岩溶区不同土地利用方式下土壤CO2排放模拟研究

2023-02-03胡运迪曾广能

生态学报 2023年1期

胡运迪,赵敏,鲍乾,李栋,魏榆,马松,曾广能

1 贵州师范大学地理与环境科学学院,贵阳 550025 2 贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地,贵阳 550025 3 中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室,贵阳 550081 4 中国科学院中国生态系统研究网络普定喀斯特生态系统研究站,普定 562100 5 四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室,成都 610066 6 贵州民族大学生态环境工程学院,贵阳 550025

土壤碳库是陆地生态系统中最大、最活跃的碳库之一,是大气CO2的重要源或汇[1—2]。土壤呼吸作用是土壤碳库向大气输出的主要方式,包含了植物的根呼吸和微生物的异养呼吸[3—5]。据统计,大气中每年约有5%—20% CO2来自于土壤[6],2008 年全球土壤碳库向大气的碳排放量为(98±12) Gt, 该值仅次于陆地生态系统光合作用的碳吸收量,约为化石燃料燃烧排放量的10倍[7]。2020年9月我国在第七十五届联合国大会上承诺,力争2030年前实现碳达峰,2060年前达到碳中和,对碳收支问题的研究十分必要。鉴于土壤呼吸作用是陆地生态系统碳循环的重要环节,对大气CO2浓度有重要影响,并决定着陆地生态系统碳收支的平衡,因此研究土壤CO2排放规律对土壤碳库的变化具有重要意义。

土壤在生态系统和岩溶作用中扮演着重要角色,土壤微生物和土壤有机质对碳酸盐岩溶蚀具有明显的促进作用[8]。土地利用方式可以通过改变地表覆被类型,进而改变植物生理活动、土壤理化性质和微生物活性等,控制着土壤CO2的排放[9—12],最终影响岩溶作用碳循环。在岩性固定的情况下,岩溶碳汇通量主要取决于气候和土地利用变化[13]。土地利用变化之所以对岩溶碳汇通量产生影响,主要是岩溶水体中溶解无机碳(DIC)的形成直接来源于大气CO2或者间接来源土壤CO2参与岩溶作用,不同土地利用与覆被差异,导致土壤CO2浓度和通量差异明显,最终导致岩溶碳汇通量出现差异[14]。岩溶区占陆地面积的15%,约2200×104km2,而我国碳酸盐岩总的分布面积可达340×104km2以上[8]。岩溶动力系统作为一个脆弱的生态系统,对气候和土地利用变化有着少有的敏感性。贵州位于西南岩溶区的核心地带,该区气候湿热,属热带-亚热带气候,土壤CO2排放规律可能与其它区域不同,加上特殊的地质背景造就了其生态环境的脆弱性和敏感性,易引起石漠化的发生,从而使得土壤碳库储量的下降[15]。从20世纪90年代起,随着国家石漠化综合治理项目的推进,岩溶区许多地方进行了退耕还林还草,土地利用类型发生了转变,植被得到不同程度的恢复[16—17],因此岩溶区不同土地利用对土壤CO2排放的影响需要开展深入研究。目前关于岩溶区土地利用变化对土壤CO2排放影响的研究,通常是以某地土地利用类型转变前后[18],或以不同研究区不同土地利用类型作为研究对象[19—20],前者面临气候因子输入变异性的影响,后者面临气候因子、土壤特性和下覆地质条件不同等因素的影响,而扣除气候、土壤和地质等其它影响因子,单纯讨论岩溶区土地利用变化对土壤CO2排放通量的研究则鲜有报道。

贵州作为西南岩溶区的核心地带,生态环境极其脆弱。本研究以位于贵州普定,土壤、岩溶含水介质初始条件相同,土地利用方式不同的沙湾模拟试验场作为研究对象,其不同的土地利用方式可对应岩溶区石漠化治理过程中不同的植被恢复等级,从而通过控制性实验讨论在相同气候因子输入条件下土壤CO2浓度和通量对温度、降雨等气候因子,耕作等人为活动的响应,及其土壤有机碳的变化规律,最终得到不同土地利用下土壤CO2的排放规律及其影响因素。相较于以往不同土地利用下土壤CO2排放的室内控制实验[21—22]和野外试验,一是本模拟研究更接近于野外真实状况,不但空间尺度较室内模拟大,时间尺度上植被和土壤已经历5年的演化,有利于不同土地利用方式下土壤CO2的真实反映；二是排除了野外土地利用类型混杂而导致的结论似是而非,使得问题的求解变得简单。因此,本研究对准确认识和评估岩溶区植被恢复对土壤碳收支的影响,以及未来通过土地利用格局来提高土壤有机质含量和保持土壤碳库具有重要指示意义,从而为实现双碳目标提供理论支撑和数据支持。

1 研究区概况

图1 研究区的土地利用类型Fig.1 The land use type of the study area

本研究以贵州普定沙湾模拟试验场为研究对象(图1),该试验场位于中国科学院普定喀斯特生态系统观测研究站内,地理坐标为:26°14′—26°15′N, 105°42′—105°43′E,气候属亚热带季风湿润气候区,季风交替明显,雨热同期,雨季为5月到10月,旱季为11月到次年的4月[23]。据中国气象网的数据显示,该研究区多年平均气温为15.1℃,多年平均湿度是78%,多年平均降水量为1315 mm,降雨主要集中在雨季。

该试验场是由5个大小相同的池子组成,长20 m、宽5 m、高3 m。在岩性固定的情况下,岩溶碳汇差异主要取决于气候和土地利用变化,因此每个池子内部填充相同的来自三叠系中统关岭组(T2g)石灰岩碎石,厚度为2.5 m,其中有4个池子上部覆盖有0.5 m厚相同的石灰土,其母岩为T2g石灰岩,石灰岩碎石和石灰土的组成成分见表1[24—25]。在石灰土上部通过种植不同的植物,来模拟裸土地、耕地、草地和灌木地等土地利用类型(图1),且在其中布设有土壤CO2的观测孔。裸土地只有土壤没有植被；耕地种植玉米,每年进行人为播种,生长期为5—8月；草地种植紫花苜蓿,于2014年1月进行播种；灌木地种植刺梨,也于2014年1月进行扦插刺梨苗[8]。总体上,植被的发育程度由低至高分别是裸土地、玉米地、灌木地和草地(图1)。本研究以该试验场有土壤的4种土地利用类型为研究对象,其土壤及下覆岩溶含水介质的初始条件相同,仅土地利用类型不同,是开展土地利用对土壤CO2排放影响研究的理想场地。

表1 沙湾试验场岩石、土壤的组成成分Table 1 Chemical compositions of rock and soil samples from the Shawan Test Site.

2 研究方法

2.1 数据采集和测试

本研究于2017年6月到2018年6月对研究区的气象、土壤CO2浓度、土壤CO2通量和土壤有机碳等开展了一年的监测和采样工作。土壤CO2浓度使用手持式二氧化碳仪(Vaisala-GM 70)在40 cm深的土壤CO2观测孔中进行监测,监测频率为每月至少1次,每次对每个地中3个不同的观测孔中进行监测,结果取平均值。土壤CO2通量使用LI-8100A土壤碳通量自动测量系统进行测量,在测量之前至少提前24 h将10 cm短期调查气室的土壤环埋至监测点,并露出地面2 cm,然后将气室水平轻放于土壤环之上进行测量。在研究时段内,每个季度进行1次昼夜监测,具体时间是2017年7月、2017年10月、2018年1月和2018年4月,昼夜观测的时间长度为48 h,间隔2 h,每次在每个地所埋置的土壤环上最少进行了3次测试,测量结果取其平均值。降雨量、温度和湿度等气象数据从普定喀斯特生态系统观测研究站的气象站获取。此外,在2015年10月和2017年10月,采用S型采样方法,利用土钻采集了0—10 cm多份鲜土,再通过四分法收取500 g土壤装入自封袋中,混合均匀后带回实验室,称取1.5 g自然风干后过100目筛孔的土壤置于离心管中,加入2 mmol/L盐酸进行摇匀、离心、酸化后用超纯水润洗,直到pH为中性,最后冷冻干燥。然后包0.0030 g酸化后土壤在中国科学院地球化学研究所国家重点实验室采用德国有机元素分析仪vario MACRO cube进行测试。

2.2 数据处理

本研究采用Excel 软件进行数据的整理,利用SPSS 24.0 软件进行不同土地利用下土壤CO2通量的统计学方差分析多重比较,采用Sigmaplot 12.5软件进行图形的绘制。

3 结果

3.1 土壤CO2浓度的季节变化

图2 不同土地利用下气温和土壤CO2浓度的季节变化Fig.2 Seasonal variations of air temperature and soil CO2 concentration under different land uses

研究期间的土壤CO2浓度变化如图2所示,其呈现明显的季节变化规律,其中裸土地的CO2浓度变化范围为648—1532 mg/m3,平均浓度是992 mg/m3；耕地的CO2浓度变化范围为779—6738 mg/m3,平均浓度是2956 mg/m3；草地的CO2浓度变化范围为1693—20900 mg/m3,平均浓度是11605 mg/m3；灌木地的CO2浓度变化范围为838—5579 mg/m3,平均浓度是3428 mg/m3,整体表现为草地>灌木>耕地>裸土地。

3.2 不同季节下土壤CO2通量的昼夜变化

四个季节的土壤CO2通量的昼夜变化见图3。由图3可知,不同季节的土壤CO2通量均具有明显的昼夜变化规律,白天呈现出先升高后降低的趋势,波峰值比较明显,日最大值约出现在正午13点,进入夜晚后其变化趋势相对比较平缓,没有明显的波谷值。4种土地利用类型在不同季节的土壤CO2通量的昼夜变化范围如下:夏季时裸土地为0.25—1.10 μmol m-2s-1,耕地为0.87—4.22 μmol m-2s-1,草地为4.04—6.71 μmol m-2s-1,灌木地为0.74—4.38 μmol m-2s-1；秋季时裸土地是0.03—0.25 μmol m-2s-1,耕地是0.12—0.53 μmol m-2s-1,草地是1.92—2.74 μmol m-2s-1,灌木地是0.28—1.19 μmol m-2s-1；冬季时裸土地是-0.16—0.34 μmol m-2s-1,耕地是-0.14—0.57 μmol m-2s-1,草地是0.25—0.68 μmol m-2s-1,灌木地是0.02—0.92 μmol m-2s-1。同理,春季时裸土地是-0.05—0.62 μmol m-2s-1,耕地是-1.13—0.45 μmol m-2s-1,草地是1.16—2.47 μmol m-2s-1,灌木地是0.13—0.87 μmol m-2s-1。

图3 不同季节下气温、降雨量和土壤CO2通量的昼夜变化Fig.3 Diurnal variations of air temperature, rainfall and soil CO2 flux in different seasons

4种土地利用类型在不同季节的土壤CO2平均通量如图4,同时对它们进行了统计学方差分析多重比较。由图4可知,夏季土壤CO2平均通量由大到小依次草地(5.13 μmol m-2s-1),耕地(1.93 μmol m-2s-1),灌木地(1.44 μmol m-2s-1),裸土地(0.70 μmol m-2s-1),其中耕地和灌木地同属B类,表示两者的平均通量相似,没有显著性差异；秋季土壤CO2平均通量由大到小依次草地(2.29 μmol m-2s-1),灌木地(0.55 μmol m-2s-1),耕地(0.27 μmol m-2s-1),裸土地(0.16 μmol m-2s-1),它们分属不同的类别,表明秋季这4种土地利用类型的CO2平均通量彼此间存在显著性差异；冬季由大到小的土壤CO2平均通量依次为草地(0.38 μmol m-2s-1),灌木地(0.19 μmol m-2s-1),耕地(0.02 μmol m-2s-1),裸土地(-0.04 μmol m-2s-1,此时耕地和裸土地没有显著性差异；同理,春季草地为(1.68 μmol m-2s-1),灌木地(0.55 μmol m-2s-1),耕地(0.16 μmol m-2s-1),裸土地(-0.02 μmol m-2s-1),其中耕地和裸土地没有显著性差异。因此,可以发现在玉米长势良好的夏季,其通量仅低于草地,和灌木地同属于B类,到秋季由于玉米干枯死亡,其通量低于灌木地但明显高于裸土地,属于C类,再到冬春季节,由于玉米杆被收割未还田,使得该时期的耕地通量较小并接近裸土地,和裸土地同属C类。此外,不同土地利用下土壤CO2通量在不同季节和年尺度下的统计值可见表2。

图4 不同季节土壤CO2通量的箱型图Fig.4 The box chart of soil CO2 flux in different seasons玫红色虚线表示平均值；A、B、C、D表示4种土地利用类型进行统计学方差分析多重比较的结果,以A、B、C、D按从大到小的顺序,依次标定4种土地利用类型通量值,若标定为不同的字母表示平均值存在显著性差异(P<0.05)

表2 不同土地利用下土壤CO2通量Table 2 Summary results of soil CO2 flux under different land use

4 讨论

4.1 主要环境因子对土壤CO2浓度和通量的影响

由图2可知,4种土地利用类型下的土壤CO2浓度均具有明显的季节变化规律,表现为夏季最高,秋季和春季次之,冬季最低,与气温变化同步。根据土壤CO2浓度和温度的关系图(图5),可以发现土壤CO2浓度和温度具有显著的正相关关系(P<0.005),表明研究区土壤CO2浓度主要受到温度的控制。当处于温度较高的夏季(6—8月),植物处于生长旺盛期,根呼吸作用强烈[26],加上土壤的微生物活动较强,土壤有机质分解较快[27—28],使得夏季土壤CO2浓度最高(图2)。相反,在温度较低的冬季(12—2月),植物的根呼吸作用和土壤微生物活动较弱,使得冬季土壤CO2浓度最低。此外,不同土地利用类型下土壤CO2浓度的季节变化幅度不同,表现为草地>灌木地>耕地>裸土地(图2)。同时,通过土壤CO2浓度和温度的相关关系斜率,也发现是草地>灌木地>耕地>裸土地(图5)。这些特征表明这4种不同土地利用类型中,草地的土壤CO2浓度对温度的响应最敏感,响应幅度最大,灌木地和耕地次之,裸土地最弱,分析其原因可能是草地植被生物量最大,输入到土壤的有机碳含量较高[29],加上根呼吸作用最强,因而对温度响应最为强烈。

图5 不同土地利用下土壤CO2浓度、土壤CO2通量和气温的相关关系图Fig.5 Plots of soil CO2 concentration, soil CO2 flux and air temperature under different land uses

从图3可以看出,不同土地利用下土壤CO2通量均具有明显的昼夜变化规律,表现为白天高,夜晚低,通过分析发现土壤CO2通量和温度存在一定的正相关关系(图6),即白天温度较高,植物的根呼吸作用和土壤的微生物活动较强,释放出的CO2通量较大,反之夜晚温度较低,释放出的CO2通量较小,表明土壤CO2通量的变化也受控于温度。由于受到不同季节植物生理和微生物活动的影响,可以发现夏季各土地利用土壤CO2通量和温度的响应幅度最为显著,相关关系斜率最大,春季和秋季次之,冬季最小(图3和图6)。此外,年尺度下不同土地利用类型的土壤CO2通量和温度的关系见图5,可以发现同土壤CO2浓度一样,土壤CO2通量和温度的相关关系斜率也表现为草地最大,灌木地和耕地次之,裸土地最小,这表明草地土壤CO2浓度随温度的响应最敏感,使得其土壤CO2浓度的积累最快,从而造成草地土壤CO2的排放最为强烈,其通量随温度的响应也最敏感。这与前人发现土壤CO2浓度和CO2通量均受控于温度且彼此呈现一定正相关关系的研究结果相对应[30—31]。

图6 不同季节下土壤CO2通量和气温的相关关系图Fig.6 Plots of soil CO2 flux and air temperature in different seasons

此外,我们发现研究区的土壤CO2通量还受到降雨的影响。据图3可知,在2017年7月22日正午,土壤CO2通量本应升高的裸土地、耕地和灌木地却意外地发生了下降,而在该时段里的草地土壤CO2通量却保持上升。究其原因,和该时期发生的降雨过程有关,当降雨有效入渗补给土壤时,一方面土壤中CO2随着雨水入渗而加速向下扩散、迁移,对下伏碳酸盐岩溶蚀,从而导致CO2的消耗[28,32],另一方面,雨水渗入到土壤中,土壤湿度的增加降低了其通气性,导致土壤CO2排放减少[33]。有趣的是这个现象仅在裸土地、耕地和灌木地中出现,而在草地中未出现,和草地的长势茂密,较大的叶面积指数使其具有较大的植物截留量有关,因此当天的降雨量扣除草地的植物截留量后未达到入渗补给下覆土壤的有效量,使得该时段处于正午的草地,其土壤CO2通量主要受到温度的影响,呈现出当天土壤CO2通量的峰值。

因此,不同土地利用类型下温度和降雨等环境因子对土壤CO2浓度和通量的影响不尽相同,在降雨量较小时,土壤CO2的浓度和通量主要受到温度的影响。

4.2 耕作等人为活动对土壤CO2通量的影响

根据春季土壤CO2通量的昼夜变化规律(图3),可以发现耕地土壤CO2通量除受温度、降雨影响外,还受到其他因素干扰而造成其通量变化。由图3可知,耕地白天土壤CO2通量降低,夜晚升高,呈现出与其他3种土地利用类型明显不同的异常规律。此外,白天的通量为负,最大的负通量均出现在观测时段的正午12:00,这与大多数的研究发现不同[34—35]。图7为LI-8100A记录的耕地在2018年4月21日和4月22日12:00的实时观测数据和拟合曲线,可以发现耕地的土壤CO2浓度在测试时段内明显减小,表明CO2通量为负,且用于计算负通量的曲线拟合度非常好(R2>0.97,P<0.01),加上3次重复测试的结果相似,测试误差较小,因此可以判定耕地的负通量并非偶然的测试误差造成,主要是不同植被覆盖差异导致的内在变化规律。

通过春季耕地土壤CO2通量和温度的昼夜观测数据进行相关性分析,发现春季耕地的土壤CO2通量和温度存在显著的负相关关系(图6),这与温度较高,根呼吸作用和微生物活动较强,土壤的CO2浓度较高,通量较大的规律不一致。结合前人在碱性钙质土中也发现了CO2的这一负通量现象[36],耕地在白天,尤其是正午表现出较大的负通量,很有可能与下伏基岩和耕地的长期耕作导致土壤扰动大有关。由于试验场岩石为石灰岩,CaO的含量较高,占46.15%(表1),石灰岩的溶蚀作用需要吸收CO2[37—38],加上4月份刚翻完地进行玉米的种植,使得原本厚度就薄的耕地土壤变得松散,从而加剧了岩石的溶蚀作用,但松散的土壤降低了土壤CO2的积累,土壤底部CO2被消耗后使得土壤CO2向下逃逸和扩散,造成了负通量的产生。此外,冬季裸土地和耕地的负通量也证明了CO2对下伏石灰岩溶蚀作用,因为冬季两者土壤有机质分解释放的CO2较少,土壤CO2浓度低(730 mg/m3和792 mg/m3,图2),这部分CO2不足以满足石灰岩溶蚀作用的消耗,从而使得空气中的CO2进入含水层产生了负通量现象,而此时草地和灌木地的正通量是由于两者土壤CO2浓度保持较高状态(1826 mg/m3和889 mg/m3,图2),可以满足溶蚀作用的消耗。

图7 LI-8100A实时观测数据及拟合曲线Fig.7 Real time measurement data and fitting curve of LI-8100A

4.3 土地利用方式对碳通量的影响

如前所述,研究区温度、降雨和耕作活动等因素影响着土壤的CO2浓度和通量,但也可以发现不同土地利用类型下,土壤CO2浓度和通量对于温度和降雨等响应也不同。根据表2和图4可知,除了夏季土壤CO2通量呈现草地>耕地>灌木地>裸土地的规律外,其它三个季节以及全年平均值,土壤CO2通量均表现出草地>灌木地>耕地>裸土地的规律,相应土壤CO2浓度的年均值也呈现同样的规律(图2)。土壤CO2主要来源于植物的根呼吸和微生物的异养呼吸,前者取决于植物的生物量,后者和土壤有机碳含量有关。图8给出了研究区2015年10月和2017年10月的土壤有机碳含量,总体上是草地>灌木地>耕地>裸土地。鉴于本控制性实验最初(2014年1月)所用的土壤一致,而通过种植不同的植被来研究土地利用类型的影响,可以看出植被覆盖程度不同,土壤有机碳含量变化也不同,没有植被覆盖的裸土地有机碳含量随着时间的推移在降低,而其余3种有植被覆盖的土地利用类型,有机碳含量均在升高,且升高的程度和植被的覆盖程度有关,表现为植被覆盖程度最高的草地,其土壤有机碳含量增加最大,灌木地和耕地次之。从图8还可以发现,从2014年1月到2015年10月,经过近两年的演替,裸土地为22.18 g/kg, 而草地为28.64 g/kg,说明从无植被到草地,每年净增加有机碳含量约3.23 g kg-1a-1,由此说明通过土地利用调整后,土壤固碳能力明显增加。

图8 2015年10月和2017年10月不同土地利用下土壤有机碳含量Fig.8 Soil organic carbon content under different land uses in October 2015 and October 2017

种植苜蓿的草地其生物量最大,根呼吸作用最强,加上土壤有机碳含量也最高,从而使得草地的土壤CO2浓度最高,通量最大,前人的研究也表明土壤有机质的含量与土壤CO2排放的速率呈一定的正相关关系[39—40]。其次是灌木地,灌木地种植的刺梨,属于常年生植物,而耕地种植的玉米,生长期仅为5—8月,所以虽然夏季正处于生长旺期的玉米地,其土壤CO2通量大于灌木地,但在其它非生长期却小于灌木地(图4),加上灌木地的土壤有机碳含量大于耕地,因此从年尺度上看灌木地的土壤CO2浓度大于耕地,通量亦是如此；最后,裸土地的碳通量最小,主要是因为裸土地未种植植被,土壤CO2主要来源于微生物的异养呼吸,加上土壤有机碳含量低且逐年降低,所以土壤CO2浓度最低,通量最小。

综上所述,不同的土地利用方式通过影响上覆植被的生物量和土壤有机碳含量,进而控制着土壤CO2浓度和通量,并且随着植被的演替,土壤中有机碳含量增加明显,尤其是种植草地后土壤有机碳含量增值最快。因此,可以通过土地利用方式的调整来增加土壤有机质含量和土壤储碳,尤其是在岩溶区石漠化综合治理过程中,可以通过土地利用调整来达到增加有机碳存储目的,助力碳中和这一国家目标需求。