泥沙沉積層次對(duì)有機(jī)碳礦化和CO2排放影響的模擬研究

張 輝, 栗現(xiàn)文, 宋 媛, 胡亞鮮,

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 楊凌 712100; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 4.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

土壤侵蝕是影響有機(jī)碳遷移和礦化的主要過(guò)程之一,但土壤侵蝕的碳源碳匯凈效應(yīng)仍存在較大爭(zhēng)議[1-2]。其中一個(gè)主要原因是目前研究多關(guān)注侵蝕區(qū)有機(jī)碳的遷移轉(zhuǎn)化,并未探明沉積區(qū)泥沙堆積對(duì)有機(jī)碳礦化的影響[3]。黃土高原作為土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)之一[4],侵蝕—沉積過(guò)程劇烈地影響著區(qū)域碳循環(huán)。尤其考慮到黃土高原地區(qū)存在大量沉積區(qū)(如溝道、淤地壩等),攔蓄淤積了大量泥沙[5-6],年平均碳累積量為1～30 Mg/km2[7],形成了一個(gè)巨大的土壤有機(jī)碳庫(kù)[8]。因此,明確沉積區(qū)有機(jī)碳穩(wěn)定性對(duì)定量評(píng)估區(qū)域碳源碳匯功能具有重大意義。

現(xiàn)有研究多因沉積泥沙細(xì)密質(zhì)地及掩埋作用而將沉積區(qū)視為碳匯[9-10],但事實(shí)上,在反復(fù)的侵蝕沉積事件中,徑流泥沙不斷攜帶新鮮有機(jī)碳在沉積區(qū)匯聚[11]。而沉積掩埋不僅影響了沉積土層剖面粒級(jí)組成和孔隙結(jié)構(gòu)[12],也決定了微生物氧氣供應(yīng)和有機(jī)碳分解條件[13]。如,Blume等[14]結(jié)合14C測(cè)年方法發(fā)現(xiàn)地表排放的CO2中90%來(lái)自于地表22.5 cm范圍內(nèi);而Wiaux等[15]則發(fā)現(xiàn),雖然坡腳沉積區(qū)有機(jī)碳富集,但表層細(xì)顆粒沉積顯著降低土壤孔隙度,制約深層土壤氧氣含量,并限制CO2擴(kuò)散效率,致使表層10 cm對(duì)表觀CO2的貢獻(xiàn)超過(guò)90%,而更深層次土壤對(duì)整體CO2通量貢獻(xiàn)非常有限。尤其在反復(fù)侵蝕沉積過(guò)程中,根據(jù)降雨事件大小以及泥沙顆粒的遷移沉降特征,泥沙有機(jī)碳可在沉積區(qū)淺表層形成多個(gè)不同的掩埋層次[16],生理化特性與天然成土剖面截然不同[17]。因此泥沙有機(jī)碳在不同層次的礦化特征、CO2傳輸效率以及對(duì)表觀CO2的貢獻(xiàn)等機(jī)理亟待研究。

本研究通過(guò)土柱回填控制性試驗(yàn),模擬沉積土層,對(duì)比分析不同葡萄糖溶液添加位置和濃度對(duì)土柱表觀CO2釋放速率的影響,解析不同有機(jī)碳來(lái)源對(duì)表觀CO2的貢獻(xiàn),進(jìn)而探討不同掩埋層位對(duì)外源碳礦化和CO2排放的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與樣品采集

本研究土壤采自于陜西省咸陽(yáng)市長(zhǎng)武縣王東溝小流域(35°13′—35°16′N(xiāo),107°40′—107°42′E),屬于黃土高原南部典型的高塬溝壑區(qū)。流域內(nèi)主要地貌類(lèi)型分為塬面、溝坡和溝道3種,分別占流域面積的26.5%,41.0%和32.6%[18]。降水主要集中在7—9月(占年總量的60%左右),多暴雨。剖面土層深厚,土質(zhì)較為疏松,雨季常造成強(qiáng)烈的水土流失,侵蝕速率達(dá)6 000～10 000 t/(km2·a),造成大量泥沙在溝道沉積[19]。土壤采集于易遭受土壤侵蝕的農(nóng)田表層(0—20 cm),土壤類(lèi)型為黏壤質(zhì)黑壚土,有機(jī)碳含量6.50 g/kg,全氮含量0.62 g/kg,土壤黏粒含量(< 0.002 mm)14%,飽和含水量46%,土壤凋萎含水量 9.0%,pH 8.4。人工剔除所有可見(jiàn)植物根系等雜物,自然風(fēng)干,并過(guò)0.5 mm篩,模擬沉積土細(xì)密質(zhì)地。

1.2 土柱模擬控制性試驗(yàn)

黃土高原地區(qū)經(jīng)過(guò)良好的治理,單次降雨在沉積區(qū)(如淤地壩)沉積的土層厚度已由1960年代高達(dá)50 cm降至平均2—5 cm左右[20-21]。據(jù)此本試驗(yàn)設(shè)置了3種13C葡萄糖添加層位:土柱上部2 cm、中部5 cm與底部9 cm;和3種13C葡萄糖添加濃度[22]:200%微生物量C,100%微生物量C,50%微生物量C;另設(shè)有不添加葡萄糖的對(duì)照組。每種處理各設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

對(duì)于沉積區(qū)而言,其深層有機(jī)碳因?yàn)檠诼裥?yīng)而被封存,但是沉積區(qū)表層因?yàn)榉磸?fù)匯水匯沙從而一直處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中,因此表層才是碳排放的主要來(lái)源。參照Wiaux等[15]得出的沉積區(qū)有效碳排放深度,我們將風(fēng)干篩分后的土壤樣品分層潤(rùn)濕回填至容量為1 L的丁基鋰瓶中(直徑為10 cm),形成12 cm高土柱,以模擬有機(jī)碳礦化最活躍且對(duì)地表CO2貢獻(xiàn)最大的淺表土層[14-15]。回填過(guò)程中,為了更好地控制含水率并保證葡萄糖添加均勻,葡萄糖均以溶液的形式進(jìn)行添加,并潤(rùn)濕至20%含水量[12](參考雨季淤地壩表層土壤平均含水率)。同時(shí),為了保證各土柱容重的一致性,將總量相同的土均分為16份依次分層回填到土柱中,且每回填一層,量取一次土柱高度,保證各土柱回填高度一致,以此來(lái)保證各土柱容重的一致性(圖1)。土柱回填完成后,置于20℃條件下的恒溫恒濕培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)(HWS-150,普朗特,中國(guó))。培養(yǎng)期間,于每天9:00—10:00,15:00—16:00,21:00—22:00三個(gè)時(shí)間段,使用CO2/H2O分析儀(LI-850,Licor,美國(guó))測(cè)量并計(jì)算排放速率。隨后,將土柱繼續(xù)密閉1 h,抽取土柱頂空氣體樣本,并通過(guò)二氧化碳同位素分析儀(PICARROG2131-i)分析CO2中的13C含量。培養(yǎng)十天后,CO2排放已經(jīng)完全穩(wěn)定,同時(shí)排放CO2中13C相對(duì)豐度也降低至大氣CO2水平,說(shuō)明不同掩埋層位對(duì)碳排放的影響在10 d后已經(jīng)不明顯了。培養(yǎng)結(jié)束后,對(duì)不同的處理進(jìn)行破壞性取樣,測(cè)定培養(yǎng)后的土壤中13C余量。整個(gè)培養(yǎng)試驗(yàn)期間,每晚根據(jù)重量差值進(jìn)行補(bǔ)水,保持土柱含水率一致。

圖1 土柱模擬控制性試驗(yàn)設(shè)計(jì)圖Fig. 1 Soil column simulation control experiment design.

1.3 土壤呼吸與激發(fā)效應(yīng)計(jì)算

(1) CO2排放速率。向土壤中加入葡萄糖后,土壤中二氧化碳釋放速率(mg CO2-C·h)的計(jì)算公式如下:

(1)

式中:F為二氧化碳排放速率(mg CO2-C/h);M:二氧化碳的分子質(zhì)量;C1,C2表示小時(shí)內(nèi)測(cè)得的空氣中二氧化碳初始體積分?jǐn)?shù)與最終體積分?jǐn)?shù);V頂表示培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)的頂部留空空間體積(m3);W表示二氧化碳中碳的相對(duì)分子質(zhì)量(%)。

土壤碳累積礦化量(mg CO2-C/g)通過(guò)以下公式計(jì)算:

(2)

(2) 土壤排放的總CO2中來(lái)自添加葡萄糖以及原土有機(jī)碳的比例分別由以下公式計(jì)算得出[23]:

來(lái)自外源添加有機(jī)碳的CO2釋放比例(fadd):

(3)

式中:13C-CO2,add和13C-CO2,control分別代表添加和未添加葡萄糖的丁基鋰瓶所釋放CO2中13C相對(duì)豐度;13Cadd和13Csoil分別為外源碳和原土的13C相對(duì)豐度。

而來(lái)自原土有機(jī)碳的CO2釋放比例(f)為:

f=1-fadd

(4)

(3) 培養(yǎng)結(jié)束后,葡萄糖添加對(duì)原土有機(jī)碳礦化的相對(duì)激發(fā)效應(yīng)采用下式計(jì)算[23]:

(5)

式中:FTotal為添加葡萄糖處理的總CO2排放速率;FRSC為葡萄糖來(lái)源的CO2排放速率;FSOCCON為對(duì)照組不添加葡萄糖的CO2排放速率。

土壤累積激發(fā)效應(yīng)則由下式計(jì)算得出:

(6)

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel2018和SPSS25軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,利用Origin2021軟件作圖,圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,采用LSD檢驗(yàn)比較各處理之間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同葡萄糖添加濃度與添加層位下的土壤CO2排放

與未添加葡萄糖的土柱相比,葡萄糖添加可提高土壤CO2排放速率,且均在第二天達(dá)到峰值(圖2)。不同葡萄糖添加濃度主要影響CO2日排放速率的峰值大小,且添加葡萄糖濃度越低,CO2日排放速率的峰值越高。低、中、高3個(gè)濃度下CO2排放速率最大值分別為:530.7,494.2,429.4 μg CO2-C/h(圖2)。隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng),各處理CO2日排放速率逐漸下降,并在7 d后趨于平穩(wěn),均在108.0～128.4 μg CO2-C/h之間變化(圖2)。低、中、高3種葡萄糖添加濃度的土柱在培養(yǎng)期間CO2總排放量為:86.8～95.3,81.5～86.9,80.3～81.3 μg CO2-C/g。相對(duì)于未添加葡萄糖處理的CO2總排放量79.6 μg CO2-C/g,低濃度葡萄糖添加顯著增加了CO2總排放量(p< 0.05),而高濃度葡萄糖添加的CO2總排放量則沒(méi)有顯著差異(圖2A,2C)。就不同添加層位而言,隨著添加濃度的升高,各添加層位之間、不同添加層位與對(duì)照組之間的差異明顯削弱。低、中、高濃度下,不同層位之間的CO2總排放量最大差值分別為:8.4,5.4,1.0 μg CO2-C/g;各層位與對(duì)照組之間則分別為:15. 6,7.2,1.6 μg CO2-C/g。另一方面,添加濃度的升高也明顯增強(qiáng)了底部位置的二氧化碳排放。低濃度葡萄糖下,培養(yǎng)期間CO2總排放量頂部>中部>底部,而中高濃度下則表現(xiàn)為底部最大(圖2)。

注:平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,n=3,下同;不同大寫(xiě)字母表示葡萄糖添加處理和對(duì)照組累積礦化釋放的CO2量在p< 0.05水平下存在顯著差異。圖2 不同濃度和層位葡萄糖添加后表觀CO2釋放速率的時(shí)間變化特征Fig. 2 Temporal variation of apparent CO2 release rate after glucose addition at different concentrations and horizons

2.2 不同葡萄糖添加濃度與添加層位下的表觀氣體δ13C

不同葡萄糖添加濃度對(duì)表觀氣體13C相對(duì)豐度影響明顯,各濃度均在第1天便出現(xiàn)峰值,且添加濃度越高,13C相對(duì)豐度峰值越大(圖3)。具體而言,添加高濃度的葡萄糖后,土柱表觀氣體13C相對(duì)豐度峰值為3176.1‰,約為添加低濃度葡萄糖的8倍、和添加中濃度葡萄糖的2倍(圖3A,3C)。不同添加層位不僅影響峰值大小,也決定峰值出現(xiàn)時(shí)間。具體而言,如高添加濃度下,頂、中、底部的13C相對(duì)豐度峰值分別為3176.1‰,802.1‰,和645.5‰(圖3C)。頂部與中部13C相對(duì)豐度往往在第1天就達(dá)到峰值,而底部峰值多在第2天才出現(xiàn)。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng),不同添加位置的13C相對(duì)豐度逐漸降低,且頂部降低速率顯著大于中部和底部,致使培養(yǎng)后期3個(gè)添加層位的13C相對(duì)豐度均表現(xiàn)為:底部>中部>頂部(圖3)。

注:低、中、高表示3種葡萄糖添加濃度,下同;圖中虛線(xiàn)為對(duì)照組排放CO2中13C相對(duì)豐度,與試驗(yàn)地空氣13C相對(duì)豐度相似,穩(wěn)定在-17‰左右。圖3 不同濃度和層位葡萄糖添加后表觀CO2中δ13C的時(shí)間變化特征Fig. 3 Temporal variation characteristics of δ13C in apparent CO2 after glucose addition at different concentrations and horizons

2.3 不同葡萄糖添加濃度與添加層位下培養(yǎng)前后的土壤δ13C

低、中、高3種添加濃度下,向不同層位添加等量的葡萄糖后,培養(yǎng)前后土壤δ13C的相對(duì)差值比例也不一樣。具體而言,添加葡萄糖濃度越高,培養(yǎng)前后土壤13C相對(duì)豐度的相對(duì)差別越大:低、中、高濃度下,培養(yǎng)前后土壤δ13C相對(duì)差別平均為:51.6%,63.9%,72.4%(圖4)。另一方面,就不同添加層位而言,隨著添加濃度的升高,雖然培養(yǎng)前后土壤δ13C相對(duì)差別變大,但各添加層位的相對(duì)差別反而趨于一致:低添加濃度下,頂、中、底部各層位的相對(duì)差別分別為38.6%,65.1%,50.9%,存在顯著性差異(p< 0.05);而高添加濃度下則分別為73.5%,70.9%,72.7%,趨于一致(圖4)。且低、中濃度下培養(yǎng)前后土壤δ13C相對(duì)差別往往表現(xiàn)為頂部位置小于中部和底部。

圖4 不同濃度和層位葡萄糖添加培養(yǎng)前后土壤中δ13C的變化Fig. 4 Changes of δ13C in soil before and after incubation with glucose addition at different concentrations and horizons

2.4 葡萄糖來(lái)源和原土來(lái)源有機(jī)碳對(duì)表觀CO2的貢獻(xiàn)分析

葡萄糖來(lái)源和原土來(lái)源有機(jī)碳排放的CO2均在培養(yǎng)第二天達(dá)到峰值,隨后降低并逐漸穩(wěn)定(圖5)。添加高濃度葡萄糖后,原土有機(jī)碳來(lái)源的CO2達(dá)到峰值時(shí)間較晚,且隨后并未明顯下降而是趨于穩(wěn)定(圖5F)。添加葡萄糖濃度越高,葡萄糖來(lái)源的有機(jī)碳對(duì)表觀CO2的貢獻(xiàn)越大,也即原土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)越小(圖6)。具體而言,低、中、高3種葡萄糖添加濃度下,總CO2排放量中分別有14.1%～14.8%,28.9%～34.5%,46.7%～60.3%是來(lái)自于葡萄糖的分解。添加高濃度的葡萄糖后,葡萄糖來(lái)源的 CO2排放量約是低添加濃度下的3～4倍(圖6A,6C)。與此同時(shí),與未添加葡萄糖的土柱相比,低、中、高添加濃度下,原土有機(jī)碳量分別減少:3.77% ,36.07%和56.63%(圖6)。就不同添加層位而言,添加葡萄糖濃度越高,土柱表觀CO2的葡萄糖有機(jī)碳來(lái)源比例在3個(gè)添加層位間差異越明顯(圖6):高濃度葡萄糖下頂、中、低部葡萄糖有機(jī)碳來(lái)源比例分別為:46.7%,56.4%,60.3%,存在顯著性差異(p<0.05);而低濃度下則分別為:14.1%,14.8%,14.8%(圖6A,6C)。

圖5 不同濃度和層位葡萄糖添加表觀CO2中葡萄糖來(lái)源與原土有機(jī)碳(SOC)來(lái)源的日排放量變化Fig. 5 Changes of daily emissions from glucose sources and soil organic carbon (SOC) sources in apparent CO2 with glucose addition at different concentrations and horizons

注:不同大寫(xiě)字母表示葡萄糖添加處理和對(duì)照組原土有機(jī)碳礦化釋放的累積CO2量在p< 0.05水平下存在顯著差異;不同小寫(xiě)字母表示葡萄糖添加處理和對(duì)照組葡萄糖礦化釋放的累積CO2量在p< 0.05水平下存在顯著差異。圖6 不同濃度和層位葡萄糖添加對(duì)表觀CO2有機(jī)碳來(lái)源的貢獻(xiàn)Fig. 6 Contribution of glucose additions at different concentrations and horizons to apparent CO2 organic carbon sources

2.5 激發(fā)效應(yīng)

葡萄糖的添加對(duì)原土有機(jī)碳的礦化產(chǎn)生了明顯的激發(fā)效應(yīng),但不同添加濃度與添加層位下的激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度和凈效應(yīng)不同。培養(yǎng)初期,所有處理均呈現(xiàn)負(fù)激發(fā)效應(yīng),不同處理基本在第一天負(fù)激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度就達(dá)到最大值,隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)(第2天至第5天),負(fù)激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度迅速下降,而后逐漸穩(wěn)定(圖7A,7B,7C)。然而,添加低濃度的葡萄糖后,對(duì)原土有機(jī)碳的激發(fā)效應(yīng),由前期的負(fù)激發(fā)(抑制原土有機(jī)碳分解)轉(zhuǎn)為正激發(fā)(促進(jìn)原土有機(jī)碳分解),且添加位置越靠近土壤表面,正激發(fā)效應(yīng)越早,強(qiáng)度也越大(圖7A)。添加中、高濃度的葡萄糖后,對(duì)原土有機(jī)碳礦化的累積負(fù)激發(fā)效應(yīng)隨培養(yǎng)時(shí)間增加一直增強(qiáng),最大強(qiáng)度可達(dá)-217%和-478%,且高濃度下的累積增強(qiáng)速度顯著大于中濃度(圖7F)。

注:不同大寫(xiě)字母表示同一濃度下不同層位累積激發(fā)效應(yīng)在p< 0.05水平下存在顯著差異。圖7 不同濃度和層位葡萄糖添加對(duì)原土有機(jī)碳的激發(fā)效應(yīng)的時(shí)間變化特征Fig. 7 Time variation characteristics of the priming effect at different concentrations and horizons of glucose on soil organic carbon

就不同層位而言,添加高濃度葡萄糖后,原土有機(jī)碳的累積負(fù)激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度表現(xiàn)為底部>中部>頂部,而添加中濃度葡萄糖后,強(qiáng)度趨勢(shì)則恰好相反(圖7E,7F)。低添加濃度下,各添加層位累積負(fù)激發(fā)效應(yīng)隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸下降。其中中部和頂部添加葡萄糖的土柱,其原土有機(jī)碳礦化的累積激發(fā)效應(yīng)在第5天轉(zhuǎn)為正激發(fā)效應(yīng),最終累積激發(fā)強(qiáng)度分別為25.3%和46.7%,而底部累積激發(fā)強(qiáng)度仍為負(fù)數(shù),為-24.6%(圖7D)。

3 討 論

本研究中,不同葡萄糖添加濃度下,各添加層位的外源有機(jī)碳礦化程度不同。低濃度葡萄糖添加處理下,頂、中、底3個(gè)添加層位中葡萄糖的礦化程度分別為38.6%,65.1%,50.9%,存在顯著性差異(圖4);而隨著葡萄糖添加濃度的升高,各層位間的葡萄糖礦化程度趨于一致(圖4)。黃雙雙等[24]通過(guò)向農(nóng)田表層和深層土壤添加等量的葡萄糖并經(jīng)過(guò)培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn),上層表現(xiàn)為正激發(fā),而下層卻為負(fù)激發(fā),并認(rèn)為“底物優(yōu)先利用”和“微生物共代謝”等多種激發(fā)機(jī)制可能同時(shí)起作用[25-26]。本試驗(yàn)在培養(yǎng)過(guò)程中,低濃度葡萄糖添加處理下的CO2釋放速率峰值主要來(lái)自原土有機(jī)碳的礦化,且越靠近土壤表層,原土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)比例越大,激發(fā)效應(yīng)也更偏向于正激發(fā)(圖5D,圖7D)。這可能是因?yàn)樵诒韺油寥乐?一方面,葡萄糖快速大量消耗后(圖5A,5D),剩余養(yǎng)分不足以滿(mǎn)足微生物生長(zhǎng)需求,迫使其轉(zhuǎn)而利用原土有機(jī)碳[27-28],另一方面,微生物利用外源葡萄糖迅速增殖和生長(zhǎng),同時(shí)也加快了土壤原有機(jī)質(zhì)的分解,即發(fā)生了微生物的共代謝作用[26],從而產(chǎn)生正激發(fā)效應(yīng)(圖7D);在下層土壤中,微生物可能更多地受到氧氣條件的限制,在培養(yǎng)前期傾向于大量利用外源葡萄糖,雖然葡萄糖快速大量消耗后,底部位置激發(fā)效應(yīng)也轉(zhuǎn)向正激發(fā),但是最終累積激發(fā)效應(yīng)表現(xiàn)為負(fù)激發(fā)(圖7A,7D),導(dǎo)致低濃度處理下底部位置的外源有機(jī)碳礦化程度大于頂部。而高濃度葡萄糖添加處理下的CO2釋放速率峰值則主要取決于葡萄糖自身的分解,整個(gè)培養(yǎng)期間激發(fā)效應(yīng)一直為負(fù)激發(fā)(圖5C,圖7F)。根據(jù)底物優(yōu)先利用假說(shuō),微生物會(huì)優(yōu)先利用易分解的外源添加葡萄糖[25],這表明在外源葡萄糖充足的情況下,各層位均以外源葡萄糖為主要礦化來(lái)源,各層位間的葡萄糖礦化程度反而趨于一致。

本研究中,在頂、中、底添加層位處理下,CO2釋放速率、CO2的δ13C也表現(xiàn)出顯著差異(圖2,圖3)。具體而言,頂部添加葡萄糖后,土表CO2中δ13C在第一天達(dá)到峰值,且峰值極高,是當(dāng)天中部添加位置CO2中13C相對(duì)豐度的的2～4倍,是底部添加位置的4～8倍(圖3)。這是因?yàn)轫敳课恢醚鯕獬渥?葡萄糖礦化分解效率極高,且CO2擴(kuò)散通暢,這也就意味著沉積區(qū)淺層富集的易分解有機(jī)碳碳排放潛力大,可產(chǎn)生較強(qiáng)的碳源效應(yīng)。而土柱底部添加葡萄糖處理下的土表CO2中δ13C均在第2天才達(dá)到峰值,存在明顯的滯后性(圖3),這可能是因?yàn)橄啾软敳课恢?底部氧氣有效性偏低,且所產(chǎn)生的CO2須經(jīng)過(guò)相對(duì)較長(zhǎng)的傳輸路徑才可從土表排出[29]。這不僅說(shuō)明沉積層位和掩埋深度可通過(guò)氧氣有效性和CO2擴(kuò)散路徑與效率,影響葡萄糖分解和CO2排放,也從過(guò)程模擬角度證實(shí)了沉積掩埋對(duì)有機(jī)碳的封存效應(yīng),且淺表層12 cm的沉積深度已然可以發(fā)揮很好的掩埋封存作用。這與Wiaux等[15]所報(bào)道的觀察到的沉積剖面CO2濃度和通量結(jié)果一致,沉積區(qū)表層10 cm對(duì)表觀CO2的貢獻(xiàn)超過(guò)90%。王震等[17]對(duì)8 m深的淤地壩不同土層進(jìn)行培養(yǎng)后也發(fā)現(xiàn),埋藏條件下有機(jī)碳分解速率僅為有氧條件下的11.4%。沉積區(qū)土壤質(zhì)地和易分解有機(jī)碳富集層位與傳統(tǒng)非侵蝕沉積環(huán)境下存在顯著差異,其細(xì)密的土壤質(zhì)地和孔隙結(jié)構(gòu)改變了氣體在剖面垂向分布規(guī)律,同時(shí)影響剖面不同土層氧氣有效性和微生物活性[13]。或可大幅增加深層CO2濃度富集,而同時(shí)提高表層CO2通量,將土表CO2有效貢獻(xiàn)深度由傳統(tǒng)土層的22 cm[14]提升至10 cm[15]。

然而,CO2釋放速率、δ13C和土壤留存δ13C在頂、中、低3個(gè)添加層位之間的差異卻隨著總葡萄糖濃度的升高而減弱(圖2,圖3和圖4),這可能是因?yàn)榈蜐舛绕咸烟翘砑酉?CO2濃度梯度相對(duì)較低,擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力較弱[29-30],更加凸顯了層位間的傳輸路徑差異對(duì)表層CO2貢獻(xiàn)的影響;而高濃度添加下各添加層位的葡萄糖來(lái)源CO2濃度均較高(圖6C),氣體擴(kuò)散壓力較大,傳輸效率普遍較高,反而削弱了各添加層位間的傳輸效率差異[31]。

需要指出的是,本研究?jī)H模擬均質(zhì)沉積土層條件下,不同掩埋層位對(duì)外源輸入有機(jī)碳礦化的影響,并未考慮泥沙旋回沉積條件下,非均質(zhì)土層結(jié)構(gòu)和孔隙特性對(duì)有機(jī)碳礦化和氣體傳輸效率的影響。此外,黃土高原季節(jié)性溫濕度變化也可改變沉積土層充氣孔隙度,充水孔隙度等氣體擴(kuò)散條件,從而影響不同沉積層位的氧氣含量和CO2傳輸路徑,這些均需要在未來(lái)研究中進(jìn)行系統(tǒng)分析。

4 結(jié) 論

(1) 掩埋層位可顯著影響外源有機(jī)碳的分解,但與葡萄糖添加濃度密切相關(guān)。低濃度處理下,各層位外源添加葡萄糖的礦化程度在38.6%～65.1%之間;而隨著葡萄糖添加濃度的升高,層位間的礦化差異逐漸縮小,至高濃度時(shí),各層位礦化程度范圍為70.9%～73.5%。

(2) 掩埋層位可顯著影響CO2的排放。添加葡萄糖后,頂部層位表觀CO2中δ13C峰值最大、出現(xiàn)最早,而添加葡萄糖位置越靠近底部,則峰值越小,時(shí)間滯后。且添加層位對(duì)CO2傳輸和排放的影響主要在低濃度葡萄糖添加處理時(shí)比較明顯,高濃度時(shí)各層位CO2排放量趨于一致。