（自然地理学专业论文）关中与洛川地区土壤co2释放量的变化研究.pdf

关中与洛川地区土壤c 0 2 释放量的变化研究 重心刚 摘要本研究的样区主要位于西安南郊和蓝田县附近。西安和蓝田县均位于 陕西省关中平原中部，渭河之南，秦岭之北，处于渭河二级阶地之上。褐土发育 极为广泛，地表土层以马兰黄土为主，土质疏松且较为均一，土层本身对c 0 2 释放量影响小，是观测c 0 2 的理想土层。经过长期的人为改造，两地天然植被 已不存在，现代植被以人工栽培的作物、杂草以及杂木林为主。气候温暖半湿润， 四季分明，属暖温带季风气候。为了进行对比分析，我们也在洛川县城南作了观 测。 本文观测采用碱溶液吸i 受法。原理是把一定浓度的碱液置于土壤表面上的烧 杯中，然后用一只圆桶将地面罩住。当c 0 2 从土壤表面释放时，它便被围集在 圃桶内并被碱液吸收。在经一定时间的吸收后，把盛有碱液的烧杯移出，用滴定 法测定未反应的部分碱液，通过差减法，就能算出与碱结合的c 0 2 量。 2 0 0 2 年1 1 月2 0 0 3 年1 2 月的观测资料显示，西安地区土壤厚土层c 0 2 释 放与前人在其他地区的研究不同，释放量变化与温度变化并未呈现正相关的关 系，表面上呈现出一种反相关的关系，表现为白天释放量低于夜间。而薄土层土 壤c 0 2 释放量变化规律，与气温变化规律呈正相关，c 0 2 释放量不存在“滞后性”a 且释放量明显小于厚土层。 观测资料表明，西安地区土壤厚层c 0 2 释放量的日变化从当日8 ：0 0 到次日 8 ：0 0 ，呈现由低变高再变低的变化规律。土壤c 0 2 释放量的变化趋势大体与温 度的变化一致，但在时间上有一定的滞后性。一般在1 1 ：o o 1 4 ：0 0 出现一天中 的最小值，之后释放量迅速上升，至1 9 ：0 0 2 3 ：0 0 为全天最高值时段，清晨6 ：0 0 左右明显下降。但薄土层c 0 2 释放规律与厚土层释放规律明显不同，约在当日 9 ：0 0 1 8 ：0 0 之问为释放量高时段，1 8 ：0 0 2 0 ：0 0 为释放量降低时段，2 1 ：o o 次日6 ：0 0 为释放量低时段，6 ：0 0 以后释放量明显升高。 随着季节的变化，西安地区土壤c 0 2 释放量有明显的增减，夏季日释放量 最多，秋季次之，冬季最少。从具体月份看，一般7 月份日释放量最高，可达到 8g m l d 以上，冬季3 个月释放量最少，最少时不足o 5g m s d 。 影响关中地区土壤c 0 2 释放量的因素中，温度是最重要的。从季节变化看， 湿度对土壤c 0 2 释放的作用更加明显。通过统计分析，释放量的变化与温度呈 极显著的正相关关系。随着全球变暖，土壤c 0 2 释放量将会增加。 土壤c 0 2 对土层、壤植被差异反应敏感。薄土层释放量明显小于厚土层， 这主要是因为薄土层植被发育与微生物活动不如厚土层。植被发育越好，土壤 c 0 2 释放量越多。不同植被条件下，土壤c 0 2 释放量有差异。一般说来，裸地有 较高的释放量，林地和草地释放量较低。裸露地表土壤c 0 2 的释放量变化较大。 地表覆盖良好，c 0 2 释放较为稳定。 土壤c 0 2 主要是微生物生命活动产生的。根据西安地区土壤c 0 2 释放量的 昼夜变化规律推测，夜间微生物活动强度很可能大于白天。 实验发现，植被对缓和土壤碳释放，保护环境具有重要意义。保护植被，加 强生态建设是减缓大气c o z 增加的有效措施。大力提倡恢复和营造森林，增大 陆地碳汇，是今后生态环境发展的重要方向之一。 关键词：关中地区土壤c 0 2 释放量厚土层薄土层变化规律影响因素 t h es t u d yo nt h ec h a n g eo fc 0 2r e l e a s ef r o ms o i li n g u a n z h o n g a n dl u o c h u a na r e a t o n g x i n g a n g a b s t r a c t ：t h i ss t u d yf o c u s e so ns u c ha r e a sa st h es o u t h e r np a r to fx i a n a n dn e a rl a n t i a nc o u n t y x i a na n dl a n t i a na r ei nt h em i d d l ep a r to fg u a n z h o n g p l a i no f s h a a n x ip r o v i n c e ，i nt h es o u t hb e y o n dw e ir i v e ra n dt h en o r t hb e y o n dq i n m o u n t a i n ，a n do nt h es e c o n dt e l l a c e o fw e ir i v e r t h et o p s o i ll a y e ri s u s u a l l y c o m p o s e d o fm a l a nl o e s s b e c a u s ei t s c o m p o s i t i o ni sh o m o g e n e o u sa n d i t s c o n s t r u c t i o ni sl o o s e ，i t st h ei d e a ll a y e rt ob es t u d i e df o rc 0 2r e l e a s e i nt h e r e s e a r c ha r e a s ，n a t u r a lv e g e t a t i o ni sh a r d l ys e e n ，b u tc r o p s ，a r t i f i c i a lv e g e t a t i o na n d s e c o n d a r yv e g e t a t i o n t h i sr e g i o nh a sw a r mt e m p e r a t ea n dc o n t i n e n t a lm o n s o o n c l i m a t ew i t h4d i s t i n c ts e a s o n s t h em e t h o du s e di nt h i s s t u d yi sa l k a l ia q u aa b s o r p t i o n t h eo b s e r v a t i o n ， w h i c hl a s t e dn e a r l yf r o mn o v e m b e r2 0 0 2t od e c e m b e r2 0 0 3 ，s h o w st h a tt h e a m o u n to fc 0 2r e l e a s ef r o mt h i c ks o i ll a y e rd o e sn o th a v et h ep o s i t i v ec o r r e l a t i o n w i t ht h ec h a n g eo ft e m p e r a t u r e ，w h i c hi sd i f f e r e n tf r o mo t h e rs t u d i e so no t h e r a r e a s ，t h a ti st os a yt h er e l e a s ea m o u n ti nt h ed a y t i m ei sl o w e rt h a nt h a ta tn i g h t t h ec h a n g el a wo fr e l e a s ea m o u n to fc 0 2f r o mt h i ns o i l l a y e rh a st h ep o s i t i v e c o r r e l a t i o nw i t ht e m p e r a t u r e t h er e l e a s ea m o u n to ft h et h i ns o i ll a y e ri sl e s st h a n t h a to f t h et h i c ks o i tl a y e r t h er e s e a r c hs h o w st h a tt h er e l e a s ea m o u n tf r o ms o i ld e c r e a s ea n dt h e nr i s e s a n da g a i nd e c r e a s e st h r o u g h o u tt h ed a ya n dn i g h tf r o m8 ：0 0 a mt o8 ：0 0 a mn e x t d a y t h er e l e a s e o fc 0 2i nt h es o i lt e n d st o k e e pp a c ew i t ht h e t e m p e r a t u r e c h a n g e ，h o w e v e r t h ec h a n g eo f t h ef o r m e ri sl a t e rt h a nt h a to f t h e l a t t e r u s u a l l y ， f r o m11 ：0 0 协1 4 ：0 0 ，t h el e a s ti sr e l e a s e df r o mt h es o i l ，a n dt h e nt h er e l e a s ea m o u n t o f c 0 2i n c r e a s e sr a p i d l ya n dr e a c h e si t sc l i m a xa r o u n dt h et i m ep e r i o df r o m1 9 ：0 0 t o2 3 ：0 0 a b o u t6 ：0 0i nt h em o r n i n g ，t h ea m o u n td e c l i n e sa p p a r e n t l y t h ec h a n g e l a wo fr e l e a s ea m o u n to fc 0 2f r o mt h i ns o i ll a y e ri sd i f f e r e n tf r o mt h a to ft h i c ks o i l l a y e r ，t h er e l e a s ea m o u n t i sg r e a tf r o m9 ：0 0t o1 8 ：0 0 ，d e c r e a s ef r o m1 8 ：0 0t o2 1 ：0 0 ， i ss m a l lf r o m2 1 ：0 0t o6 ：0 0t h en e x td a ya n di n c r e a s e sa f t e r6 ：0 0 t h ea m o u n to fc 0 2r e l e a s ef r o ms o i li ng u a n z h o n ga r e ac h a n g e sa l lt h ey e a r r o u n d ，w i t ht h eh i g h e s ta m o u n t i nt h es u m m e r ，n e x ta u t u m n ，a n dt h el o w e s ti nt h e w i n t e r u s u a l l y ，t h ea m o u n to fc 0 2 r e l e a s ep e rd a y i sf o u n dt ob et h eh i g h e s ti n j u l y ，w h i c h i so v e r8 9 m 2 d ，a n dt h el o w e s ti nd e c e m b e r ，j a n u a r ya n df e b r u a v d ， w h i c hi sl e s st h a no 5 9 m 2 - d t e m p e r a t u r e i st h em o s t i m p o r t a n t f a c t o r a f f e c t i n g t h e c 0 2 r e l e a s e t e m p e r a t u r ep l a y s a l l a p p a r e n t l ym o r ei m p o r t a n tp a r t b ys t a t i s t i ca n a l y s i s ，t h e a m o u n to fc 0 2r e l e a s es h o w s e x t r e m e l y o b v i o u s p o s i t i v e c o r r e l a t i o nw i t h t e m p e r a t u r ew i t ht h eg l o b eb e c o m i n gw a r l ：n ，t h e a m o u n to fc 0 2e m i s s i o nw i l l i n c r e a s e t h er e l e a s eo fc 0 2i nt h es o i li ss e n s i t i v et ot h es o i ll a y e ra n d v e g e t a t i o n t h e r e l e a s ea m o u n to ft h i ns o i ll a y e ri s a p p a r e n t l yl i t t l e t h a nt h a to ft h i c ks o i l l a y e r b e c a u s et h ev e g e t a t i o no ft h i ns o i ll a y e ri sm o r et h a nt h i c ks o i ll a y e r t h er e l e a s e a m o u n to fc 0 2v a r i e du n d e rt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n so fv e g e t a t i o n g e n e r a l l y s p e a k i n g ，t h e r e i sa h i 【g h e rr e l e a s ea m o u n to fc 0 2 o nt h eb a r eg r o u n d ，b u tal o w e r a m o u n to nt h ew o o d l a n da n d g r a s s l a n d i t sf o u n d t h a ttt h ec 0 2r e l e a s ef r o mt h e b a r eg r o u n dc h a n g e s f r e q u e n t l y ，w h i l e i ti sm o r es t a b l ei f t h eg r o u n di sc o v e r e d b y v e g e t a t i o n m i c r o o r g a n i s mp r i m a r i l yp r o d u c e dt h ec 0 2 i ns o i l a c c o r d i n gt ot h ec h a n g e o fc 0 2 r e l e a s e ，i t sd e d u c e dt h a tm i c r o o r g a n i s mi sm o r ea c t i v ea tn i g h tt h a ni nt h e d a y t i m e t h ee x p e r i m e n ts h o w s v e g e t a t i o np l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ns l o w i n gd o w n t h e r e l e a s eo f c 0 2 i ns o i la n d p r o t e c t i n gt h ee n v i r o n m e n t t h ep r o t e c t i o no f v e g e t a t i o n a n de n h a n c e m e n to f e c o s y s t e mi so n eo ft h ee f f e c t i v em e a s u r e st oc u r bc 0 2i nt h e a t m o s p h e r e t h e r e f o r e ，t h e r e s t o r a t i o na n dc o n s t r u c t i o no ft h e f o r e s t a n d e n l a r g e m e n to fc a r b o ns i n k so nt h ec o n t i n e n ti sa ni m p o r t a n t a s p e c t i nt h e e n v i r o n m e n tc o n s t r u c t i o nf r o mn o w o n k e yw o r d s ：g u a n z h o n ga r e a ；c 0 2f r o ms o i l ；r e l e a s ea m o u n t ；t h i c ks o i ll a y e r ； t h i ns o i ll a y e r ；c h a n g e l a w ；a f f e c t i n gf a c t o r s 前言 自2 0 世纪8 0 年代以来，伴随着资源与环境问题日益恶化，人们对其生存环 境及环境变化对人类今后发展的重大影响等方面进行了大量研究。人们试图从全 球角度来理解并最终协调与之相关的问题，全球变化研究逐渐成为热点。人们通 过对生态系统的物质和能量的传输与交换的研究来认识全球环境变化的规律，从 而预测未来的发展趋势，为人类社会的发展做出相应的贡献。我国在这方面也进 行了许多研究，已取得了很多重要成果。 全球气候变暖是近代全球环境变化的重要显示之一。目前，人们普遍认为， 大气中以c 0 2 为主的温室气体的增加是导致全球气候变暖的主要原因。在温室 气体中，c 0 2 对气温的贡献率最大，超过6 0 。在今后3 0 年中，它的贡献率会 随着其它温室气体的增加而下降，但也会在5 5 以上【l 】。c 0 2 的增加主要是由于 人类活动造成的，特别是人类燃烧化石燃料造成的。从古代以来，人们为了获取 生活与生产资料就开始对自然生态系统产生影响，改变了维持生命所需的基本化 学物质如碳等化学元素的分布。自工业革命之后，人们开始不断开采贮存于岩石 圈的化石燃料，这种活动对全球环境产生了影响。人类的活动不断地改变着环境 状况，环境的变化以及大气c 0 2 的增浓也引起了各种生态系统及人类生存状态 的变化| 2 1 ”。大气中c o z 的浓度已由工业革命前的2 8 0 p p m 上升到现今的 3 6 8 p p m i i 。据i p c c 温室气体排放方案特别报告中的排放方案，由碳循环模式 预测2 1 0 0 年大气中c o z 浓度可达5 4 0 9 7 0 p p m ，而全球平均表面温度预计在 1 9 9 0 - - 2 1 0 0 年间升高1 4 5 8 f 1 5 】。由此将导致全球环境产生系列变化，人 类面临的形势不容乐观。 与此同时，士地利用变化也是对生态系统影响的最为重要的全球变化因素之 一。地球上已有近一半不冻的陆地被人类开发利用。全球碳循环研究显示，估计 全球有4 0 陆地净初级生产量被人类直接消费或饲养动物，另有2 6 7 在完全 由人类控制的系统中转换掉，还有1 1 7 由于人类活动雨丢失【1 6 】。目前，土地 利用变化产生的c 0 2 释放仅次于化石燃料燃烧，约相当于化石燃料燃烧释放的 3 0 【1 7 。由此可见，人类活动极大地改变了全球的碳库及碳流状况，对全球环 境变化产生了深刻的影喻。研究全球碳循环及其源、汇、流变化对我们认识全球 环境变化是极其重要的。 人们向大气中排放的c 0 2 不断增加，而海洋和陆地对c 0 2 的吸收量却在减 少。人们发现，大气中c 0 2 的增量远低于人类活动排放到大气中的c 0 2 量。目 前，由化石燃料燃烧释放的c 0 2 约为6 p g c l a ( i p g = l o ”g ) 。如果这些碳全部汇集到 大气中，将使大气c 0 2 以每年0 8 的比率递增。实际上，目前每年的增加速率 约为0 4 ，仅有5 6 滞留在大气中，而其余的去向尚不清楚1 1 8 - 2 0 l 。 这便出现 了一个很大的“漏失汇”，它的大小约为1 3 p g c ，护”。它的出现对正确预测未来 气候变化提出了严重的挑战，解决这一问题成为全球变化研究中的一个关键环 节。虽然有人认为陆地植被对平衡碳源与汇的贡献不大，主要是海洋吸收了更多 的碳t 7 2 五钔。但多数人认为，这一“漏失汇”可能存在于陆地生物圈，特别是北半 球陆地生态系统【2 5 3 2 】。不同的证据表明，热带【3 3 - 35 1 、温带2 9 孤3 7 1 、甚至极地 【2 6 _ 3 8 】都有可能是重要的碳汇，陆地表层系统的岩溶作用对大气c 0 2 的吸收也不 容忽视 3 9 - 41 】。平衡碳源和汇成为当前全球气候变化和生物地球化学循环等研究领 域的热门课题之，其机制的研究对未来气候的预测和全球变化的发展至关重要 1 4 2 4 6 ，在这其中，土壤是“漏失汇”的一个重要候选者。 陆地是人类的主要生存环境。陆地土壤是地球表面最大的碳斟馆一9 矧4 7 , 4 8 】 ( 约1 3 0 0 p g c ) ，也是地球大气c 0 2 的重要来源之一。陆地土壤及土地利用方式 的变化将使全球地一气交换过程发生重大改变，从而对全球环境变化产生深刻的 影响【4 9 - 5 2 。陆地土壤中的c 0 2 主要以土壤呼吸的方式向大气中排放。土壤呼吸 主要包括土壤微生物呼吸、活根系呼吸、土壤动物呼吸和含碳物质的化学氧化作 用等几部分。全球陆地年土壤呼吸释放的c 0 2 总量约为7 5 p g c 擂】，如此巨大的通 量，既使其有轻微的变化，也会引起大气中c 0 2 浓度的明显变化。因而，土壤 呼吸作为陆地土壤碳库的主要输出途径和c 0 2 的重要源汇，对于它的精确、系 统的测定已成为目前全球变化研究中的关键问题之一。但由于陆地生态系统在全 球范围内具有显著的时空差异性，导致土壤呼吸也具有明显的时空差异。加之土 壤呼吸作为一种生命活动过程，本身具有复杂性，又受多种因素的影响，使得土 壤呼吸的实际情形千差万别。所以，对陆地土壤的c 0 2 释放状况需要进行长期 的定点观测研究。 目前的研究一方面是建立模型。通过对碳源、汇、流之间关系的探索，模拟 不同区域甚至全球范围的碳循环过程，利用模型估算不同碳库间量的关系及变 化，从而达到揭示全球变化机制的目的 5 3 - 6 5 1 。另一方面是点上的工作模型的建 立、验证与修正都需要具体的观测数据作为依据。由于陆地生态系统是一个复杂 的巨系统，土壤c o z 的释放又具有明显的空间差异性，要搞清楚其中的所有问 题，点上的工作是基础。在这方面，已有许多成果发表。它们对不同地区不同气 候条件下的生态系统进行了观测和报道，获得了当地土壤环境下c 0 2 释放量的 动态变化，得出的规律是土壤c 0 2 释放量的变化与温度的变化致，在一个昼 夜中，白天的释放置明显高于夜间惭郴】。同时它们在不同程度上对影响土壤c 0 2 2 释放变化的各种因素进行了分析。 本文是对关中地区不同条件下土壤c 0 2 释放量及其变化规律进行研究的成 果，是对我国这一领域研究的重要补充。我国黄土分布广泛，土层深厚，在不同 的区域形成了不同的土壤，它是土壤碳库的重要组成部分 8 7 - 9 1 ，它的研究在碳循 环及全球环境变化中占有重要地位。但目前这方面的研究还较少，尤其是黄土地 区土壤c 0 2 释放量变化的观测研究很少。经过实验研究，揭示了关中地区不同 土壤c 0 2 释放量的太小及其差异，揭示了土壤c 0 2 释放的日变化规律与季节变 化及其主要影响因素。在已发表的成果中，都强调了温度的重要性，本文的研究 揭示了土壤c 0 2 释放置相对温度变化的滞后性特征。因为这种特征，土壤c 0 2 释放量表现为自昼低于夜间。这对确定微生物活动强度的昼夜变化等也有参考价 值。虽然有人提出c 0 2 释放的这种昼夜变化，但并没有依据证实这一变化规律， 本文的观测资料证实了这一点。补充c 0 2 来源深度新认识，补充薄土层与厚土 层的重要新认识。 由于测量土壤c o z 释放的方法和技术有多种，各种方法都有自身的缺陷， 方法间的可比性差，目前还没有一种标准方法以供使用。不同的研究者根据自己 的条件及研究目的不同而采用不同的方法，导致不同时期不同研究工作之间难以 比较，对研究工作造成不利的影响。 与土壤c 0 2 释放有关的专业很多，研究领域广泛，它涉及生物学、物理学、 化学、气象学、土壤学、沉积学、岩溶学等等学科，该项研究自身的复杂性与综 合性，因而有必要进行协作研究，进行多领域广大范围的合作。若缺乏不同区域、 不同领域的合作，难免有一定的片面性。通过对土壤c 0 2 释放量变化的研究， 有助于解决全球变化问题，同时对各相关学科的发展及学科之间的交叉与融合具 有重要意义。 研究土壤c 0 2 释放量变化，认识土壤c 0 2 释放规律及其影响因素，不仅能 为人们评价土壤c 0 2 对大气c 0 2 的影响提供一种重要途径，而且能为人们评价 人类活动对土壤质量的影响以及由此产生的土壤c 0 2 释放量的变化提供依据， 也能为揭示微生物的活动规律、评价土质的优劣等，提供重要的参考价值随着 对土壤c 0 2 释放量变化的深入研究，可能揭示更多的科学问题。因此，对壤 c 0 2 释放的研究具有重要的科学价值。 1 研究区的地质、地理概况和观测点选择 1 1 区域地理概况 美中平原地处我国腹地，是中华民族灿烂文化的发祥地，也是孕育西安城的 r 摇篮”。关中平原西起宝鸡，东抵黄河，占有渭河中下游地区，西窄东宽，西 部宽1k r n 左右，东部宽在8 0 f a n 以上，东西长约3 6 0k m ，号称“八百里秦川”， 面积约3 4 0 0 0f a n 2 。平原东低西高，海拔3 2 5 7 5 0 m ，它是在华北地台渭河地堑 的基础上因地壳不断下沉并接受泥沙堆积而形成的。关中地区是人类较早的居住 之地，经济开发早，处于东、西两部交通的要塞，人口稠密；平原上地表水和地 下水比较丰富，城市居民吃水用水都比较容易得到解决。所以关中地区是我国全 国性大城市出现最早的地方，周秦汉隋唐等王朝的国都就建在关中平原的心脏一 西安地区。 关中平原的四周为山地所环绕。它的南面是著名的秦岭山脉。秦岭是古老的 褶皱山脉，但在第三纪末和第四纪以来不断抬升，因而山高谷深，山峰林立，沟 谷纵横，平均海拔在2 0 0 0 m 以上，为我国地理上南方和北方的分界线。 西安市位于我国腹地陕西省关中平原的中部，居于渭河南岸。它南依秦岭山 脉，北靠渭北荆山黄土台塬，东起零河和灞源山地，西到黑河以西的太白山地和 青化黄土台塬。它的最北端在临渣县关山乡东北部的h 家村以北，北纬3 3 0 4 27 ： 最南端在周至县厚畛子乡南部光头山南侧，地当北纬3 4 0 4 4 ；最东端在蓝田县 灞源乡羊圈村以东，东经i 0 7 0 4 0 ；最西端在周至县厚畛子乡西南部大房子以谣， 东经10 9 0 4 9 。东西最长2 0 4 k m ，南北最宽l o o k m ，总面积9 9 8 3 k m 2 9 3 1 。 西安市地貌类型较为多样，但以平原为主，山地主要分布于长安县南部秦岭 山区。地势南高北低，相差悬殊。山地、洪积扇( 或台塬) 、渭河冲积平原等作东 西向延伸，南北方向排列，呈明显的条带状结构。南部的秦岭为一东西向延伸的 巨大褶皱断块中、高山，长约2 0 0 k m ，一般海拔1 5 0 0 2 0 0 0 m ，主分水脊即为西 安市南部边缘。主峰太白山海拔3 7 6 7 m ，也是中国大陆东部最高峰。北部是以渭 河断陷谷地为基础所形成的关中平原( 包括台塬) ，一般海拔4 0 0 6 0 0 m 。渭河流 出市境处河床海拔3 4 5 m ，为西安市最低点，辖区南北高差平均约l 1 0 0 1 4 0 0 m ， 最大高差达3 4 2 2 m 。由渭河及其支流形成的河谷阶地与山前洪积扇构成关中平原 的主体。渭河冲积平原在西安境内东西长1 4 0 k m ，南北宽1 5 3 0 k m ，西安附近 最宽可达4 0 k m ，由渭河一、二级阶地组成，地面平坦，土壤肥沃，地下水丰富。 黄土台塬是西安地区地貌的突出特点之，主要分布于西安城区以东、以南的临 潼、蓝田和长安境内，海拔大体处于4 5 0 8 0 0 m 之间，成为高出渭河冲积平原 4 的一个明显的地貌层面。台塬面上比较平坦，起伏较小，土层深厚阱j 。 西安市的气候属暖温带大陆性季风气候，冬夏两季较长，春秋两季较短，季 节变化明显，总体上属温暖半湿润。西安市 i o c 的积温为4 5 0 0 4 7 0 0 c ，年均 温为1 3 o 1 3 5 。7 月份为西安最热月。平均气温在2 6 4 c 以上。1 月为最冷月， 均温为0 5 一1 5 ，并不十分严寒。西安市年降水量为5 0 0 7 2 0 m m 。西安处 于东亚季风影响范围内，但东距太平洋可达1 0 0 0 k m ，直接受海洋的调温调湿作 用弱，大陆性强，气温年较差大。西安市气温的日变化也很剧烈，这与地表性质 有直接关系。西安市地表的组成物质主要是黄土，其热容量小，在太阳辐射强时， 温度会很快升高，太阳辐射减弱时，温度又会迅速降低。因而白天温度较高，夜 晚温度较低，气温日较差大。西安地区土壤温度和空气温度存在着极为密切的关 系，土壤温度也具有空气温度的特点。由于黄土热容量和导热率小，因此地表温 度在春季增加迅速，秋季降温甚快，夏季强烈吸热，冬季大量散热，地表温度变 化快且幅度大。 西安市的降水，从北向南逐渐增加的趋势较明显，而自东到西虽有递增之势， 但不显著。西安夏半年受东南气流影响，高温多雨，冬半年为西北气流控制，寒 冷少雨。随着季风的进退和强弱变化，西安市的降水在一年内也发生相应的变化， 降水最多的月份在7 9 月。西安市降水量的年际变化与季节变化都很大，降水 最多年与晟少年之间相差达3 1 1 5 4 4 9 3 m m ，差值为平均值的5 1 6 8 降 水量的月际变化更大，且更复杂。各月降水变率在2 8 1 0 4 之间。夏季是降 水最多的季节，但月降水变率也在3 6 6 3 ，秋季降水量仅次于夏季，月变率 为4 0 5 9 。从各月湿润状况看，西安市9 、1 0 月份为湿润期，即降水量大于 蒸发量，是土壤贮蓄水分的时期。其它各月蒸发量大于降水量，是土壤失水期。 西安市的日照百分率在4 1 5 1 之间，大部分的实际日照时数达不到一半。日 照百分率的年内分布，最高出现在8 月，为4 9 6 3 ，最低为9 月，为3 4 4 5 唧j 。近两年来，9 、1 0 月份连续出现长时间阴雨天气，情况尤甚。 1 2 研究区地表物质组成 西安市地质条件复杂多样，特别是第三纪喜马拉雅运动、第四纪新构造运动 以及地史上多期频繁的岩浆活动、地层特征，对本区自然地理环境的发展有着深 刻的影响。出露地层从老到新有太古界、中元古界、前奥陶系、寒武一奥陶系、 泥盆系、石炭系、三叠一侏罗系及新生界。前新生界主要出露予西安市南部的秦 岭山脉，而巨厚的新生界形成了辽阔的渭河平原。 第四系是西安地区出露最广的地层，约占全区总面积的6 5 ，渭河小区各地 貌单元基本为其所覆盖。主要分布在渭河各级阶她、黄土台塬和山前冲积洪积扇 等处，岩性为砂卵石为主的粗粒沉积和以黄土为主的土状堆积，成因阻风积、冲 洪积为主。分布于河流一级阶地及河漫滩、山前洪积扇上的全新统地层，主要为 2 0 k a 来的河流冲积、洪积层，山前洪积、坡积层和全新世黄土沉积。广泛覆盖 于河流二级阶地以上各地貌单元表层的是发育于晚更新世晚期的马兰黄土。此地 层颜色呈淡灰黄色，土质疏松，结构均一，大孔隙和垂直节理发育，含许多钙质 结核，中间夹一层发育弱的古土壤。在渭河二、三级阶地，该地层厚约i o m 多。 阶地面与黄土塬面地势平坦，面积比较广阔，适于利用。 1 3 观测点的土壤和植被 西安地区自然条件比较复杂，人类影响的程度也有所不同，因而使该地区 的土壤具有复杂多样的特点。西安市的土壤有褐土、潮土、淤泥土、黄土性土、 棕壤、山地灰化土和山地草甸土等类型。它们的分布受自然条件与人类活动的影 响，具有明显的规律性。在西安南部山区，土壤的分布呈明显的垂直地带性， 3 0 0 0 m 以上为山地草甸土，2 4 0 0 3 0 0 0 m 为山地灰化土，向下依次为棕壤与褐土。 褐土是平原区地带性土壤。在北部河谷二、三级阶地及黄土台塬区广泛分布着娄 土类的褐娄土与黑油土，在黄土台塬的边坡和沟坡区以及渭河二级阶地上有大面 积的黄土性的黄绵土分布m9 4 a 黄土是个重要的碳库，但对它的研究还较少， 尤其是黄土地区土壤c 0 2 释放量变化的观测研究少。 西安市所辖地区的自然植被主要可分为落叶阔叶林、针阔混交林等类型。西 安地区是我国土地开发利用最早的区域之一，旱在1 o m a 前就有人类在这一带 生活，6 0 0 0 a 前的半坡母系氏族社会时代，这里已开始种植谷子和蔬菜，奴隶社 会时期，周人己在关中地区栽培多种作物和果树。随着人类社会的进步，生产工 具不断改进，人口不断增加，人类对自然植被的破坏也就越来越大。特别自秦商 鞅提出“地尽其利”以后，关中地区的开发空前加剧。之后，历朝历代因开垦土 地而破坏植被的情况是不断增加。如今，西安地区的天然植被主要分布于西安南 部边缘的秦岭山区，而在平原和浅山地带甚至更高的范围，已基本没有天然植被， 主要是栽培作物、人工植被及次生植被f 9 5 】。 2 观测方法与数据处理 2 1 观测方法及原理 目前用于测定土壤c 0 2 释放即土壤呼吸的方法很多，基本可分为直接法与 间接法。间接法是根据其它指标来推算土壤呼吸值。显然，间接法需要建立所测 指标与土壤呼吸间的定量关系，两这种关系只适用于特定的生态系统。因此，这 种方法的应用具有极大的时空局限性，同时它测定的结果也难以和其它方法直接 比较。直接法有原位测定和室内测定两类。由于土壤呼吸测定方法较多，各方法 6 包含的c 0 2 源不同，对其它条件的依赖程度不同。因此，不同方法所测数据相 差很大，方法间的可比性很差f 9 6 - 9 8 】。而且存在测定时间和空间的不同，给全球 碳循环的对比研究造成了一定的障碍。尽管如此，在研究中，人们根据具备的条 件与研究的对象及目的的不同而选择相应的方法，并努力研究各方法间的差异及 其可比性。目前较为常用的是便携式c 0 2 红外分析仪测定法和碱液吸收法。本 文采用的是碱液吸收法。 2 1 1 实验原理 图2 1 说明了观测土壤c 0 2 释放量变化的碱液吸收法。在测定土壤释放的 c o ：时，把一定浓度的碱液置于土壤表面上的烧杯中，然后用一只圆桶将地面罩 住。当c 0 2 从土壤表面释放时，它便被围集在圆桶内并被碱液吸收。在经一定 的吸收时间后，把盛有碱液的烧杯移出，用滴定法测定未反应的部分碱液，通过 差减法，就能算出与碱结合的c 0 2 量。 这种方法是用于研究由原位土壤释放c 0 2 速率的较早应用的方法之一，也 是目前仍然较广泛使用的方法之，它所需仪器也是各种方法中最简单的。此种 方法适用于各种土壤，能够同时进行多重复测定，对于空间变异性很大的土壤呼 吸而言是很大的优点，但它难以连续监测，而且碱的用量需事先确定。有些学者 对此方法的准确度曾提出了不同的看法，有人认为该方法高估了土壤c 0 2 释放 烧杯 扩 1 2 c 咖谩上层，7 r7 ，。 ； i l 3 2 cr t 1 图2 一l 测定土壤表面c 0 2 释放量的方法示意图 7 量，另一些人认为该法低估了c 0 2 的释放量。作者认为，该方法所测定的土壤 c 0 2 释放置是低于实际释放量的，特别是在土壤c 0 2 释放量很大的情况下。虽然 如此，但如果谨慎小心的使用该法，也可以非常准确、可靠地测出原位土壤中 c o ：释放置的变化。因此，由于其简单性和通用性，所以该方法仍然普遍使用。 2 1 2实验步骤 采用碱液吸收法所需仪器、试剂与具体步骤如下： 1 ) 仪器与试剂：口径约3 2 c m ，高约3 0 c m 的不透光塑料园捅；容量为2 5 0 m l 的烧杯；高约5 c m 的三角架：温度计；凡士林；4 0 c m x 4 0 c m 的玻璃板；铁锹等。 配制一定浓度的n a 0 h 溶液( 0 2 m o l l l m o l l ) ，0 1 m o l l 左右的h c l 溶液； 酚酞指示剂：b a c l 2 ( 分析纯) ：实验室内滴定设备。 2 ) 确定碱溶液用量与浓度：碱液的用量和浓度根据不同季节c 0 2 释放量 的大小事先估算。夏季温度最高，土壤c 0 2 释放量最大，用l m o l l 的n a o h 溶 液8 m l 。春秋季节，温度较低，土壤c 0 2 释放量减少，考虑到试剂使用量与精度， 用0 6 m o l l 的n a o h 溶液8 m l 。温度更低时，相应降低n a o h 溶液浓度，减少 碱液使用量。 3 ) 选定合适的监测地点与安置收集桶：选择地表平坦，土质均一，无粗大 石块、砖块等不同植物覆盖的代表性土层作为观测点。根据不同季节土壤c 0 2 释放量大小确定碱液吸收时间。温度越低，释放量越小，吸收时间应越长。如果 观测时间为2 h ，在一个观测点放置2 只收集桶；如果观测时间为3 h ，一个观测 点放置3 只收集桶。按确定好的量和浓度，用吸管吸取n a o h 溶液置于烧杯中， 制成c 0 2 吸收阱，将它放置在收集桶内，安放在置于地面的三脚架上，用于吸 收土壤释放的c 0 2 。将收集桶埋入土中约2 c m ，边缘用细土埋严、压实，防止外 界空气进入。为防止太阳直射，桶上加盖薄木板或黑塑料布等物。 4 ) 安置对照样：在选定的观测点，将一只收集桶放置在玻璃板上，桶内玻璃 板上放置一只盛有确定量和浓度的n a o h 溶液的烧杯，用于收集空气中的c 0 2 。 为防止桶内外空气流动，桶的边缘需用凡士林密封。 5 ) 滴定过程：用盐酸滴定吸收液。每只收集桶每隔2 3 h 取换一次吸收液。 将吸收有c 0 2 的烧杯密封后带回实验室，加入过量b a c l 2 ，使溶液中产生不溶性 的碳酸钡沉淀( b a c 0 3 ) ，并加入几滴酚酞指示荆，溶液变为粉红色。然后用一定 浓度的h c l 滴定未反应的n a o h ，至粉红色变为无色。记下所消耗的盐酸体积。 在滴定时，盐酸要慢慢加入，以避免与b a c 0 3 沉淀接触而可能使其溶解。 2 2 观测数据的处理 ( 1 ) 建立数据库：将实验数据录入e x c e l 电子表格。 计算土壤c 0 2 释放量利用滴定消耗的h c i 体积，计算碱液吸收的c 0 2 量。 所用化学反应方程式如下： c 0 2 + 2 n a o h = n a 2 c 0 3 + h 2 0 ； n a z c o a + b a c l 2 = 2 n a c i + b a c 0 3i ； n a 0 h + h c l = n a c l + h 2 0 。 算出消耗h c i 所用的n a o h 量，用差减法就可以得到有多少n a o h 与c 0 2 发生了反应，进而算出碱液吸收的c 0 2 的量。再减去收集桶中空气中的c 0 2 ， 便得出观测时段内土壤中c 0 2 的释放量。 利用e x c e l 电子表格的计算功能，计算单位面积单位时间内土壤的c 0 2 释放 量，公式如下： m c m ( m g ) = 1 2 ( v i - - v 2 1 n 。e m h a 其中v l 为滴定收集空气中c 0 2 的n a o h 溶液所消耗的盐酸体积( m 1 ) ，v 2 为 滴定直接放置在地面上收集土壤中c 0 2 的n a 0 h 溶液所消耗的盐酸体积( m 1 ) ，n 为盐酸的浓度( m o l l ) ，e 为c 0 2 的摩尔质量，取值为4 4 ，m 为收集桶口的面积， h 为观测时间。计算得到的数据即为观测时段中间时段l h 内l m 2 的面积上释放 的c 0 2 量。如吸收液放置时间为8 ：0 0 ，移出碱液烧杯时间为1 1 ：0 0 ，计算得出 的数据即为9 ：0 0 - - 1 0 ：0 0 之间1 m 2 的面积上土壤c 0 2 释放量。 一般一次实验经一个昼夜每隔l h 地连续观测，得到2 4 个观测值。 ( 2 ) 分析数据：剔除极个别不可靠数据。在计算出的数据中，有个别数据明 显异常，特别是有些负值，视其为无效值，应将其剔除。根据异常数据前后数据 的变化，利用内插法，补齐数据。对于有些变化突出，但不能完全确定的数据， 仍然保留。 ( 3 ) 绘制土壤c 0 2 释放量变化曲线图：利用最后得到的数据，用e x c e l 绘图 工具，绘制土壤c 0 2 释放量随着时间的变化规律图。绘图时，将时间点设为释 放量时段的中间点，如释放量时段为9 ：0 0 1 0 ：0 0 ，曲线图中的时间点即为