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]，高出以往的增長速率。

雙碳作為我國重要時代戰(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)濟的全球競爭力，努力兼顧經(jīng)濟發(fā)展和綠色轉(zhuǎn)型同步進行。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)濟體系，減少CO2的排放，對我國實現(xiàn)碳達峰、碳中和的目標具有重大意義。

我國西南地區(qū)是我國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)研究的重要場所。土壤中的有機質(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。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、應(yīng)對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，水土流失十分嚴重。

1.2 樣品采集

在2021年5月（播種期）在洪家渡水庫庫區(qū)設(shè)置了以海拔高程劃分的三組土壤樣點，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。

1.3 試驗設(shè)計

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（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。該實驗共有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個重復(fù)，共計27個培養(yǎng)瓶。每個培養(yǎng)瓶每隔1h采集一次氣體樣品，共采集7h。在監(jiān)測完成后從每個培養(yǎng)瓶中取5g干土樣品，進行后續(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。為了進一步分析等因子對CO2排放通量的貢獻率，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，在測定的理化指標中，土壤CO2通量主要受到土壤有機氮的影響，該變量可解釋土壤CO2通量的69.2%，且達到極顯著水平（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，進而對生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟壓力產(chǎn)生不同影響。

土壤有機碳是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的重要因素，時秀煥[9]認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碳含量的不同。而土壤有機碳含量存在差異的主要原因是土壤有機碳的積累及碳源輸入的差別。土壤有機碳的積累在很大程度上取決于植被覆蓋，土壤有機碳是土壤異養(yǎng)呼吸的重要碳源，而土壤有機氮能影響微生物的活性，有機氮的不足對微生物的繁殖和有機質(zhì)的分解造成抑制。土壤CO2的排放通量與土壤有機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，施肥時間約為4月份，施肥種類一般為混合氮肥，秸稈堆肥及動物糞便，但有機碳氮含量明顯低于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，水土流失嚴重有關(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，土壤中有機碳氮流失少，導(dǎo)致有機碳氮含量高于GD，為土壤中微生物的分解活動排放CO2提供基礎(chǔ)。而林地含有較厚的凋落物層，會進一步減輕土壤被侵蝕的強度，并有效防止表土有機碳、氮的流失，所以，LD的有機碳、氮的含量往往要高于CD。因此，LD土壤有機碳氮含量高于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，實施可持續(xù)化土地管理，加強農(nóng)業(yè)管理，減少林地砍伐，改善對草地的放牧管理，能避免和減少土壤退化，有助于完善生態(tài)系統(tǒng)功能和提高社會經(jīng)濟發(fā)展水平，加強對氣候變化的適應(yīng)。代林玉[3]發(fā)現(xiàn)土壤CO2的排放通量受到土壤有機碳含量的影響，土壤有機碳含量越高，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)。土壤可溶性有機碳大部分是容易被利用的小分子有機碳，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)排放通量呈負相關(guān)，與本研究一致。Yang認為會降低土壤中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LD>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%，且達到極顯著水平（P<0.01）。因此，改進氮肥料管理，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)濟體系，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。