岩溶区不同生境下土壤co

岩溶区不同生境下土壤co

由于使用化石燃料和森林砍伐，温室气体浓度增加，影响了世界一些重要环境事件。全球碳环研究已成为国际科学家的热点。自20世纪90年代以来,IGBP(internationalgeosphere-biosphereprogram)通过实施多个核心计划,从大气化学、陆地生态系统、海气系统、海岸系统等不同角度研究全球碳循环,其共同目的是阐明大气CO2的源和汇。至今,这个源和汇是不平衡的(源大于汇),或称存在一个“遗漏汇”(missingsink)。有学者认为温带森林或温带土壤是重要的碳库,但对其在碳循环中的地位和作用并不清楚。有人甚至认为是气候变暖引起CO2的增加,但依据冰芯研究得出的有关气温变化与温室气体变化的关系与通常的认识有所不同。袁道先对表层岩溶作用回收大气CO2量进行了估算,认为表层岩溶系统是“失踪的碳”的一个重要部分。岩溶过程是一种生态系统条件控制下的表层地质作用,其地球化学行为表现出明显的年(季)变化甚至日变化,大量研究也揭示岩溶系统中的碳转移存在较短时间尺度变化。本文以金佛山西坡碧潭幽谷为观测点,对土壤CO2浓度及其相关因素进行观测,探讨表层岩溶生态系统CO2浓度变化规律,这对进一步研究全球碳循环机理,认识全球变化和加强对短时间尺度岩溶作用的认识具有重要意义。1土壤条件及土壤特征金佛山位于重庆市南部,地理坐标为北纬28°50′~29°20′,东经107°~107°20′,整个金佛山由金佛、箐坝、柏枝3山108峰组成,总面积1300km2。它位于我国四川盆地东南缘,是大娄山东段支脉的突异山峰,海拔1400~2251m,属典型的喀斯特地质地貌,其最高峰——风吹岭海拔2251.1m。金佛山位于亚热带湿润季风气候区,云雾多,日照少,雨量充沛,湿度大。山体上部多年平均气温8.2℃,年均降雨量约1434.5mm;山体下部平均气温16.6℃,年均降雨量约1286.5mm。大气降水为该区地下水唯一补给来源。区内整个山体上部由二叠纪栖霞组灰岩构成,形成了海拔2000m左右的较大面积的缓坡和平台,发育着大型的地表、地下岩溶形态;山体中部由志留纪的页岩、粉砂岩组成,出露标高为1500~1000m;山体下部由寒武纪、奥陶纪的石灰岩、白云岩构成,发育着小型、微型岩溶形态。受垂直气候带的影响,土壤分布具有明显的垂直地带性,从山底向山顶依次为黄壤、暗黄壤、黄棕壤、棕壤。试验在金佛山西坡碧潭幽谷林地和裸地2种生态系统条件下进行,该地土壤为地带性土壤——黄壤。碧潭幽谷湿度大,矿物风化作用甚微,有机质分解比较缓慢。在土壤有机质嫌气分解和土壤水分不断缓慢下移的情况下,有机酸含量比较高,全土层呈酸性反应,以表土层酸性最强。林地和裸地土层交换性盐基总量均低,土壤上层有积钙现象,表层土壤盐基饱和度可达44.7%,而中下层土壤阳离子交换量以水解酸为主,这与土壤中同时进行淋溶脱钙和富集复钙2个成土特征相关,从而形成岩溶环境多样化的pH值和碳酸钙含量。林地土层厚度50~100cm,A1、B1、B2层pH值分别为5.9、6.5、6.9,土壤质地粘重,腐殖质层较深厚。裸地紧靠林地,该片裸地可能是森林砍伐后的迹地,土层较深厚,土体厚度40~60cm,A1、B1、B2层pH值分别为6.3、6.7、6.2,土壤质地轻粘,腐殖质层薄,富含大小不等的角砾状碎石块。与林地相比,裸地地表出现砂质化,这是由于裸地位于坡上,降雨量多且强度大,又无植被阻挡,长期土壤侵蚀导致表土粘粒大量流失,严重影响表层土壤的颗粒组成。2林地土壤水分情况CO2浓度测定在岩溶作用活跃的夏季进行,时间为2002年8月15日,无雨,光照好,日均气温19.3℃,湿度82%,林地土壤含水量701.9g·kg-1,裸地567.9g·kg-1。2.1土壤剖面位置和分区准确测定和采集土壤气体是研究表层岩溶生态系统CO2的前提。为了真实、准确地测定土壤中CO2含量,采用何师意等CO2收集装置(图1),选择林地和裸地,设立2个土壤剖面,在不同深度(10、20、30、50cm)安装水银温度计(精度1℃,测定范围0~50℃)和CO2气体收集装置。每3h读取1次土壤温度,并用HWF-1ACO2红外线分析仪(江苏金坛产)测量土壤各层的CO2浓度。2.2空气2c浓度值的读取按不同离地距离用HWF-1ACO2红外线分析仪直接读取空气CO2浓度值(林层、灌层、草层观测点距离地面分别为2.1、1.5和0.5m)。3结果与分析3.1不同土层深度土温变化林地和裸地气温及土壤温度日变化见图2和图3。林地与裸地不同深度土温变化幅度由地表向土壤深部逐步降低;但在不同时段内,不同土地覆被下土壤温度变化趋势不同,温度变化特征略有差异。裸地地表温度波动幅度较林地大,达4.7℃,林地仅为0.7℃;并且裸地各个不同深度土温变化幅度均较林地大,表明森林植被覆盖减弱了气温对土温的影响,对林地而言仅达地下10cm处,而裸地地下30cm处仍有较大波动。此与周运超等在茂兰的研究结果相一致。无论是林地还是裸地,全天最高温度出现在16:00左右,最低温度在4:00左右,4:00—7:00各土温大致一致,10:00—19:00土温差异较大。从土温随土层深度而变化的趋势可以看出,无论是裸地还是林地,随着白天地表温度的升高,土壤不同深度温度都逐渐升高,热对流方向为自地表向下;夜间地表温度降低,土壤积温较空气大,热对流方向自土层深部向上至地表。3.2不同土层深度对土壤cod存在的影响对照图2和图4可知,林地各层次土壤CO2浓度与温度具有较好的相关关系。随着土壤温度的增加,土壤微生物活动增强,呼吸作用加快,土壤CO2浓度升高。土壤CO2浓度最高值出现在13:00左右,最低值出现在7:00左右。对照图3和图5可知,裸地土壤各层次的CO2浓度变化与土温也呈较好的相关关系,在13:00左右达到最高值,在7:00左右达到最低值。林地各层土壤CO2浓度波动微弱,变幅小于裸地。这是因为林地植被覆盖减缓了土壤温度的变化,延缓了土壤CO2呼吸释放的温度效应;裸地生物量小,对温度的缓冲作用远小于林地,使土壤CO2呼吸释放对温度的响应较快。林地与裸地土层中CO2浓度随土层深度增大而增高,反映了土壤气体运移的结果。从土壤温度的昼夜变化可以看出,白天热对流方向为自地表向下,即气体自地表向土壤浅部再向土壤深部运移,为土壤吸收大气CO2的过程;夜间则与白天相反,热对流方向为自土壤深部向土壤浅部再向地表流动,为土壤向大气释放CO2的过程,说明土壤CO2呼吸释放与气温变化一致。3.3不同层间温度和温度变化规律由图6可知,植被的林层、灌层和草层CO2浓度最大值出现的层位为0cm处(地面),出现时间在凌晨4:00左右。这说明在形成近地面空气CO2浓度的各因素中,土壤表面CO2释放贡献最大,其次为植被夜间呼吸作用造成的CO2浓度增加。近地面空气CO2浓度最小值出现的层位为林层,时间在13:00左右,此时光合作用最强烈。这反映形成最低值的主要原因是植被冠层叶的光合作用消耗了大量CO2。由图7可知,植被各层的温度和温度变化幅度从大到小依次为林层、灌层和草层。由于林层处于植被群落顶部,而灌层和草层处于植被群落内部,能受到整个林内生态系统自我调节,所以林层温度变化幅度较灌层和草层大。图7表明林层温度最大值滞后于气温约3h,这可能是因为植被冠层叶的光合作用在消耗大量CO2的同时,由于叶的蒸腾作用而降低了叶周围空气温度的缘故。至于最高气温为何低于林层温度还有待于进一步查证研究。由上述结果可知,表层岩溶生态