黃土丘陵區(qū)刺槐林土壤碳通量模擬研究

董莉茹，許明祥，孫 會

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2 中國科學(xué)院水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；3 中國科學(xué)院水土保持研究所 安塞水土保持綜合試驗(yàn)站，陜西 安塞 717400)

土壤碳通量是由不同深度土壤根系呼吸及微生物活動共同產(chǎn)生的。目前，已有許多學(xué)者對土壤表層碳通量的變化情況進(jìn)行了研究，但是有關(guān)土壤垂直剖面碳通量的研究卻極為缺少[1-2]。此外，不同深度土壤碳通量對全球變暖效應(yīng)也有不同的響應(yīng)[3]。因此，研究土壤垂直剖面碳通量有助于進(jìn)一步明確土壤碳對氣候變化的反饋?zhàn)饔肹4]。

通過對不同深度土壤碳通量的研究，可以很好地理解CO2氣體在土壤中的產(chǎn)生和傳輸過程。通常使用Fick擴(kuò)散法計算土壤碳通量，即通過測量一定深度內(nèi)土壤CO2氣體的變化及CO2氣體在土壤內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)，并選取合適的通量模型來計算不同深度土壤的碳通量[5]。采用擴(kuò)散法計算碳通量對土壤破壞性較小，同時可以克服Li-8100動態(tài)腔室測量時低估土壤碳通量的缺陷，從而能夠更為準(zhǔn)確地計算不同深度的土壤碳通量[6-8]。隨著土層的加深，影響土壤呼吸的土壤溫度、濕度、微生物、植物根系及土壤理化性質(zhì)都發(fā)生了改變，導(dǎo)致不同深度土壤的擴(kuò)散系數(shù)計算公式有所不同，因此，選擇合適的擴(kuò)散系數(shù)模型十分重要[9]。

本研究使用氣體井法和氣相色譜儀測量黃土丘陵區(qū)刺槐林地土壤CO2濃度，結(jié)合5種廣泛使用的氣體擴(kuò)散模型對不同深度的土壤碳通量進(jìn)行估算，同時與Li-8100動態(tài)腔室測量結(jié)果進(jìn)行比較，以確定黃土丘陵區(qū)不同深度土壤碳通量計算的最佳模型，為黃土丘陵區(qū)不同深度土壤碳通量的準(zhǔn)確計算提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)樣地設(shè)在陜西省安塞縣紙坊溝，地理坐標(biāo)為N36°51′30″,E109°19′30″。該區(qū)地形破碎,溝壑縱橫,是典型的黃土高原丘陵區(qū)。年輻射量為493 kJ/cm2,平均海拔1 200 m,平均坡度25°～35°，屬于暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候,年平均氣溫8.8 ℃；年均降水量為549 mm(主要集中在7-9月份，占全年降水量的61.1%)，年蒸發(fā)量大于1 463 mm；土層深厚，土壤以黃土母質(zhì)上發(fā)育而成的黃綿土為主。由于水土流失嚴(yán)重,自20世紀(jì)70年代以來,該區(qū)逐步實(shí)施了大規(guī)模的生態(tài)恢復(fù)重建工程,并逐漸形成以“喬、草、灌”等為主要植被類型的土地利用方式[10-12]，對土壤碳通量產(chǎn)生了重要影響。該區(qū)常見的植被類型有以刺槐(Robiniapseudoacacia)為主的人工林，以檸條(Caraganakorshinskii)和沙棘(Hippophaerhamnoides)等為主的人工灌叢以及天然灌叢，此外還有撂荒草地。

1.2 樣地選取

表1 黃土丘陵區(qū)不同刺槐林樣地的概況

表2 黃土丘陵區(qū)不同刺槐林樣地各土層土壤的溫度、含水量和體積質(zhì)量

1.3 方 法

1.3.1 土壤CO2濃度的測定 本試驗(yàn)采用比較經(jīng)典的氣體井法測量不同土層土壤CO2濃度[13-14]。分別在5個樣地內(nèi)各選3點(diǎn)作為重復(fù)，用土鉆打孔，每點(diǎn)分別在距地面200，140，80，20 cm和地表處依次相互錯位埋設(shè)氣體采集器。埋設(shè)氣體采集器時，將內(nèi)徑為4 mm的硬質(zhì)塑料管的一端插入塑料漏斗頸部，連接處用硅膠密封，另一端引至地面以上，插入橡膠軟管并用橡皮小塞密封[15]。同時，在土壤剖面的200，140，80，20 cm處和地表，分別布設(shè)土壤溫度水分測定探頭(Em 50，美國Decagon公司)，探頭垂直土壤剖面插入不同深度土層，并按原土層回填鉆孔。待回填土壤與周圍土壤環(huán)境趨于一致后開始取樣。在每個采集器中抽取5 mL氣體，用氣相色譜儀測定其中的CO2濃度[16]。另外，在30年生刺槐林樣地從10:00-18:00每小時采集1次氣體樣品。

1.3.2 土壤碳通量的計算 使用Fick擴(kuò)散法計算不同深度土壤碳通量(Fs,μmol/(m2·s) )：

Fs=-DsΔC/Δz。

(1)

式中：Ds表示土壤中CO2的擴(kuò)散系數(shù)(m2/s),C表示CO2濃度(μmol/m3)，z表示土層深度(m)。

Ds=εDa。

(2)

式中：Da表示在自由大氣中CO2的擴(kuò)散系數(shù)，Da=1.47×10-5m2/s；ε表示CO2在土壤中的相對擴(kuò)散系數(shù)。

常用的計算ε的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀幸韵?種[18-22]：

Penman模型：ε=0.66(φ-θ)。

(3)

Marshall模型：ε=(φ-θ)1.5。

(4)

Millington模型：ε=(φ-θ)10/3φ-2。

法國的公共文化機(jī)構(gòu)是課外藝術(shù)教育的重要場所。例如盧浮宮開設(shè)“小小藝術(shù)畫廊”專區(qū)，蓬皮杜藝術(shù)中心和大量博物館都為青少年開設(shè)了藝術(shù)專區(qū)，這些資源豐富了學(xué)生的課外藝術(shù)教育活動。

(5)

Moldrup-1997模型：ε=0.66(φ-θ)×(φ-θ)(12-m)/3φ(m-12)/3。

(6)

Moldrup-2000模型：ε=(φ-θ)2.5φ-1。

(7)

式中：θ為土壤體積含水量(cm3/cm3)；φ為土壤孔隙度，φ=ρb/ρm，其中ρb為土壤體積質(zhì)量(g/cm3)，ρm為土壤比重，礦質(zhì)土壤ρm=2.65 g/cm3；m為常數(shù),本研究中m=3。

1.3.3 表層土壤碳通量的測量 抽取氣體樣品的同時，使用Li-8100開路式土壤碳通量測量系統(tǒng)測量表層土壤碳通量，以便于檢驗(yàn)用擴(kuò)散法計算土壤碳通量的準(zhǔn)確程度。為防止土壤環(huán)境變動對試驗(yàn)造成影響，于測量前1 d在5塊樣地的3個重復(fù)樣點(diǎn)上分別布設(shè)內(nèi)徑20 cm、高10 cm的PVC環(huán)，將PVC環(huán)一端削尖并插入土層深度3～5 cm處。表層土壤碳通量于9:00-10:00進(jìn)行測定，每2 s測定1次，每10 s記錄1次平均值。此外在30年生刺槐林樣地，從10:00-18:00每小時測量1次表層土壤碳通量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

用氣相色譜儀測定不同深度土層土壤CO2濃度，并根據(jù)Fick擴(kuò)散法計算土壤碳通量。用Li-8100開路式土壤碳通量測量系統(tǒng)測量表層土壤碳通量，并進(jìn)行線性回歸分析，采用SPSS 13.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 擴(kuò)散公式中適用于不同刺槐林樣地各土層ε值的獲取

2.1.1 不同樣地表層土壤的碳通量 用Li-8100開路式土壤碳通量測量系統(tǒng)對表層土壤碳通量進(jìn)行測定，結(jié)果見表3和表4。由表3可知，坡耕地以及10,20,30,40年生刺槐林地的表層土壤碳通量平均值分別為0.36，0.58，0.65，0.86，0.84 μmol/(m2·s)。表明表層土壤碳通量隨植被恢復(fù)年限的增加總體呈增大趨勢。由表4可知，30年生刺槐林地在 11:00-13:00時段表層土壤碳通量值大。

表3 黃土丘陵區(qū)不同刺槐林樣地的表層土壤碳通量(09:00-10:00)

表4 黃土丘陵區(qū)30年生刺槐林樣地10:00-18:00表層土壤碳通量(2013-05-17)

2.1.2 基于5種擴(kuò)散系數(shù)模型計算的不同樣地各土層土壤碳通量 先使用氣相色譜儀測定不同深度土層土壤CO2濃度，并利用Fick擴(kuò)散法計算土壤碳通量。本研究選取5種常用的氣體擴(kuò)散系數(shù)計算模型計算了各土層碳通量，結(jié)果見表5和表6。由表5可知，采用擴(kuò)散法計算的不同林齡刺槐林地土壤碳通量與Li-8100腔室法實(shí)測值存在一定差異；在5種CO2擴(kuò)散系數(shù)模型中，Penman模型計算結(jié)果的平均值最高，Moldrup-2000模型計算結(jié)果與實(shí)測值最接近。由表6可知，30年生刺槐林地10:00-18:00 土壤碳通量各模型計算值均大于實(shí)測值；Moldrup-2000模型計算值與實(shí)測值差異最小。

表5 黃土丘陵區(qū)不同刺槐林地各土層土壤碳通量實(shí)測值與計算值的比較

表6 黃土丘陵區(qū)30年生刺槐林地各土層10:00-18:00土壤碳通量實(shí)測值與計算值的比較

續(xù)表 6 Continued table 6

2.1.3 研究區(qū)各土層土壤碳通量計算值與實(shí)測值的回歸分析 用5種擴(kuò)散模型計算坡耕地以及10,20,30,40年生刺槐林樣地各土層的土壤碳通量平均值，對各土層碳通量平均值(y)與實(shí)測值(x)進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果見表7。表7顯示，用擴(kuò)散法計算的土壤碳通量與其實(shí)測值均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；在0，20，80，140，200 cm土層，土壤碳通量計算值與實(shí)測值決定性系數(shù)(R2)最大的模型分別為Moldrup-2000、Moldrup-2000、Moldrup-1997、Moldrup-1997和Millington。

表7 黃土丘陵區(qū)各土層土壤碳通量計算值(y)與實(shí)測值(x)的回歸分析

續(xù)表 7 Continued table 7

2.1.4 適用于不同刺槐林樣地各土層的ε值 通過以上分析可知，在各刺槐林樣地0，20，80，140和200 cm土層，依次采用Moldrup-2000、Moldrup-2000、Moldrup-1997、Moldrup-1997和Millington擴(kuò)散系數(shù)模型計算的土壤碳通量與其實(shí)測值相關(guān)性最好，表明上述模型為不同刺槐林樣地各土層最適合的擴(kuò)散系數(shù)模型。用上述模型，結(jié)合已知的土壤溫度、水分、孔隙度、體積質(zhì)量，計算得出適用于黃綿土0，20，80，140和200 cm土層土壤的ε值分別為0.15，0.14，0.20，0.22和0.27。

2.2 基于擴(kuò)散法計算的不同刺槐林樣地各土層的碳通量

選取合適的擴(kuò)散系數(shù)模型，計算不同刺槐林樣地各土層碳通量值，結(jié)果如表8所示。從表8可以看出，刺槐林地0，20，80，140，200 cm土層土壤碳通量的平均值分別為0.72，0.32，0.30，0.24，0.17 μmol/(m2·s)；在同一刺槐林地，隨著土層深度的增加，土壤碳通量呈逐漸降低趨勢。

表8 基于最優(yōu)擴(kuò)散系數(shù)模型計算的黃土丘陵區(qū)不同刺槐林樣地各土層的土壤碳通量

3 討 論

在黃土丘陵區(qū)，利用擴(kuò)散法對不同深度土壤碳通量進(jìn)行計算時，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)男Ｕ拍艿玫捷^為真實(shí)合理的結(jié)果。利用擴(kuò)散模型計算不同深度土壤碳通量時，關(guān)鍵在于準(zhǔn)確測量不同深度土壤CO2濃度并選取合適的擴(kuò)散系數(shù)模型[9,17]。已有大量學(xué)者通過野外試驗(yàn)和室內(nèi)模擬的方法總結(jié)出一些擴(kuò)散系數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚18-22]，并使用這些模型對不同深度土層土壤碳通量進(jìn)行了計算。在計算土壤碳通量時，Penman和Marshall模型是僅以土壤孔隙度作為參數(shù)的單參數(shù)模型，具有一定的狹隘性；而后來廣泛使用的Millington模型也存在一定缺陷；近年來使用的Moldrup模型對前幾種模型進(jìn)行了整合，是更為精確的擴(kuò)散系數(shù)模型。Pingintha等[23]使用與本研究相同的5種擴(kuò)散模型計算土壤碳通量，結(jié)果顯示，擴(kuò)散法計算結(jié)果大于實(shí)測值；線性回歸分析顯示，5種擴(kuò)散模型計算的土壤碳通量與實(shí)測值均存在顯著相關(guān)性，其中Moldrup模型計算結(jié)果與實(shí)測值的相關(guān)性最顯著(P<0.05)。本研究結(jié)果與之類似，用Li-8100腔室法得到的土壤碳通量實(shí)測值小于擴(kuò)散法計算結(jié)果，Penman、Marshall、Millington、Moldrup-1997 和Moldrup-2000模型的計算結(jié)果與實(shí)測值之間均存在顯著正相關(guān)性，其中Moldrup-2000模型計算結(jié)果最接近實(shí)測值，表明Moldrup-2000模型在對之前幾個模型整合后，能夠更準(zhǔn)確地模擬土壤CO2的擴(kuò)散過程[24]。

本研究還發(fā)現(xiàn)，在黃土丘陵區(qū)，土壤表層和20 cm土層Moldrup-2000模型計算的土壤碳通量與實(shí)測值相關(guān)性最高，R2分別為0.99和0.61；80和140 cm土層中，Moldrup-1997模型計算的土壤碳通量與實(shí)測值的相關(guān)性最大，R2分別為0.67和0.53；在200 cm土層中，用Millington模型計算的土壤碳通量值與實(shí)測值相關(guān)性較高，R2為0.84?？傮w而言，表層土壤碳通量計算值與實(shí)測值的相關(guān)性比其他土層大，這可能是由于表層土壤碳通量實(shí)測值較其他土層準(zhǔn)確。已有研究發(fā)現(xiàn)，在中國北方杉木林 10，20，40，60，80 cm土層，土壤氣體擴(kuò)散系數(shù)依次為 0.14，0.16，0.15，0.18，0.36。本試驗(yàn)通過比較分析，得出適用于黃綿土0，20，80，140，200 cm土層的土壤氣體擴(kuò)散系數(shù)分別為0.15，0.14，0.20，0.22，0.27。

本試驗(yàn)利用Moldrup-2000、Moldrup-2000、Moldrup-1997、Moldrup-1997和Millington模型分別對0，20，80，140和200 cm土層土壤碳通量進(jìn)行計算，所得土壤碳通量值分別為0.72，0.32，0.30， 0.24和0.17 μmol/(m2·s)，與前人研究結(jié)果[24]類似，表明所選取的擴(kuò)散模型合適，計算結(jié)果具有較高的可靠性。

土壤碳通量是土壤有機(jī)碳分解、根系分解和微生物活動共同作用的結(jié)果，同時受環(huán)境因素、土壤溫度和水分的影響，其中土壤有機(jī)碳、植物根系是碳通量的主要來源。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，0～20，20～80，80～140，140～200 cm土層土壤有機(jī)碳含量依次為6.5，2.81，2.22，2.08 g/kg，土壤根系生物量依次為4.3，7.54，0.30，0.19 g，隨著土層深度的增加，20 cm土層深度以下根系生物量減少，土壤有機(jī)碳含量降低，這將導(dǎo)致土壤碳通量減少；同時，各土層有機(jī)碳含量和根系生物量與擴(kuò)散模型計算的土壤碳通量均存在良好的相關(guān)性(P<0.05)，為碳通量計算結(jié)果的可靠性提供了支持[25]。

與Li-8100腔室法相比，擴(kuò)散法測定土壤碳通量時，對土壤破壞小，且計算結(jié)果更為準(zhǔn)確；Li-8100腔室法會造成土壤表面壓力增加、CO2濃度增大等情況，從而影響測定結(jié)果。因此，用擴(kuò)散法估算土壤碳通量時，可同時用Li-8100腔室法的測定結(jié)果進(jìn)行對比，這樣有助于得到更真實(shí)的數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)中，5種擴(kuò)散系數(shù)模型計算所得土壤碳通量值都與Li-8100腔室法得到的測定值顯著相關(guān)(P<0.05)，并且不同土層土壤對應(yīng)的最佳擴(kuò)散系數(shù)適用模型有所不同。

土壤碳循環(huán)是全球碳素平衡中的重要過程，對黃土丘陵區(qū)刺槐林地深層土壤碳通量的研究可為科學(xué)評估退耕還林還草的土壤固碳效益提供依據(jù)，對于揭示深層土壤碳的穩(wěn)定性、土壤碳庫動態(tài)變化機(jī)理及深層土壤碳在生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中的作用，豐富并深化固碳土壤學(xué)研究有重要科學(xué)意義。

4 結(jié) 論

1) 對土壤剖面碳通量數(shù)據(jù)進(jìn)行校正是必要的，但不同校正方法所起的作用有所差異。其中Penman模型計算的土壤碳通量值與實(shí)測值差異最大，模擬效果較差，而Moldrup模型模擬效果最好。

2) 5種擴(kuò)散模型計算的土壤碳通量均大于Li-8100腔室法得到的實(shí)測結(jié)果，但與Li-8100 測量結(jié)果均具有顯著相關(guān)性。

3) 不同深度土層的環(huán)境因子有差異，所以估算不同深度土層土壤碳通量的最佳模型也不同。黃土丘陵區(qū)刺槐林地0～20，80～140，200 cm土層土壤碳通量的最佳擴(kuò)散模型分別為Moldrup-2000、Moldrup-1997和Millington。

4) 在黃綿土0，20，80，140，200 cm土層，土壤氣體擴(kuò)散系數(shù)分別為0.15，0.14，0.20，0.22和 0.27，據(jù)此計算的各土層土壤碳通量分別為0.72，0.32，0.30，0.24，0.17 μmol/(m2·s)，表明隨著土層深度的增加，土壤碳通量逐漸降低。本研究確定了黃土區(qū)氣體擴(kuò)散系數(shù)模型中的各種參數(shù)和不同土層碳通量的估算模型。

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