯的重要組成部分,氣候、水文條件等短時間尺度因子如何影響土壤CO2的變化,進而影響下伏碳酸鹽巖的溶蝕過程[18]。因此,巖溶作用驅動力CO2的監(jiān)測與研究顯得十分重要和具有現實意義。

土壤CO2主要來自植物根系呼吸作用、微生物代謝活動及有機質分解,受溫度與水分控制具有顯著的季節(jié)變化,已有的監(jiān)測數據表明在水熱配套西南巖溶區(qū)土壤剖面CO2存在中間高上下部低的雙向梯度[19],暗示上部CO2向大氣釋放、下部被碳酸鹽溶蝕消耗,意味著CO2環(huán)境敏感性尤其是降雨效應監(jiān)測將直接關系到巖溶碳循環(huán)過程的精細刻畫,碳匯強度的評估。以往研究較多關注巖溶系統(tǒng)輸出端巖溶泉、地下河出口和巖溶區(qū)河流[20—21],多從水文地球化學或生物地球化學角度探討巖溶碳循環(huán)及碳匯穩(wěn)定性和通量[22—23],較少關注輸入端CO2來源問題[24],而從全球尺度講,受生態(tài)系統(tǒng)控制的土壤CO2分壓可以用來表征流域出口水體鈣鎂離子含量[25],也就是說,土壤CO2可以用來評估或預測巖溶作用碳循環(huán)強度,因此,土壤CO2季節(jié)變化及其降雨效應的研究可為該方法在生態(tài)系統(tǒng)尺度的應用提供科學積累。從地球關鍵帶理念和系統(tǒng)角度考慮,需要綜合探究CO2從大氣、土壤層到巖溶含水層的運移行為與作用方式,才能全面揭示巖溶系統(tǒng)碳循環(huán)特征及其碳匯效應。在全球巖溶類型中,斯洛文尼亞是地中海氣候巖溶的典型代表,如同中國西南巖溶代表熱帶亞熱帶巖溶類型。斯洛文尼亞也是“喀斯特”一詞發(fā)源地,被稱為經典喀斯特研究的搖籃,以發(fā)育坡立谷、斗淋、峽谷型地下河著稱?！翱λ固亍痹馐锹懵兜氖^,經過數十年的恢復,目前大部分已被人工林地或草地覆蓋,而生態(tài)修復過程增匯效應的監(jiān)測對巖溶貢獻碳匯能否進入溫室氣體源匯清單十分關鍵,選擇斯洛文尼亞典型生態(tài)系統(tǒng)開展冬雨季節(jié)監(jiān)測研究,有助于加深對地中海氣候巖溶碳循環(huán)的認識,為全球巖溶碳匯的評估提供基礎數據。本文就是圍繞這一目的,依托科技部援外項目,與斯洛文尼亞巖溶研究所合作進行的探索性嘗試。

1 研究區(qū)概況

斯洛文尼亞位于歐洲中南部,地處阿爾卑斯山和亞得里亞海之間,面積為20273 km2。與中國西南水熱配套的亞熱帶季風氣候不同,斯洛文尼亞屬于典型的地中海氣候,夏季炎熱干燥,冬季溫和多雨,多年平均氣溫10.9℃,平均降雨量1363 mm[26]。2019年冬季(11月份至次年3月份)累計降雨量為336 mm。森林和草地覆蓋率分別為49.7%和 27.6%。斯洛文尼亞的巖溶面積達8800 km2,占總面積的43.4%,主要類型有阿爾卑斯巖溶、第納爾巖溶和孤立狀巖溶,其中發(fā)育于侏羅系-白堊系石灰?guī)r和白云巖的第納爾巖溶是歐洲最主要的巖溶類型[27](圖1)。研究區(qū)位于第納爾巖溶中部波斯托尼亞(Postojna)地區(qū)普拉尼娜(Planina)巖溶流域,主要地貌類型為坡立谷[28—30]。監(jiān)測站點位于Cerknica坡立谷邊緣,海拔720 m,是典型的草地土壤生態(tài)系統(tǒng),土壤深度一般為30—60 cm,下伏基巖巖性為侏羅系石灰?guī)r。

2 研究方法

利用發(fā)明專利技術“一種土壤二氧化碳濃度的監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法”(專利號：ZL201510606453.3)[31],開展土壤CO2等指標高分辨率在線監(jiān)測(圖1)。監(jiān)測指標包括：大氣溫度、濕度、CO2含量(體積分數),測量精度分別為0.01℃、0.1%、1×10-6,監(jiān)測裝置位于距離地面1.5 m高度空中；土壤溫度、水分和CO2含量,精度分別為0.01℃、0.1%、1×10-6?？紤]到研究區(qū)土壤深度一般在30—60 cm,土下設置20 cm、30 cm和50 cm三個不同深度安裝電極,同步監(jiān)測土壤溫度、水分與CO2含量。20 cm深度用于監(jiān)測草地根系層的作用,50 cm用于監(jiān)測下部巖土界面的影響。監(jiān)測工作開始于2019年11月15日,每5 min記錄一組數據,至2020年3月31日(此后數據因CO2電極故障未能及時更換而中斷),共獲取數據39600余組。

圖1 研究區(qū)位置與土壤監(jiān)測裝置Fig.1 Location of study area and the soil monitoring devices

每30 min降雨量來自距離監(jiān)測點約4 km的Nova Vas雨量站(斯洛文尼亞環(huán)境署(ARSO)國家氣象站點)[26]。數據處理和圖件制作使用Excel軟件和Origin8.0繪圖軟件。

3 結果

表1為大氣溫度、濕度與CO2含量,不同深度土壤溫度、水分和CO2含量等指標最大最小與均值統(tǒng)計結果,可以看出,冬季氣溫和濕度變化較大,氣溫變化值為-9—20.5℃,平均值為4℃,濕度變化值為15.3%—100%,均值為77.6%,大氣CO2含量變幅為(356—489)×10-6,均值為427×10-6。

表1 不同深度土壤溫度、水分、CO2含量Table 1 Temperature,moisture and CO2 concentration in various soil depths

不同深度土溫變幅較小,為3.8—12.9℃,平均為7.6℃。土壤水分變化不明顯,為26.9%—34.7%,平均值29.6%,說明降雨對土壤水分保持的重要性,總體上,表層土壤和下部土壤水分略高于中部土壤層。大氣CO2均值為427×10-6,變化范圍為356—489×10-6；不同深度土壤CO2含量變化相對較大,監(jiān)測期間變化范圍為682—6760×10-6,隨深度增加而上升,土下20 cm,30 cm和50 cm深度CO2含量均值分別為1558×10-6,2072×10-6和2469×10-6,受冬季低溫微生物活動相對較弱影響,總體上土壤CO2含量相對較小。

各監(jiān)測指標變化曲線見圖2,可以看出,大氣濕度與CO2晝夜變化較大,大氣CO2變化趨勢與氣溫相反,即氣溫上升會導致大氣CO2含量下降,兩者呈現顯著的負相關關系(圖3)。土壤溫度隨著冬季的來臨呈逐漸下降趨勢,受氣溫影響局部出現回升現象,但存在一定時間的滯后,低值區(qū)位于1月隆冬期間,可能與該階段氣溫低且往往有積雪覆蓋有關,此后土壤溫度逐漸上升,晝夜變化尤其是上部土壤層變得十分顯著,冬季早期下部土壤溫度高于上部,后期則相反。土壤CO2含量總體上與土壤溫度變化趨勢一致,剖面上均表現為隨深度增加而上升。土壤水分變化曲線波峰與降雨事件有很好的對應關系,即每次降雨過程都會導致土壤水分的陡升陡降(圖2)。

圖2 大氣與土壤監(jiān)測指標變化曲線Fig.2 Variation of monitoring parameters in air and soil

圖3 大氣CO2含量與氣溫負相關關系 Fig.3 Negative relationship between air temperature and CO2 content

4 討論

4.1 大氣CO2晝夜變化及降雨效應

受氣溫影響,大氣CO2含量呈現晝夜變化特征,即白天氣溫升高,CO2含量下降,夜間則相反,但會受到降雨事件的干擾,降雨過程可導致大氣CO2含量較大幅度的下降,晝夜變幅變小(圖4),暗示部分CO2被雨水吸收,隨水體滲入土壤層進入下伏巖溶含水層系統(tǒng)參與巖溶作用過程,有利于溶蝕作用強度的提升[32]。

圖4 氣溫與大氣CO2含量晝夜變化(2020.2.26—3.6)Fig.4 Daily changes of air temperature and atmospheric CO2 content

4.2 土壤溫度分層與降雨效應

土壤溫度總體上與氣溫變化趨勢一致,即隨著冬季氣溫的下降,土壤溫度也隨之降低,整個冬季土壤溫度變化曲線呈U字形分布,但不同深度土壤溫度變化差異仍然較大,分層效應顯著(圖5)。土下20 cm土壤溫度變化受氣溫影響,一方面呈現較顯著的白天升高夜間下降的晝夜變化,另一方面,在冬季早期低于土下30 cm和土下50 cm溫度,反映上部土壤溫度對晝夜氣溫變化響應敏感；下部土壤溫度曲線波動減弱,由于熱傳導衰減原因,土溫日變幅不顯著,呈現多日動態(tài)變化特征,且受熱傳導影響略滯后于氣溫[33],土下20 cm日最高土溫多位于下午6點左右,意味著滯后最高氣溫約3—5 h。隆冬季節(jié)受降雪覆蓋影響,土下溫度晝夜變化不顯著,冬季后期隨著氣溫的回升,土下20 cm土壤溫度快速回升,總體上土溫高于下部土壤溫度,揭示上部土壤層溫度對環(huán)境溫度較敏感,在冬季不同時段出現較大的變化。

土下30 cm和50 cm土壤溫度總體變化趨勢與土下20 cm溫度變化一致,但隨著土壤深度的增加,晝夜變化越來越弱,代之以較平緩的變化幅度較小的多日變化。在冬季早期,土壤溫度隨深度增加而升高,冬季后期則相反,隨著深度增加而降低(圖5)。

圖5 冬季不同深度土壤溫度變化曲線及其與氣溫的關系Fig.5 Variations of soil temperatures in different depths

降雨事件可以顯著干擾晝夜熱變幅,由于水的比熱高,當土壤水分處于較高水平至飽和狀態(tài)時,土壤溫度則易保持穩(wěn)定,但當水分快速減少時晝夜熱變幅會加大,如無雨日土溫晝夜變幅顯著大于降雨日(圖6)。如2020年3月1日至3日連續(xù)降雨期間,土下20 cm土壤溫度晝夜變幅只有0.3—0.75℃,而晴天的晝夜變幅高達1.3—2.0℃

圖6 土溫晝夜變化及降雨效應Fig.6 Daily changes of soil temperature and rainfall effect

4.3 土壤水分的降雨與界面效應

由于降雨較充沛且分配較均勻,氣溫較低蒸發(fā)量較小,冬季土壤水分相對保持在27%—33.5%區(qū)間較高的水平,但不同深度分層效應顯著,對降雨過程響應及時(圖7),降雨過程水分上升幅度為一般在1%—3%,最高達6.5%?？傮w上,土下20 cm土壤水分相對較高,其次為土下50 cm,土下30 cm土壤水分含量最低,即隨著深度增加,土壤水分呈現先降低后升高趨勢,暗示草地根系有利于土壤水分保持,中部土壤水分受下滲流的影響,部分補給下部土壤層,下部土巖界面的存在可能是土下50 cm保持較高水分的原因[34—37]。因為在灰?guī)r巖溶區(qū),土壤剖面不發(fā)育C層,即缺少基巖風化層,也就是說基巖與土壤為硬接觸,而灰?guī)r孔隙裂隙率一般均較低,導致土壤水到達巖土界面后出現滯水現象。在冬季早期和后期,伴隨降雨過程不同深度土壤水分均出現陡升陡降的特征,說明土壤水分變化主要受降雨控制。無雨期間土壤水分會持續(xù)且以較快速度下降。

圖7 不同深度土壤水分變化及降雨影響Fig.7 Variations of soil moistures in different depths and the impact of rainfall

隆冬降雪覆蓋期間(1月份),土壤水分則相對穩(wěn)定,波動微弱且具有逐漸下降的趨勢,但下部土壤水分下降幅度要大于上部,呈現低值區(qū),上部和中下部水分分別穩(wěn)定在29.5%和28%左右,可能與無降雨期間上部土壤層水分蒸發(fā)減小,下部土壤層水分向下入滲有關。冬春之交土壤水分持續(xù)減小,可能與降雨偏少及氣溫回升密切相關,氣溫回暖會導致水分蒸發(fā)加劇。

4.4 土壤CO2變化的溫度與水分效應

冬季土壤CO2含量總體上受土溫控制,即隨著土溫的下降而減小,隆冬降雪覆蓋時期出現相對穩(wěn)定的低值區(qū),此后隨著土溫回升又逐漸增加(圖2),兩者之間具有較顯著的正相關關系也證實了這點(圖8),說明土壤溫度的上升可促進土壤微生物活動與有機質降解,進而釋放更多CO2[38—39],而土壤溫度又與氣溫密切相關,證實土壤CO2的變化主要受季節(jié)性氣溫變化控制[40—41]。土下20 cm土壤CO2含量相對較低,隨著深度增加,CO2含量逐漸升高?？傮w上CO2含量低于中國云南石林巖溶區(qū)草地秋季土壤[34]。在降雨過后觀測到不同深度土壤CO2含量均有不同程度且較快速的升降現象(圖9),暗示雨水入滲土壤層后產生的活塞效應和隨后的向下遷移是導致土壤CO2含量陡升陡降的主要原因,一般認為土壤空氣CO2含量隨著深度遞增是由于土壤CO2的不斷產生以及較低的向上或向下的擴散速率的降低,尤其是當有下部基巖的阻礙[42—43]。從降雨過程大氣CO2含量有較大幅度降低的現象看,降雨過程溶解部分大氣CO2進入土壤層,說明來自大氣與土壤CO2均參與了下伏碳酸鹽巖的溶蝕過程。降雨過程一方面可遏制土壤CO2向大氣的逸出,同時攜帶大氣CO2進入下伏巖溶含水層,揭示巖溶作用過程對大氣CO2同時具有減源與碳匯效應。

圖8 不同深度土壤CO2與土溫相關關系Fig.8 Relationship between soil CO2 contents and temperatures in different depths

圖9 強降雨條件下土壤水分和CO2變化Fig.9 Changes of soil CO2 and moisture during storm water event

不同深度土壤CO2含量與土壤溫度之間指數相關曲線見圖8,揭示土壤溫度區(qū)間及變幅對土壤CO2含量變化的影響,土溫在4—8℃區(qū)間,溫度每上升1℃產生的土下CO2含量上升幅度為(130—530)×10-6,土溫在8—12℃區(qū)間,則為(400—1430)×10-6。可見低溫區(qū)土壤CO2含量較低變幅較小,當土溫大于8℃后,單位溫度梯度產生的CO2變幅顯著增加,土壤下部的變幅又大于上部。監(jiān)測期間總體上溫度較低,但CO2含量對溫度變化的敏感性特征,十分有利于土壤層維持在較高CO2含量的水平,進而為土下溶蝕作用的持續(xù)進行提供驅動力。圖10是根據土溫、水分與CO2含量監(jiān)測數據制作的CO2含量等值線圖,反映土壤CO2含量變化主要受土壤溫度和水分共同控制,但土溫在11℃以下似乎僅受溫度控制?？傮w上,土壤CO2含量隨著土壤溫度的增加而增加,從土溫5℃左右時的低于1000×10-6上升到溫度11℃左右的大于5000×10-6。當土溫上升到12℃左右、水分在31%—32%范圍出現一個土壤CO2高值區(qū),反映較高的土溫和適宜的水分含量有利于微生物呼吸作用與代謝活動,進而釋放更多的CO2。研究表明土壤水分會對土壤CO2釋放產生負面效應[44—46],即存在所謂的“雙峰效應”(Bimodal effect)。過高的水分(大于臨界值)導致土壤孔隙被水充填,從而減弱微生物活動影響CO2產出,也影響CO2的傳輸與逸出[47—49]。

溫度和土壤水分是反映氣候條件的兩個特征指標[50],也是控制土壤呼吸的兩個關鍵因子[51]。水分的增加直接影響土壤微生物活動,同時減小氣液相擴散速率,并限制O2和其它氣體的供給[52—53]。另一方面,較低的土壤水分含量不利于植物生長和土壤微生物活動[54]。這些條件較好地解釋了研究區(qū)土壤CO2的分布形態(tài)(圖10)。

圖10 土下20cm土壤CO2含量等值線圖Fig.10 Contour map of CO2 contents at soil depth of 20 cm

4 結論

高分辨率在線監(jiān)測表明,土壤溫度與CO2含量對環(huán)境因子變化極其敏感,不同深度分層效應顯著。尤其是上部土壤層,兩者既有晝夜動態(tài)也有多日動態(tài)變化特征。季節(jié)尺度上土壤CO2含量主要受土溫控制,兩者具有顯著的指數相關關系,溫度越高,其溫度梯度產生的CO2變幅越大,意味著冬季土溫的快速下降可導致土壤CO2含量快速下降,春季土溫的快速上升可導致土壤CO2含量的快速回升。由于降雨較充沛,土壤水分總體上保持在較高水平,但受降雨過程影響,出現陡升陡降。降雨期間大氣CO2含量有下降現象,土壤CO2也表現為先上升后下降的特點,證實雨水溶解部分大氣CO2進入土壤層,并進一步溶解土壤CO2通過脈沖效應使得CO2向下遷移補給下伏巖溶含水層,因而促進巖溶作用的持續(xù)進行,同時可緩解土壤CO2向大氣釋放。也就是說,在濕冷的地中海氣候巖溶區(qū),受生態(tài)系統(tǒng)控制的CO2仍可為下伏碳酸鹽巖溶蝕提供驅動力,其產生的碳匯可能是整個生態(tài)系統(tǒng)碳匯的重要組成部分,因而在巖溶區(qū)碳匯估算中,不僅要考慮石漠化治理產生的植被與土壤改良増匯,同時也要考慮巖溶作用產生的増匯效應。