董莉茹，許明祥，孫 會

(1 西北農(nóng)林科技大學 林學院，陜西 楊凌 712100；2 中國科學院水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；3 中國科學院水土保持研究所 安塞水土保持綜合試驗站，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，已有許多學者對土壤表層碳通量的變化情況進行了研究，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一步明確土壤碳對氣候變化的反饋作用[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，導致不同深度土壤的擴散系數(shù)計算公式有所不同，因此，選擇合適的擴散系數(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散模型對不同深度的土壤碳通量進行估算，同時與Li-8100動態(tài)腔室測量結(jié)果進行比較，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確計算提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗樣地設(shè)在陜西省安塞縣紙坊溝，地理坐標為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。由于水土流失嚴重,自20世紀70年代以來,該區(qū)逐步實施了大規(guī)模的生態(tài)恢復重建工程,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點作為重復，用土鉆打孔，每點分別在距地面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的擴散系數(shù)，Da=1.47×10-5m2/s；ε表示CO2在土壤中的相對擴散系數(shù)。

常用的計算ε的經(jīng)驗?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，以便于檢驗用擴散法計算土壤碳通量的準確程度。為防止土壤環(huán)境變動對試驗造成影響，于測量前1 d在5塊樣地的3個重復樣點上分別布設(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，并進行線性回歸分析，采用SPSS 13.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 擴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擴散法計算土壤碳通量。本研究選取5種常用的氣體擴散系數(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腔室法實測值存在一定差異；在5種CO2擴散系數(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測值；Moldrup-2000模型計算值與實測值差異最小。

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測值的回歸分析 用5種擴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)與實測值(x)進行線性回歸分析，結(jié)果見表7。表7顯示，用擴散法計算的土壤碳通量與其實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擴散系數(shù)模型計算的土壤碳通量與其實測值相關(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)，利用擴散法對不同深度土壤碳通量進行計算時，必須進行適當?shù)男Ｕ拍艿玫捷^為真實合理的結(jié)果。利用擴散模型計算不同深度土壤碳通量時，關(guān)鍵在于準確測量不同深度土壤CO2濃度并選取合適的擴散系數(shù)模型[9,17]。已有大量學者通過野外試驗和室內(nèi)模擬的方法總結(jié)出一些擴散系數(shù)經(jīng)驗?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行了整合，是更為精確的擴散系數(shù)模型。Pingintha等[23]使用與本研究相同的5種擴散模型計算土壤碳通量，結(jié)果顯示，擴散法計算結(jié)果大于實測值；線性回歸分析顯示，5種擴散模型計算的土壤碳通量與實測值均存在顯著相關(guān)性，其中Moldrup模型計算結(jié)果與實測值的相關(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測值小于擴散法計算結(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)果最接近實測值，表明Moldrup-2000模型在對之前幾個模型整合后，能夠更準確地模擬土壤CO2的擴散過程[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測值較其他土層準確。已有研究發(fā)現(xiàn)，在中國北方杉木林 10，20，40，60，80 cm土層，土壤氣體擴散系數(shù)依次為 0.14，0.16，0.15，0.18，0.36。本試驗通過比較分析，得出適用于黃綿土0，20，80，140，200 cm土層的土壤氣體擴散系數(shù)分別為0.15，0.14，0.20，0.22，0.27。

本試驗利用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，土壤有機碳含量降低，這將導致土壤碳通量減少；同時，各土層有機碳含量和根系生物量與擴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)果進行對比，這樣有助于得到更真實的數(shù)據(jù)。本試驗中，5種擴散系數(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研究有重要科學意義。

4 結(jié) 論

1) 對土壤剖面碳通量數(shù)據(jù)進行校正是必要的，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種擴散模型計算的土壤碳通量均大于Li-8100腔室法得到的實測結(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。

[參考文獻]

[1] Risk D,Kellman L,Beltrami H.In-situ incubations highlight the environmental constrains on soil organic carbon decomposition [J].Environmental Research Letters,2008,3:1-5.

[2] Pumpanen J,Ilvesniemi H,Kulmala L,et al.Respiration in boreal forest soil as determined from carbon dioxide concentration profile [J].Soil Science Society of America Journal,2008,72(5):1187-1196.

[3] Fang C,Monerieff J B.The dependence of soil CO2efllux on temperature [J].Soil Biology Biochemistry,2001,33:155-165.

[4] 王 超,楊智杰,陳光水,等.土壤垂直剖面CO2通量研究 [J].亞熱帶資源與環(huán)境學報,2010,5(4):1673-1705.

Wang C,Yang Z J,Chen G S,et al.Research on the flux of carbon dioxide in soil vertical profile [J].Journal of Subtropical Resources and Environment,2010,5(4):1673-1705.(in Chinese)

[5] 楊智杰,陳光水,黃石德,等.中亞熱帶山區(qū)不同土地利用方式土壤呼吸的日動態(tài)變化 [J].亞熱帶資源與環(huán)境學報,2009,2(4):39-46．

Yang Z J,Chen G S,Huang S D,et al.Diurnal variation in soil respiration under different types of land use in a mid-subtropical mountainous area of southern China [J].Journal of Subtropical Resources and Environment,2009,2(4):39-46.(in Chinese)

[6] Liang N,Hirano T,Zheng Z M,et al.Continuous measurement of soil CO2efflux in a larch forest by automated chamber and concentration gradient techniques [J].Biogeosciences Discussions,2010,7(1):1345-1375.

[7] Baldocchi D,Tang J W,Xu L K.How switches and lags in biophysical regulators affect spatial-temporal variation of soil respiration in an oak-grass savanna [J].Journal Geophysical Research,2006,111(G2):479-492.

[8] Myklebust M C,Hipps L E,Ryel R J.Comparison of eddy covariance,chamber,and gradient methods of measuring soil CO2efflux in an annual semi-arid grass [J].Agricultural and Forest Meteorology,2008,148(11):1894-1907.

[9] Davidson E A,Trumbore S E.Gas diffusivity and production of CO2in deep soils of the eastern Amazon [J].Tellus B,1995,47(5):550-565.

[10] Chen L D,Gong J,Fu B J,et al.Effect of land use conversion on soil organic carbon sequestration in the Loess Hilly Area,Loess Plateau of China [J].Ecological Research,2007,22:641-648.

[11] 徐 勇,田均良,沈洪泉,等.生態(tài)重建磨蝕的評價方法:以黃土丘陵區(qū)為例 [J].地理學報,2004,59(4):621-628.

Xu Y,Tian J L,Shen H Q,et al.The evaluating method of eco-environment restoration patterns:A case study of loess hilly-gully region [J].Acta Geographica Sinica,2004,59(4):621-628.(in Chinese)

[12] Liu G B.Soil conservasion and sustainable agriculture on the Loess Plateau:Challenges and prospects [J].Ambio,1999,28:663-668.

[13] Davidson E A,Kathleen E,Susan E,et al.Vertical partitioning of CO2production within a temperate forest soil [J].Global Change Biology,2006,12:944-956.

[14] Risk L K,Beltrami H.Carbon dioxide in soil profiles:Production and temperature dependence [J].Geophysical Research letter,2002,11:1-4.

[15] 戴萬宏,王益全,黃 耀,等.土壤剖面CO2濃度的動態(tài)變化及其受環(huán)境因素的影響 [J].土壤學報,2004,41(5):827-831.

Dai W H,Wang Y Q,Huang Y,et al.Seasonal dynamic of CO2concentration in lou soil andimpact by environmental factors [J].Acta Pedologica Sinica,2004,41(5):827-831.(in Chinese)

[16] 方肇倫.儀器分析在土壤學和生物學中的應(yīng)用 [M].北京:科學出版社,1983:186-218.

F Z L.Instrument analysis in soil science and biology applications [M].Beijing:Science Press,1983:186-218.(in Chinese)

[17] Buckingham E.Contributions to our kowledge of the aeration of soils [M].Washington DC,USA:USA Government Printing Office,1904:25.

[18] Penman H L.Gas and vapour movements in the soil:Ⅰ.The diffusion of vapours through porous solids [J].The Journal of Agricultural Science,1940,30(3):437-462.

[19] Millington R J.Gas diffusion in porous media [J].Science,1959,130(3367):100-102.

[20] Millington R J,Quirk J P.Permeability of porous solids [J].Transactions of the Faraday Society,1961,57:1200-1207.

[21] Moldrup P,Olesen T,Rolston D E,et al.Modeling diffusion and reaction in soils:Ⅶ.Predicting gas and ion diffusivity in undisturbed and sieved soils [J].Soil Science,1997,162(9):632-640.

[22] Moldrup P,Olesen T,Gamst J,et al.Predicting the gas diffusion coefficient in repacked soil:Water-induced linear reduction model [J].Soil Science Society of America Journal,2000,64(5):1588-1594.

[23] Pingintha N,Leclerc M Y,Beasley J P J,et al.Assessment of the soil CO2gradient method for soil CO2efflux measurements:Comparison of six models in the calculation of the relative gas diffusion coefficient [J].Tellus B,2010,62(1):47-58.

[24] 王 超,黃群斌,楊智杰,等.杉木人工林不同深度土壤CO2通量 [J].生態(tài)學報,2011,31(19):5711-5719.

Wang C,Huang Q B,Yang Z J,et al.Analysis of vertical profiles of soil CO2efflux in Chinese fir plantation [J].Acta Ecologica Sinica,2011,31(19):5711-5719.(in Chinese)

[25] 馬昕昕，許明祥，楊 凱.黃土丘陵區(qū)刺槐林深層土壤有機碳礦化特征初探 [J].環(huán)境科學，2012,33(11):3894-3900.

Ma X X,Xu M X,Yang K.Soil organic carbon mineralization of Blacle Locust Forest in the deep soil layer of the Hilly Region of the Loess Plateau,China [J].Environmental Science,2012,33(11):3894-3900.(in Chinese)