蒲 敏，孙玉川，，刘宁坤，刘九缠

（1.西南大学地理科学学院/岩溶环境重庆市重点实验室，重庆 400715；2.中国地质科学院岩溶地质研究所/国土资源部广西岩溶动力学重点实验室，广西 桂林 541004）

【研究意义】CO2是大气中最重要的温室气体，并以每年0.5%的速率增长，对全球气候变化影响重大。土壤动物、土壤微生物和植物根系的新陈代谢过程，土壤有机质氧化分解过程及碳酸盐岩的矿化沉积过程等都会造成土壤CO2的产生，部分形成的土壤CO2通过土壤呼吸排放到大气中，因而探测土壤作为CO2的源与汇是全球气候变化研究的重点前沿课题。土壤是全球陆地系统中最巨大的碳库载体，其贮存的碳总量为1 300～2 000 PgC，是全球陆地植被碳储量（500～600 PgC）的2～3倍，也是大气碳储量（750 PgC）的2倍［1］，土壤碳库在全球碳平衡中也具有重要作用。我国岩溶区占国土面积的1/3，而全球岩溶区的分布面积占陆地面积的15%，我国是世界上喀斯特覆盖最广、面积最大、类型最多的国家，岩溶面积高达344万km2［2］。我国西南岩溶区是一个巨大的碳库，在特定条件下土壤、植被、地质、地貌、气候、水文共同作用下发育形成的独特喀斯特生态环境，是我国甚至全球热带、亚热带喀斯特覆盖面积最大、发育最强烈的地区。深入研究岩溶区土壤碳储量及其变化，不仅能了解全球土壤碳储量动态变化，还有助于探索全球碳汇未知之谜［3］。【前人研究进展】目前，我国对西南岩溶地区土壤CO2源与汇的研究区域主要集中在桂林盘龙洞、贵州贵阳、云南路南石林地区、重庆金佛山等。虽然关于岩溶地区土壤CO2浓度分布状况、地表CO2通量时间、空间变化规律的研究很多，但涉及岩溶石漠化地区土壤CO2的浓度及通量时空变化规律的报道较少，且只有少数学者进行了小部分研究，未能对比较长时期与昼夜期间的变化，对不同空间部位进行原位检测和动态跟踪研究，对将我国岩溶区土壤CO2对全球气候变化的影响量化显然不够。【本研究切入点】特殊地质背景下，造就了喀斯特地区既脆弱又敏感的生态环境，全球气候变化的核心问题之一是全球碳循环，岩溶作用对土壤

CO2浓度的调节受到国内外普遍关注［4］。土壤与大气之间的碳通量对调节大气CO2浓度具有重要意义，岩溶作用消耗土壤CO2对大气碳库起到重要的减源作用，对土壤CO2进行研究将有利于进一步揭示岩溶碳循环过程。研究喀斯特石漠化地区CO2气体在全球大气CO2的源与汇研究中具有重要作用，揭示喀斯特地区碳循环的机理、碳通量的差异，加强碳汇估算研究，了解土壤CO2在土壤-大气界面的分布，可为我国增汇减排任务的顺利完成提供科学依据［5］。【拟解决的关键问题】作为陆地生态系统碳循环的重要环节之一，喀斯特地区在全球碳循环中影响巨大，喀斯特地区土壤碳收支及其对土壤温度和土壤含水率的响应需要进一步深入研究。本文主要针对西南喀斯特石漠化典型地区重庆南川试验区，通过对坡改梯区域与对照区非坡改梯区域两者不同剖面深度的土壤CO2浓度及地表CO2通量进行12个月的动态跟踪监测，分析土壤CO2浓度及地表CO2通量的分布状况和变化规律，讨论研究区土壤温度、土壤含水率等环境因子对土壤CO2浓度的影响，为量化西南地区土壤CO2温室气体对全球气候变化的影响作贡献，为我国西南岩溶区石漠化治理工程碳汇通量科学估算和增汇途径提供科技支撑，也为减少温室气体的排放进而缓解全球变暖提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于重庆市南川区南平镇境内（图1），距离市中心16 km，地处南川市西南边缘，地形大体为东部低、西部高，两边多浅丘地貌，中部为“U”型河谷平缓地带，大部分属浅丘槽坝地貌，以山坡地块为主，海拔为620～1 031 m。多年平均气温为16 ℃，多年平均降水量为1 360 mm，最小年降水量为826 mm，最大年降水量为1 528 mm。土壤主要类型为石灰土，发育不完全，土壤质地黏重细腻，胶体品质较差，矿物养分贫乏，且土壤酸瘦缺磷，为酸性土壤［6］。亚热带灌乔木为主要植物种类，覆盖面积最广，马尾松（Pinus massoniana）、杉木（Cunninghamia lanceolate）、 柏 树（Cupressus funebris）、 香 樟（Cinnamomum camphoraPresl） 等树种为主要用材林，杜鹃（Rhododenndron simsiiPlanch）、马桑（Coriaria nalensisWall）等树种为主要灌木林，马尾松、杉木、青杨（Populuscathayana Rehd）等树种为主要人工造林，造林分布比较零星分散，未集中形成规模［7］。目前研究区的林地面积152.27 hm2，其中乔木林65.23 hm2、占林地面积的42.8%，灌木林20.25 hm2、占林地面积的13.3%，疏幼林79 hm2、占林地面积的43.9%。南川区目前植被覆盖率为27.3%，森林植被覆盖率为9.3%。地质构造属新华夏构造体系，出露的地层为早三叠系嘉陵江组白云质灰岩（T1j）［8］。由于长期遭受不合理的土地利用，加上喀斯特地区脆弱的自然环境，岩溶区石漠化现象较为严重，林地呈斑块状分布。

图1 研究区域位置及概况Fig.1 Location and general situation of research area

1.2 气体采集与测定

1.2.1 土壤剖面CO2浓度监测 用自制的土壤CO2采集装置，将L型PVC管埋设在坡改梯与非坡改梯地区的土壤剖面10、20、50 cm处，竖管为导气管，导气管顶端升至地面，其上为橡皮塞和玻璃棒，插有硅胶管，具有防止土壤气体与大气对流交换的作用；水平管为土壤气体收集管，管上钻有小孔，具有通气作用。土壤气体样品统一采用带三通阀的注射器采集，观测周期为每月1次。

1.2.2 地表CO2释放速率测定 CO2释放速率的测定通常有碱液吸收法和静态密闭气室法，静态密闭气室法相对于碱液吸收法具有精度高、经济可靠的优点［9］，还可以对土壤净排放以及加上植物呼吸作用进行分析对比，CO2释放速率采用静态密闭气室法。该方法使用的采样箱（40 cm×40 cm×40 cm）用有机玻璃材料制成，箱底基座采用不锈钢柜架。采集气体样品时，将采样箱放入基座凹槽中，在凹槽中注水保证其密封性，采样箱在使用时用保温材料包裹以确保采样时箱内温度稳定。采样箱内安装有搅气小风扇、温度传感器及采气三通阀，气体样品采集用20 mL注射器。在20 min时间段内，每5 min采集1次气体样品。CO2通量计算公式为：

式中，F为t时CO2的排放通量（mg/m2·h），H为水面以上采样箱高（m），M为被测气体摩尔质量，Ta为空气温度（K），P为采样点气压（105 Pa），为采样时气体浓度随时间变化的直线斜率［10］。

CO2体积浓度与质量浓度之间的转换公式为：

式中，Cm为待测气体的质量浓度（mg/m3）；Cv为气相色谱分析得到的体积浓度（10-6）；M为待测气体的摩尔质量（g/mol）；P为采样时刻箱内气压（kPa）；T为箱内温度（K）［11］。

1.2.3 CO2气体含量检测 CO2气体含量采用气相色谱仪（Agilent 7890A，配有三阀四柱系统，TCD检测器、FID检测器、Ni63-μECD电子捕获检测器）检测。CO2检测条件为：色谱柱为Porapak-Q不锈钢填充色谱柱；填充柱进样口：50℃，阀：80℃；柱箱温度：100℃；柱流量：40 mL/min；检测器TCD：180℃。

1.3 环境因子测定

1.3.1 温度测定 每次采集气体样品时用水银温度计测定空气气温、地表温度以及土下10、20、50 cm不同剖面的土壤温度和采样箱箱内温度。地温计用于测定地表及地下土壤温度、水体温度。同时采集安置的气象站中气象监测数据。此外，坡改梯与非坡改梯区内，样地1～4为有草监测，样地5～6为无草监测。

1.3.2 土壤采样 每个样地分层采集土壤样品，实验室称鲜质量后采用烘干法，即先称出土样鲜质量，然后在 105℃条件下将土样烘干24 h并称出干质量，计算土壤含水率：

冻干机冻干后的土壤样品，采用重烙酸钾氧化-油浴加热法测定土壤有机碳含量。

2 结果与分析

2.1 土壤CO2浓度监测结果

为分析坡改梯与非坡改梯地区研究点在不同季节月份、不同土壤深度的土壤CO2浓度变化规律及差异，将2017年各月份坡改梯与对照区非坡改梯地区的研究点在10、20、50 cm土层深度的CO2浓度检测值进行比较分析（图2、图3），得出以下变化规律：（1）非坡改梯地区土壤CO2浓度总体比坡改梯地区大，非坡改梯为79 596.12 mg/m3，坡改梯为60 923.42 mg/m3，土层深度10、20 cm的CO2浓度非坡改梯均比坡改梯大，但在土壤深度50 cm处非坡改梯比坡改梯CO2浓度小。坡改梯与非坡改梯地区CO2浓度差异主要取决于人类对土地的不同利用方式和利用的程度。（2）坡改梯和非坡改梯地区土壤CO2浓度大多数随着土壤深度增加呈下降趋势，各土层深度中坡改梯地区浓度变化范围为756.61～ 4 798.16 mg/m3，非坡改梯浓度变化范围为695.32～7518.74 mg/m3。但在某些月份如坡改梯地区的5月份与非坡改梯的10月份其土壤CO2浓度变化呈现随土壤深度增加CO2浓度减小的现象。不同月份不同深度土壤CO2浓度垂向梯度变化不明显，可见，土壤深度对CO2浓度情况的影响较为复杂。（3）坡改梯地区土壤CO2浓度春夏高、秋冬低，浓度高峰出现在夏季尤其是6月份，最高值为9 594.06 mg/m3，1月份为最低值2 755.37 mg/m3。非坡改梯地区土壤CO2浓度夏秋高、冬春低，土壤CO2浓度在9月份最大、最高值为13 913.82 mg/m3，此外7、10月份也出现了接近浓度高值的次高峰，分别为10 162.41、10 135.42 mg/m3，1月份为最低值（2 321.68 mg/m3）。土壤CO2浓度受很多因素影响，如气候条件、土壤理化性质及人类对土地的利用等，研究发现本项目区土壤CO2浓度与土壤温度、土壤含水率和土壤有机碳含量密切相关。

图2 坡改梯地区不同深度土壤CO2月浓度变化Fig.2 Monthly change of CO2 concentration at different depths soil in the terraced area

图3 非坡改梯地区不同深度土壤CO2月浓度变化Fig.3 Monthly change of CO2 concentration at different depths soil in non-terraced area

2.2 地表CO2释放通量监测结果

为量化研究区人类活动对石漠化造成的影响，本研究除比较坡改梯与对照区非坡改梯的地表CO2通量差异，还分别在坡改梯地区与非坡改梯地区选取具有代表性的有植被覆盖和无植被覆盖监测点，即进行有草情况和无草情况下地表CO2通量的对比分析（图4、图5），得出以下变化规律：（1）坡改梯地区有草覆盖与无草覆盖情况下的地表CO2通量相差较小，通量值相差约350.54 mg/m2·h，CO2释放通量相近；非坡改梯地区无草覆盖下地表CO2释放通量高于有草覆盖的监测点，通量值相差约602.38 mg/m2·h，地表CO2通量相差较大，与植被呼吸能减缓地表CO2通量释放有关。（2）非坡改梯地区地表CO2释放通量总体高于坡改梯地区，差值约为648.11 mg/m2·h。具体而言，有草情况下坡改梯地区地表CO2释放通量较高，无草情况下非坡改梯地区地表CO2释放通量高于坡改梯地区。说明研究区地表CO2通量不仅受人类活动影响，还受土壤CO2浓度制约。（3）一年中4～12月地表CO2释放通量约为1～3月的6倍，坡改梯地区与非坡改梯地区监测数据均符合此规律。此外，坡改梯地区和非坡改梯地区的地表CO2释放通量均具有明显季节变化规律，夏季地表CO2释放通量最高、秋季次之、春季略低于秋季、冬季地表CO2释放通量最低，4个季节地表CO2通量动态变化趋势一致。春季气温上升、日照渐长，植物萌芽并发育生长，植物根系活动和土壤微生物呼吸作用增强，土壤CO2释放通量上升；夏季气温越来越高、太阳光充足、降水丰富，植物光合作用增强，生长发育旺盛，植物根系活动呼吸作用最强，土壤CO2释放通量达到最高；秋季气温偶有回升，降水较多，加上枯枝落叶为土壤微生物提供养分，土壤微生物呼吸作用强，CO2释放通量较高；冬季昼短夜长，日照渐短，气温下降，加之降水量减少，植物发育缓慢趋于停止生长，植物根系活动和土壤微生物呼吸作用也减弱，土壤CO2释放通量在一年中最低（图6）。

图4 坡改梯地区有草覆盖地表/无草覆盖地表CO2排放通量（左为有草，右为无草）Fig.4 Surface CO2 emission fluxes in the terraced area with/without grass(left: with grass; right: without grass)

图5 非坡改梯地区有草覆盖/无草覆盖地表CO2排放通量（左为有草，右为无草）Fig.5 Surface CO2 emission fluxes in non-terraced area with/without grass(left: with grass; right: without grass)

图6 CO2排放通量与土壤温度、含水率的相关分析Fig.6 Correlation analysis of CO2 emission flux and soil temperature and moisture content

3 讨论

3.1 土壤CO2浓度研究

总体而言，非坡改梯地区土壤CO2浓度比坡改梯地区大，其主要取决于人类对土地的不同利用方式及程度，喀斯特石漠化地区生态环境脆弱［12］，人们对土壤的干扰程度严重影响土壤的碳汇能力，坡地改造为梯田的过程一定程度上改变了土壤结构，削弱了坡改梯地区土壤的碳汇能力，导致土壤中部分CO2排放到大气中，最终坡改梯地区土壤CO2浓度变小。非坡改梯地区未受人类活动干扰，土壤碳汇能力较强，因而土壤中的CO2浓度较大。土壤有机碳主要分布于土壤上层1 m深度以内，本研究区土壤CO2浓度与土壤有机碳含量变化趋势具有相关性，即在一定土壤深度范围内，土壤CO2浓度与土壤有机碳含量随深度的变化趋势一致，两者呈正相关［13］。坡改梯地区有机碳含量开始随土壤深度增加而减小至土深20 cm附近，后随土壤深度增加而增加，土壤CO2浓度变化趋势与此一致。坡改梯地区表层土壤深度越深，受人类活动干扰程度越小，有机碳含量较高，上表层土壤中有机碳储量多，可供土壤微生物分解的有机质多，导致土壤CO2不断分解产生，因此坡改梯地区土壤深度50 cm的土壤CO2浓度较大。研究表明，喀斯特地区土壤有机碳含量随着土层深度增加而降低，土壤CO2浓度随土层深度的增加而增加，两者呈现一定的负相关性［14］，非坡改梯地区土壤有机碳含量随土壤深度增加而不断下降，非坡改梯地区土壤CO2浓度随土壤深度增加也不断下降，土壤CO2浓度与土壤有机碳含量随深度的变化趋势呈正相关，与上述结论不符。本研究一年中各月份土壤CO2浓度绝大多数随土层深度的增加而下降，仅少数情况下CO2浓度随土壤深度增加而上升，如坡改梯地区5月份和非坡改梯地区10月份土壤CO2垂直浓度变化与土层深度呈正相关性，主要是因为喀斯特地区土层较薄，上表层土质疏松［15］，根呼吸和微生物呼吸产生的CO2很快通过气体交换排放到大气中，越靠近地表，向大气排放的CO2越多，导致上层土壤CO2浓度较低。而土壤粘性随着深度增加而增大，土壤孔隙中气体交换受阻，加上部分土壤微生物和植物根系活动不断消耗土壤中的氧气，不断释放CO2在土壤深层积累，导致下层土壤CO2浓度较高。但研究区土壤CO2浓度主要受土壤有机碳制约，一方面，土壤温度直接影响CO2垂直浓度变化，在一定范围内土壤温度升高，植物呼吸作用增强，微生物活动剧烈，土壤中含碳物质的分解迅速加快了CO2的产生，加上土壤中生物的呼吸作用也会加强，这些都促使土壤CO2浓度增加。另一方面，土壤含水率也会影响CO2不同深度的浓度变化，土壤含水量变化导致土壤中可溶性有机碳浓度、土壤通透性产生变化，同时水分对根系呼吸和土壤微生物呼吸也会产生影响。受土壤密度和含水率制约的土壤孔隙度控制着土壤CO2传输［16］，坡改梯地区受人类活动影响改变了土壤孔隙度和含水率，导致土壤CO2加速产生，受人类活动干扰，不注重表土的保留，倒置了表土和生土，土壤CO2浓度逐渐降低。土壤中CO2浓度和植物的生长状况有密切关系，温度是影响植物生长的关键因素，而土壤含水率起到重要的控制作用，在土壤不同生长阶段，它们一起控制植物根系的呼吸及发育［17］。

3.2 地表CO2释放通量研究

（1）非坡改梯地区地表CO2释放通量比坡改梯地区更高，这主要与研究区土壤CO2浓度有关，即地表CO2释放通量与土壤CO2浓度具有正相关关系。非坡改梯地区土壤中有机碳含量较高，有利于土壤CO2的形成，导致土壤中CO2浓度升高，促进土壤CO2加速排放。有植被覆盖下坡改梯地区地表CO2释放通量更高，说明人类活动通过直接活动或者间接活动改变了土壤理化性质而对土壤释放CO2具有不同程度的贡献，人为因素不仅改变了土壤孔隙度、土壤含水率［18］，还促使土壤有机碳分解加速、引起土壤释放CO2增强。在无植被覆盖下非坡改梯地区地表CO2释放通量更高，说明地表CO2释放不仅受人类活动影响，还覆盖受土壤CO2浓度制约，非坡改梯地区土壤CO2浓度较高，导致地表CO2释放通量更高。坡改梯地区无论在有草覆盖还是无草情况下地表CO2释放通量相差不大，而非坡改梯地区无草情况下地表CO2释放通量更高，主要是因为植被呼吸作用吸收部分土壤CO2，从而缓解CO2释放。

（2）不同季节月份和不同植被类型的土壤温度和土壤含水率不同，土壤CO2排放通量也有差别［19］。不同植被覆盖下土壤温度和水分状况存在显著的季节变化，土壤CO2通量对温度升高的适应往往导致夏季土壤CO2通量的温度敏感性低于冬季，土壤CO2通量对全球变暖的反应也存在季节差异［20］。CO2排放通量与月平均土壤气温、土壤的含水率的相关性分析及显著性检验结果表明：土壤CO2排放通量与土壤温度呈显著正相关关系，即土壤温度升高可促进土壤中碳储存的大量分解，CO2排放通量随土壤温度的升高而增加；土壤CO2排放通量与土壤含水率亦呈显著正相关性，表明在一定含水率范围内，土壤水分增加使土壤CO2呼吸增强，导致土壤CO2排放通量升高。在微生物的能量供应及体内循环、植物及微生物的生命活动过程、土壤空隙的通透性和气体的扩散过程的调节和控制，都体现出土壤水分对土壤CO2通量的重要影响作用［21］。雨季期间连续的降水在短时间内迅速增加了土壤含水量，导致土壤中可溶性有机碳浓度、通透性产生变化。土壤在不同植物根系和不同微生物中，产生反应可能各不相同，因此土壤CO2排放速率在不同降水形式及大小强度的不同、降水时间长短等不同的情况下，产生影响不尽相同。降水发生之前，土壤CO2通量的日动态没有明显变化，随着降水发生一段时间后，土壤CO2通量有明显上升趋势，一方面可能是降雨激活了土壤微生物的活性，增加了微生物的种群数量，进而增强了其分解活动，另一方面可能是降雨增强了根系的呼吸［22］，进一步说明了实验结果。

4 结论

研究区不同植被类型下土壤CO2浓度为695.32～7 518.74 mg/m3，土壤有机碳含量是影响其浓度变化的主要原因，土壤温度、土壤含水率是重要控制因素，因此，增加土壤碳储存能力是减缓大气CO2浓度增加的有效方法。土壤CO2排放通量随季节明显变化，在一定范围内，土壤温度及含水率都与CO2排放通量呈显著正相关关系。在个别月份出现显著变化表现为巨大的源与汇，主要是受到降水、土壤温度及含水率及土壤微生物的共同影响。

研究区石漠化越来越严重的主要原因之一是人类对土地的不合理利用。全球温室气体CO2受人类活动尤其是土地利用方式改变的重要影响，喀斯特地区土壤不停产生并排放CO2，且排放数量不小，如果没有良好的地面植被吸收转化，那么排放出的大部分CO2很容易直接排放到大气中，导致温室效应加剧产生。因此，加大力度治理喀斯特地区石漠化，保护喀斯特地区的生态环境，减少岩溶区CO2等温室气体是缓解温室效应的重要途径之一。从某种意义上说国家的退耕还林还草政策实际上是一项缓解温室效应强有力措施，认真落实这一政策将会减少土壤CO2排放，增加土壤对大气CO2的吸收，从而有效缓解温室效应。