青海湖南侧土壤CO2浓度变化特征研究

侯雨乐，胡 尧，廖光萍

(1．阿坝师范学院，四川 汶川 623002；2. 陕西师范大学旅环学院，陕西 西安 710061)



青海湖南侧土壤CO2浓度变化特征研究

侯雨乐1,2，胡 尧1，廖光萍1

(1．阿坝师范学院，四川 汶川 623002；2. 陕西师范大学旅环学院，陕西 西安 710061)

通过连续6年(2009-2014年)对青海湖南侧不同植被条件下土壤CO2和空气中CO2的浓度的定点检测试验，研究了该区土壤CO2浓度变化特点、规律及其主要影响因素。不同植被相同深度CO2浓度变化规律：高草地CO2浓度明显高于裸地；高草地的小时平均浓度是裸地的4.74倍，而且茂密高草地的CO2浓度的变化曲线更加平缓。温度是影响该区土壤CO2浓度的主要因素。统计学分析表明，青海湖南侧地区CO2浓度的变化与温度呈显著的正相关关系(P<0.05)；并且随着全球CO2浓度的增加，青海湖南侧地区土壤CO2浓度仍有持续增加的趋势。

江西沟乡，土壤CO2浓度变化；高草地

大气CO2浓度增加是造成全球气候变化的首要原因，自工业革命以来空气中CO2浓度迅速增加，而陆地土壤碳库储量约是大气碳库储量的3倍[1]，土壤CO2排放量在全球CO2土壤-大气交换和大气CO2浓度变化中起着重要作用[1]。土壤碳库的微小变化都会影响大气CO2浓度乃至全球气候的变化，从20世纪80年代初开始，随着气候变化对全球生态环境的影响日益增大，CO2浓度升高对陆地生态系统影响成为了全球气候变化研究的热点[2-3]。土壤碳循环是全球碳循环的重要组成部分和研究热点之一[4-5]，是土壤碳库的主要输出途径和大气CO2重要的源。目前国内外针对土壤CO2浓度的研究大量集中于森林和草地生态系统[6-8]，而针对于高海拔草地生态系统土壤CO2的浓度长期研究较少，研究高海拔草地生态系统土壤CO2的变化规律显得极其重要。有鉴于此，笔者通过连续6年(2009-2014年)对青海湖南侧不同植被条件下土壤CO2和空气中CO2的浓度的定点检测试验，研究和分析了该区土壤CO2浓度变化特点、规律及其主要影响因素，对于估算真实的土壤呼吸速率、理解土壤呼吸的调控机理等有重要意义，为推动高海拔地区土壤碳循环和碳固定的研究提供了科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于青海湖南侧青海省藏区畜牧业经济比重较大的江西沟乡(N35°30′～37°21′，E99°20′～105°30′)，位于青海湖南部的湖滨平原，地势由南向北部倾斜，海拔约3100 m，典型的高原大陆性气候，海拔高，空气稀薄，干旱少雨，气候温凉，日照充足，昼夜温差大，蕴藏着极为丰富的光能资源，年平均日照时数2907.8 h，年平均气温4.1 ℃，≥10 ℃年积温3000～3500 ℃，无霜期250 d，年均降水量250～450 mm，主要集中在5-9月。地形以高原山地为主，平均海拔3200 m，最高峰海拔5290 m[9]。由于该区山体相对高差大，使大气降水、植被及土壤类型具有明显的分布规律，草地类型主要可以分为山地干草原、山地草甸草原、山地草甸3种(高草地)和裸地，土壤类型主要包括草甸土、灰褐土、红褐土和黑垆土等。

1.2 研究方法

采用野外调查和室内分析相结合的方法，于2009年9月至2014年9月在青海湖南侧江西沟乡靠近青海湖农场(野外定位站)选取平坦且未受人类干扰的高草地和裸地作为样地类型，每个样地重复选取4个，高草地土层深厚，植被高度约为30～60 cm，盖度≥80，裸地植被稀疏，盖度≤10，每个样地面积大小约为100 m×100 m，分别在每个样地内随机取10个样点，利用轻型人力钻打出不同深度的钻孔，采样深度分别为200、100 和50 cm，并同时测量了地上100 cm高度的CO2浓度作为对比，使用红外CO2检测仪进行不同深度土壤CO2浓度以及离地面CO2浓度的测定，并记录样地主要生境因子，采用美制GPS确定样地和采样点所在的经(G)纬(L)度，海拔表测所选样地海拔高度(H)，在2009年9月至2014年9月测定高草地和裸地土壤CO2浓度的年际变化。

1.3 数据处理

统计分析：利用SPSS 18.00统计分析软件进行相关分析和差异性检验，并进行逐步回归分析，LSD进行多重分析比较，Excel 2007作图。

2 结果与分析

2.1 高草地土壤CO2浓度的变化

2.1.1 高草地土壤100 cm深处CO2浓度的变化 由图1可知，高草地土壤地下100 cm深度处的CO2浓度变化范围在0.282～0.320，小时平均浓度为0.299。在08：15-11：15期间，CO2浓度在范围在0.288 %～0.320 %之间波动。在11：15-14：15期间CO2浓度变化较小，范围在0.294 %～0.298 %。在15：15-19：15期间CO2浓度持续上升，范围在0.282 %～0.313 %。最高值出现在08：15和10：15，最低值出现在15：15。结合温度变化趋势，看出12：15-17：15这个时间段CO2浓度的峰值出现时间与土壤空气温度的峰值出现时间基本一致。

2.1.2 高草地土壤100 cm高度空气CO2浓度的变化 由图2可知，高草地土壤地上100 cm处CO2浓度的变化范围从0.009 %～0.030 %，平均小时浓度为0.017 %。在08：15-11：15期间，CO2浓度在0.018 %～0.030 %波动。在12：15-18：15期间，CO2浓度的变化较小，范围在0.014 %～0.018 %。然后在19：15下降至0.009 %。其中CO2浓度最高值出现在10：15，最低值出现在19：15。结合气温变化曲线，发现CO2浓度的变化趋势与温度变化趋势基本一致。

2.1.3 高草地土壤不同高度处CO2浓度的变化 由图3可知，高草地土壤不同深度处的CO2浓度变化趋势基本一致，但是各深度的浓度差异较大。其中地下50 cm深处的CO2浓度与地上100 cm高度处的浓度差异显著。地下50 cm深度处的小时平均浓度是地上100 cm高度处的20.65倍，小时最高浓度是地上100 cm高度处的14.3倍，小时最低浓度是地上100 cm处的36.4倍。小时平均浓度最高的为50 cm深度，其次是100 cm深度，再次是200 cm深度，最低的为地上100 cm高处。地上100 cm深度浓度最低与前面实验结果一致，地下部分随着深度的增加CO2浓度反而降低，与之前实验结果恰好相反。

图1 高草地土壤100 cm深处CO2浓度的变化Fig.1 Changes of soil CO2 concentration in the depths of 100 cm at high grassland

图2 高草地土壤地上100 cm高度CO2浓度的变化Fig.2 Changes of CO2 concentration on the ground 100 cm height at high grassland

图3 高草地不同高度处CO2浓度的变化Fig.3 Changes of CO2 concentration at different heights CO2 concentration at high grassland

图4 江西沟乡附近裸地处CO2浓度变化Fig.4 Changes of soil CO2 concentration in the depths of 100 cm at bare land

2.2 裸地土壤CO2浓度的变化

2.2.1 裸地土壤100 cm深度CO2浓度的变化 由图4可知，裸地土壤100 cm深度处CO2浓度的变化范围从0.023～0.090，平均小时浓度为0.077。在08：40-12：40时间段CO2浓度曲线变化波动较大，变化范围从0.023 %～ 0.085 %。随后CO2浓度曲线的变化趋势较为平缓，变化范围为0.077 %～0.090 %。CO2浓度最低值出现在08：40，与气温最低值出现时间一致。CO2浓度曲线整体呈现先上升后下降的变化趋势。

2.2.2 裸地地上100 cm处CO2浓度的变化 由图5可知，裸地地上100 cm处CO2浓度的变化范围从0.021 %～0.030 %，平均小时浓度为0.024 %。在08：40-14：40期间，CO2浓度波动上升，变化范围在0.021 %～0.030 %。在15：40-17：40期间，CO2浓度缓慢下降，变化范围在0.022 %～0.026

图5 江西沟乡附近裸地地上100 cm处CO2浓度变化曲线Fig.5 Changes of CO2 concentration on the ground 100 cm height at bare land

图6 江西沟乡附近裸地上不同高度处CO2浓度变化Fig.6 Changes of CO2 concentration at different heights CO2 concentration at bare land

%。在18：40-20：40期间，CO2浓度变化较小，范围在0.023 %～0.025 %。CO2浓度最高值出现在14：40，此时也是空气温度的高值。CO2浓度整体呈现先上升后下降的趋势。

2.2.3 裸地不同高度处CO2浓度变化对比 由图6可知，裸地不同高度处CO2浓度的变化趋势基本一致，但是各高度的CO2浓度差异较大。其中100 cm深处的CO2浓度与100 cm高度处的浓度差异显著。100 cm深度处的小时平均浓度是100 cm深度处的3.21倍，是50 cm深度的1.75倍，小时平均浓度最高的为100 cm深度，其次是50 cm深度，最低的为地上100 cm高度处。

3 讨 论

3.1 土壤CO2昼夜浓度的变化规律

土壤中CO2在一个昼夜中的浓度变化是和温度具有一定的相关性[10]，一般情况下，CO2浓度变化从早8：00到次日8：00具有从高到低再到高的变化规律。这与气温的变化特点基本一致。但是变化并不和温度完全同步[1]。温度虽不是左右土壤CO2浓度的唯一因素，但影响力很大[2,13]。

土壤中CO2的浓度相对与温度的变化在时间上并不完全一致，相对来说CO2浓度的变化曲线更加平缓。通过CO2的浓度变化曲线，我们可知，单峰型的情况较少。在大多数情况下，昼夜变化呈现为多个小高峰。土壤CO2浓度的昼夜对比上，晚上的CO2浓度要高于白天的浓度。由于地表植被覆盖的不同，不同生态系土壤中CO2浓度的变化是有明显差异的。通过对比不同植被处土壤的CO2浓度，可知裸地CO2浓度的波动范围更大。

本实验中对不同的植被和不同的深度的CO2浓度进行了分别的测定，各种不同条件下的实验结果存在一定的差异，但是规律还是基本一致。前人的研究成果也说明了确实在某些地区存在这种规律，如赵景波[3,14]等对西安地区土壤CO2浓度量的研究等。

3.2 土壤CO2浓度的主要影响因素

3.2.1 温度与土壤CO2浓度的关系 土壤CO2浓度的变化是一个非常复杂的生物-化学过程，经常受到多种环境因素的影响[5]。总的来说，土壤CO2的浓度与气象气候条件、土壤的物理化学性质、生态群落的类型以及人类的活动都有密切关系。下面主要从温度、降水、植被、土层性质对CO2浓度的影响来进行讨论。

土壤CO2浓度的大小与温度有密切关系。温度高的时段常对应CO2浓度量低的时段，温度低的时段常对应CO2浓度高的时段。即白天土壤CO2浓度小，夜间浓度大。但这并不说明土壤CO2浓度与温度呈负相关关系[6]。但事实恰恰相反，温度升高时，植物呼吸作用加强，微生物数量增多，同时温度的升高也加速了土壤中含碳物质的分解，使CO2的含量增加。因此，温度升高使土壤CO2浓度增多，反之则少。通过实验数据可知，大部分地点CO2浓度的最高值和最低值出现时间均比气温最高值和最低值出现时间有0～4 h的延迟。这是因为大气温度向土层下部传递需一定的时间过程，这一过程就是滞后时间。

3.2.2 降水对土壤CO2浓度的关系 降水通过影响土壤中生物活动和根系生长所需要的水量、土壤含水量以及土壤温度来影响土壤呼吸；土壤呼吸随季节降水量的变化而一般呈正相关关系[7]。

Baldachin等人[18]对加利福尼亚州一年生草地的研究也发现，一段时间的相对干旱期后的降水事件对高秆草草原土壤呼吸具有显著影响，生态系统CO2通量明显增大。一段无降水时段之后，土壤水分降低,土壤微生物代谢活动受到抑制，土壤呼吸释放CO2的量降低；当降水发生后，土壤湿度增加，植物和土壤微生物活动加强，土壤呼吸释放CO2的量会迅速升高。

3.2.3 植被对土壤CO2浓度的影响 植被是生态系统的重要组成部分。植被及地表覆被的凋落物对土壤CO2释放的影响是很重要的；不同的植被下土壤有机质含量、pH值、温度、湿度等因素也大不相同，土壤呼吸也随着发生变化。薄土层浓度明显小于厚土层，这主要是因为薄土层植被发育不如厚土层和有机物与微生物含量少。植被发育越好，土层有机物含量越多，土壤CO2浓度越多。植被的覆盖一方面使土层蒸发减少，导致土壤湿度增加，并在土层中产生了较多的有机质，为微生物活动提供能源，促进其活动，使CO2含量增加。据研究[9]，有60 %的CO2是微生物分解有机物产生的。另一方面，植被改变了，使土层疏松多孔，从而增加土层CO2浓度。

不同植被下土壤CO2浓度不同，而且变率也不相同。通过对比相同深度处不同植被的CO2浓度，可知高草地CO2浓度明显高于裸地，高草地的小时平均浓度是裸地的4.74倍。而且茂密高草地的CO2浓度的变化曲线更加平缓。

3.2.4 土层厚度对土壤CO2浓度的影响 通过实验数据分析可知，土层深度小于100 cm的情况下，土壤CO2浓度随着深度的增加而增加，但是超过100 cm深度后，土壤中CO2的浓度反而随着深度的增加而递减。这应该是由于土壤表层结构疏松，孔隙度大有利于土壤空气和大气进行气体的自由交换，微生物活动不断消耗土壤中的O2而产生CO2。而在土层100 cm深度以下受土壤气体交换受阻，微生物活性降低，并且随着岩石与土壤的接近，土壤中的CO2受碳酸盐岩-水-CO2三相化学动态平衡的制约而成为岩溶动力[20]，由于岩溶作用吸收土壤中的CO2，故出现100 cm深度以下的土壤CO2浓度随深度增加而减小的现象。

4 结 论

(1)青海湖南侧土壤CO2的浓度从8：00到次日8：00具有由低到高再到低的变化规律，与温度的变化趋势基本一致，但并不完全同步，时间上有0～4 h的延迟。

(2)不同观测CO2浓度差异较大，高草地CO2浓度明显高于裸地；高草地的小时平均浓度是裸地的4.74倍。茂密高草地的CO2浓度的变化曲线更加平缓。

(3)不同的深度处CO2的浓度存在明显的差异。在深度为0～100 cm的土层中，CO2浓度随着深度的增加而增加；在厚度为100～200 cm的土层中，CO2的浓度随着深度的增加而降低。

(4)影响青海湖南部地区土壤CO2浓度变化的主要因素中温度是最主要的。CO2浓度的变化与温度呈显著的正相关关系。随着全球变暖，土壤CO2的浓度还会增加。

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(责任编辑 李 洁)

Characteristics of CO2Concentration Changes at South Side of Qinghai Lake

HOU Yu-le1,2, HU Yao1, LIAO Guang-ping1

(1. Aba Teachers College, Sichuan Wenchuan 623002, China; 2. College of Tourism and Environment Sciences, Shaanxi Normal University, Shaanxi Xi’an 710061, China)

Through the CO2concentration (2009-2014) in soil and air under different vegetation conditions at Jiangxigou township of Gouhe Country, the changes in the area of soil CO2concentration characteristics, rules and its main influencing factors were researched in the present study. The results showed the CO2concentration change of different vegetation with the same depth: CO2concentration of tall prairie grass was significantly higher than bare ground; And the hour average concentration of tall prairie grass was 4.74 times of bare ground and changes in the lush meadows of the high CO2concentration curve is much gentler. The temperature was the main factors affecting soil CO2concentration in the area.Through statistical analysis, CO2concentration and temperature change had a significantly positive correlation. With global warming, soil CO2concentration will increase.

Jiangxigou township；Changes of the concentration of CO2in soil；High grass

1001-4829(2016)07-1666-06

10.16213/j.cnki.scjas.2016.07.030

2015-06-11

阿坝师专校级科研项目汾河流域旱涝灾害研究(ASB14-09)

侯雨乐(1983-)，男，讲师，山西交城人，硕士，主要从事自然地理研究，E-mail：houyule83@163.com。

S152.7

A