半干旱區(qū)深層土壤CO2濃度對(duì)降雨事件的響應(yīng)*

王曉璐, 張 寧, 賀高航, 林曉華, 陳 巖, 王 蕊,,3, 郭勝利,,3

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 楊凌 712100; 3.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所 楊凌 712100)

土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機(jī)碳庫(kù)[1],30 cm以下有機(jī)碳儲(chǔ)量占到土壤碳庫(kù)的30%～75%[2]。與表層土壤相比, 盡管深層土壤(＞30 cm)有機(jī)碳含量相對(duì)穩(wěn)定, 但其礦化分解也不容忽視[3]。有研究指出深層土壤中CO2濃度更高[4], 并且以較快的速度通過土壤孔隙釋放到大氣中[5], 因此深層土壤CO2產(chǎn)生和排放的微小變動(dòng)會(huì)顯著影響陸地碳循環(huán)過程[1,6]。

土壤CO2濃度是土體內(nèi)CO2產(chǎn)生和排放綜合作用的結(jié)果[7], 由于溫度、水分、微生物和底物等影響因素的垂直空間變異性[8-9], 深層土壤CO2濃度變化和表層土壤并不相同。隨著深度的增加, 有機(jī)質(zhì)含量和微生物生物量逐漸減少、土壤溫度降低等原因?qū)е律顚油寥繡O2產(chǎn)生較少, 但深層土壤CO2濃度卻高于表層[8,10-11]。水分對(duì)土壤CO2濃度的影響較為復(fù)雜, 土壤干濕變化會(huì)強(qiáng)烈影響土壤有機(jī)碳礦化速率和CO2排放[12-14], 不僅影響土體內(nèi)的CO2濃度, 也會(huì)影響其與大氣中CO2交換[15-16]。研究表明, 0～10 cm處CO2產(chǎn)生量與土壤含水量呈正相關(guān), 而在10～20 cm處CO2產(chǎn)生量與土壤含水量呈負(fù)相關(guān)[17]。除改變土壤水分狀況外, 降雨不僅影響土壤CO2產(chǎn)生, 還可能阻斷氣體擴(kuò)散通道, 導(dǎo)致土壤CO2濃度上升, 這一變化在土壤深層尤為明顯[18]。Delsarte等[19]發(fā)現(xiàn)降雨導(dǎo)致表層和深層土壤CO2濃度均降低。Rachhpal等[20]研究表明降雨后, 表層和深層土壤CO2濃度升高。Fernandez-Bou等[21]和劉合滿等[22]卻認(rèn)為表層和深層土壤CO2濃度變化在降雨事件中呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)。在干旱半干旱區(qū), 降雨作為土壤水分的主要來(lái)源, 其多變性(降雨量、降雨強(qiáng)度等)對(duì)土壤CO2濃度的影響仍然存在很大的不確定性[22-23], 尤其深層土壤CO2濃度對(duì)降雨的響應(yīng)尚不清楚。

本研究在田間原位條件下, 對(duì)10 cm、50 cm和100 cm深土壤CO2濃度、土壤溫度和土壤水分進(jìn)行高頻率自動(dòng)監(jiān)測(cè), 探究深層土壤CO2濃度的變化特征及其對(duì)降雨事件的響應(yīng)和影響因素, 以期進(jìn)一步了解降雨事件對(duì)深層土壤CO2濃度變化的作用機(jī)制,為正確評(píng)估干旱區(qū)降雨變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)影響提供科學(xué)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于黃土高原南部陜西長(zhǎng)武農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(簡(jiǎn)稱長(zhǎng)武站, 107°40′E,35°12′N), 海拔約1220 m, 屬大陸性季風(fēng)氣候。平均溫度9.1 ℃, ≥10 ℃積溫為3029 ℃, 最低溫度為-19.6 ℃, 最高溫度為32.4 ℃; 1985-2020年平均降水量580 mm, 其中最高年份為954 mm, 最低年份為296 mm, 并且季節(jié)性分布不均, 7-9月份降水占年降水量的55%左右, 最高月份為237 mm。降雨入滲深度最深可達(dá)3 m, 地下水位50～80 m。無(wú)灌溉條件,屬典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。土壤類型為黑壚土, 母質(zhì)是中壤質(zhì)馬蘭黃土[24], 不同深度土壤理化性質(zhì)見表1。

表 1 試驗(yàn)地不同深度土壤基本理化指標(biāo)Table 1 Soil basic physical and chemical indexes at different depths of the experimental site

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

黃土高原是優(yōu)質(zhì)蘋果(Malus domestica)的適生區(qū), 該區(qū)域蘋果園面積已經(jīng)超過120萬(wàn)hm2[25]?；诖? 本研究以蘋果園為研究對(duì)象, 探討半干旱區(qū)深層土壤CO2濃度對(duì)降雨事件的響應(yīng)。所選蘋果園建于2000年, 面積1000 m2, 種植品種為‘紅富士’, 株行距為3 m×4 m, 呈南北走向, 平均樹高3.5 m, 多年平均產(chǎn)量為42 000 kg·hm-2[26]。無(wú)灌溉條件, 每年11月施用基肥(氮肥 100 kg·hm-2和磷肥 375 kg·hm-2), 次年7月追施氮肥(100 kg·hm-2)。一般春秋兩次修剪, 9月份采摘, 果樹生長(zhǎng)狀況良好, 無(wú)病蟲害。

在果園中心選取兩株長(zhǎng)勢(shì)均勻、位置相鄰且不同行的果樹, 取兩株果樹之間的中心位置作為首個(gè)點(diǎn)位, 以該點(diǎn)位為基準(zhǔn), 向正南、正北方向6 m再各選取1個(gè)點(diǎn)位, 共計(jì)3個(gè)點(diǎn)位, 各點(diǎn)位中心點(diǎn)距離兩側(cè)果樹均為2 m。每個(gè)點(diǎn)位并排設(shè)置兩個(gè)100 cm測(cè)坑, 分別用于監(jiān)測(cè)10 cm、50 cm和100 cm土層的土壤溫度、水分(西側(cè)測(cè)坑)和CO2濃度(東側(cè)測(cè)坑),共設(shè)置6個(gè)測(cè)坑。測(cè)坑內(nèi)安裝儀器后回填壓實(shí), 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各要素變化情況。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況如圖1所示。

圖 1 蘋果園儀器布設(shè)圖Fig.1 Equipment layout in the apple orchard

1.3 土壤溫度、水分、CO2濃度及降水的測(cè)定

本研究開展于2019-2021年, 通過在測(cè)坑中安裝土壤水分和溫度電導(dǎo)率傳感器CS655 (campbell,美國(guó))、數(shù)據(jù)采集傳送器CR1000X (campbell, 美國(guó))監(jiān)測(cè)記錄各土層土壤溫度(℃)、土壤含水量(%)的逐時(shí)變化情況; 在土壤CO2測(cè)坑中水平安裝GMP343_SS探頭(Vaisala, 芬蘭)監(jiān)測(cè)各土層CO2濃度(μmol·mol-1)的逐時(shí)變化情況。上述儀器均依靠太陽(yáng)能供電, 利用太陽(yáng)能板TR-SP50Z1 (華益瑞, 中國(guó))、蓄電池TRJ200 (華益瑞, 中國(guó))、防水機(jī)箱ENC14/16 (campbell,美國(guó))做好蓄電防水工作, 確保電量充足和數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。

降雨和氣溫由長(zhǎng)武站自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)觀測(cè), 自動(dòng)記錄每小時(shí)降雨量(mm·h-1)和氣溫(℃)。本研究對(duì)降雨事件進(jìn)行以下判定: 降雨發(fā)生前24 h無(wú)降水,且降雨停止后5 h沒有降雨作為判定標(biāo)準(zhǔn)。參考國(guó)家氣象局規(guī)定(http://www.cma.gov.cn)對(duì)降雨事件進(jìn)行劃分: 降雨量在10 mm以下為小雨, 10～25 mm為中雨, 25 mm以上為大雨。測(cè)定時(shí)間為春季(4-6月)、夏季(7-9月)、秋季(10-11月) 3個(gè)季節(jié)。為了探究降雨變化對(duì)各土層土壤CO2濃度的影響,在夏季(雨季)選取小雨(8 mm)、中雨(15.6 mm)、大雨(31.6 mm) 3個(gè)典型的降雨事件進(jìn)行深入分析,小雨、中雨和大雨分別選取降雨前1 d至降雨停止后3 d、5 d和7 d確保各因素對(duì)降雨響應(yīng)的完整性。

1.4 土壤微生物量碳測(cè)定

用“S型采樣法”在果園中心選取5顆長(zhǎng)勢(shì)良好、無(wú)病蟲害的標(biāo)準(zhǔn)果樹。以樹主干為中心, 沿三等分圓半徑方向取0.5 m、1.0 m和2.0 m處為采樣點(diǎn), 在每個(gè)采樣點(diǎn)垂直向下0.1 m、0.5 m和1.0 m處取土,并將同一顆樹、同一土層的3個(gè)土樣取等量混勻裝袋。將土樣冷凍處理, 用于測(cè)定土壤微生物量碳(氯仿熏蒸硫酸鉀浸提法)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

1.5.1 氣體擴(kuò)散系數(shù)

基于不同試驗(yàn)條件和研究目的, 有研究者綜述了不同土壤擴(kuò)散系數(shù)模型的優(yōu)劣[27]。考慮本研究為田間原位監(jiān)測(cè)試驗(yàn), 土壤相對(duì)干燥, 充氣孔隙度為0.11～0.45, 故選取Moldrup-2000模型計(jì)算氣體擴(kuò)散系數(shù)[28]:CO2在自由大氣中擴(kuò)散系數(shù)(m2·s-1); ε為CO2在土壤中的相對(duì)擴(kuò)散系數(shù);Da0為T0(293 K)、P0(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓, 1.31×105Pa) 下CO2在大氣中的擴(kuò)散系數(shù)(1.47×10-5m2·s-1);T、P為實(shí)際測(cè)量時(shí)溫度(K)和氣壓(Pa)。

式中:Ds為深度s處CO2的擴(kuò)散系數(shù)(m2·s-1),D0為

式中: φ為土壤孔隙度(cm3·cm-3); ρs為土壤比重, 本研究中該值為2.65 g·cm-3; ρb為土壤容重; θ為土壤體積含水量(cm3·cm-3)。

1.5.2 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、篩選和初步分析, 采用Origin 2018軟件制作相關(guān)的基礎(chǔ)圖件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土層溫度和水分的變化特征

土壤溫度受氣溫影響, 表現(xiàn)出明顯的季節(jié)特征。春季土壤溫度逐漸升高, 夏季(8月中旬)達(dá)到峰值,秋季隨氣溫下降而逐漸降低(圖2a)。觀測(cè)期內(nèi),10 cm、50 cm、100 cm土壤溫度最高可達(dá)28.4 ℃、24.1 ℃和21.4 ℃, 最低至4.6 ℃、7.6 ℃和8.4 ℃, 均值為18.2 ℃、17.1 ℃和16.0 ℃。各土層溫度存在顯著性差異(P＜0.05), 在溫度上升期表現(xiàn)為100 cm土層＜50 cm土層＜10 cm土層, 到達(dá)峰值后轉(zhuǎn)為10 cm土層＜50 cm土層＜100 cm土層。

圖 2 試驗(yàn)期間土壤CO2濃度、土壤溫度和土壤含水量變化Fig.2 Variations of soil CO2 concentration, soil temperature and soil moisture during the experiment

試驗(yàn)期間(2019-2021年)共發(fā)生降雨事件23次, 小雨(＜10 mm)發(fā)生頻次最多, 共計(jì)13次, 占總降水頻次的56%, 中雨(10～25 mm)次之, 占總降水頻次的26%, 大雨(＞25 mm)占比18% (圖2b, 表2)。10 cm土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)最為敏感, 雨后土壤含水量最高可達(dá)雨前的兩倍之多; 50 cm和100 cm處土壤含水量對(duì)降雨的響應(yīng)相對(duì)遲緩, 在降雨事件中土壤水分增加量不超過11% (圖2c)。10 cm、50 cm和100 cm處土壤含水量最高為31.7%、39.1%和35.0%,最低至8.7%、30.1%和23.8%, 均值為17.2%、33.7%和27.4%。土層間土壤含水量差異顯著(P＜0.05), 表現(xiàn)為10 cm土層＜100 cm土層＜50 cm土層 (圖2c)。

表 2 2019—2021年試驗(yàn)期間降水事件和土壤CO2濃度響應(yīng)特征Table 2 Characteristics of precipitation events and soil CO2 concentration response during the experiment from 2019 to 2021

2.2 不同土層CO2濃度的變化特征

季節(jié)尺度上, 10 cm、50 cm和100 cm處土壤CO2濃度與土壤溫度有相似的季節(jié)特征和土層間的差異, 即在春季逐漸升高, 于8月份達(dá)到全年峰值, 秋季持續(xù)下降(圖2d)。春末時(shí)10 cm、50 cm和100 cm處CO2濃度為春初的2.8倍、2.6倍和2.6倍;夏季各土層CO2濃度峰值可達(dá)1.20×104μmol·mol-1、1.56×104μmol·mol-1和1.67×104μmol·mol-1; 而與CO2濃度峰值相比, 秋季分別降低62%、58%和53%。但與土壤溫度不同, 土壤CO2濃度呈現(xiàn)出隨著深度增加逐漸上升的趨勢(shì), 10 cm、50 cm、100 cm處CO2濃度均值為0.66×104μmol·mol-1、0.87×104μmol·mol-1和1.04×104μmol·mol-1, 50 cm、100 cm處CO2濃度分別為10 cm處的1.3倍和1.6倍。

晴天時(shí), 10 cm、50 cm和100 cm處土壤CO2濃度均有顯著的日變化特征, 其動(dòng)態(tài)變化存在明顯的單峰趨勢(shì), 并與氣溫呈相反的變化模式(圖3)。10 cm處土壤CO2濃度還與土壤溫度的變化趨勢(shì)基本一致(圖3a), 均表現(xiàn)為先降低后升高, 13:00左右達(dá)全天最低值, 而在50 cm和100 cm處, 土壤溫度對(duì)土壤CO2濃度變化的影響不大(圖3b, c)。雨天時(shí), 各土層土壤CO2濃度變化趨于平緩, 日變化幅度減小。10 cm處土壤CO2濃度變化趨勢(shì)與晴天時(shí)基本一致(圖3d),而50 cm、100 cm處土壤CO2濃度未出現(xiàn)單峰變化(圖3e, f)。

2.3 不同土層CO2濃度對(duì)降雨事件的響應(yīng)

土壤CO2濃度對(duì)降雨量＜10 mm的小雨事件無(wú)明顯響應(yīng)。10～25 mm的中雨可以導(dǎo)致10 cm處土壤含水量從32.1%上升至35.7%, 土壤CO2濃度降低5%; 50 cm處土壤含水量和CO2濃度的響應(yīng)則較為遲緩。＞25 mm的大雨事件發(fā)生時(shí), 10 cm處土壤含水量?jī)H有10.5%, 該處土壤CO2濃度隨著水分上升增加了30%, 表現(xiàn)出明顯的激發(fā)效應(yīng); 當(dāng)10 cm處土壤含水量升高至19.0%, 持續(xù)降雨導(dǎo)致土壤CO2濃度降低。大雨導(dǎo)致50 cm、100 cm土壤含水量從32.0%、24.7%上升至39.1%、35.0%, 土壤CO2濃度分別降低16.3%、10.9%。大雨事件中, 10 cm、50 cm、100 cm土壤CO2響應(yīng)時(shí)間為降雨開始后9 h、91 h和121 h,土壤含水量和土壤溫度對(duì)降雨的響應(yīng)存在類似的滯后現(xiàn)象(圖4)。

圖 3 晴天(左側(cè)圖a, b, c)和雨天(右側(cè)圖d, e, f)氣溫和不同土層土壤溫度、CO2濃度的變化Fig.3 Variations of air temperature, soil temperature and soil CO2 concentration in different soil layers under different weather conditions (the left figures are sunny days; the right figures are rainy days)

圖 4 不同降水事件對(duì)10 cm、50 cm和100 cm深土壤CO2濃度的影響Fig.4 Effect of different precipitation events on soil CO2 concentration of 10 cm, 50 cm and 100 cm soil layers

3 討論

3.1 不同土層CO2濃度對(duì)水分的響應(yīng)

土壤CO2濃度取決于產(chǎn)生和傳輸?shù)墓餐饔谩ｋm然表層土壤根系密度大、微生物活性高, 但CO2能快速排放至大氣中, 因此表層土壤CO2濃度低。一般而言, 深層土壤中的微生物量通常比表土低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)[29], 氧氣濃度也會(huì)隨著深度增加逐漸降低, 深層土壤生物和根系的生長(zhǎng)環(huán)境較差[30], 導(dǎo)致深層土壤CO2產(chǎn)生較少。本研究發(fā)現(xiàn)深層土壤微生物量顯著低于表層(10 cmvs.50 cmvs.100 cm: 125.44 mg·kg-1vs.45.92 mg·kg-1vs.12.50 mg·kg-1)。因此, 深層土壤CO2濃度與微生物關(guān)系不大。隨著土層加深,土壤中CO2擴(kuò)散性降低可能是導(dǎo)致深層CO2濃度升高的主要原因。深層土壤質(zhì)地緊實(shí)(容重=1.30 g·cm-3), 孔隙度較小, 土壤CO2擴(kuò)散系數(shù)(D)僅為表層土壤的1/8～1/4 (D10cm=22.6×10-7m2·s-1、D50cm=2.7×10-7m2·s-1、D100cm=6.7×10-7m2·s-1), 導(dǎo)致深層土壤CO2氣體的累積并表現(xiàn)為濃度升高[31]?？λ固豙23]、土[32]和森林[33]土層中CO2濃度變化的相關(guān)研究也得到了相似的結(jié)果。

不同土層CO2濃度因其土壤孔隙含水量增加而呈降低趨勢(shì), 但關(guān)系復(fù)雜。表層土壤含水量因降雨波動(dòng)劇烈, 相應(yīng)地土壤CO2濃度波動(dòng)范圍也較大, 隨著土壤含水量升高, 土壤CO2濃度呈降低趨勢(shì)(圖5);隨著深度的增加, 土壤含水量波動(dòng)范圍(32%～35%)變小, CO2濃度波動(dòng)范圍(4000～16 700 μmol·mol-1)加大(圖2), 土壤CO2濃度隨著水分升高而降低的相關(guān)性得到加強(qiáng); 當(dāng)達(dá)到100 cm土層深度時(shí), 土壤含水量基本穩(wěn)定在24%～30%, 因大雨時(shí)水分入滲到深層后土壤水分才在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)變化, 相應(yīng)地土壤CO2濃度才會(huì)出現(xiàn)劇烈變化, 但短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的水分和土壤CO2濃度變化并不存在簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。其中原因需要進(jìn)一步的田間監(jiān)測(cè)和研究。

3.2 降雨事件對(duì)深層土壤CO2濃度的影響

降雨影響土壤CO2濃度, 但不同土層CO2濃度變化并不相同[34]。大雨初期(前3 d), 隨著土壤由干變濕, 10 cm處土壤CO2濃度迅速增加并達(dá)到峰值(圖4g)。干濕交替引起團(tuán)聚體破壞(物理學(xué)說(shuō))或土壤水分引起的微生物群落結(jié)構(gòu)和活性變化促進(jìn)了土壤CO2產(chǎn)生(生理學(xué)說(shuō))[2,35]。與10 cm處激發(fā)效應(yīng)不同, 在50 cm和100 cm處由于雨前土壤含水量(W)較高(Wpre-50cm=32%,Wpre-100cm=24.7%), 降雨后反而抑制CO2的產(chǎn)生(圖6e, f)。深層土壤含水量一般高于表層, 降水導(dǎo)致的深層土壤含水量的進(jìn)一步升高, 降低了土壤通透性和土壤中O2的供應(yīng), 使得好氧微生物的活性受到抑制[36]; 其次, 水分過高還會(huì)阻礙土壤溶液中可溶性有機(jī)碳(DOC)的擴(kuò)散, 降低微生物可利用的DOC含量[37-38]。此外, 盡管表層土壤出現(xiàn)了CO2升高的激發(fā)效應(yīng), 但當(dāng)土壤含水量超過19%時(shí),激發(fā)效應(yīng)減弱。這可能與土壤孔隙逐漸被水分填充,土壤處于厭氧環(huán)境中, 微生物呼吸和根系代謝受到抑制有關(guān)[39-40]。

圖 5 不同深度土壤CO2濃度和土壤含水量的關(guān)系Fig.5 Relationship between soil CO2 concentration and soil moisture in different soil depths

圖 6 不同降水事件對(duì)對(duì)10 cm、50 cm和100 cm深土壤CO2擴(kuò)散系數(shù)的影響Fig.6 Effect of different precipitation events on soil CO2 diffusivities in 10 cm, 50 cm and 100 cm soil layers

大雨導(dǎo)致10 cm處CO2濃度升高還與CO2擴(kuò)散系數(shù)降低有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)降雨導(dǎo)致CO2擴(kuò)散系數(shù)降低4%～47% (圖6)。水分升高阻礙土壤氣體向大氣中擴(kuò)散, 從而使得擴(kuò)散系數(shù)降低[23]。但土壤CO2濃度并不總是隨著CO2擴(kuò)散系數(shù)的降低而升高, 大雨事件中100 cm處氣體擴(kuò)散系數(shù)和土壤CO2濃度均呈降低趨勢(shì)(圖6f)。除此之外, 半干旱地區(qū)土壤CO2溶解也會(huì)影響其濃度變化。研究地土壤中碳酸鹽含量為10.5%、pH值8.2[41], 這會(huì)顯著影響土體內(nèi)CO2氣體的溶解和固存[42]。Maier等[15]認(rèn)為入滲的雨水和大氣中濃度較低的CO2保持平衡, 進(jìn)入土壤后, 雨水會(huì)對(duì)土體內(nèi)部濃度較高的CO2有稀釋作用。而CO2溶解形成碳酸鹽溶液所需時(shí)間遠(yuǎn)低于形成碳酸鈣的時(shí)間這也可能是降雨事件中導(dǎo)致土壤CO2濃度降低的重要原因。

4 結(jié)論

在半干旱區(qū), 78%的降雨事件可以引發(fā)10 cm處CO2濃度變化, 降雨量為10～25 mm、＞25 mm的降雨事件分別導(dǎo)致50 cm和100 cm處土壤CO2濃度降低, 響應(yīng)時(shí)間各自滯后91 h、121 h。降雨對(duì)土壤CO2濃度的影響取決于土壤含水量狀況, 土壤由干變濕時(shí), 降雨可以對(duì)10 cm土壤CO2濃度產(chǎn)生正激發(fā)效應(yīng), 而在含水量較高的深層土壤, 則產(chǎn)生負(fù)激發(fā)效應(yīng)。

致謝:感謝陜西長(zhǎng)武農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站對(duì)本研究的支持。