劉合滿,曹麗花,李江榮,楊 紅

1 信陽農(nóng)林學(xué)院, 信陽 4640002 西藏農(nóng)牧學(xué)院高原生態(tài)研究所, 林芝 8600003 西藏高原森林生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 林芝 8600004 西藏農(nóng)牧學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院, 林芝 860000

土壤CO2排放是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的一個(gè)重要途徑,在大氣CO2濃度增加方面起著不可忽視的作用。有估計(jì)全球陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2排放量達(dá)到77×1015g C/a[1],是化石燃料排放的10倍以上。土壤CO2主要來自于土體內(nèi)植物根系、土壤微生物、動(dòng)物等生物呼吸和有機(jī)碳氧化分解的非生物學(xué)過程,所產(chǎn)生的CO2通過土壤孔隙傳導(dǎo)至土壤表面最終釋放到大氣中。這一過程受土壤微生物、植物根系等生物及土壤溫度、含水量、土壤孔隙狀況等非生物因素[2- 3]的綜合影響。土壤孔隙是水和空氣貯存的場(chǎng)所,又是土體內(nèi)部空氣交換與傳輸?shù)闹匾ǖ?故土壤孔隙狀況和水分含量將直接影響CO2的產(chǎn)生和在土壤中的擴(kuò)散[4],尤其是降雨過程可快速改變表層土壤含水量、溫度及土壤氣體擴(kuò)散速率,并可能對(duì)土壤呼吸CO2產(chǎn)生激發(fā)或抑制效應(yīng),在生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)對(duì)氣候變化的瞬態(tài)響應(yīng)中發(fā)揮著重要作用[5]。如Liu等[6]研究表明,土壤水分條件良好的森林,降雨引起的干濕交替可使土壤呼吸速率顯著降低,CO2濃度下降,這可能是由于降雨在土壤孔隙中的快速替代作用,阻礙了氧氣向土壤中的擴(kuò)散,從而抑制了微生物的呼吸作用。在降雨量小的干旱鹽生荒漠植被群落區(qū),土壤CO2釋放量與總降雨量之間極顯著正相關(guān),降雨引起土壤CO2脈沖式增加,水分成為土壤CO2通量的主要限制因子[7- 8]。在土壤含水量較低時(shí),小的降雨事件即能引起土壤CO2通量的顯著增加[9]。然而,降雨對(duì)土壤CO2代謝的影響具有較大的不確定性,這將不利于我們對(duì)土壤呼吸時(shí)空變化機(jī)制的理解,和對(duì)碳通量的準(zhǔn)確估算[10- 11]。

森林是西藏東南部一類重要的陸地生態(tài)系統(tǒng),具有受人為擾動(dòng)小、植被生物量大、地表土壤有機(jī)質(zhì)含量高等特點(diǎn),從而成為研究自然生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)的一個(gè)天然實(shí)驗(yàn)室。而目前圍繞藏東南森林生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳循環(huán)的研究,主要集中在土壤有機(jī)碳含量[12]、土壤呼吸CO2排放特征[13]等方面,對(duì)于短時(shí)降雨事件對(duì)不同層次土壤CO2濃度影響的研究尚未見報(bào)道,且目前常用土壤呼吸測(cè)定系統(tǒng)受呼吸罩的影響,呼吸環(huán)內(nèi)無法接受降雨,從而不利于進(jìn)行降雨對(duì)土壤CO2排放的影響評(píng)價(jià)。降雨事件是西藏東南部森林生態(tài)區(qū)經(jīng)常發(fā)生的天氣事件,科學(xué)闡明短時(shí)降雨對(duì)不同層次土壤CO2濃度的影響,有利于揭示土壤呼吸CO2排放的時(shí)間異質(zhì)性及對(duì)土壤含水量響應(yīng)的機(jī)制。本研究以西藏東南部色季拉山急尖長(zhǎng)苞冷杉林為研究對(duì)象,采用不同層次CO2測(cè)量系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)CO2濃度,分析降雨和降雨停止后的水分再分布階段,不同層次土壤CO2濃度的變化特征,以期為西藏高原森林生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2濃度變化對(duì)短時(shí)降雨的響應(yīng)預(yù)測(cè)提供科學(xué)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

色季拉山(93°12′—95°35′E,29°10′—30°15′N)屬念青唐古拉山脈,位于西藏東南部林芝市境內(nèi),地處雅魯藏布江中下游,是尼洋河流域與帕隆藏布江的分水嶺。山體土壤與植被垂直分布規(guī)律,急尖長(zhǎng)苞冷杉(Abiesgeorgeivar. smithii)、林芝云杉(Picealikiangensisvar. linzhiensis)、高山櫟(QuercussemicarpifoliaSmith)等森林植被分布廣泛。土壤以山地酸性棕壤、山地棕壤分布最多。氣候?qū)儆诎霛駶?rùn)與濕潤(rùn)區(qū)過渡地帶,山體氣候條件差異較大,年均溫由海拔3326 m的5.07℃到東坡林線(海拔4390 m)區(qū)的0.26℃,最冷月(1月)氣溫分別為-3.51℃和-7.89℃[14- 15]。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究選擇西藏東南部色季拉山急尖長(zhǎng)苞冷杉林為研究對(duì)象,在位于94°42′56″ E,29°39′1″ N的區(qū)域,選擇林窗位置,去除表層苔蘚層和枯落物堆積層。于2018年7月19日,挖開一個(gè)0—70 cm層次的土壤剖面,在挖剖面時(shí)盡可能減少對(duì)被測(cè)面土壤的擾動(dòng),將各測(cè)定探頭分別平行插入各測(cè)定深度(5,10,20,40 cm和60 cm),同一層次上,TDR探頭與CO2采氣矛水平相距5 cm左右。埋設(shè)好探頭后,將挖出的土壤重新填回,使其自然沉實(shí)。然后開啟儀器,設(shè)置測(cè)定時(shí)間步長(zhǎng)為30 min。為減少插入傳感器對(duì)土壤的擾動(dòng)而影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度,在插入傳感器3 d后正式開始采集數(shù)據(jù)。土壤剖面CO2濃度采用Envidata-SC土壤剖面CO2梯度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定。CO2濃度測(cè)量采用芬蘭Vaisala公司生產(chǎn)的Carbocap CO2傳感器,測(cè)量范圍為0—10000 μmol/mol,精度±1.5%。TDR土壤水分、溫度傳感器為Trime-Pico32型,土壤水分(體積含水量,即土體中水的體積與土壤總體積之比)測(cè)定范圍為0—100%,精度為±1.0%,溫度測(cè)定范圍-15—50℃,測(cè)量精度為±0.2℃。為研究自然降雨對(duì)不同層次土壤CO2的影響,根據(jù)表層5 cm層次土壤含水量變化情況,選擇8月10日4:00—8月11日24:00的降雨和降雨停止后的水分再分布階段,其中8月10日4:00—20:30為降雨階段,表層土壤含水量快速增加,然后降雨停止,表層土壤含水量開始下降,即為水分再分布階段。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的基本處理采用EXCEL 2007進(jìn)行,作圖采用Origin 9.0進(jìn)行,不同層次土壤含水量、溫度及CO2濃度之間差異,將不同時(shí)間點(diǎn)所測(cè)數(shù)據(jù)作為各層次的重復(fù),然后采用單因素方差分析(One way analysis of variance),LSD多重比較法進(jìn)行,土壤CO2濃度與土壤層次、溫度和含水量之間回歸分析,及不同層次土壤CO2濃度之間相關(guān)性分析采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行。同一層次土壤及0—60 cm層次CO2的平均濃度均采用不同測(cè)定時(shí)間或不同層次土壤CO2濃度的算術(shù)平均數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨對(duì)不同層次土壤含水量的影響

在測(cè)定的時(shí)間段內(nèi),各層次土壤含水量變化特征如圖1所示,不同層次土壤含水量表現(xiàn)為5 cm>10 cm>40 cm>60 cm>20 cm,即5 cm土壤含水量最高,中間層(20 cm)含水量最低。5、10 cm和40 cm層次土壤平均含水量分別為0.408、0.392和0.330。降雨發(fā)生時(shí),表層5 cm土壤含水量快速增加,由初始的0.375增加到0.424,然后降雨停止,土壤水分開始進(jìn)入再分布階段,5 cm層次土壤含水量開始下降,由0.424降低到0.400。10 cm層次土壤含水量由初始的0.375增加到0.400,但最大值出現(xiàn)的時(shí)間較5 cm延遲了4個(gè)小時(shí)。此次降雨事件主要使表層5 cm和10 cm土壤含水量增加,水分尚未入滲到20 cm,同時(shí)20 cm層次土壤為表層壤土向下層沙壤土的過渡層,具有良好的導(dǎo)水性,故在土壤水分以蒸發(fā)為主時(shí),20 cm層次土壤水也易于向上層蒸發(fā)損失,從而呈現(xiàn)較低的含水量。20 cm和60 cm層次土壤含水量之間差異不顯著,平均值分別為0.291和0.292,其他各層次之間差異均達(dá)極顯著水平(P< 0.001)。從時(shí)間變異上來看,5 cm>10 cm>20 cm>40 cm>60 cm,變異系數(shù)分別為2.93%,2.20%,0.31%,0.23%和0.17%,即土壤含水量在時(shí)間動(dòng)態(tài)上的變化隨土壤層次的加深而減小。

2.2 不同層次土壤溫度變化特征

不同層次土壤溫度表現(xiàn)為5 cm>10 cm>20 cm>40 cm>60 cm,即隨著土壤層次的加深(圖1),土壤溫度呈降低趨勢(shì),表現(xiàn)為日射型變化特征。除5 cm與10 cm之間差異不顯著外,其他各層土壤溫度之間差異均達(dá)極顯著水平(P<0.001),觀測(cè)時(shí)段內(nèi)均值分別為11.40,11.12,10.41,9.93、9.62℃。5 cm和10 cm土壤溫度具有較明顯的日變化特征,呈單峰型,在無明顯降雨的8月11日,5 cm層次土壤溫度在0:00—10:00之間呈降低趨勢(shì),最低值出現(xiàn)在10:00時(shí)為10.98℃,然后開始增加,到19:30時(shí)達(dá)最大值,為12℃,并開始逐漸降低。觀測(cè)的8月10日同樣表現(xiàn)相似的日變化特征,但由于降雨的影響,使日最低值和最高值均較8月11日有所推遲,分別出現(xiàn)在11:30和20:00。10 cm層次土壤溫度亦呈單峰型變化特征,但變化幅度低于5 cm,且峰值出現(xiàn)時(shí)間延遲于5 cm。8月11日10 cm層次土壤溫度最低值和最高值分別出現(xiàn)在13:30和24:00。該樣點(diǎn)20、40、60 cm土壤溫度具有小的日變化幅度,在測(cè)定的時(shí)間段內(nèi),變異系數(shù)分別為0.12%,0.14%和0.17%,而5 cm和10 cm分別為2.61%和1.04%。由此可知,在該含水量條件下,各層次土壤熱量傳導(dǎo)較慢。將測(cè)定兩天的土壤溫度按照時(shí)間及對(duì)應(yīng)層次平均后進(jìn)行回歸,可得土壤溫度(ST)與深度(D)之間顯著負(fù)相關(guān)(R=0.9560,F=32.149,P=0.011),回歸方程為ST=-0.032D+11.35,即在0—60 cm剖面上,深度每增加1 cm,土壤溫度大約降低0.032℃。

圖1 不同層次土壤含水量及土壤溫度變化特征Fig.1 The variation of soil water content and soil temperature in different depth

2.3 不同層次土壤CO2濃度的變化特征

圖2 降雨和水分再分布階段不同層次土壤CO2濃度變化特征Fig.2 Variation of soil CO2 concentration in rainfall and water redistribution stage

不同層次CO2濃度隨著土壤層次的加深而增加(圖2),各層次土壤CO2平均濃度之間差異均達(dá)極顯著水平(P<0.01),分別為4179,4335,4990,5304、5365 μmol/mol,60 cm層次土壤CO2平均濃度分別較以上其他層次高1.16%,7.52%,23.78%和28.39%。土壤深度與CO2濃度之間符合極顯著(R=0.9764,P=0.004)對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系,y=531.1lnD+3274,y為土壤CO2濃度(μmol/mol),D為土壤深度(cm),即隨著土壤層次的加深,土壤具有更高的CO2濃度。

各層次土壤CO2小時(shí)平均濃度之間相關(guān)性如表1所示,5 cm與10 cm土壤CO2濃度之間極顯著負(fù)相關(guān)(R=-0.693),與20、40、60 cm之間正相關(guān),但未達(dá)顯著水平。而10 cm層次與其以下各層CO2濃度之間均極顯著正相關(guān),尤其是相鄰兩層之間相關(guān)性更強(qiáng),如20 cm和40 cm之間相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.918,40 cm和60 cm之間達(dá)到0.980。這些結(jié)果表明,5 cm層次土壤CO2濃度可能更敏感的響應(yīng)于降雨及含水量的變化,并主要對(duì)其相鄰的10 cm層次土壤CO2產(chǎn)生影響,當(dāng)降雨發(fā)生時(shí),5 cm土壤含水量增加,在水對(duì)土壤孔隙的封閉和壓力作用下,使5 cm層次土壤CO2向下遷移,濃度降低,而增加了10 cm層次土壤CO2濃度。反之,降雨停止,5 cm層次土壤含水量逐漸下降,土壤孔隙對(duì)空氣的傳導(dǎo)能力增強(qiáng),促進(jìn)10 cm層次土壤CO2向上層遷移,從而增加5 cm土壤 CO2濃度,而使10 cm土壤CO2濃度下降。

表1 不同層次土壤CO2濃度相關(guān)性分析(R)

2.4 短時(shí)降雨對(duì)土壤CO2濃度的影響效應(yīng)

降雨階段,5 cm層次土壤CO2濃度呈降低趨勢(shì),而10 cm和20 cm層次有一個(gè)明顯的增加(圖2)。5 cm土層CO2濃度由4196 μmol/mol下降到19:00時(shí)的4176 μmol/mol,而10 cm層次則從4252 μmol/mol增加到18:30時(shí)的4354 μmol/mol,到20:30時(shí)為4343 μmol/mol。

本研究時(shí)間段內(nèi),5 cm層次土壤含水量均高于初始含水量,故水分可能是土壤CO2濃度變化的主要因素。表層5 cm和10 cm土壤CO2濃度具有較為明顯的波動(dòng),在測(cè)試時(shí)間段內(nèi),分別有兩個(gè)峰值和兩個(gè)低值,20 cm層次土壤CO2濃度有一個(gè)峰值,出現(xiàn)時(shí)間大約在停止降雨后5個(gè)小時(shí)。而40 cm和60 cm兩個(gè)層次土壤CO2濃度隨著測(cè)定時(shí)間的延長(zhǎng),呈極顯著線性增加趨勢(shì),增加幅度分別為3.45 μmol mol-1h-1和4.66 μmol mol-1h-1(P<0.0001),由此可知,隨著土壤層次的加深,降雨對(duì)土壤CO2的影響效應(yīng)逐漸延遲。

圖3 0—60 cm層次土壤CO2平均濃度與5 cm土壤含水量的相關(guān)性Fig.3 Correlation analysis of SWC of 5 cm layer and mean CO2 concentration in 0—60 cm layer

降雨和水分再分布階段,5 cm層次土壤含水量與0—60 cm層次土壤CO2濃度平均值相關(guān)性如圖3所示,在降雨階段,土壤CO2濃度顯著增加,與5 cm層次土壤含水量之間呈線性極顯著正相關(guān)(R=0.9821,P<0.001),即短時(shí)降雨可顯著促進(jìn)土壤體系CO2濃度的增加。在降雨停止的水分再分布階段,土壤體系內(nèi)CO2濃度逐漸下降,與5 cm土壤含水量之間極顯著冪函數(shù)負(fù)相關(guān)(R=-0.7624,P<0.001),即降雨停止后,隨著表層5 cm土壤含水量的下降,土壤剖面CO2濃度顯著降低。

2.5 土壤含水量和溫度對(duì)不同層次土壤CO2濃度的影響效應(yīng)

2.5.1土壤含水量和溫度對(duì)5 cm土壤CO2的影響效應(yīng)

降雨和水分再分布階段,5 cm層次土壤CO2濃度與溫度和含水量之間的關(guān)系較為復(fù)雜,但最大值主要出現(xiàn)在高溫低含水量區(qū)(圖4)。以土壤CO2濃度為因變量,土壤溫度(ST)和含水量(SWC)為自變量進(jìn)行回歸分析,可得y=3448.37-404.24SWC+78.61ST?；貧w分析結(jié)果表明,土壤CO2濃度與土壤溫度之間極顯著正相關(guān)(P<0.001),與土壤含水量之間極顯著負(fù)相關(guān)(P=0.002),回歸方程R=0.8579(P<0.001),即平均而言,土壤含水量增加0.1個(gè)單位,則該層次土壤CO2濃度下降40.42 μmol/mol,而當(dāng)溫度增加1℃時(shí),土壤CO2濃度增加78.61 μmol/mol。在降雨階段,土壤CO2濃度與含水量和溫度之間回歸方程為y=3745.01-621.69SWC+60.03ST(P<0.001,n=34),即在降雨階段,5 cm層次土壤CO2濃度更強(qiáng)烈的受土壤含水量的影響,隨著含水量的增加,CO2濃度顯著下降。在降雨停止后的水分再分布階段,回歸方程y=2903.68+526.41SWC+92.76ST,方程檢驗(yàn)達(dá)極顯著水平(P<0.001,n=55),但在此階段,土壤含水量對(duì)土壤CO2濃度的影響效應(yīng)未達(dá)顯著水平(P=0.186),即在水分再分布階段,5 cm層次土壤CO2濃度可能更多的受土壤溫度的影響。但在單獨(dú)考慮土壤CO2與土壤含水量及土壤溫度的相關(guān)性時(shí),CO2濃度與土壤含水量之間極顯著之間負(fù)相關(guān)(R=-0.480,P<0.001),與土壤溫度之間極顯著正相關(guān)(R=0.875,P<0.001)。

2.5.2土壤含水量和溫度對(duì)10 cm土壤CO2的影響效應(yīng)

10 cm層次土壤CO2濃度整體與5 cm呈相反趨勢(shì)(圖4),高值區(qū)主要集中在低溫高含水量的區(qū)域內(nèi),低值區(qū)出現(xiàn)在低含水量高溫區(qū),即較低含水量和較高溫度時(shí),有利于土壤CO2向上層的擴(kuò)散傳導(dǎo),從而使該層次CO2濃度下降。土壤CO2濃度與土壤溫度和含水量的回歸方程為y=6023.01+ 2221.57SWC-230.15ST(R=0.938),各回歸系數(shù)檢驗(yàn)均達(dá)極顯著水平(P<0.0001),即該回歸方程具有顯著意義。由方程回歸系數(shù)可知,10 cm層次土壤CO2濃度與土壤溫度之間極顯著負(fù)相關(guān)(R=-0.826,P<0.0001),而與土壤含水量之間呈極顯著正相關(guān)(R=0.704,P<0.0001)。10 cm層次土壤含水量變化較小,根據(jù)含水量情況可分為水分增加和降低兩個(gè)階段,在含水量增加和降低階段,土壤CO2濃度與土壤含水量和溫度之間的回歸方程分別為y=5624.50+2329.80SWC-198.06ST(P<0.001,n=73)和y=6253.34+3859.56SWC-307.63ST(R=0.948,P<0.001,n=16)。其中在含水量增加階段,土壤含水量和溫度對(duì)土壤CO2濃度之間的回歸系數(shù)均達(dá)顯著或極顯著水平,而在含水量下降階段,土壤含水量與CO2濃度之間的回歸系數(shù)未達(dá)顯著水平(P=0.727)。

圖4 土壤溫度和含水量對(duì)不同層次CO2濃度的影響效應(yīng)Fig.4 Effects of soil temperature and water content on CO2 concentration in soil profile

2.5.3土壤含水量和溫度對(duì)20 cm及以下各層土壤CO2的影響效應(yīng)

20、40、60 cm土壤含水量受地表短時(shí)降雨的影響很小,CO2濃度對(duì)土壤含水量和溫度的響應(yīng)關(guān)系較表層5 cm和10 cm簡(jiǎn)單。相同溫度條件下,20 cm層次土壤CO2濃度隨含水量(0.290—0.293)的增加而增加(圖4),土壤CO2濃度與土壤溫度和含水量的回歸方程為y=-12979.53+63326.63SWC- 46.95ST,回歸方程R=0.919,回歸系數(shù)檢驗(yàn)表明,土壤CO2濃度與土壤含水量之間回歸關(guān)系達(dá)極顯著水平(P<0.001),而與溫度之間關(guān)系不顯著(P=0.839)。即在該試驗(yàn)條件下,20 cm層次土壤CO2濃度主要受土壤含水量的影響,在0.290—0.293含水量范圍內(nèi),含水量越高,土壤CO2濃度越大。

40 cm層次土壤,當(dāng)溫度相同含水量增加,或含水量相同溫度增加時(shí),土壤CO2濃度均呈增加趨勢(shì)(圖4)。土壤CO2濃度與含水量及溫度之間回歸方程為y=-22157.29+29980.94SWC+1767.99ST(R=0.908,P<0.001),方程有科學(xué)意義。對(duì)回歸系數(shù)檢驗(yàn),結(jié)果表明,土壤含水量和溫度對(duì)土壤CO2的影響效應(yīng)均達(dá)極顯著水平(P<0.001),相關(guān)系數(shù)分別為0.807和0.812,即該層次土壤CO2隨土壤含水量和溫度的增加而顯著增加。

本研究60 cm層次土壤含水量具有較小的時(shí)間變異性(圖4),在0.292—0.293之間。在含水量相同時(shí),隨著溫度的增加,土壤CO2濃度呈增加趨勢(shì),而溫度相同,土壤CO2濃度隨含水量的增加而降低,如在測(cè)定時(shí)間段內(nèi),平均溫度11.44℃,含水量為0.292和0.293時(shí),土壤CO2濃度分別為5414 μmol/mol和5276 μmol/mol。回歸方程為y=-9954.87-37640.36SWC+2736.97ST,回歸方程R=0.933(P<0.001),各回歸系數(shù)檢驗(yàn)均達(dá)極顯著水平(P<0.001)。

由不同層次土壤CO2濃度與土壤溫度和含水量的相關(guān)系數(shù)可知(表2),除40 cm層次土壤溫度和含水量對(duì)CO2均具有正效應(yīng)外,其他各層均為相反的影響效應(yīng)。在5 cm和60 cm層次上,土壤CO2與土壤含水量之間極顯著負(fù)相關(guān),而與溫度之間極顯著正相關(guān)。剖面的中間層(10—40 cm),土壤CO2濃度與含水量之間極顯著正相關(guān),而10 cm和20 cm層次與土壤溫度之間極顯著負(fù)相關(guān)。

3 討論

3.1 不同層次土壤CO2濃度變化特征

本研究表明,色季拉山急尖長(zhǎng)苞冷杉林0—60 cm層次土壤CO2濃度隨土壤深度的增加而增加,這與Tang等[16]在橡樹林、王超等[17]在人工杉木林、Jassal[18]等在加拿大溫哥華海岸花旗松林的研究結(jié)果一致。但在0—60 cm層次剖面上,土壤CO2濃度與植物細(xì)根生物量[19]和微生物數(shù)量[20]的垂直分布呈相反趨勢(shì),這表明不同層次土壤CO2濃度除受土壤根系、微生物和動(dòng)物的呼吸作用影響外,還可能更多的受土壤通氣性的影響,尤其是深層土壤。如有研究表明,森林生態(tài)系統(tǒng)表層0—15 cm層次土壤占CO2總通量的比例可達(dá)50%以上[17,21],亦有研究表明,土壤CO2釋放量超過75%來自于表層20 cm土壤[18],即表層土壤所產(chǎn)生的CO2更易于通過土壤孔隙向土表釋放,從而使其CO2濃度相對(duì)較低。下層土壤CO2的來源相對(duì)較少,但受長(zhǎng)期高含水量、低空氣交換量等因素的影響,不利于CO2向表層遷移,從而使其具有較高的濃度。

表2 不同層次土壤CO2濃度與土壤溫度及含水量的相關(guān)性分析

本研究中,5 cm層次土壤CO2濃度顯著高于王超[17]等3月份在杉木人工林上測(cè)定的平均結(jié)果(892.6 μmol/mol),也顯著高于Bekele[22]等在加拿大針葉林上夏季的測(cè)定結(jié)果(3000 μmol/mol),這可能是由于本研究測(cè)定時(shí)間處于該區(qū)域的雨季,表層土壤含水量高,不利于CO2的釋放。同時(shí)本研究區(qū)表層土壤有機(jī)碳具有較高含量水平[23],為微生物呼吸提供了豐富的生活基質(zhì),從而促進(jìn)CO2的產(chǎn)生。

3.2 降雨對(duì)不同層次土壤CO2濃度的影響效應(yīng)

水分對(duì)土壤孔隙中CO2的替代、對(duì)CO2擴(kuò)散的阻滯,及對(duì)植物根系和微生物活性與數(shù)量的影響是降水對(duì)土壤CO2影響的重要機(jī)制[24]。本研究表明,降雨使5 cm層次土壤CO2濃度顯著降低,而10 cm層次顯著升高。這可能是由于降雨使土壤—大氣界面產(chǎn)生壓力脈沖,降低5 cm層以下土壤氣體擴(kuò)散率,同時(shí)表層5 cm土壤水替代孔隙中CO2使部分CO2快速排出土壤,和在水壓作用下部分CO2向下層轉(zhuǎn)移,使表層土壤CO2濃度的短期下降[25],同時(shí)促進(jìn)了5 cm層以下土壤CO2濃度升高,這與Jassal等[18]的研究結(jié)果一致。本研究中,降雨階段5 cm層次土壤含水量與0—60 cm層次土壤CO2平均濃度極顯著正相關(guān)(P<0.001),而在降雨停止的水分再分布階段,二者之間極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.001),即短時(shí)降雨整體上促進(jìn)了土壤CO2濃度的升高,這與游賢慧[26]等的研究結(jié)果一致。這主要是由于降雨可能引發(fā)土壤微生物呼吸的瞬間脈沖[5,27]及降低下層土壤空氣的擴(kuò)散率,從而使土體CO2濃度增加。一次小的降雨(10 mm)事件引起土壤總微生物、真菌和細(xì)菌數(shù)量[28]或活性增加[29],促進(jìn)土壤微生物產(chǎn)生CO2量的增加。同時(shí),土壤含水量顯著影響著土壤CO2的擴(kuò)散速率,二者之間極顯著負(fù)相關(guān)[25],故在降雨階段,下層土壤CO2濃度增加,而在水分再分布階段,表層土壤含水量逐漸下降,則使土壤中CO2擴(kuò)散速率增加,促進(jìn)土壤CO2向大氣中排放,從而使土壤CO2濃度下降。

3.3 土壤含水量和溫度對(duì)土壤CO2的綜合影響效應(yīng)

土壤含水量和溫度是土壤CO2產(chǎn)生和釋放的重要參量[17,30],共同決定了土壤中與碳循環(huán)相關(guān)的生物和非生物過程。在年際尺度上,土壤溫度的變化可以50%地解釋土壤CO2總通量的變異,而含水量可以解釋18%[31]。土壤表面CO2通量來自于各層次CO2向土表的遷移,故各層次土壤CO2對(duì)溫度和含水量的響應(yīng)將直接決定土壤CO2的總通量,如有研究表明土壤表面CO2通量與50 cm深土壤CO2濃度顯著線性正相關(guān)[18]。

本研究中,不同層次土壤CO2濃度對(duì)土壤含水量和溫度的響應(yīng)特征不同,5 cm和60 cm層次土壤CO2濃度與土壤含水量極顯著負(fù)相關(guān),與土壤溫度顯著正相關(guān),而10、20、40 cm則與土壤含水量顯著正相關(guān),但對(duì)土壤溫度的響應(yīng)分別為顯著負(fù)相關(guān)、不顯著負(fù)相關(guān)和顯著正相關(guān)。10 cm和20 cm層次土壤CO2濃度與溫度之間負(fù)相關(guān),可能是由于這兩個(gè)層次距離土表較近,在溫度較高條件下,空氣分子活性增強(qiáng),土壤空氣的擴(kuò)散率增加,促進(jìn)CO2向表層的遷移釋放；而與土壤含水量之間正相關(guān),可能是由于含水量增加促進(jìn)土壤包氣帶的形成及增加土壤孔隙的粘滯性,從而使其具有較高的CO2濃度。本研究亦表明,短時(shí)降雨使表層土壤含水量快速增加,從而使土壤含水量成為0—60 cm層次土壤CO2濃度的關(guān)鍵控制因素。

4 結(jié)論

(1)0—60 cm剖面上,土壤CO2濃度隨土壤層次的加深而增加,即：60 cm>40 cm>20 cm>10 cm>5 cm；

(2)短時(shí)降雨主要對(duì)表層5 cm和10 cm土壤CO2濃度產(chǎn)生影響,使5 cm層次土壤CO2濃度顯著降低,而10 cm層次則呈升高趨勢(shì),降水停止后,5 cm層次CO2濃度呈增加趨勢(shì),而10 cm層次則降低；

(3)短時(shí)降雨引起表層5 cm土壤含水量的增加,顯著提高了0—60 cm層次土壤CO2的濃度,而在水分再分布階段,0—60 cm層次土壤CO2濃度與表層5 cm土壤含水量之間顯著負(fù)相關(guān)。

(4)不同層次土壤CO2濃度對(duì)土壤溫度和含水量的響應(yīng)特征不同,40 cm層次CO2濃度與土壤溫度和含水量之間均呈正響應(yīng),而其他各層次土壤CO2濃度與溫度和含水量之間呈現(xiàn)相反的影響效應(yīng)。