南川市三泉镇岩溶区农田生态系统有机碳密度

生态环境 2004, 13(4): 470-475 https://www.360docs.net/doc/686233099.html, Ecology and Environment E-mail: editor@https://www.360docs.net/doc/686233099.html,

基金项目：国家自然科学基金项目（40472094；49894170；40024202；40021202）；国家科技部“973”项目（G1999043402） 作者简介：秦小光（1963－），男，博士，副研究员，研究方向为古气候变化与碳循环。E-mail: xiaoguangqin@https://www.360docs.net/doc/686233099.html,

刘东生（1917－），男，博士，研究员，中国科学院院士，欧亚科学院院士，第三世界科学院院士，国际第四纪研究联合会(INQUA)主席，中国科学院环境科学委员会主任，2003年度国家最高科技奖和2002年度泰勒环境科学成就奖获得者，本刊顾问。

收稿日期：2004-08-16

北京灵山草地土壤CO 2源汇和排放通量

与温度湿度昼夜变化的关系

秦小光1，蔡炳贵1，吴金水1，刘东生1，王国安2

1. 中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029；

2. 中国农业大学，北京 100081

摘要：大气中温室气体含量不断升高是造成目前全球变暖的主要原因，而土壤CO 2是大气CO 2的重要来源之一。研究表明温度、湿度是土壤CO 2最主要的气候影响因素，通过对植物夏季雨后次日对土壤CO 2排放过程中的源（不同深度土壤CO 2体积分数）、汇（大气CO 2体积分数）和中间CO 2气体交换通量（土壤CO 2排放通量）、气温、土温以及表土湿度进行同步连续的昼夜观察，研究日和小时变化尺度上温度和土壤湿度对CO 2地气交换的影响。结果表明土壤CO 2排放通量、大气CO 2和土壤CO 2体积分数的昼夜变化特征不一致，只有土壤CO 2排放通量与气温变化存在明显的正相关关系，在日变化尺度上随表土湿度增加而增加；表土湿度在日变化尺度和小时变化尺度上与草丛空气CO 2体积分数正相关；土壤CO 2体积分数则在日变化尺度上当表土湿度较小时与表土湿度正相关。气温主要影响土壤CO 2向大气的扩散和对流过程，而不是昼夜尺度上影响土壤CO 2体积分数变化的主要环境因素。

关键词：土壤二氧化碳；温度；湿度；昼夜变化

中图分类号：X14 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2004）04-0470-06

大气中温室气体含量不断升高是造成目前全球变暖的主要原因，而土壤CO 2是大气CO 2的重要来源之一。大量研究表明气候变化主要通过影响植被生长、植物根呼吸及有机质分解，来影响土壤浅部CO 2[1~7]，其中土壤温度、湿度和海拔高度是土壤CO 2最主要的影响因素[8]，温度和湿度是影响土壤CO 2排放的主要因素[7, 9~11]，土壤温度和湿度与土壤CO 2 50%以上的波动有关[12]，即使在土壤温度低于0o C 的积雪下，土壤微生物仍能继续呼吸、释放CO 2和N 2O [13]，使得来自土壤有机质分解的CO 2在土壤CO 2总量中的比例在非生长季可达100%，而生长季仅为20%~50%[8]。而湿度太高或太低都不利于微生物活动，仅当土壤孔隙充水率在30%~70%时CO 2和N 2O 生成量才线性相关[14]，较大的空气

湿度还会造成土壤CO 2的 13

C 升高[15]。这种温度湿度关系也使得实际蒸散成为土壤CO 2分压的最佳预测指标[16]。

可见温度和湿度作为重要的气候因素对CO 2的地气交换起着关键的影响作用。那么温度和湿度在不同的时间尺度上对地气交换的影响有什么差异？与土壤CO 2排放通量、大气CO 2与土壤CO 2体积分数三者之间的关系有何不同？它们主要影响CO 2在土壤中的生成过程还是排放过程？尤其在中国北方黄土区，气候相对干燥，土壤偏碱性，CO 2地气交换对温湿度变化的敏感程度有什么特点？本文正是试图通过对土壤CO 2排放过程中的源、汇和中间交换通量与温度湿度同步的连续昼夜观测，探讨温度和土壤湿度在昼夜变化尺度上如何影响土壤CO 2气体的产生和排放。

1 材料与方法

1.1 研究地点

东灵山（40°00′~40°02′ N ，115°26′~115°30′ E ）位于北

京西郊，距市区122 km ，最高峰2303 m ，属温带季风半湿润气候。研究点位于北京灵山气象站内，海拔1680 m ，地

表植被为亚高山草甸，土壤母质为厚约1 m 、未被人类耕作干扰的全新世黄土[17]，土壤属于亚高山草原草甸土[18, 19]。 1.2 研究方法

选择夏季雨后的次日，对大气CO 2体积分数、土壤CO 2排放通量和不同深度土壤CO 2体积分数、气温和不同深度土温以及表土湿度进行连续的昼夜观察，探讨昼夜和小时变化尺度上温湿度对CO 2地气交换的影响。

1.2.1 大气CO 2体积分数与气温测量

采用美国Edwards Systems Technology 公司生产的Telaire7001手持式双波长红外CO 2分析仪，同时读取大气CO 2体积分数和气温数据。工作时采用仪器支架放置在地表草丛内，测孔距地面高度大约5 cm ，所测数据代表了草丛内5 cm 左右范围的情况。每30 min 读取一次数据。在读取大气CO 2体积分数同时，读取气温数据。 1.2.2 土温和湿度测量

土壤温度用特制土壤温度计测试，温度计有六个传感器，以间距20 cm 分布在1 m 长的金属测杆上，传感器精度为±0.1 ℃。测试前，用螺旋钻在待测土壤钻取深1 m 的孔，将温度计插入土中，然后用土填实，待温度平衡后（约1 h ）即可开始读取数据，以后每30 min 读取一次土壤温度数据。 土壤湿度采用英国Delta-T 仪器公司的PR1土壤水份探测仪测量。工作时将10 cm 长的探针插入表土，直接读取表层土壤的体积含水量。

1.2.3 土壤气样采集

土壤空气样品采集采用埋管方式。集气管利用直径10

秦小光等：北京灵山草地土壤CO 2源汇和排放通量与温度湿度昼夜变化的关系 471 mm 的PVC 塑料管，取长约10 cm 的一段，管身用牙钻打满直径0.2 mm 的小孔以便于空气的进入，并弯成环状，两端用胶塞封住。再用内径1 mm 的不锈钢管从PVC 塑料管一端的胶塞上插入，不锈钢管的另一端用带真空垫的阀门封住，并与三通阀相连，以方便取气。用土钻在样地内按所需深度钻孔，并将取出的土壤按顺序放好，再把集气管的PVC 塑料管一端放入钻孔底部，而带三通阀的一端留在地表，然后将土按原来的顺序回填孔内。采气时用针管从三通阀处直接抽取100 mL 气体，注入钛铝合金材料制成的气袋内。再带回室内，采用HP5890D 型气相色谱仪测量CO 2体积分数。本文采用了埋深10和20 cm 的土壤气体采集分析结果。 1.2.4 土壤排放CO 2气样采集

土壤排放CO 2采用静态箱法测定[20]。采集箱由厚5 mm 的有机玻璃制成，尺寸为45 cm (长)×50 cm (宽)×40 cm (高)，箱体为黑色以避免叶面光合作用可能带来的影响。箱顶装有一个12 V 直流风扇和一个连接采气三通阀的导管，采气前启动风扇使箱内空气均匀。箱体座为由黑色有机玻璃板做成的凹槽（槽宽5 cm ，深10 cm ），提前1 d 将箱座埋入土中5 cm ，箱座中间的植物尽量保持原样。第二天在凹槽内注入蒸馏水，采气时间间隔为2 h ，每次取气3次。第一次直接抽取地表草丛内空气，然后将采集箱放入箱座，凹槽内蒸馏水隔绝了箱内外空气的交换。10 min 后用注射器从箱上导管内抽取箱内气体作为第二次气样，再过10 min 后再抽取箱内气体作为第三次气样，每次取气均为100 mL 。完成第三次气样采集后，将箱体取下箱座，使箱座中间的植物与外界空气正常接触，保证其正常生长。下次采气时重复以上过程。 1.2.5 气体样品测试

气体CO 2体积分数分析在HP5890D 型气相色谱仪上完成，分析精度CO 2≤1.35%。 1.3 土壤CO 2排放通量的计算

土壤CO 2排放通量是土壤单位面积上单位时间内CO 2气体质量的变化量。用公式[9, 21]表示为

t

C T T P P h ρt C T T P P A V ρF t t d d d d 0000????=????

= (1)

式中F 为气体通量（mg·m -2·h -1），V 为观测箱的容积，A 为观测箱覆盖的面积，h 为观测箱高，ρ为标准状态下的被测气体密度，C t 是t 时刻箱内被测气体的体积分数，t 是时间，T 0和P 0分别为标准状态下的空气绝对温度和气压，T 为采样时的绝对气温，P 为采样地点的气压[21]：

?-

=z

z RT Mg P P 0

d 0e

(2)

R 是气体常数；M 是气体的等效分子量；g 是重力加速度；z 是采样点海拔高度。 1.4 观测时间与方式

观测时间从2003年8月17日上午9:00开始，一直到8月18日下午15:30。每1 h 读取土壤温度、表土湿度、草丛内5 cm 高处空气CO 2和气温一次。每2 h 采取土壤10和20 cm 深度气体一次，同时测量土壤CO 2排放通量一次。

2 结果与分析

2.1 大气CO 2体积分数日变化及其与温湿度关系 地表草丛内5 cm 高处空气CO 2体积分数仪器测量值

（器测CO 2）和草丛内空气样的气相色谱仪CO 2体积分数测量值（样测CO 2）变化范围都在350~500 μL·L -1之间，其值相对稳定，变化趋势基本相同，二者相关系数约0.76，器测CO 2体积分数值略偏大，但起伏更明显，因此后面的讨论主要以器测CO 2作为近地表草丛大气CO 2体积分数。 图1a 是地表草丛空气器测CO 2体积分数与表土湿度曲线，它们显示了一种共同的大趋势，即从前一天向第二天逐步降低，这种日尺度上的低频宏观变化趋势可用线性关系来表示，则器测CO 2趋势为

y = -2.2264x + 474.85 R 2 = 0.5262

（y 是CO 2体积分数，x 是时间） (1) 表土湿度趋势为

y = -0.1574x + 35.194 R 2 = 0.9162

（y 是表土湿度，x 是时间） (2)

表土湿度的这种宏观趋势与前一天下雨后湿度逐渐减小有关。

表土湿度和草丛空气CO 2变化的同步性显示草丛空气CO 2体积分数与表土湿度在日变化尺度上存在正相关关系（图1b ）：

y = 14.688x - 40.069 R 2 = 0.5966

（y 是CO 2体积分数，x 是表土湿度） (3)

去除这种宏观趋势后的高频变化显示在图1c 中，可见与气

温相比，表土湿度的高频变化与草丛空气CO 2体积分数的高频变化相似，表明在小时尺度的变化上表土湿度与草丛空气CO 2体积分数正相关。但凌晨的草丛空气CO 2体积分数高峰略超前于表土湿度高峰，而与气温低谷对应，显示低温对草丛CO 2体积分数有影响，二者存在一定的负相关关系。这种近地表温湿度与草丛空气CO 2体积分数的关系可能反映了近地表温湿度对大气CO 2扩散过程的影响。

气温和表土湿度的关系很复杂（图1d ），在第一天22:00以前气温和表土湿度成正相关关系，而第二天9:00以后气温与表土湿度成负相关关系，在其间半夜的一段时间里，气温和土壤湿度相对变化不大。这种变化可能是前一天（8月16日）当地下过雨后，土壤湿度逐渐降低而气温伴随昼夜而变化所致。这种温度湿度变化造成了CO 2与温度湿度之间关系复杂。

图1e 显示了表土湿度、气温和草丛空气CO 2体积分数之间的三维关系。草丛空气CO 2体积分数在表土湿度方向（Y 轴）上明显的梯度变化显示出表土湿度对草丛空气CO 2体积分数存在显著影响，湿度越大草丛空气CO 2体积分数越高。图1f 是去除趋势后的表土湿度、气温与草丛空气CO 2体积分数的三维关系，显示出存在两种关系，一是右侧的草丛大气CO 2体积分数随温湿度升高而升高，另一种是左侧低温时CO 2体积分数随湿度增加而增加，两种关系大致以气温17~18 ℃为界。

2.2 土壤CO 2排放量日变化及其与温湿度关系

图2a 是草丛空气CO 2体积分数、土壤呼吸气体采集箱内两次气体样CO 2体积分数和20 cm 深土壤CO 2体积分数

472 生态环境第13卷第4期（2004年11月）

的时间变化。图2b反映了土壤CO2平均排放通量、气温和去趋势表土湿度的时间变化。土壤CO2通量的变化与箱内CO2气体体积分数的变化一致，特点是：

（1）土壤CO2排放通量存在与气温变化一致的昼夜变化规律，即中午高、半夜低，其中第二次箱内气体CO2体积分数与气温存在线性关系：y = 22.177x + 472.41 R

= 0.7052

（y是第二次箱内气体CO2体积分数，x是气温）(4) 土壤CO2平均排放通量与气温满足线性关系：

y = 38.547x + 192.28 R2 = 0.6938

（y是土壤CO2平均排放通量，x是气温）(5) （2）对比图1a和2a，可见箱内气体体积分数和20 cm

秦小光等：北京灵山草地土壤CO

源汇和排放通量与温度湿度昼夜变化的关系473

的土壤CO2体积分数也具有随表土湿度减小而降低的宏观趋势，属于较大尺度的日变化特征。

（3）与草丛空气CO2体积分数（图1b）不同，午夜时箱内CO2体积分数和土壤CO2通量虽有小的起伏，但没有明显的体积分数高峰（图2a、图2b），与去除趋势后的表土湿度高频变化（图2b）相反，显示在较短的小时尺度上表土湿度与土壤CO2排放通量存在一定的负相关关系。土壤CO2排放通量与表土湿度和气温的这种关系与草丛空气CO2明显不同。

图2c、图2d的表土湿度-气温-土壤CO2排放通量三维关系图更清楚地显示了以上特点，即土壤CO2排放通量总体上随气温和表土湿度增加而增加，去除表土湿度宏观趋势后，土壤CO2排放通量主要随气温增加而升高，随湿度增加反而减小。

2.3 土壤CO2体积分数变化及其与温湿度关系

图3a是10 cm和20 cm深处土壤空气CO2体积分数、气温和土壤20 cm处温度的变化曲线。20 cm土壤CO2体积分数比10cm处的高，但变化趋势基本相同。气温昼夜变化幅度远远大于土温。土壤CO2体积分数的变化趋势与气温和土温的差别都很大，而与表土湿度（图2a）存在一致性，如果不计前3个数据点，其线性关系为（图3b）

y = 316.12x– 5991 R2 = 0.8548

（y是20 cm深处土壤CO2体积分数，x是表土湿度）(6) 意味着当表土湿度较低时土壤CO2体积分数与表土湿度正相关，当表土湿度大于某个阈值时土壤CO2体积分数与表土湿度负相关。

图3c反映了20 cm土壤CO2体积分数与气温和表土湿度的三维关系，显示土壤CO2体积分数与表土湿度以正相关关系为主，而温度增加土壤CO2体积分数却减少，二者有一定的负相关。图3d是20 cm土壤CO2体积分数与气温和去趋势后表土湿度的三维关系，其对角线方向展布的土壤CO2体积分数高值区显示去除表土湿度的趋势性变化后，土壤CO2体积分数与温度、表土湿度高频的短尺度变化都存在一定的负相关关系。

3 讨论与结论

由于表土高湿度也意味着近地表空气的高湿度，因此草

474 生态环境第13卷第4期（2004年11月）

丛空气CO2体积分数与表土湿度在日变化和小时变化尺度上的正相关反映高湿度不利于空气CO2的扩散和流动，而气温与草丛空气CO2体积分数的反向变化则表明了温度对气体扩散和对流的影响，温度越高，对流和扩散作用越强，草丛空气CO2气体体积分数自然越低。

土壤CO2通量与气温存在很强的正相关，与表土湿度则在不同时间尺度上关系不同，日变化尺度上土壤CO2通量与气温存在很强的正相关，与表土湿度在日变化尺度上正相关，在小时尺度上负相关。

在日变化尺度上土壤CO2体积分数与温度有较弱的负相关，而与表土湿度以正相关为主，这时通常表土湿度较低，在表土湿度较大时则为负相关。而在小时尺度上土壤CO2体积分数与表土湿度负相关。

可见土壤CO2体积分数与土壤CO2通量与表土湿度的关系类似，而与温度的关系则完全不同，较高的温度对应的是较小的土壤CO2体积分数和较高的土壤CO2通量，土壤CO2排放通量与气温变化成正相关，土壤CO2体积分数与气温则存在一定的负相关关系，在昼夜尺度上气温不是造成土壤CO2变化的主要环境因素。由于土壤向大气排放的CO2来自于土壤CO2，因此必然存在某种作用造成了土壤CO2体积分数与土壤CO2通量变化之间的差异。Darcy定律表明气体容积对流量与气体压力梯度、通气孔隙透气率和温度成正比[22]，同时气体扩散系数也随温度增加而增大，随压力增加而减小[23]，可见温度直接影响着土壤气体的对流和扩散过程。因此在昼夜尺度上温度主要影响了土壤CO2的扩散和对流过程，而非土壤CO2的产生过程，由此形成了温度与土壤CO2通量的正相关关系。土壤CO2体积分数与温度的负相关虽然不太显著，但在以前的观测中也被观察到，其原因目前还不清楚。

而湿度与土壤CO2体积分数的关系显然与土壤孔隙的充水程度有关，当土壤孔隙充水率较低时，土壤含水量越高，越有利于土壤微生物对有机质的分解，但当土壤孔隙充水率超过一定阈值后，土壤孔隙连通性降低，造成土壤空气中氧气不足，从而促使有机质分解速率降低、土壤CO2体积分数减小。湿度也由此造成了土壤CO2通量的相似变化。

由此归纳起来，我们可以得到以下主要结论：

（1）大气CO2体积分数、土壤CO2排放通量和土壤CO2体积分数的昼夜变化特征是不一样的，大气CO2体积分数相对稳定，变化幅度不大；而土壤CO2排放通量明显存在

秦小光等：北京灵山草地土壤CO2源汇和排放通量与温度湿度昼夜变化的关系475

昼夜波动，受气温变化影响显著；土壤CO2体积分数最高，虽有波动但昼夜变化不明显。

（2）土壤CO2排放通量与气温正相关，而土壤CO2体积分数与温度有不显著的负相关。在昼夜尺度上温度主要影响土壤CO2的扩散和对流过程，而非土壤CO2的产生过程。

（3）表土湿度对草丛大气CO2体积分数、土壤CO2排放通量和土壤CO2体积分数的变化在不同时间尺度上有不同的影响。在日变化尺度和小时变化尺度上，表土湿度都与草丛大气CO2体积分数正相关。土壤CO2排放通量在日变化尺度上随表土湿度增加而增加，在小时变化尺度上则为负相关。在日变化尺度上，土壤CO2体积分数当表土湿度较低时与表土湿度明显正相关，在表土湿度较大时为负相关；在小时尺度上与表土湿度负相关。

这次研究是基于夏季雨后次日进行的约32 h各种指标的昼夜连续观测，代表了植物生长季内北方黄土区土壤CO2昼夜变化尺度内的一般特征，具有与季节变化不同的特点。在日和小时变化上对土壤CO2影响不显著的温度是季节尺度上重要影响因素，有关结果将另文介绍。

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The diurnal variations of soil CO2 source, sink and flux in grassland of Lingshan Mts., Beijing and their relationships with temperature and soil moisture

QIN Xiao-guang1, CAI Bing-gui1, WU Jin-shui1, LIU Dong-sheng1, WANG Guo-an2

1. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China；

2. China Agricultural University，Beijing 100081, China

Abstract: The continuous increase of trace gases in atmosphere results in global warming. The soil CO2 is believed to be one of ma-jor sources of atmosphere CO2. The former studies have demonstrated that temperature and soil moisture are major climatic factors affecting soil CO2. In this paper, the influences of temperature and soil moisture on the CO2 exchange between atmosphere and soil are analyzed on diurnal and hourly scales by observing diurnal variations of the CO2source (soil CO2concentrations at different depths), the CO2 sink (atmospheric CO2 concentration), the soil CO2 emission flux, air and soil temperatures, and soil moisture. It is found that the diurnal variations of the soil CO2 emission flux, CO2 concentrations in atmosphere and soil air are different. The soil CO2 emission flux increases with the soil moisture increasing on the diurnal scale and is positively correlated to the air temperature. The air CO2 concentration in tussock is positively correlated to the soil moisture on the diurnal and hourly scales. The CO2 concentra-tion in soil air is positively correlated to the soil moisture on the diurnal scale when the soil moisture is lower. The air temperature mainly influences the diffusion and convection processes of soil CO2 and is not a major factor changing the soil CO2 concentration

476 生态环境第13卷第4期（2004年11月）

on the diurnal scale.

Key words: soil CO2; temperature and soil moisture; diurnal variation