不同土地覆被下巖溶表層系統(tǒng)CO2體積分?jǐn)?shù)研究

1、不同土地覆被下巖溶表層系統(tǒng)CO2體積分?jǐn)?shù)研究李林立1，高 波2，蔣勇軍1，況明生1，劉 玉1，李 華11. 西南師范大學(xué)資源環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶 北碚 400715；2. 涪陵師范學(xué)院，重慶 涪陵 408000摘要：對重慶金佛山林地、裸地表層巖溶生態(tài)系統(tǒng)CO2體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了野外監(jiān)測，揭示了CO2體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律，這種變化與土壤溫度有密切的關(guān)系。林地與裸地各個(gè)層次土壤的CO2體積分?jǐn)?shù)與土溫呈一致性變化，隨著土溫的升高或降低而相應(yīng)的增加或減少。文章進(jìn)一步揭示了林地植被平抑這種動(dòng)態(tài)效應(yīng)，而裸地則響應(yīng)于溫度變化；這種不同植被系統(tǒng)下的動(dòng)態(tài)差異在解釋巖溶沉積記錄和討論巖溶作用與碳循環(huán)的關(guān)系時(shí)值得充分注意。關(guān)

2、鍵詞：表層巖溶生態(tài)系統(tǒng)；土壤；二氧化碳體積分?jǐn)?shù)；溫度；變化幅度中圖分類號：X14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-2175（2004）03-0338-04近年來關(guān)于全球碳循環(huán)和大氣CO2動(dòng)態(tài)的研究表明大氣CO2遺漏匯達(dá)(±)×109 t/a1，而這個(gè)匯至今尚未得到證明。袁道先院士1, 2對表層巖溶作用回收大氣CO2量進(jìn)行了估算，認(rèn)為表層巖溶系統(tǒng)是“失蹤的碳”的一個(gè)重要部分；已有的研究表明全球巖溶作用所形成的大氣CO2×108 t/a25。因此，揭示地球表層系統(tǒng)過程中CO2體積分?jǐn)?shù)分布與動(dòng)態(tài)，CO2的吸收及其對大氣CO2的匯效應(yīng)，對于闡明陸地系統(tǒng)碳匯的規(guī)模和變化

3、具有十分重要的意義?，F(xiàn)代巖溶學(xué)研究認(rèn)為由碳酸鹽巖-水-CO2三相構(gòu)成的巖溶動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)敏感地響應(yīng)和反饋于大氣CO2動(dòng)態(tài)。其中CO2是個(gè)非常關(guān)鍵的因子，是巖溶作用的重要物質(zhì)來源，在巖溶動(dòng)力系統(tǒng)中起著驅(qū)動(dòng)力作用，對全球第四紀(jì)尤其是全新世晚期碳循環(huán)表現(xiàn)出靈敏的響應(yīng)。本文以金佛山西坡碧潭幽谷為觀測點(diǎn)，進(jìn)行CO2體積分?jǐn)?shù)及其相關(guān)因素的觀測，探討表層巖溶生態(tài)系統(tǒng)CO2體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律，這對研究表層巖溶生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制和全球碳循環(huán)有著重要的意義。1 研究區(qū)概況通氣孔BAA：水平插入土層部分；B：引至地面部分圖1 CO2收集裝置示意7金佛山位于重慶市南部，地理坐標(biāo)為北緯28°50¢29

4、76;20¢，東經(jīng)107°107°20¢，整座金佛山由金佛、箐壩、柏枝三山108峰組成，總面積1300 km2。它位于我國四川盆地東南緣，是大婁山東段支脈的突異山峰，海拔14002251 m，屬典型的喀斯特地質(zhì)地貌；其最高峰風(fēng)吹嶺的海拔為2 m。金佛山位于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，云霧多，日照少，雨量充沛，濕度大。 ，年均降雨量約1 mm； ，年均降雨量約1 mm；大氣降水為地下水唯一補(bǔ)給來源6。區(qū)內(nèi)整個(gè)山體的上部是由二疊紀(jì)棲霞組灰?guī)r構(gòu)成，形成了海拔2000 m左右的較大面積的緩坡和平臺(tái)，發(fā)育著大型的地表、地下巖溶形態(tài)；山體中部由志留紀(jì)的頁巖、粉砂巖組成，出

5、露標(biāo)高為15001000 m；山體下部由寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)的石灰?guī)r、白云巖構(gòu)成，其小型、微型巖溶形態(tài)發(fā)育。受垂直氣候帶的影響，土壤分布具有明顯的垂直分帶性，從山底向山頂依次為黃壤、暗黃壤、黃棕壤、棕壤。此次觀測在金佛山西坡碧潭幽谷林地和裸地兩種生態(tài)系統(tǒng)條件下進(jìn)行，該地受大氣降水的影響，水量動(dòng)態(tài)變化較大。同時(shí)受寒武系地層作用，其地下水豐富，為碳酸巖裂隙溶洞水，地表水與地下水交替頻繁，但分布不均。該地土壤為地帶性黃壤，林地土層厚度50100 cm之間，各層p。裸地緊挨著林地，這片裸地可能是森林砍伐后的跡地，此處土層較為深厚，土體厚度4060 cm之間，各層p6。2 材料與方法在巖溶作用活躍的夏季（78

6、月份）連續(xù)每天1次觀測。2.1 土壤不同層位CO2體積分?jǐn)?shù)的測定準(zhǔn)確測定和采集植被和土壤氣體是研究巖溶生態(tài)系統(tǒng)CO2的前提，對土壤CO2體積分?jǐn)?shù)的測定，前人多采用定位埋植采樣瓶的方法收集土壤氣體，但該方法存在既破壞土壤原始結(jié)構(gòu)，又不能隨時(shí)隨地測定和采集土壤氣體的缺陷。為了真實(shí)、準(zhǔn)確地測定土壤CO2體積分?jǐn)?shù)，在本次工作中，將本測定裝置設(shè)計(jì)為通氣孔、防堵網(wǎng)、硬護(hù)管，橡膠塞，如圖17。選擇林地和裸地，開挖土壤剖面，設(shè)立兩個(gè)土壤剖面，在不同深度（-10 cm、-20 cm、-30 cm、-50 cm）安裝水銀溫度計(jì)（精度1 ，范圍050 ）和CO2氣體收集裝置，每天讀取土壤溫度和用HWF-1A CO2

7、紅外線分析器（江蘇金壇）測量土壤各層的CO2體積分?jǐn)?shù)，次數(shù)1次，時(shí)間為上午10:00。 植被系統(tǒng)空氣CO2體積分?jǐn)?shù)按不同離地距離用HWF-1A CO2紅外線分析器（江蘇金壇）直接讀取空氣CO2體積分?jǐn)?shù) m）。3 結(jié)果與分析 土壤CO2動(dòng)態(tài)分析3.1.1 土壤溫度的變化圖2 林地土壤溫度變化圖3 裸地土壤溫度變化 圖6 林地土壤(-20 cm)溫度與土壤CO2體積分?jǐn)?shù)變化曲線由圖表2、3可以看出林地和裸地土壤各個(gè)層次的溫度變化趨勢呈一致性，表層土壤溫度變化比深部大，這是因?yàn)楸韺油寥郎钍艽髿獾挠绊?，與大氣通過空氣對流、輻射進(jìn)行熱交換，傳熱效率高，所以很容易變化，而中底層與表層熱交換通過傳導(dǎo)方式進(jìn)行

8、，并且土壤熱容量相對空氣比較大，所以中底層溫度變化相對比較和緩。而同一層次的土壤溫度變化幅度與林地相比，裸地較大，這是因?yàn)槁愕貨]有植被覆被的作用，加上土壤有機(jī)質(zhì)少，熱容量小，又受到陽光直接照射，所以溫度變化起伏很大。3.1.2 林地土壤CO2體積分?jǐn)?shù)動(dòng)態(tài)變化土層CO2體積分?jǐn)?shù)高低與土壤微生物活動(dòng)有關(guān)，而微生物活動(dòng)直接受到土層溫度和濕度（含水量）的影響。已有的研究表明8土壤氣體中CO2體積分?jǐn)?shù)（400×10-6 8250×10-6）高于大氣中CO2體積分?jǐn)?shù)（338×10-6370×10-6）的幾倍甚至幾十倍，而O2、N2體積分?jǐn)?shù)較大氣中的稍低。由于土壤有機(jī)

9、質(zhì)分解，微生物作用及根呼吸產(chǎn)生高體積分?jǐn)?shù)的CO2因表層土質(zhì)疏松而與低體積分?jǐn)?shù)的大氣CO2混合，使得土層中CO2體積分?jǐn)?shù)略有增加。從圖表4可以看出，林地土壤氣體中CO2體積分?jǐn)?shù)隨土層深度而增大，與非碳酸鹽巖地區(qū)的變化一致。在-10-20 cm之間，表層較高體積分?jǐn)?shù)的O2向下的擴(kuò)散作用弱于表層的混合作用，加上土層有機(jī)質(zhì)分解與生物活動(dòng)消耗，使得O2體積分?jǐn)?shù)降低，CO2體積分?jǐn)?shù)急劇升高，在-20 cm以下的土層中，CO2體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加。圖5 林地土壤(-10 cm)溫度與土壤CO2體積分?jǐn)?shù)變化曲線圖4 林地土壤CO2體積分?jǐn)?shù)變化同時(shí)由圖表5、6、7、8中可以看出，土壤各層次（-10 cm、-20 c

10、m、-30 cm、-50 cm）與各層土溫具有良好的相關(guān)關(guān)系，隨著土溫的升高，土壤微生物活動(dòng)強(qiáng)烈，呼吸加快，土壤有機(jī)質(zhì)分解作用強(qiáng)烈，CO2體積分?jǐn)?shù)升高；隨著土溫的降低，土壤微生物活動(dòng)減弱，呼吸減慢，有機(jī)質(zhì)分解作用減緩，土壤CO2體積分?jǐn)?shù)降低。我們還發(fā)現(xiàn)其中在-10 cm、-20 cm、-50 cm土層中，CO2體積分?jǐn)?shù)隨著土溫的升高（降低），其CO2體積分?jǐn)?shù)變化幅度較大，而在-30 cm土層中，其CO2體積分?jǐn)?shù)變化幅度比較小。這可能是因?yàn)橹胁客寥郎吓c大氣無直接連接，下不受植物根系強(qiáng)烈影響，本身已積累較高體積分?jǐn)?shù)的CO2。雖然土壤溫度的升高有利于微生物活動(dòng)增強(qiáng)，但過高體積分?jǐn)?shù)的CO2反而會(huì)抑制微

11、生物的活性，因此該層CO2體積分?jǐn)?shù)隨土溫變化的幅度較小。圖11 裸地土壤(-20 cm)溫度與土壤CO2體積分?jǐn)?shù)變化曲線3.1.3 裸地土壤CO2體積分?jǐn)?shù)變化特點(diǎn)圖12 裸地土壤(-30 cm)溫度與土壤CO2體積分?jǐn)?shù)變化曲線圖13 裸地土壤(- 50 cm)溫度與土壤CO2體積分?jǐn)?shù)變化曲線從圖表9可以看出，裸地與林地一樣，土壤CO2體積分?jǐn)?shù)隨著土層深度的增加而增加，這是因?yàn)殡m然表層土壤SOC含量高，但產(chǎn)生高體積分?jǐn)?shù)的CO2很容易向大氣擴(kuò)散，而中底層土壤密封性比較好，加上有機(jī)質(zhì)分解和生物活動(dòng)的消耗，使得土壤CO2體積分?jǐn)?shù)急劇升高。圖7 林地土壤(-30 cm)溫度與土壤CO2體積分?jǐn)?shù)變化曲線圖

12、8 林地土壤(-50 cm)溫度與土壤CO2體積分?jǐn)?shù)變化曲線圖9 裸地土壤CO2體積分?jǐn)?shù)變化從圖表10、11、12、13反映了土壤各個(gè)層次（-10 cm、-20 cm、-30 cm和-50 cm）的溫度與土壤CO2體積分?jǐn)?shù)具有很好的相關(guān)關(guān)系，土壤溫度增加，微生物活動(dòng)強(qiáng)烈，有機(jī)質(zhì)分解作用加快，土壤的CO2體積分?jǐn)?shù)升高；反之，亦然。圖10 裸地土壤(-10 cm)溫度與土壤CO2體積分?jǐn)?shù)變化曲線我們還可以發(fā)現(xiàn)土下各層位的CO2體積分?jǐn)?shù)隨土壤溫度變化的幅度中上部較高，底層變化范圍則比較小，這可能是由于裸地沒有植被所造成，因?yàn)橹猩喜客寥罍囟茸兓缺鹊撞看?，所以上部土壤呼吸?qiáng)度比下部強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)分解速度

13、也比底層快，因而中上部土壤CO2體積分?jǐn)?shù)變化幅度比底部大。而對林地而言，雖然底部溫度變化較中上部比較小，但根系對溫度變化反映非常靈敏，所以在-50cm土壤CO2體積分?jǐn)?shù)變化幅度與-10 cm、-20 cm一樣劇烈。 植被-空氣系統(tǒng)溫度和CO2體積分?jǐn)?shù)分布特點(diǎn)圖14 林地植被-空氣系統(tǒng)溫度變化曲線由圖表14可以看出，林層、灌層和草層溫度變化的幅度都比較大，總體上呈一致相關(guān)性，一致增加或者減小。而當(dāng)中變化幅度以林層最大，灌層和草層相應(yīng)比較小，這是因?yàn)榱謱犹幱谥脖蝗郝渖喜?，氣溫受到多種復(fù)雜條件制約，雖有林內(nèi)調(diào)節(jié)，但仍是高度不穩(wěn)定的，而灌層和草層處于群落內(nèi)部，受外界影響相對比較小，并且群落內(nèi)部溫度在一

14、定范圍內(nèi)可以自我調(diào)節(jié)，所以溫度變化幅度比較小。同時(shí)它也影響著各個(gè)層次CO2體積分?jǐn)?shù)的空間分布。因?yàn)槿郝鋬?nèi)部各個(gè)層次CO2體積分?jǐn)?shù)的分布除受到植物光合作用和土壤呼吸，還有受到植物呼吸作用控制，而溫度直接決定著其呼吸快慢，這也是造成各個(gè)層次CO2體積分?jǐn)?shù)有較大差異的原因之一。從系統(tǒng)分析的觀點(diǎn)出發(fā)，對近地表空氣CO2體積分?jǐn)?shù)的影響因素有：大氣CO2本底值（V/V約為350×10-6左右）；土層中CO2向大氣釋放；植被層白天的光合作用消耗CO2；植被層夜間的呼吸作用排出CO2。由上述幾項(xiàng)造成了今地表空氣CO2體積分?jǐn)?shù)的變化，因此，最大值出現(xiàn)的層位幾乎均為0 cm（地面），個(gè)別出現(xiàn)在冠層處，這

15、與圖15顯示的研究結(jié)果相一致。圖15 林地植被-空氣系統(tǒng)CO2體積分?jǐn)?shù)變化曲線由圖表15還可以知道，總體上，林層、灌層和草層各層次的CO2體積分?jǐn)?shù)呈一致性地升高或者降低，但隨著外界條件的改變其變化的幅度從大到小依次為草層、灌層和林層，這可能是因?yàn)榱謱犹幱谡麄€(gè)觀測樣地植被群落的上層，通風(fēng)良好，受到外界的影響最大（如風(fēng)向，風(fēng)速，動(dòng)物等影響），CO2的產(chǎn)生和聚集受到制約因此，處于相對一個(gè)穩(wěn)定的體積分?jǐn)?shù)值。而灌層、草層處于植被群落的中下部，屬于群落內(nèi)部，處于相對比較封閉的狀態(tài)，空氣流動(dòng)性較差，CO2的產(chǎn)生和聚集更容易，受土壤呼吸影響作用較大，因而變化比較劇烈。4 結(jié)論與討論對林地表層巖溶生態(tài)系統(tǒng)和裸地

16、表層巖溶生態(tài)系統(tǒng)CO2體積分?jǐn)?shù)的觀測，揭示了表層巖溶生態(tài)系統(tǒng)CO2體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律，這種變化與土壤溫度有密切關(guān)系。林地植被顯示平抑這種動(dòng)態(tài)效應(yīng)。而裸地則顯示響應(yīng)與溫度變化的較靈敏的動(dòng)態(tài)變化，這中短尺度變化構(gòu)成了表層巖溶生態(tài)系統(tǒng)外界條件靈敏的響應(yīng)。同時(shí)還揭示了在土壤微生物作用下巖溶地質(zhì)作用在碳循環(huán)過程的靈敏性和動(dòng)態(tài)性。不同植被系統(tǒng)下的動(dòng)態(tài)差異在解釋巖溶沉積記錄和討論巖溶作用與碳循環(huán)的關(guān)系時(shí)值得充分注意。參考文獻(xiàn)：1 袁道先. 地球系統(tǒng)的碳循環(huán)和資源環(huán)境效應(yīng)J. 第四紀(jì)研究, 2001, 21(3): 223-232.2 袁道先. 現(xiàn)代巖溶學(xué)和全球變化研究J. 地學(xué)前緣, 1997, 4(1-2)

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19、715, China; 2. Fuling Normal College, Chongqing 40005, ChinaAbstract: Recent studies on karst process and terrestrial carbon cycling have concentrated on dynamics of carbon fluxes among soil, air, and water in association with the carbon isotopic equilibrium. This investigation aims at depicting change of CO2 concentration in epikarst under different vegetations in summe