巖溶區石漠化土壤CO2濃度和地表CO2通量研究

蒲 敏，孫玉川，，劉寧坤，劉九纏

（1.西南大學地理科學學院/巖溶環境重慶市重點實驗室，重慶 400715；2.中國地質科學院巖溶地質研究所/國土資源部廣西巖溶動力學重點實驗室，廣西 桂林 541004）

【研究意義】CO2是大氣中最重要的溫室氣體，并以每年0.5%的速率增長，對全球氣候變化影響重大。土壤動物、土壤微生物和植物根系的新陳代謝過程，土壤有機質氧化分解過程及碳酸鹽巖的礦化沉積過程等都會造成土壤CO2的產生，部分形成的土壤CO2通過土壤呼吸排放到大氣中，因而探測土壤作為CO2的源與匯是全球氣候變化研究的重點前沿課題。土壤是全球陸地系統中最巨大的碳庫載體，其貯存的碳總量為1 300～2 000 PgC，是全球陸地植被碳儲量（500～600 PgC）的2～3倍，也是大氣碳儲量（750 PgC）的2倍［1］，土壤碳庫在全球碳平衡中也具有重要作用。我國巖溶區占國土面積的1/3，而全球巖溶區的分布面積占陸地面積的15%，我國是世界上喀斯特覆蓋最廣、面積最大、類型最多的國家，巖溶面積高達344萬km2［2］。我國西南巖溶區是一個巨大的碳庫，在特定條件下土壤、植被、地質、地貌、氣候、水文共同作用下發育形成的獨特喀斯特生態環境，是我國甚至全球熱帶、亞熱帶喀斯特覆蓋面積最大、發育最強烈的地區。深入研究巖溶區土壤碳儲量及其變化，不僅能了解全球土壤碳儲量動態變化，還有助于探索全球碳匯未知之謎［3］?！厩叭搜芯窟M展】目前，我國對西南巖溶地區土壤CO2源與匯的研究區域主要集中在桂林盤龍洞、貴州貴陽、云南路南石林地區、重慶金佛山等。雖然關于巖溶地區土壤CO2濃度分布狀況、地表CO2通量時間、空間變化規律的研究很多，但涉及巖溶石漠化地區土壤CO2的濃度及通量時空變化規律的報道較少，且只有少數學者進行了小部分研究，未能對比較長時期與晝夜期間的變化，對不同空間部位進行原位檢測和動態跟蹤研究，對將我國巖溶區土壤CO2對全球氣候變化的影響量化顯然不夠?！颈狙芯壳腥朦c】特殊地質背景下，造就了喀斯特地區既脆弱又敏感的生態環境，全球氣候變化的核心問題之一是全球碳循環，巖溶作用對土壤

CO2濃度的調節受到國內外普遍關注［4］。土壤與大氣之間的碳通量對調節大氣CO2濃度具有重要意義，巖溶作用消耗土壤CO2對大氣碳庫起到重要的減源作用，對土壤CO2進行研究將有利于進一步揭示巖溶碳循環過程。研究喀斯特石漠化地區CO2氣體在全球大氣CO2的源與匯研究中具有重要作用，揭示喀斯特地區碳循環的機理、碳通量的差異，加強碳匯估算研究，了解土壤CO2在土壤-大氣界面的分布，可為我國增匯減排任務的順利完成提供科學依據［5］?！緮M解決的關鍵問題】作為陸地生態系統碳循環的重要環節之一，喀斯特地區在全球碳循環中影響巨大，喀斯特地區土壤碳收支及其對土壤溫度和土壤含水率的響應需要進一步深入研究。本文主要針對西南喀斯特石漠化典型地區重慶南川試驗區，通過對坡改梯區域與對照區非坡改梯區域兩者不同剖面深度的土壤CO2濃度及地表CO2通量進行12個月的動態跟蹤監測，分析土壤CO2濃度及地表CO2通量的分布狀況和變化規律，討論研究區土壤溫度、土壤含水率等環境因子對土壤CO2濃度的影響，為量化西南地區土壤CO2溫室氣體對全球氣候變化的影響作貢獻，為我國西南巖溶區石漠化治理工程碳匯通量科學估算和增匯途徑提供科技支撐，也為減少溫室氣體的排放進而緩解全球變暖提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于重慶市南川區南平鎮境內（圖1），距離市中心16 km，地處南川市西南邊緣，地形大體為東部低、西部高，兩邊多淺丘地貌，中部為“U”型河谷平緩地帶，大部分屬淺丘槽壩地貌，以山坡地塊為主，海拔為620～1 031 m。多年平均氣溫為16 ℃，多年平均降水量為1 360 mm，最小年降水量為826 mm，最大年降水量為1 528 mm。土壤主要類型為石灰土，發育不完全，土壤質地黏重細膩，膠體品質較差，礦物養分貧乏，且土壤酸瘦缺磷，為酸性土壤［6］。亞熱帶灌喬木為主要植物種類，覆蓋面積最廣，馬尾松（Pinus massoniana）、杉木（Cunninghamia lanceolate）、 柏 樹（Cupressus funebris）、 香 樟（Cinnamomum camphoraPresl） 等樹種為主要用材林，杜鵑（Rhododenndron simsiiPlanch）、馬桑（Coriaria nalensisWall）等樹種為主要灌木林，馬尾松、杉木、青楊（Populuscathayana Rehd）等樹種為主要人工造林，造林分布比較零星分散，未集中形成規模［7］。目前研究區的林地面積152.27 hm2，其中喬木林65.23 hm2、占林地面積的42.8%，灌木林20.25 hm2、占林地面積的13.3%，疏幼林79 hm2、占林地面積的43.9%。南川區目前植被覆蓋率為27.3%，森林植被覆蓋率為9.3%。地質構造屬新華夏構造體系，出露的地層為早三疊系嘉陵江組白云質灰巖（T1j）［8］。由于長期遭受不合理的土地利用，加上喀斯特地區脆弱的自然環境，巖溶區石漠化現象較為嚴重，林地呈斑塊狀分布。

圖1 研究區域位置及概況Fig.1 Location and general situation of research area

1.2 氣體采集與測定

1.2.1 土壤剖面CO2濃度監測 用自制的土壤CO2采集裝置，將L型PVC管埋設在坡改梯與非坡改梯地區的土壤剖面10、20、50 cm處，豎管為導氣管，導氣管頂端升至地面，其上為橡皮塞和玻璃棒，插有硅膠管，具有防止土壤氣體與大氣對流交換的作用；水平管為土壤氣體收集管，管上鉆有小孔，具有通氣作用。土壤氣體樣品統一采用帶三通閥的注射器采集，觀測周期為每月1次。

1.2.2 地表CO2釋放速率測定 CO2釋放速率的測定通常有堿液吸收法和靜態密閉氣室法，靜態密閉氣室法相對于堿液吸收法具有精度高、經濟可靠的優點［9］，還可以對土壤凈排放以及加上植物呼吸作用進行分析對比，CO2釋放速率采用靜態密閉氣室法。該方法使用的采樣箱（40 cm×40 cm×40 cm）用有機玻璃材料制成，箱底基座采用不銹鋼柜架。采集氣體樣品時，將采樣箱放入基座凹槽中，在凹槽中注水保證其密封性，采樣箱在使用時用保溫材料包裹以確保采樣時箱內溫度穩定。采樣箱內安裝有攪氣小風扇、溫度傳感器及采氣三通閥，氣體樣品采集用20 mL注射器。在20 min時間段內，每5 min采集1次氣體樣品。CO2通量計算公式為：

式中，F為t時CO2的排放通量（mg/m2·h），H為水面以上采樣箱高（m），M為被測氣體摩爾質量，Ta為空氣溫度（K），P為采樣點氣壓（105 Pa），為采樣時氣體濃度隨時間變化的直線斜率［10］。

CO2體積濃度與質量濃度之間的轉換公式為：

式中，Cm為待測氣體的質量濃度（mg/m3）；Cv為氣相色譜分析得到的體積濃度（10-6）；M為待測氣體的摩爾質量（g/mol）；P為采樣時刻箱內氣壓（kPa）；T為箱內溫度（K）［11］。

1.2.3 CO2氣體含量檢測 CO2氣體含量采用氣相色譜儀（Agilent 7890A，配有三閥四柱系統，TCD檢測器、FID檢測器、Ni63-μECD電子捕獲檢測器）檢測。CO2檢測條件為：色譜柱為Porapak-Q不銹鋼填充色譜柱；填充柱進樣口：50℃，閥：80℃；柱箱溫度：100℃；柱流量：40 mL/min；檢測器TCD：180℃。

1.3 環境因子測定

1.3.1 溫度測定 每次采集氣體樣品時用水銀溫度計測定空氣氣溫、地表溫度以及土下10、20、50 cm不同剖面的土壤溫度和采樣箱箱內溫度。地溫計用于測定地表及地下土壤溫度、水體溫度。同時采集安置的氣象站中氣象監測數據。此外，坡改梯與非坡改梯區內，樣地1～4為有草監測，樣地5～6為無草監測。

1.3.2 土壤采樣 每個樣地分層采集土壤樣品，實驗室稱鮮質量后采用烘干法，即先稱出土樣鮮質量，然后在 105℃條件下將土樣烘干24 h并稱出干質量，計算土壤含水率：

凍干機凍干后的土壤樣品，采用重烙酸鉀氧化-油浴加熱法測定土壤有機碳含量。

2 結果與分析

2.1 土壤CO2濃度監測結果

為分析坡改梯與非坡改梯地區研究點在不同季節月份、不同土壤深度的土壤CO2濃度變化規律及差異，將2017年各月份坡改梯與對照區非坡改梯地區的研究點在10、20、50 cm土層深度的CO2濃度檢測值進行比較分析（圖2、圖3），得出以下變化規律：（1）非坡改梯地區土壤CO2濃度總體比坡改梯地區大，非坡改梯為79 596.12 mg/m3，坡改梯為60 923.42 mg/m3，土層深度10、20 cm的CO2濃度非坡改梯均比坡改梯大，但在土壤深度50 cm處非坡改梯比坡改梯CO2濃度小。坡改梯與非坡改梯地區CO2濃度差異主要取決于人類對土地的不同利用方式和利用的程度。（2）坡改梯和非坡改梯地區土壤CO2濃度大多數隨著土壤深度增加呈下降趨勢，各土層深度中坡改梯地區濃度變化范圍為756.61～ 4 798.16 mg/m3，非坡改梯濃度變化范圍為695.32～7518.74 mg/m3。但在某些月份如坡改梯地區的5月份與非坡改梯的10月份其土壤CO2濃度變化呈現隨土壤深度增加CO2濃度減小的現象。不同月份不同深度土壤CO2濃度垂向梯度變化不明顯，可見，土壤深度對CO2濃度情況的影響較為復雜。（3）坡改梯地區土壤CO2濃度春夏高、秋冬低，濃度高峰出現在夏季尤其是6月份，最高值為9 594.06 mg/m3，1月份為最低值2 755.37 mg/m3。非坡改梯地區土壤CO2濃度夏秋高、冬春低，土壤CO2濃度在9月份最大、最高值為13 913.82 mg/m3，此外7、10月份也出現了接近濃度高值的次高峰，分別為10 162.41、10 135.42 mg/m3，1月份為最低值（2 321.68 mg/m3）。土壤CO2濃度受很多因素影響，如氣候條件、土壤理化性質及人類對土地的利用等，研究發現本項目區土壤CO2濃度與土壤溫度、土壤含水率和土壤有機碳含量密切相關。

圖2 坡改梯地區不同深度土壤CO2月濃度變化Fig.2 Monthly change of CO2 concentration at different depths soil in the terraced area

圖3 非坡改梯地區不同深度土壤CO2月濃度變化Fig.3 Monthly change of CO2 concentration at different depths soil in non-terraced area

2.2 地表CO2釋放通量監測結果

為量化研究區人類活動對石漠化造成的影響，本研究除比較坡改梯與對照區非坡改梯的地表CO2通量差異，還分別在坡改梯地區與非坡改梯地區選取具有代表性的有植被覆蓋和無植被覆蓋監測點，即進行有草情況和無草情況下地表CO2通量的對比分析（圖4、圖5），得出以下變化規律：（1）坡改梯地區有草覆蓋與無草覆蓋情況下的地表CO2通量相差較小，通量值相差約350.54 mg/m2·h，CO2釋放通量相近；非坡改梯地區無草覆蓋下地表CO2釋放通量高于有草覆蓋的監測點，通量值相差約602.38 mg/m2·h，地表CO2通量相差較大，與植被呼吸能減緩地表CO2通量釋放有關。（2）非坡改梯地區地表CO2釋放通量總體高于坡改梯地區，差值約為648.11 mg/m2·h。具體而言，有草情況下坡改梯地區地表CO2釋放通量較高，無草情況下非坡改梯地區地表CO2釋放通量高于坡改梯地區。說明研究區地表CO2通量不僅受人類活動影響，還受土壤CO2濃度制約。（3）一年中4～12月地表CO2釋放通量約為1～3月的6倍，坡改梯地區與非坡改梯地區監測數據均符合此規律。此外，坡改梯地區和非坡改梯地區的地表CO2釋放通量均具有明顯季節變化規律，夏季地表CO2釋放通量最高、秋季次之、春季略低于秋季、冬季地表CO2釋放通量最低，4個季節地表CO2通量動態變化趨勢一致。春季氣溫上升、日照漸長，植物萌芽并發育生長，植物根系活動和土壤微生物呼吸作用增強，土壤CO2釋放通量上升；夏季氣溫越來越高、太陽光充足、降水豐富，植物光合作用增強，生長發育旺盛，植物根系活動呼吸作用最強，土壤CO2釋放通量達到最高；秋季氣溫偶有回升，降水較多，加上枯枝落葉為土壤微生物提供養分，土壤微生物呼吸作用強，CO2釋放通量較高；冬季晝短夜長，日照漸短，氣溫下降，加之降水量減少，植物發育緩慢趨于停止生長，植物根系活動和土壤微生物呼吸作用也減弱，土壤CO2釋放通量在一年中最低（圖6）。

圖4 坡改梯地區有草覆蓋地表/無草覆蓋地表CO2排放通量（左為有草，右為無草）Fig.4 Surface CO2 emission fluxes in the terraced area with/without grass(left: with grass; right: without grass)

圖5 非坡改梯地區有草覆蓋/無草覆蓋地表CO2排放通量（左為有草，右為無草）Fig.5 Surface CO2 emission fluxes in non-terraced area with/without grass(left: with grass; right: without grass)

圖6 CO2排放通量與土壤溫度、含水率的相關分析Fig.6 Correlation analysis of CO2 emission flux and soil temperature and moisture content

3 討論

3.1 土壤CO2濃度研究

總體而言，非坡改梯地區土壤CO2濃度比坡改梯地區大，其主要取決于人類對土地的不同利用方式及程度，喀斯特石漠化地區生態環境脆弱［12］，人們對土壤的干擾程度嚴重影響土壤的碳匯能力，坡地改造為梯田的過程一定程度上改變了土壤結構，削弱了坡改梯地區土壤的碳匯能力，導致土壤中部分CO2排放到大氣中，最終坡改梯地區土壤CO2濃度變小。非坡改梯地區未受人類活動干擾，土壤碳匯能力較強，因而土壤中的CO2濃度較大。土壤有機碳主要分布于土壤上層1 m深度以內，本研究區土壤CO2濃度與土壤有機碳含量變化趨勢具有相關性，即在一定土壤深度范圍內，土壤CO2濃度與土壤有機碳含量隨深度的變化趨勢一致，兩者呈正相關［13］。坡改梯地區有機碳含量開始隨土壤深度增加而減小至土深20 cm附近，后隨土壤深度增加而增加，土壤CO2濃度變化趨勢與此一致。坡改梯地區表層土壤深度越深，受人類活動干擾程度越小，有機碳含量較高，上表層土壤中有機碳儲量多，可供土壤微生物分解的有機質多，導致土壤CO2不斷分解產生，因此坡改梯地區土壤深度50 cm的土壤CO2濃度較大。研究表明，喀斯特地區土壤有機碳含量隨著土層深度增加而降低，土壤CO2濃度隨土層深度的增加而增加，兩者呈現一定的負相關性［14］，非坡改梯地區土壤有機碳含量隨土壤深度增加而不斷下降，非坡改梯地區土壤CO2濃度隨土壤深度增加也不斷下降，土壤CO2濃度與土壤有機碳含量隨深度的變化趨勢呈正相關，與上述結論不符。本研究一年中各月份土壤CO2濃度絕大多數隨土層深度的增加而下降，僅少數情況下CO2濃度隨土壤深度增加而上升，如坡改梯地區5月份和非坡改梯地區10月份土壤CO2垂直濃度變化與土層深度呈正相關性，主要是因為喀斯特地區土層較薄，上表層土質疏松［15］，根呼吸和微生物呼吸產生的CO2很快通過氣體交換排放到大氣中，越靠近地表，向大氣排放的CO2越多，導致上層土壤CO2濃度較低。而土壤粘性隨著深度增加而增大，土壤孔隙中氣體交換受阻，加上部分土壤微生物和植物根系活動不斷消耗土壤中的氧氣，不斷釋放CO2在土壤深層積累，導致下層土壤CO2濃度較高。但研究區土壤CO2濃度主要受土壤有機碳制約，一方面，土壤溫度直接影響CO2垂直濃度變化，在一定范圍內土壤溫度升高，植物呼吸作用增強，微生物活動劇烈，土壤中含碳物質的分解迅速加快了CO2的產生，加上土壤中生物的呼吸作用也會加強，這些都促使土壤CO2濃度增加。另一方面，土壤含水率也會影響CO2不同深度的濃度變化，土壤含水量變化導致土壤中可溶性有機碳濃度、土壤通透性產生變化，同時水分對根系呼吸和土壤微生物呼吸也會產生影響。受土壤密度和含水率制約的土壤孔隙度控制著土壤CO2傳輸［16］，坡改梯地區受人類活動影響改變了土壤孔隙度和含水率，導致土壤CO2加速產生，受人類活動干擾，不注重表土的保留，倒置了表土和生土，土壤CO2濃度逐漸降低。土壤中CO2濃度和植物的生長狀況有密切關系，溫度是影響植物生長的關鍵因素，而土壤含水率起到重要的控制作用，在土壤不同生長階段，它們一起控制植物根系的呼吸及發育［17］。

3.2 地表CO2釋放通量研究

（1）非坡改梯地區地表CO2釋放通量比坡改梯地區更高，這主要與研究區土壤CO2濃度有關，即地表CO2釋放通量與土壤CO2濃度具有正相關關系。非坡改梯地區土壤中有機碳含量較高，有利于土壤CO2的形成，導致土壤中CO2濃度升高，促進土壤CO2加速排放。有植被覆蓋下坡改梯地區地表CO2釋放通量更高，說明人類活動通過直接活動或者間接活動改變了土壤理化性質而對土壤釋放CO2具有不同程度的貢獻，人為因素不僅改變了土壤孔隙度、土壤含水率［18］，還促使土壤有機碳分解加速、引起土壤釋放CO2增強。在無植被覆蓋下非坡改梯地區地表CO2釋放通量更高，說明地表CO2釋放不僅受人類活動影響，還覆蓋受土壤CO2濃度制約，非坡改梯地區土壤CO2濃度較高，導致地表CO2釋放通量更高。坡改梯地區無論在有草覆蓋還是無草情況下地表CO2釋放通量相差不大，而非坡改梯地區無草情況下地表CO2釋放通量更高，主要是因為植被呼吸作用吸收部分土壤CO2，從而緩解CO2釋放。

（2）不同季節月份和不同植被類型的土壤溫度和土壤含水率不同，土壤CO2排放通量也有差別［19］。不同植被覆蓋下土壤溫度和水分狀況存在顯著的季節變化，土壤CO2通量對溫度升高的適應往往導致夏季土壤CO2通量的溫度敏感性低于冬季，土壤CO2通量對全球變暖的反應也存在季節差異［20］。CO2排放通量與月平均土壤氣溫、土壤的含水率的相關性分析及顯著性檢驗結果表明：土壤CO2排放通量與土壤溫度呈顯著正相關關系，即土壤溫度升高可促進土壤中碳儲存的大量分解，CO2排放通量隨土壤溫度的升高而增加；土壤CO2排放通量與土壤含水率亦呈顯著正相關性，表明在一定含水率范圍內，土壤水分增加使土壤CO2呼吸增強，導致土壤CO2排放通量升高。在微生物的能量供應及體內循環、植物及微生物的生命活動過程、土壤空隙的通透性和氣體的擴散過程的調節和控制，都體現出土壤水分對土壤CO2通量的重要影響作用［21］。雨季期間連續的降水在短時間內迅速增加了土壤含水量，導致土壤中可溶性有機碳濃度、通透性產生變化。土壤在不同植物根系和不同微生物中，產生反應可能各不相同，因此土壤CO2排放速率在不同降水形式及大小強度的不同、降水時間長短等不同的情況下，產生影響不盡相同。降水發生之前，土壤CO2通量的日動態沒有明顯變化，隨著降水發生一段時間后，土壤CO2通量有明顯上升趨勢，一方面可能是降雨激活了土壤微生物的活性，增加了微生物的種群數量，進而增強了其分解活動，另一方面可能是降雨增強了根系的呼吸［22］，進一步說明了實驗結果。

4 結論

研究區不同植被類型下土壤CO2濃度為695.32～7 518.74 mg/m3，土壤有機碳含量是影響其濃度變化的主要原因，土壤溫度、土壤含水率是重要控制因素，因此，增加土壤碳儲存能力是減緩大氣CO2濃度增加的有效方法。土壤CO2排放通量隨季節明顯變化，在一定范圍內，土壤溫度及含水率都與CO2排放通量呈顯著正相關關系。在個別月份出現顯著變化表現為巨大的源與匯，主要是受到降水、土壤溫度及含水率及土壤微生物的共同影響。

研究區石漠化越來越嚴重的主要原因之一是人類對土地的不合理利用。全球溫室氣體CO2受人類活動尤其是土地利用方式改變的重要影響，喀斯特地區土壤不停產生并排放CO2，且排放數量不小，如果沒有良好的地面植被吸收轉化，那么排放出的大部分CO2很容易直接排放到大氣中，導致溫室效應加劇產生。因此，加大力度治理喀斯特地區石漠化，保護喀斯特地區的生態環境，減少巖溶區CO2等溫室氣體是緩解溫室效應的重要途徑之一。從某種意義上說國家的退耕還林還草政策實際上是一項緩解溫室效應強有力措施，認真落實這一政策將會減少土壤CO2排放，增加土壤對大氣CO2的吸收，從而有效緩解溫室效應。