烏江中上游流域土壤CO2排放及其影響因素

魏來WEI Lai；顧永波GU Yong-bo

（天津師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，天津 300380）

0 引言

近幾十年以來，全球變暖已經(jīng)成為最突出的氣候變化問題。IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）[1]報(bào)告稱：與1850-1900年相比，2010-2019年全球平均表面氣溫的變化為0.9~1.2℃，大氣中溫室氣體濃度的升高被認(rèn)為是引起全球氣候變暖的主要原因，當(dāng)今全球關(guān)注的三種溫室氣體（CO2、CH4、N2O）貢獻(xiàn)了1.0~2.0℃的變暖。其中，CO2的增溫效果最為明顯，與工業(yè)革命之前相比，大氣中CO2增加了47%~48.5%[1]，高出以往的增長(zhǎng)速率。

雙碳作為我國(guó)重要時(shí)代戰(zhàn)略，加快降低碳排放步伐，有利于引導(dǎo)綠色技術(shù)創(chuàng)新，提高產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的全球競(jìng)爭(zhēng)力，努力兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綠色轉(zhuǎn)型同步進(jìn)行。因此，研究土壤碳排放特征，能加快構(gòu)建綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系，減少CO2的排放，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)具有重大意義。

我國(guó)西南地區(qū)是我國(guó)喀斯特地貌最為典型的區(qū)域，是世界三大喀斯特集中分布區(qū)東亞片區(qū)的核心，也是區(qū)域和全球碳循環(huán)研究的重要場(chǎng)所。土壤中的有機(jī)質(zhì)含量、土壤濕度、pH值、土壤溫度等因素影響著CO2的產(chǎn)生與排放。而不同的土地利用方式通過改變土壤性質(zhì)（物理、化學(xué)及生物學(xué)特性）和土壤環(huán)境狀況，影響著溫室氣體的排放。因此，它成為了全球溫室氣體變化研究的重點(diǎn)。研究不同土地利用方式下CO2的排放規(guī)律及其關(guān)鍵環(huán)境影響因子，可以為制定碳減排、發(fā)展碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)、應(yīng)對(duì)全球氣候變化提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

洪家渡（10548′E，2654′N）位于中國(guó)西南地區(qū)貴州省，是典型的喀斯特地貌，該地區(qū)為亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為14~16℃，年平均總降水量約為140mm，干濕季分明，降雨集中于夏季，其消落帶落差大，兩側(cè)主要土地利用類型為耕地、林地、草地和建筑用地，土壤類型以灰褐色石灰土為主，水土流失十分嚴(yán)重。

1.2 樣品采集

在2021年5月（播種期）在洪家渡水庫(kù)庫(kù)區(qū)設(shè)置了以海拔高程劃分的三組土壤樣點(diǎn)，在同一分水嶺坡面，由海拔從高到低，分別在海拔1453m（S1）、1290m（S2）和1144 m（S3）處選取了典型耕地（GD）、草地（CD）及林地（LD）作為采樣點(diǎn)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將原狀土從冷凍冰箱中取出，在約為24℃的室溫中解凍2小時(shí)（h）以恢復(fù)微生物活性，之后將其放到250mL廣口玻璃瓶中，使用Parafilm膜封閉接口處以保證密閉性。每隔1h使用無(wú)菌10ml塑料針管插入硅膠瓶蓋中抽氣5mL，利用氣相色譜儀分析CO2的濃度。該實(shí)驗(yàn)共有9種不同處理（分別為S1、S2、S3的耕地、草地和林地），每種處理有3個(gè)重復(fù)，共計(jì)27個(gè)培養(yǎng)瓶。每個(gè)培養(yǎng)瓶每隔1h采集一次氣體樣品，共采集7h。在監(jiān)測(cè)完成后從每個(gè)培養(yǎng)瓶中取5g干土樣品，進(jìn)行后續(xù)土壤樣品的處理及分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同土地利用方式的CO2排放變化

圖1為不同土地方式下原位土壤剖面CO2排放通量。其中CO2的排放速率表現(xiàn)：S1、S2、S3均為：LD>CD>GD。不同海拔CO2的排放速率表現(xiàn)：S3GD>S2GD>S1GD；S3CD>S2CD>S1CD；S3LD>S2LD>S1LD，可以看出三種土地利用類型均呈現(xiàn)S3>S2>S1的規(guī)律。

在同一海拔CO2的累積排放量表現(xiàn)：S1：LD（2.83mg·kg-1）>CD（2.82mg·kg-1）>GD（1.94mg·kg-1）：S2：LD（3.47 mg·kg-1）>CD（3.26mg·kg-1）>GD（2.19mg·kg-1）；S3：LD（5.58mg·kg-1）>CD（4.47mg·kg-1）>GD（2.34mg·kg-1），可以看出三種土地利用類型均呈現(xiàn)LD>CD>GD的規(guī)律。在不同海拔三個(gè)土地利用CO2的累積排放量表現(xiàn)：S3>S2>S1。其中，S3LD的累積排放量最大，是最小排放量S1GD的2.87倍。

2.2 土壤CO2排放影響因子分析

將影響CO2排放通量的主要因子pH、TN、SON、SOC等進(jìn)行探究（表2）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同的土地利用方式下CO2的排放通量與呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.843、0.636、-0.619，說明土壤中CO2排放主要受到條件的控制。為了進(jìn)一步分析等因子對(duì)CO2排放通量的貢獻(xiàn)率，利用多元回歸分析中的逐步分析法建立了土壤CO2排放通量與之間的最優(yōu)回歸方程（表3）。結(jié)果顯示，在測(cè)定的理化指標(biāo)中，土壤CO2通量主要受到土壤有機(jī)氮的影響，該變量可解釋土壤CO2通量的69.2%，且達(dá)到極顯著水平（P<0.01）。

表2 土壤性質(zhì)與CO2排放通量的相關(guān)性

表3 土壤理化指標(biāo)與CO2排放通量的多元回歸方程

3 討論

不同的土地利用方式下土壤理化性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)等均不相同，使CO2氣體排放存在差異，進(jìn)而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)壓力產(chǎn)生不同影響。

土壤有機(jī)碳是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要因素，時(shí)秀煥[9]認(rèn)為不同的土地利用方式下CO2排放存在差異主要由于土壤有機(jī)碳含量的不同。而土壤有機(jī)碳含量存在差異的主要原因是土壤有機(jī)碳的積累及碳源輸入的差別。土壤有機(jī)碳的積累在很大程度上取決于植被覆蓋，土壤有機(jī)碳是土壤異養(yǎng)呼吸的重要碳源，而土壤有機(jī)氮能影響微生物的活性，有機(jī)氮的不足對(duì)微生物的繁殖和有機(jī)質(zhì)的分解造成抑制。土壤CO2的排放通量與土壤有機(jī)碳含量之間有重要的聯(lián)系。本研究區(qū)域耕地主要以玉米地為主，施肥時(shí)間約為4月份，施肥種類一般為混合氮肥，秸稈堆肥及動(dòng)物糞便，但有機(jī)碳氮含量明顯低于LD與CD（表1），除了作物的吸收外，還與該地區(qū)地表徑流的沖刷作用強(qiáng)，水土流失嚴(yán)重有關(guān)。同一海拔中，與GD相比，LD、CD由于植被的水土保持功能，削減了降水的侵蝕和徑流的沖刷，土壤中有機(jī)碳氮流失少，導(dǎo)致有機(jī)碳氮含量高于GD，為土壤中微生物的分解活動(dòng)排放CO2提供基礎(chǔ)。而林地含有較厚的凋落物層，會(huì)進(jìn)一步減輕土壤被侵蝕的強(qiáng)度，并有效防止表土有機(jī)碳、氮的流失，所以，LD的有機(jī)碳、氮的含量往往要高于CD。因此，LD土壤有機(jī)碳氮含量高于CD、GD，這可能是LD的CO2排放通量、排放累積量顯著高于CD、GD的原因，這與Kong等[2]研究土壤中森林土壤的CO2累積產(chǎn)量顯著高于草地、果園和農(nóng)田的結(jié)果一致。因此，實(shí)施可持續(xù)化土地管理，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)管理，減少林地砍伐，改善對(duì)草地的放牧管理，能避免和減少土壤退化，有助于完善生態(tài)系統(tǒng)功能和提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，加強(qiáng)對(duì)氣候變化的適應(yīng)。代林玉[3]發(fā)現(xiàn)土壤CO2的排放通量受到土壤有機(jī)碳含量的影響，土壤有機(jī)碳含量越高，CO2的排放量越大。丘清燕[4]同樣發(fā)現(xiàn)土壤可溶性有機(jī)碳（DOC）與土壤CO2累積排放量之間呈顯著正相關(guān)。土壤可溶性有機(jī)碳大部分是容易被利用的小分子有機(jī)碳，是微生物呼吸利用的直接碳源[5]。

表1 土壤主要理化性質(zhì)

氮是微生物活性的限制性因素。此外，NH+4-N、NO-3-N通過在土壤中帶來化學(xué)和生物的變化，從而影響土壤CO2的排放[6]。Fang[7]在研究中發(fā)現(xiàn)亞熱帶森林表層土壤CO2排放與濃度呈正相關(guān)（P<0.05），土壤中的NO-3-N濃度與CO2排放量的增加相一致，他認(rèn)為這可能歸因于土壤微生物固氮。土壤微生物需要更多的土壤有效碳來固定森林中的礦質(zhì)氮，這將刺激土壤微生物活性，提高有機(jī)質(zhì)分解，增加異養(yǎng)呼吸。而Yang[8]在次生林和落葉松人工林等典型溫帶森林室內(nèi)培養(yǎng)中，發(fā)現(xiàn)排放通量呈負(fù)相關(guān)，與本研究一致。Yang認(rèn)為會(huì)降低土壤中C的礦化從而減少了土壤中CO2排放，且降低的程度與土壤類型及微生物種群有關(guān)。因此排放的影響可能受到不同的土壤類型、土壤微生物、土壤性質(zhì)等多種因素的影響[6]。

4 結(jié)論

在原狀土柱培養(yǎng)中，不同土地利用CO2的排放通量存在差異，其中，同一海拔不同土地利用類型CO2的排放通量為L(zhǎng)D>CD>GD。CO2排放通量主要受到N的影響。其中，土壤CO2通量主要受到SON的影響，該變量可解釋土壤CO2通量的69.2%，且達(dá)到極顯著水平（P<0.01）。因此，改進(jìn)氮肥料管理，減少氮肥的輸入，從而降低SON、SOC的水平，是構(gòu)建綠色低碳循環(huán)發(fā)展的現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)體系，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。