青藏高原多年凍土區(qū)土壤co

青藏高原多年凍土區(qū)土壤co

1氣候變化與土壤co濃度剖面分布co2是最重要的溫室氣體之一，其對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率約為63.7%。從19世紀(jì)中葉開始，經(jīng)濟(jì)衰退的氣體濃度在1.0km至2.0km之間。從185年代的280毫升到m-3，從革命初期的150毫升到氣體的2.0%。增加溫室氣體濃度約28%。從185年的280毫升到m-3，再增加到1999年的367毫升m-3。增加溫室氣體濃度會(huì)增加溫室效應(yīng)，增加世界的平均氣溫。在過去的140年里，世界人均平均氣溫上升到約0.6，這是向前發(fā)展的?；谶@一事實(shí)，2001年的piccc（通志發(fā)票的隨機(jī)化轉(zhuǎn)變）預(yù)測，到2000年，世界平均氣溫將上升1.4.5.8。在這種背景下，青藏高原的常年凍土區(qū)呈不同程度的梯度下降，這可能會(huì)導(dǎo)致多年來大量土壤中的有機(jī)碳儲(chǔ)量減少，并以co的形式進(jìn)入大氣。土壤co的性質(zhì)和排放過程會(huì)發(fā)生顯著變化。CO2是土壤氣體的重要組成部分,土壤氣體CO2濃度一般高于大氣幾倍到數(shù)十倍,甚至上百倍.土壤氣體中CO2主要來源于植物根系呼吸和微生物對土壤有機(jī)碳的分解,其濃度主要受控于生物因素(植物根系、土壤有機(jī)碳含量、土壤微生物活性等)和環(huán)境因素(土壤理化性質(zhì)、溫度、含水量等).青藏高原多年凍土區(qū)小范圍內(nèi)變化復(fù)雜的地貌特征對生物因素和環(huán)境因素產(chǎn)生著重要影響,進(jìn)而可能對土壤中CO2濃度造成影響.土壤氣體CO2濃度影響著土壤向大氣的CO2釋放通量,同時(shí)對植物根系生長有很大影響.研究土壤氣體CO2濃度剖面分布及其與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系,有助于揭示土壤中CO2產(chǎn)生、積累、運(yùn)輸以及向大氣排放的生物和物理過程,在全球變化研究中有重要意義.國外已在森林、草地和農(nóng)田土壤開展了較長時(shí)間的土壤CO2濃度觀測研究,得出土壤CO2濃度變化與土壤CO2排放通量有明顯相關(guān)性的結(jié)論.裴志永等在青藏高原高寒草甸的研究也得出同樣的結(jié)論.由于獨(dú)特的自然條件和地理位置,青藏高原不僅對全球氣候變化極為敏感,同時(shí)也在區(qū)域甚至全球尺度上對氣候變化起著調(diào)節(jié)作用.分布在青藏高原多年凍土區(qū)的高寒草地面積達(dá)1.059×109hm2,占全國北方草原區(qū)2.105×109hm2可利用草地面積的48.2%,因而探討青藏高原高寒草地土壤CO2濃度分布特征及其對CO2釋放的貢獻(xiàn)和影響就顯得極其重要.但我國在這一地區(qū)的研究和報(bào)道很少,尤其是對多年凍土區(qū)土壤CO2濃度剖面分布的研究更少.本研究通過對青藏高原多年凍土區(qū)3種典型植被(高山干草原、高山草原和高山草甸)下的土壤剖面CO2濃度的定位觀測,初步揭示多年凍土區(qū)不同草地類型土壤剖面CO2濃度的分布特征及其動(dòng)態(tài)變化特征.2材料和方法2.1年凍土活動(dòng)層研究區(qū)位于青藏公路沿線北麓河附近(34°51.26′N,92°56.35′E,海拔4628m)青藏鐵路兩側(cè)的沖、洪積高平原上.該地屬青藏高原干寒氣候區(qū),寒冷干旱,年均氣溫為-5.2℃,年均降水量290.9mm,年均潛在蒸發(fā)量1316.9mm,年均風(fēng)速4.10m·s-1.年內(nèi)凍結(jié)期長達(dá)7～8個(gè)月,凍結(jié)期為9月至翌年4月,多年凍土活動(dòng)層厚度一般為2～3m,最大為3.4m,最小為1.7m.3個(gè)觀測點(diǎn)均位于北麓河試驗(yàn)站附近的無名河畔,觀測深度位于多年凍土活動(dòng)層之中.根據(jù)地貌和植被特征,選擇了高寒干草原(觀測點(diǎn)1)、高寒草甸(觀測點(diǎn)2)和高寒草原(觀測點(diǎn)3)3種植被類型下的土壤.其中,觀測點(diǎn)1的植被主要由旱生叢生禾草組成,主要建群種是沙生針茅(Stipaglareosa),主要伴生種有高原芥(Christoleacrassifolia)、冰川棘豆(Oxytropisglacialis)等,植被蓋度為70%左右,土壤為石灰寒凍砂質(zhì)新成土(亞類).觀測點(diǎn)2位于低洼地帶,植被建群種為高山蒿草(Kobresiapygmaea)、矮生蒿草(K.humilis)、線葉蒿草(K.capilifolia)等.此外,蓼科的珠芽蓼(Polygonumviviparum)也較為常見.植被蓋度達(dá)90%左右,土壤為石灰草氈寒凍雛形土(亞類).觀測點(diǎn)3位于平緩地帶,植被蓋度較低,約50%,物種組成簡單,建群種為紫花針茅(Stipapurpurea)、羽柱針茅(Sebasiplumosa)、羊茅(Festucasp)等,土壤為石灰簡育寒凍雛形土(亞類).2.2學(xué)習(xí)方法2.2.1土壤碳、無機(jī)碳的表征在3個(gè)觀測點(diǎn)活動(dòng)層不同深度埋設(shè)自制采集器,從2005年1月開始采集土壤氣體樣品,測定其中CO2濃度.所用儀器為裝有FID檢測器的HP-6890型氣相色譜儀,使用的分離柱為13X分子篩,載氣為He.H2為燃?xì)?空氣為助燃?xì)?流速分別為:30mL·s-1,60mL·s-1,450mL·s-1.檢測器、分離柱溫度分別為275℃和375℃.標(biāo)準(zhǔn)氣體采用國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心提供的CO2濃度為380mL·m-3的一級標(biāo)準(zhǔn).在布設(shè)采樣通道時(shí),采取土樣,測定其性質(zhì).測定土壤有機(jī)碳時(shí)稱取<0.2mm風(fēng)干樣20mg兩份,一份在900℃條件下灼燒,測定土壤總碳(TC);另一份加濃磷酸后加熱到250℃測定土壤無機(jī)碳(IC),土壤有機(jī)碳(TOC)=TC-IC.測定是在Shimazu5000A上按標(biāo)準(zhǔn)程序完成的.輕組(LF)和重組(HF)土壤的分組采用Gregorich-Ellert方法;微生物體C(MB-C)用熏蒸法測定;土壤水溶性C(WDOC)在Shimazu5000A上用測定液體中的有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)程序(680℃)測定WDOC.2.2.2帶孔螺帽采樣通道氣體采樣器(圖1)為聚四氟管(外徑3mm,內(nèi)徑1mm),一端安裝鐵制注射器針頭,把聚四氟管另一端通入鐵制采集器管(外徑8mm,內(nèi)徑4mm),露出部分通過三通閥門與30mL注射器相連接,注射器針頭與采集器管之間用帶孔螺帽進(jìn)行固定.采樣通道(圖2)采樣通道為外徑16mm\,內(nèi)徑10mm的不銹鋼鋼管,埋入地下一端為帶孔螺帽,并墊有乳膠塞.采集器前端針頭可以刺透乳膠塞并抽取土壤氣體樣品;地上一端為無孔螺帽,無乳膠塞.在高寒干草原、高寒草原和高寒草甸各選取一個(gè)觀測點(diǎn)埋置采樣通道(由于地質(zhì)原因,高寒草甸160cm和180cm深度未能埋置采樣通道),并設(shè)置3個(gè)重復(fù).采樣通道于2004年10月份埋入樣地土壤中,取樣2005年1月開始,于1月31日、2月20日、3月13日、3月27日、4月9日、4月20日、5月6日、5月17日、5月29日共取樣9次.3結(jié)果與分析3.1活動(dòng)層土壤氣體濃度二維的剖面分布特征3.1.1土壤深度對土壤co濃度的影響用每個(gè)深度在整個(gè)觀測期間9次采樣取得的CO2濃度平均值進(jìn)行3種草地土壤CO2濃度的剖面分布特征分析(圖3),可以看出,土壤剖面CO2濃度分布整體上呈現(xiàn)上低下高分布規(guī)律.3種土壤CO2濃度從10cm深度開始降低,在20cm深度達(dá)到極小值以后開始隨土壤深度增加而增大.石灰寒凍砂質(zhì)新成土和石灰簡育寒凍雛形土在180cm深度達(dá)到最大值,石灰草氈寒凍雛形土在120cm深度達(dá)到最大值,石灰寒凍砂質(zhì)新成土和石灰草氈寒凍雛形土分別在140cm和160cm出現(xiàn)小的波動(dòng),呈現(xiàn)下降趨勢.但這并不影響3種測試土壤CO2濃度的剖面分布特征的相似性,基本上反應(yīng)出觀測期間土壤氣體CO2濃度隨土壤深度增加而升高的規(guī)律.觀測期CO2濃度表現(xiàn)出隨土壤深度的增加而升高的趨勢;一方面是因?yàn)橥寥郎蠈拥腃O2更容易逸出到大氣中,另一方面是因?yàn)槭芡寥烙袡C(jī)碳分布狀況的影響.石灰簡育寒凍雛形土和石灰寒凍砂質(zhì)新成土這種趨勢更突出.石灰草氈寒凍雛形土在100cm深度出現(xiàn)最大CO2濃度值,石灰寒凍砂質(zhì)新成土和石灰簡育寒凍雛形土在180cm深度出現(xiàn)最大CO2濃度值,其深度與土壤有機(jī)碳最小值分布深度基本一致(圖4).在3種觀測土壤中,最小CO2濃度值的出現(xiàn)深度與土壤有機(jī)碳最大值分布深度有差別:3種觀測土壤中土壤有機(jī)碳最大值出現(xiàn)在0～10cm深度,而最小CO2濃度值出現(xiàn)在20cm深度,其主要原因?yàn)?觀測時(shí)間處于活動(dòng)層的春季升溫過程和夏季融化過程初期,隨著氣溫的升高,地表附近土壤中微生物數(shù)量和活性以及植物根系呼吸作用開始增強(qiáng),地表附近土壤中CO2濃度升高.3種觀測土壤中CO2濃度在20cm以下深度都開始升高,主要是下層根系和微生物呼吸產(chǎn)生的CO2向大氣中擴(kuò)散受到影響所致.3.1.3殘?bào)w有機(jī)碳貯量與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系用每個(gè)深度在整個(gè)觀測期間9次采樣取得的CO2濃度平均值與土壤有機(jī)碳的實(shí)測數(shù)據(jù)做回歸分析(共222個(gè)樣本)(表1).結(jié)果表明:在凍結(jié)和升溫過程中,多年凍土活動(dòng)層中CO2濃度也受土壤有機(jī)碳含量影響,與重組有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳和植物殘?bào)w有機(jī)碳貯量關(guān)系密切.由于微生物碳集中分布在土壤表層的特征以及低溫對微生物活性的限制和水的凍結(jié)作用,多年凍土活動(dòng)層中CO2濃度與微生物碳和水溶性碳相關(guān)關(guān)系不明顯.在整個(gè)觀測期間,石灰寒凍砂質(zhì)新成土CO2濃度與土壤總有機(jī)碳、重組有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳和植物殘?bào)w有機(jī)碳貯量呈顯著的正相關(guān)(R2分別為0.787、0.849、0.830和0.511);石灰草氈寒凍雛形土CO2濃度與土壤總有機(jī)碳和重組有機(jī)碳貯量呈顯著的正相關(guān)(R2分別為0.615和0.647);石灰簡育寒凍雛形土CO2濃度與土壤總有機(jī)碳、重組有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳和植物殘?bào)w有機(jī)碳貯量線性相關(guān)關(guān)系不顯著,但與水溶性碳貯量呈顯著的正相關(guān)(R2為0.707).可以看出,土壤總有機(jī)碳貯量及其各組分貯量對凍土CO2濃度有顯著影響.3.1.4各深度土壤水分與土壤溫度的關(guān)系土壤溫度和水分是影響土壤氣體CO2濃度的最重要的環(huán)境因素,在凍土季節(jié)變化的春季升溫階段和夏季融化階段初期,它們一方面通過影響微生物活性而影響土壤CO2產(chǎn)生;另一方面也影響CO2在土壤中的擴(kuò)散.觀測結(jié)果表明,土壤CO2濃度(表2)與同期土壤溫度的剖面分布(圖5)有明顯的一致性,整體上呈現(xiàn)出CO2濃度隨土壤溫度升高而增加的趨勢,而與土壤水分條件的關(guān)系較復(fù)雜.回歸分析表明,3種土壤各深度土壤氣體CO2濃度與土壤溫度呈極顯著的正相關(guān)(R2變化在0.673～0.788,p<0.01),與100cm以下各深度土壤水分的相關(guān)關(guān)系不明顯(R2變化在0.216～0.433),而在100cm以上各深度與土壤水分有明顯的相關(guān)關(guān)系(R2變化在0.545～0.723)(圖6).觀測期間土壤溫度變化可以解釋土壤剖面上CO2濃度變異的67.3%～78.8%,土壤水分變化可以解釋100cm以上部分土壤剖面上CO2濃度變異的54.5%～72.3%.這說明土壤氣體CO2濃度主要受土壤溫度的影響,在100cm以上各深度土壤氣體CO2濃度同時(shí)受土壤溫度和含水量的共同影響,且有交互效應(yīng).采樣時(shí)期處于活動(dòng)層的春季升溫過程至夏季融化過程初期,3個(gè)采樣點(diǎn)土壤氣體CO2濃度變化呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性.從表2可以看出,3種觀測土壤CO2濃度變化有相同之處:春季升溫過程3種觀測土壤CO2濃度呈現(xiàn)一個(gè)峰,并在3月中旬達(dá)到最高值,這可能與活動(dòng)層凍結(jié)對土壤CO2的閉蓄作用有關(guān);之后,隨著溫度的繼續(xù)升高,活動(dòng)層開始的日凍融過程使100cm以上土壤水分減少,土壤通透性變好,活動(dòng)層融化所釋放的CO2更容易通過地-氣交換排放到大氣中,使土壤氣體的CO2濃度開始降低;隨著溫度進(jìn)一步升高,植物根系呼吸作用和土壤微生物活動(dòng)加強(qiáng),土壤氣體CO2濃度開始升高.觀測其間3種土壤在100cm以下深度土壤體積含水量都在100%以上,并且變化不大,基本上處于恒定狀態(tài),其對觀測期間土壤CO2濃度季節(jié)變化的影響可以忽略不計(jì).0～80cm土壤水分含量在4月下旬開始明顯上升,與土壤CO2濃度在夏季融化階段開始上升具有一致性.4氣調(diào)改造對青海湖凍土區(qū)2年生由于試驗(yàn)區(qū)范圍很小,降水量、蒸發(fā)量和大氣溫度不同所造成的影響可以被排除.但由于微地形變化的復(fù)雜性而導(dǎo)致了成土母質(zhì)和土壤水熱條件在小范圍內(nèi)顯著變異,所形成的不同土壤呈斑塊狀嵌套分布.這一成土條件和土壤類型分布模式在青藏高原多年凍土區(qū)具有很強(qiáng)的代表性.研究結(jié)果顯示:由于水熱條件和成土母質(zhì)的差異造成的植被類型和有機(jī)碳剖面分布特征的不同是造成3種觀測土壤CO2濃度剖面分布差異的重要原因,由此可以推斷出青藏高原多年凍土區(qū)的土壤氣體CO2濃度變化范圍空間變異性很強(qiáng).特別是考慮到降水量、蒸發(fā)量、溫度等氣象因子和地貌特征在大范圍內(nèi)存在顯著差異的情況下,土壤氣體CO2濃度變化在該地區(qū)大范圍內(nèi)存在顯著空間變異是必然結(jié)果.土壤氣體中的CO2有2個(gè)重要來源,一是植物根系呼吸,二是土壤微生物分解有機(jī)碳.Brouchkovetal.研究發(fā)現(xiàn):在-6℃的凍土中依然有微生物活動(dòng);馮虎元等研究表明:北麓河地區(qū)的高山草甸和草甸化草原植被下的活動(dòng)層和多年凍土層土壤中,微生物對有機(jī)碳的分解活動(dòng)常年進(jìn)行著.觀測期間大部分時(shí)間活動(dòng)層處于凍結(jié)狀態(tài),植被根系呼吸作用所產(chǎn)生的CO2可以忽略不計(jì),土壤氣體中的CO2主要來源于微生物對土壤有機(jī)碳的分解和由于地表凍結(jié)的閉蓄作用造成冬季或晚秋釋放的CO2被束縛在凍土活動(dòng)層中.本研究結(jié)果還無法區(qū)分活動(dòng)層凍結(jié)時(shí)期微生物對土壤有機(jī)碳的分解和由于地表凍結(jié)的閉蓄作用造成CO2被束縛在土壤中對土壤氣體CO2濃度影響的相對重要性.在全球氣溫升高和該地區(qū)凍土地溫升高的背景下,低溫對土壤氣體CO2濃度的限制將減弱,CO2在土壤的垂直和水平空間變異有可能會(huì)加劇.同時(shí),低溫對土壤有機(jī)碳庫分解的限制作用也會(huì)減弱,龐大的土壤有機(jī)碳庫對氣候環(huán)境的影響將不容忽視.5土壤剖面co濃度變化范圍(1)土壤剖面上土壤氣體CO2濃度呈現(xiàn)比較規(guī)律的上低下高分布特征.在動(dòng)態(tài)變化方面,土壤中CO2濃度在活動(dòng)層年變化過程的春季升溫過程(3月中旬)呈現(xiàn)一個(gè)峰值,經(jīng)過短暫的降低后隨夏季融化過程開始,于3月底到4月中下旬CO2濃度開始升高.(2)土壤剖面CO2濃度與土壤有機(jī)碳貯量和土壤溫度呈明顯的相關(guān)關(guān)系;在100cm以上深度與土壤水分呈明顯的相關(guān)關(guān)系.在整個(gè)觀測期間,3種觀測土壤剖面土壤氣體CO2濃度變化范圍高于我國塿土CO2濃度變化范圍,也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于青藏高原五道梁地區(qū)高寒草原土壤氣體CO2濃度變化范圍;石灰簡育寒凍雛形土和石灰寒凍砂質(zhì)新成土CO2濃度變化范圍低于國外報(bào)道的草地和農(nóng)田CO2