不同电导率盐碱土壤固碳潜力

刘宇斌,焦 燕*,杨文柱,张 婧,王 艳,灵 灵

不同电导率盐碱土壤固碳潜力

刘宇斌1,2,焦 燕1,2*,杨文柱1,2,张 婧1,2,王 艳1,2,灵 灵1,2

(1.内蒙古自治区环境化学重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010022；2.内蒙古师范大学化学与环境科学学院,内蒙古 呼和浩特 010022)

采集内蒙古河套灌区盐碱土壤(电导率EC为0.27mS/cm),利用NaCl调节土壤电导率为(0,10,20,40,80mS/cm),基于稳定碳同位素分析不同电导率土壤添加定量13C-CO2后,土壤CO2吸收量以及土壤难溶性无机碳含量(SIC)-13C值.结果表明,盐碱土壤能够吸收CO2,随土壤电导率(EC)升高,土壤CO2累积吸收量增加, S5(EC=80mS/cm) CO2累积吸收量比S1(0.27mS/cm)高1.6640mg.土壤SIC含量(2=0.7080,<0.05)和土壤可溶性无机碳含量(DIC)(2=0.6096,<0.05)与土壤EC显著负相关关系.盐碱土壤吸收CO2部分固存于土壤无机碳中,外源添加13C-CO2,盐碱土壤SIC-13C值(-5.299‰ ～ -0.8341‰)显著增加.EC为20mS/cm土壤固相保存13C-CO2总量最高1.276mg,固存13C-CO2总量占土壤吸收13CO2总量比例30.28%最高;EC为80mS/cm固碳量最低为0.2749mg,固存δ13C-CO2总量占土壤吸收13CO2总量比例5.579%.

盐碱土；固碳潜力；碳吸收；碳汇；碳同位素；土壤

研究发现干旱和半干旱地区大量的二氧化碳流入地下[1-7],干旱和半干旱地区对于全球碳贡献具有重要意义.在美国内华达州,盐碱土壤在局部水平上对大气中CO2起到较大调节作用[8].Filippi等[9]研究澳大利亚盐碱土发现,土壤中有新生的碳酸盐堆积.2014年首次由中外科学家共同证实盐碱土能够吸收CO2[10].在北美[11-12]和中国西北部[6,13-15]通过使用涡流协方差仪也测得土壤CO2吸收.上述地区的CO2吸收量很大[20.7～103.7g C/(m2·a)],因此,进行区域碳收支核算时不能忽略.然而,盐碱土壤吸收二氧化碳的机制和去向在很大程度上都是未知的[16-19].干旱和半干旱土壤CO2源汇问题关键在于探寻被吸收碳的最终去向.基于13C碳同位素示踪技术,Fa等[20]在毛乌素沙地研究发现,夜间盐碱土吸收的CO2被大量转化为液相可溶性无机碳(DIC)[21].有研究者对土壤吸收CO2是否转换为DIC提出了质疑.一些研究者研究显示,土壤中的DIC比有机碳还年轻,DIC只能直接或间接(根系呼吸)地源于大气[22].这些研究表明,盐碱土壤不仅能够吸收CO2,并且将吸收的碳转化为碳酸盐后固定在土壤中,形成了碳汇.更多试验针对盐碱土吸收CO2转化成DIC的影响因素进行研究.土壤吸收CO2与盐度､碱度呈正相关,碱度对土壤吸收CO2的影响更强.同一碱度下,土壤吸收CO2由盐度决定,不同盐碱度的情况下,碱度是主要影响因素[23].CO2在盐碱水中的溶解度远高于在纯水或酸性水中的溶解度,CO2在盐碱水中的溶解度随电导率呈线性增加,随土壤碱度呈指数增加[24].所以土壤电导率是影响土壤吸收CO2的关键因素.盐碱土壤是半干旱地区常见的土壤类型,碳酸盐含量高,pH值高.干旱地区土壤条件为研究土壤和大气之间二氧化碳交换和揭示吸收的二氧化碳去向提供了独特机会.

本研究以内蒙古河套灌区盐碱土壤为对象,应用稳定碳同位素技术分析不同电导率盐碱土壤中添加13C-CO2后的土壤SIC13C值的变化和土壤固碳潜力.对于减缓气候变化,全面评价干旱半干旱区盐碱土壤碳库动态对全球碳循环的贡献具有重要意义.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于内蒙古河套灌区乌拉特前旗(108°11¢～109°54¢E,40°28¢～41°16¢N),东西长约250km,南北宽约50km,总面积约为111.93万km2.土壤类型以第四纪沙湖相红棕色黏土为主,气候类型属温带大陆性气候,夏季炎热,冬季寒冷,常年干旱少雨,降水集中于夏季,昼夜温差较大,年平均日照3213.5h,无霜期为167d,年平均气温-7.7℃,年降水量为200～260mm,蒸发量为1900～2300mm[25].河套灌区灌溉面积约为73.33万km2[26],灌区西、中部土壤盐碱程度较轻,东部土壤盐碱程度较重[27].河套灌区盐碱土壤总面积约4.3×105hm2,其中,轻度盐化面积1.3×105hm2,占30.23%;中度盐化面积7.6×104hm2,占17.67%;重度盐化面积3.6×104hm2,占8.37%[28].

1.2 试验设置

采集样地0～20cm表层土壤,使用无菌聚乙烯自封袋封存,测定土壤质量含水量和土壤EC值后,经风干、磨碎、过筛(2mm)处理后,测定土壤理化性质.选取6份10g土样,水土质量比为5:1,溶于水中,分别加入不同浓度NaCl,得到0, 1, 2, 3, 4, 5g/L的氯化钠溶液,用电导率仪测定溶液电导率值,绘制电导率与氯化钠溶液浓度的标准曲线,然后根据标准曲线调节供试土壤电导率为0,10,20,40,80mS/cm(表1).

表1 加入NaCl调节土壤电导率EC(mS/cm)

在培养开始前,每个培养瓶分别放入50g土样,加入去离子水[35],在恒温培养箱中密封培养7d,激活土壤中的微生物.预培养完成后,调节土样电导率,进行不同电导率土壤交互试验,同时,设置3个空白对照,将其放在25℃恒温培养箱培养,关闭玻璃瓶顶端三通阀.密闭培养24h后,将培养瓶抽为真空状态,添加13C-CO2,添加浓度为大气中CO2浓度.培养开始24h后,从每个培养瓶中抽取200mL气体,使用二氧化碳同位素分析仪检测最终13C-CO2浓度(13C值为20000).当13C-CO2浓度检测完成后,将培养瓶抽成真空,再加入已知浓度13C-CO2.第二次和第三次添加13C-CO2时,重复采用上述方法,包括CO2去除、13C-CO2注入和13C-CO2浓度检测.第三次13C-CO2抽取完成后,密封恒温培养60d.将土壤样品取出,风干磨碎,检测土壤无机碳(SIC)含量和土壤固相中SIC的13C值(13C-SIC).

土壤样品浸入质量分数为5.25%的次氯酸钠24h,去除附着在土壤颗粒表面的13CO2.土壤样品经次氯酸钠处理后在55℃下干燥12h,研磨并通过0.1mm筛网,测量SIC含量和13C-SIC值.为了测定13C-SIC,将100mg过筛土壤与5mL100%的H3PO4在75℃、12mL密封容器中反应2h,生成CO2,生成的CO2由同位素比率质谱仪测量.SIC碳同位素组成用符号表示[29].

1.3 土壤固碳潜力计算公式

式中:soild是土壤固相中储存的13CO2的量,mg;SIC是培养瓶中添加13CO2后的SIC含量, g/kg;为土壤容重, g/cm3, 本研究取值1.05g/cm3;为培养瓶中的土壤体积, cm3;13Cadded和13Ccontrol分别是添加的13CO2和控制的δ3C-SIC值;st是Vienna Pee Dee Belemnite标准中的稳定同位素比率(13C/12C= 0.0111797);1是13CO2的摩尔质量,45g/mol;2是13C的摩尔质量,13g/mol.

2 结果与分析

2.1 不同电导率土壤吸收δ13C-CO2量

第1天土壤13C-CO2平均吸收量较第3天高0.5830mg (图1),土壤13C-CO2吸收量随着时间延长而下降.

图1 不同电导率土壤CO2吸收量

不同小写字母表示不同土壤不同土层深度间差异显著(<0.05)

图2 土壤CO2累积吸收量与土壤电导率相关性分析

S1～S5土壤13C-CO2累积吸收量分别为3.264, 3.976,4.215,4.373,4.928mg,S5土壤累积吸收量比S1高1.664mg(图1).S1～S5土壤CO2累计吸收量分别比S0提高12.70%、37.31%、45.59%、51.03%和70.18%.通过单因素 AVNOA方差分析表明, S1-S5差异显著,电导率对土壤13C-CO2累积吸收量具有显著影响.通过相关性分析,土壤电导率与土壤13C-CO2累积吸收量呈显著正相关关系(2= 0.8054), 随电导率升高,土壤13C-CO2累积吸收量增多(图2).

2.2 不同电导率土壤无机碳含量变化

S1～S5土壤可溶性无机碳(DIC)含量分别为0.5474, 0.5282, 0.5198, 0.3503, 0.3178g/kg.不同电导率土壤DIC含量随EC升高而降低(图3).S1～S5较S0(对照土壤)相比,S1土壤DIC含量增加最多,比S0(对照土壤)DIC含量高0.4067g/kg.S5土壤DIC含量增加最少,比S0(对照土壤) DIC含量高0.1771g/kg.单因素 AVNOA方差分析显示,不同EC土壤DIC含量呈现显著差异 (<0.05).土壤EC对土壤可溶性无机碳含量具有显著影响.相关分析表明EC与DIC含量呈显著负相关关系(2=0.6096,<0.05) (图4).

图3 不同电导率土壤无机碳含量

不同小写字母表示不同土壤不同土层深度间差异显著(<0.05)

S1～S5土壤难溶性无机碳(SIC)含量分别为10.46, 8.969, 9.550, 8.824, 7.589g/kg (图3).S1土壤SIC含量较S0(对照土壤)相比提高5.475%, S2～S5土壤SIC含量较S0(对照土壤)相比降低9.540%、3.68%、11.01%、23.46%.单因素AVNOA方差分析显示,除S1和S3外,不同EC土壤有显著差异(< 0.05).土壤EC对土壤SIC含量具有显著影响.相关性分析表明,土壤EC与土壤SIC含量呈显著负相关关系(2=0.7080,<0.05),随着电导率增加,土壤SIC含量减小(图4).

图4 土壤无机碳含量与电导率相关性分析

2.3 土壤难溶性无机碳δ13C-SIC值变化规律

外源添加13C-CO2,盐碱土壤SIC-13C值显著增加(-5.299‰～-0.8341‰).EC为20mS/cm的S3土壤13C-SIC值最高-0.8341‰.EC小于20mS/cm土壤SIC-13C值从S1土壤-5.084‰到S3土壤-0.8341‰呈升高趋势,EC大于20mS/cm时,S3土壤-0.8341‰到S5土壤-5.299‰呈下降趋势(图5).单因素 AVNOA方差分析表明,不同电导率土壤SIC-13C值差异显著(<0.05),土壤中SIC有外源添加13C-CO2时,土壤可以将大气CO2以难溶性无机碳的形式储存在土壤中,盐碱土壤具有碳汇作用.

图5 土壤无机碳δ13C-SIC值

不同小写字母表示不同土壤不同土层深度间差异显著(<0.05)

2.4 不同电导率土壤固碳潜力

S1(0.4279mg)到S3(1.276mg)呈增加趋势, S3(1.276mg)到S5(0.2749mg)呈下降趋势(图6),S3土壤固碳潜力最高,为1.2760mg.

S1～S5土壤固相保存碳占土壤δ13C-CO2吸收总量的比例分别是13.11%、16.53%、30.28%、12.74%、5.579%.EC为20mS/cm的S3土壤固相保存CO2比例最高;EC为80mS/cm的S5土壤固相保存CO2比例最低.方差分析表明各处理之间土壤固碳潜力具有显著差异(图6),土壤电导率对土壤固碳潜力具有显著影响.

图6 土壤固相储存13CO2量

不同小写字母表示不同土壤不同土层深度间差异显著(<0.05)

3 讨论

3.1 盐碱程度对土壤CO2吸收量的影响

如图1所示,S1～S5土壤CO2累积吸收量具有明显增加趋势.随着土壤电导率升高,土壤CO2累积吸收量也随之增加,电导率与土壤CO2累积吸收量呈显著正相关关系.刘立家等[34]研究发现,高电导率土壤对CO2吸收量产生正向影响,半干旱盐碱沙漠生态系统存在土壤吸收大气中CO2的现象,这与本研究结果一致.

土壤盐分对土壤无机CO2通量有影响,但在较大的盐分梯度下才能表现.该试验设置了较大电导率梯度,出现了一些明显规律,电导率对土壤CO2吸收量具有较大影响,电导率是影响盐碱土壤无机过程,特别是土壤CO2吸收量的关键因素.

3.2 盐碱程度对可溶性无机碳的影响

S1～S5土壤可溶性无机碳含量随电导率升高呈现下降趋势.相关性显示,电导率与土壤可溶性无机碳含量呈显著负相关关系.王银山等[35]研究表明,在一定土壤盐碱条件下,土壤盐分增强土壤淋溶作用,导致土壤可溶性无机碳淋失.

盐碱土壤溶液盐度和碱度均很高的情况下, CO2溶解度较高,在CO2(g)-CO2(aq)-HCO3-(aq)- CaCO3(s)无机碳平衡过程,CO2浓度增加促进平衡向右移动,可溶性无机碳含量增加;相反,土壤盐离子较多将抑制无机碳平衡反应向右进行,土壤无机碳含量减少.土壤可溶性无机碳含量与EC、pH之间的相关性显示,土壤可溶性无机碳含量与EC呈显著负相关(2=0.6096,<0.05),土壤EC增加影响可溶性无机碳聚积,土壤含盐量在一定程度上影响可溶性无机碳含量变化[36].

3.3 盐碱程度对难溶性无机碳的影响

不同盐碱程度土壤难溶性无机碳(SIC)含量不同.随电导率增加,土壤难溶性无机碳含量降低,该结果与土壤可溶性无机碳含量和电导率的关系一致.土壤难溶性无机碳与电导率的相关性分析显示,电导率与土壤难溶性无机碳呈负相关关系,电导率升高对土壤中的碳酸盐形成产生抑制作用,电导率对土壤无机过程具有至关重要的影响.

另外,土壤盐碱程度高增加对土壤生物毒害作用,限制植物根系生长,土壤生物活性降低,减缓有机质分解速率,减少土壤中二氧化碳的分压(CO2),抑制碳酸盐形成[37].Zhao等[38]研究喀斯特地貌土壤盐分对土壤碳含量的影响表明,土壤盐分对土壤无机碳含量具有明显影响,土壤盐含量越高,越不利于无机碳形成和积累,高浓度盐分离子对CaCO3形成过程的盐离子产生抑制作用.Setia等[39]研究表明,盐分含量间接影响土壤无机碳含量,盐分含量升高加剧毒害土壤植物和微生物呼吸作用､消化反应、分解反应等过程,从而降低土壤生物活动,减少无机碳组分来源,减缓土壤有机物向无机物转化过程,进而影响SIC含量.颜安等[40]对新疆干旱区盐渍土壤碳分布研究结果表明,盐分与无机碳含量及密度在整个土体呈负相关关系,在干旱半干旱区土壤碳平衡过程容易受到土体盐分迁移的影响,淋溶效应改变碳酸盐聚积.

3.4 基于碳同位素变化分析盐碱土壤固碳潜力

该研究室内培养试验定量添加13C-CO2,经过1个月培养后,土壤13C-SIC值显著高于本底值.加入已知浓度13C-CO2后,为了避免添加高浓度13C-CO2与土壤颗粒表面黏附或碳酸盐重结晶,在测量13C-SIC值之前,将碱性次氯酸钠溶液加入土壤,对土壤进行前处理,碳酸盐再结晶非常缓慢.该试验对盐碱土壤固定大气CO2的量化分析结果显示,部分吸附的13C能够固定在土壤中.

盐碱土壤固定13C的稳定性对评估碳循环至关重要.同位素丰度变化表明,不同物质中同一元素的同位素组成围绕着某一平均值而变化.外源添加的13C-CO2进入土壤后,土壤吸收13C-CO2量升高,土壤难溶性无机碳同位素值增加.试验结果表明,盐碱土壤能够固定大气中吸收的CO2,土壤无机碳13C值变化规律与不同电导率土壤固定CO2的规律一致.土壤固定CO2含量越多,土壤无机碳13C值也随之增大.测量13C-SIC之前,样品前处理经历土壤水分和温度的波动影响,土壤固定的13C仍然能够存在,表明固定在土壤固相中的13C很可能是稳定的.

稳定同位素技术在探究C源和C汇过程中起到重要作用,碳稳定同位素能够量化土壤固定的碳,在陆地生态系统碳循环和全球碳收支方面具有重要意义.土壤中的CO2与土壤水分结合形成HCO3-, HCO3-与土壤中的钙镁离子和水分结合形成次生碳酸盐,该过程是可逆的,始终存在土壤CO2与活跃碳酸盐碳之间稳定碳同位素的分馏交换[41].由于原生碳酸盐和次生碳酸盐的13C值具有较大区别,应用碳稳定同位素技术测定土壤13C值可以鉴别不同碳酸盐,进而判断土壤固定大气中CO2的量,为解决碳失汇问题提供数据支撑.张林等[43]测定内蒙古荒漠草原不同土壤深度碳酸盐13C值和土壤CO2的13C值,探讨其剖面变化特征,应用碳稳定同位素方法对原生碳酸盐和次生碳酸盐进行区分,运用模型定量次生碳酸盐在形成和重结晶过程中对土壤CO2的固定量.利用碳同位素技术分析不同碳酸盐的结果表明,土壤能够固定CO2.本研究团队通过添加高浓度13CO2发现,新添加13CO2能够在土壤无机碳中找到,并量化土壤固定碳的值.

4 结论

4.1 盐碱土壤能够吸收CO2,CO2累积吸收量随土壤电导率升高而增加;土壤可溶性无机碳含量和土壤难溶性无机碳含量随土壤电导率升高而下降.土壤电导率与土壤难溶性无机碳含量呈显著负相关关系.

4.2 盐碱土壤吸收CO2部分固存于土壤无机碳中,外源添加13C-CO2,盐碱土壤SIC-13C值显著增加.土壤EC为20mS/cm的土壤固相储存13C-CO2量最高,土壤固碳潜力占土壤13C-CO2吸收总量比例最高.EC为80mS/cm固碳量最低为0.2749mg.固存13C-CO2总量占土壤吸收13CO2总量比例为5.579%.土壤EC小于20mS/cm,土壤SIC-13C值随EC 增加呈升高趋势;土壤EC大于20mS/cm随EC 增加呈下降趋势.

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Potential for fixing inorganic carbon in soils with different salinity levels.

LIU Yu-bin1,2, JIAO Yan1,2*, YANG Wen-zhu1,2, ZHANG Jing1,2, WANG Yan1,2, LING Ling1,2

(1.Key Laboratory of environmental chemistry of Inner Mongolia Autonomous Region, Hohhot 010022, China；2.Chemistry and Environmental Science College, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, China)., 2022,42(9)：4362～4368

The saline-alkali soil (EC=0.27mS/cm) in hetao irrigation area of Inner Mongolia was collected, and the soil conductivity was adjusted by NaCl to (0,10,20,40,80mS/cm). Based on stable carbon isotope, the soil CO2uptake and insoluble inorganic carbon content (SI) of soils with different conductivity were analyzed after adding quantitative13C-CO2) - the delta13C values. The results showed that salinic-alkali soil could absorb CO2, and the cumulative CO2uptake increased with the increase of soil conductivity (EC). The cumulative CO2uptake of S5(EC=80mS/cm) was 1.6640mg higher than that of S1(0.27ms /cm). Soil SIC content (2=0.7080,<0.05) and soil soluble inorganic carbon content (DIC)(2=0.6096,<0.05) were significantly negatively correlated with soil EC. The value of SIC-13C (-5.299‰～-0.8341‰) in saline-alkali soil increased significantly with the addition of13C-CO2. In EC, the highest13C-CO2concentration was 1.276mg in 20mS/cm soil, and the highest13C-CO2concentration was 30.28% in soil13CO2absorption. When EC was 80mS/cm, the lowest carbon sequestration was 0.2749mg, and the total13C-CO2sequestration accounted for 5.579% of the total13CO2sequestration.

Saline soils；carbon sequestration potential；carbon sequestration；carbon sinks；carbon isotopes；soil

X171

A

1000-6923(2022)09-4362-07

2022-01-11

国家自然科学基金(41865010);2020年内蒙古自治区高等学校青年科技英才领军人才(NJYT-20-A04);第十批内蒙古自治区草原英才(2020);2022年度内蒙古自治区杰出青年基金项目;2022年度内蒙古自治区重点研发和成果转化计划(2022YFHH0035)

*责任作者, 教授, Jiaoyan@imnu.edu.cn

刘宇斌(1996-),男,内蒙古呼和浩特人,内蒙古师范大学硕士研究生,主要从事盐碱土壤固碳潜力研究.