乌江中上游流域土壤CO2排放及其影响因素

魏来WEI Lai；顾永波GU Yong-bo

（天津师范大学地理与环境科学学院，天津 300380）

0 引言

近几十年以来，全球变暖已经成为最突出的气候变化问题。IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）[1]报告称：与1850-1900年相比，2010-2019年全球平均表面气温的变化为0.9~1.2℃，大气中温室气体浓度的升高被认为是引起全球气候变暖的主要原因，当今全球关注的三种温室气体（CO2、CH4、N2O）贡献了1.0~2.0℃的变暖。其中，CO2的增温效果最为明显，与工业革命之前相比，大气中CO2增加了47%~48.5%[1]，高出以往的增长速率。

双碳作为我国重要时代战略，加快降低碳排放步伐，有利于引导绿色技术创新，提高产业和经济的全球竞争力，努力兼顾经济发展和绿色转型同步进行。因此，研究土壤碳排放特征，能加快构建绿色低碳循环经济体系，减少CO2的排放，对我国实现碳达峰、碳中和的目标具有重大意义。

我国西南地区是我国喀斯特地貌最为典型的区域，是世界三大喀斯特集中分布区东亚片区的核心，也是区域和全球碳循环研究的重要场所。土壤中的有机质含量、土壤湿度、pH值、土壤温度等因素影响着CO2的产生与排放。而不同的土地利用方式通过改变土壤性质（物理、化学及生物学特性）和土壤环境状况，影响着温室气体的排放。因此，它成为了全球温室气体变化研究的重点。研究不同土地利用方式下CO2的排放规律及其关键环境影响因子，可以为制定碳减排、发展碳循环经济、应对全球气候变化提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

洪家渡（10548′E，2654′N）位于中国西南地区贵州省，是典型的喀斯特地貌，该地区为亚热带湿润性季风气候，年平均气温为14~16℃，年平均总降水量约为140mm，干湿季分明，降雨集中于夏季，其消落带落差大，两侧主要土地利用类型为耕地、林地、草地和建筑用地，土壤类型以灰褐色石灰土为主，水土流失十分严重。

1.2 样品采集

在2021年5月（播种期）在洪家渡水库库区设置了以海拔高程划分的三组土壤样点，在同一分水岭坡面，由海拔从高到低，分别在海拔1453m（S1）、1290m（S2）和1144 m（S3）处选取了典型耕地（GD）、草地（CD）及林地（LD）作为采样点。

1.3 试验设计

将原状土从冷冻冰箱中取出，在约为24℃的室温中解冻2小时（h）以恢复微生物活性，之后将其放到250mL广口玻璃瓶中，使用Parafilm膜封闭接口处以保证密闭性。每隔1h使用无菌10ml塑料针管插入硅胶瓶盖中抽气5mL，利用气相色谱仪分析CO2的浓度。该实验共有9种不同处理（分别为S1、S2、S3的耕地、草地和林地），每种处理有3个重复，共计27个培养瓶。每个培养瓶每隔1h采集一次气体样品，共采集7h。在监测完成后从每个培养瓶中取5g干土样品，进行后续土壤样品的处理及分析。

2 结果与讨论

2.1 不同土地利用方式的CO2排放变化

图1为不同土地方式下原位土壤剖面CO2排放通量。其中CO2的排放速率表现：S1、S2、S3均为：LD>CD>GD。不同海拔CO2的排放速率表现：S3GD>S2GD>S1GD；S3CD>S2CD>S1CD；S3LD>S2LD>S1LD，可以看出三种土地利用类型均呈现S3>S2>S1的规律。

在同一海拔CO2的累积排放量表现：S1：LD（2.83mg·kg-1）>CD（2.82mg·kg-1）>GD（1.94mg·kg-1）：S2：LD（3.47 mg·kg-1）>CD（3.26mg·kg-1）>GD（2.19mg·kg-1）；S3：LD（5.58mg·kg-1）>CD（4.47mg·kg-1）>GD（2.34mg·kg-1），可以看出三种土地利用类型均呈现LD>CD>GD的规律。在不同海拔三个土地利用CO2的累积排放量表现：S3>S2>S1。其中，S3LD的累积排放量最大，是最小排放量S1GD的2.87倍。

2.2 土壤CO2排放影响因子分析

将影响CO2排放通量的主要因子pH、TN、SON、SOC等进行探究（表2）。结果发现不同的土地利用方式下CO2的排放通量与呈极显著正相关（P<0.01），相关系数分别为0.843、0.636、-0.619，说明土壤中CO2排放主要受到条件的控制。为了进一步分析等因子对CO2排放通量的贡献率，利用多元回归分析中的逐步分析法建立了土壤CO2排放通量与之间的最优回归方程（表3）。结果显示，在测定的理化指标中，土壤CO2通量主要受到土壤有机氮的影响，该变量可解释土壤CO2通量的69.2%，且达到极显著水平（P<0.01）。

表2 土壤性质与CO2排放通量的相关性

表3 土壤理化指标与CO2排放通量的多元回归方程

3 讨论

不同的土地利用方式下土壤理化性质、微生物群落结构等均不相同，使CO2气体排放存在差异，进而对生态系统和社会经济压力产生不同影响。

土壤有机碳是农业经济的重要因素，时秀焕[9]认为不同的土地利用方式下CO2排放存在差异主要由于土壤有机碳含量的不同。而土壤有机碳含量存在差异的主要原因是土壤有机碳的积累及碳源输入的差别。土壤有机碳的积累在很大程度上取决于植被覆盖，土壤有机碳是土壤异养呼吸的重要碳源，而土壤有机氮能影响微生物的活性，有机氮的不足对微生物的繁殖和有机质的分解造成抑制。土壤CO2的排放通量与土壤有机碳含量之间有重要的联系。本研究区域耕地主要以玉米地为主，施肥时间约为4月份，施肥种类一般为混合氮肥，秸秆堆肥及动物粪便，但有机碳氮含量明显低于LD与CD（表1），除了作物的吸收外，还与该地区地表径流的冲刷作用强，水土流失严重有关。同一海拔中，与GD相比，LD、CD由于植被的水土保持功能，削减了降水的侵蚀和径流的冲刷，土壤中有机碳氮流失少，导致有机碳氮含量高于GD，为土壤中微生物的分解活动排放CO2提供基础。而林地含有较厚的凋落物层，会进一步减轻土壤被侵蚀的强度，并有效防止表土有机碳、氮的流失，所以，LD的有机碳、氮的含量往往要高于CD。因此，LD土壤有机碳氮含量高于CD、GD，这可能是LD的CO2排放通量、排放累积量显著高于CD、GD的原因，这与Kong等[2]研究土壤中森林土壤的CO2累积产量显着高于草地、果园和农田的结果一致。因此，实施可持续化土地管理，加强农业管理，减少林地砍伐，改善对草地的放牧管理，能避免和减少土壤退化，有助于完善生态系统功能和提高社会经济发展水平，加强对气候变化的适应。代林玉[3]发现土壤CO2的排放通量受到土壤有机碳含量的影响，土壤有机碳含量越高，CO2的排放量越大。丘清燕[4]同样发现土壤可溶性有机碳（DOC）与土壤CO2累积排放量之间呈显著正相关。土壤可溶性有机碳大部分是容易被利用的小分子有机碳，是微生物呼吸利用的直接碳源[5]。

表1 土壤主要理化性质

氮是微生物活性的限制性因素。此外，NH+4-N、NO-3-N通过在土壤中带来化学和生物的变化，从而影响土壤CO2的排放[6]。Fang[7]在研究中发现亚热带森林表层土壤CO2排放与浓度呈正相关（P<0.05），土壤中的NO-3-N浓度与CO2排放量的增加相一致，他认为这可能归因于土壤微生物固氮。土壤微生物需要更多的土壤有效碳来固定森林中的矿质氮，这将刺激土壤微生物活性，提高有机质分解，增加异养呼吸。而Yang[8]在次生林和落叶松人工林等典型温带森林室内培养中，发现排放通量呈负相关，与本研究一致。Yang认为会降低土壤中C的矿化从而减少了土壤中CO2排放，且降低的程度与土壤类型及微生物种群有关。因此排放的影响可能受到不同的土壤类型、土壤微生物、土壤性质等多种因素的影响[6]。

4 结论

在原状土柱培养中，不同土地利用CO2的排放通量存在差异，其中，同一海拔不同土地利用类型CO2的排放通量为LD>CD>GD。CO2排放通量主要受到N的影响。其中，土壤CO2通量主要受到SON的影响，该变量可解释土壤CO2通量的69.2%，且达到极显著水平（P<0.01）。因此，改进氮肥料管理，减少氮肥的输入，从而降低SON、SOC的水平，是构建绿色低碳循环发展的现代经济体系，实现可持续发展的重要途径。