黄土丘陵区刺槐林土壤碳通量模拟研究

董莉茹，许明祥，孙 会

(1 西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌 712100；2 中国科学院水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100；3 中国科学院水土保持研究所 安塞水土保持综合试验站，陕西 安塞 717400)

土壤碳通量是由不同深度土壤根系呼吸及微生物活动共同产生的。目前，已有许多学者对土壤表层碳通量的变化情况进行了研究，但是有关土壤垂直剖面碳通量的研究却极为缺少[1-2]。此外，不同深度土壤碳通量对全球变暖效应也有不同的响应[3]。因此，研究土壤垂直剖面碳通量有助于进一步明确土壤碳对气候变化的反馈作用[4]。

通过对不同深度土壤碳通量的研究，可以很好地理解CO2气体在土壤中的产生和传输过程。通常使用Fick扩散法计算土壤碳通量，即通过测量一定深度内土壤CO2气体的变化及CO2气体在土壤内的扩散系数，并选取合适的通量模型来计算不同深度土壤的碳通量[5]。采用扩散法计算碳通量对土壤破坏性较小，同时可以克服Li-8100动态腔室测量时低估土壤碳通量的缺陷，从而能够更为准确地计算不同深度的土壤碳通量[6-8]。随着土层的加深，影响土壤呼吸的土壤温度、湿度、微生物、植物根系及土壤理化性质都发生了改变，导致不同深度土壤的扩散系数计算公式有所不同，因此，选择合适的扩散系数模型十分重要[9]。

本研究使用气体井法和气相色谱仪测量黄土丘陵区刺槐林地土壤CO2浓度，结合5种广泛使用的气体扩散模型对不同深度的土壤碳通量进行估算，同时与Li-8100动态腔室测量结果进行比较，以确定黄土丘陵区不同深度土壤碳通量计算的最佳模型，为黄土丘陵区不同深度土壤碳通量的准确计算提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验样地设在陕西省安塞县纸坊沟，地理坐标为N36°51′30″,E109°19′30″。该区地形破碎,沟壑纵横,是典型的黄土高原丘陵区。年辐射量为493 kJ/cm2,平均海拔1 200 m,平均坡度25°～35°，属于暖温带半干旱季风气候,年平均气温8.8 ℃；年均降水量为549 mm(主要集中在7-9月份，占全年降水量的61.1%)，年蒸发量大于1 463 mm；土层深厚，土壤以黄土母质上发育而成的黄绵土为主。由于水土流失严重,自20世纪70年代以来,该区逐步实施了大规模的生态恢复重建工程,并逐渐形成以“乔、草、灌”等为主要植被类型的土地利用方式[10-12]，对土壤碳通量产生了重要影响。该区常见的植被类型有以刺槐(Robiniapseudoacacia)为主的人工林，以柠条(Caraganakorshinskii)和沙棘(Hippophaerhamnoides)等为主的人工灌丛以及天然灌丛，此外还有撂荒草地。

1.2 样地选取

表1 黄土丘陵区不同刺槐林样地的概况

表2 黄土丘陵区不同刺槐林样地各土层土壤的温度、含水量和体积质量

1.3 方 法

1.3.1 土壤CO2浓度的测定 本试验采用比较经典的气体井法测量不同土层土壤CO2浓度[13-14]。分别在5个样地内各选3点作为重复，用土钻打孔，每点分别在距地面200，140，80，20 cm和地表处依次相互错位埋设气体采集器。埋设气体采集器时，将内径为4 mm的硬质塑料管的一端插入塑料漏斗颈部，连接处用硅胶密封，另一端引至地面以上，插入橡胶软管并用橡皮小塞密封[15]。同时，在土壤剖面的200，140，80，20 cm处和地表，分别布设土壤温度水分测定探头(Em 50，美国Decagon公司)，探头垂直土壤剖面插入不同深度土层，并按原土层回填钻孔。待回填土壤与周围土壤环境趋于一致后开始取样。在每个采集器中抽取5 mL气体，用气相色谱仪测定其中的CO2浓度[16]。另外，在30年生刺槐林样地从10:00-18:00每小时采集1次气体样品。

1.3.2 土壤碳通量的计算 使用Fick扩散法计算不同深度土壤碳通量(Fs,μmol/(m2·s) )：

Fs=-DsΔC/Δz。

(1)

式中：Ds表示土壤中CO2的扩散系数(m2/s),C表示CO2浓度(μmol/m3)，z表示土层深度(m)。

Ds=εDa。

(2)

式中：Da表示在自由大气中CO2的扩散系数，Da=1.47×10-5m2/s；ε表示CO2在土壤中的相对扩散系数。

常用的计算ε的经验模型有以下5种[18-22]：

Penman模型：ε=0.66(φ-θ)。

(3)

Marshall模型：ε=(φ-θ)1.5。

(4)

Millington模型：ε=(φ-θ)10/3φ-2。

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(5)

Moldrup-1997模型：ε=0.66(φ-θ)×(φ-θ)(12-m)/3φ(m-12)/3。

(6)

Moldrup-2000模型：ε=(φ-θ)2.5φ-1。

(7)

式中：θ为土壤体积含水量(cm3/cm3)；φ为土壤孔隙度，φ=ρb/ρm，其中ρb为土壤体积质量(g/cm3)，ρm为土壤比重，矿质土壤ρm=2.65 g/cm3；m为常数,本研究中m=3。

1.3.3 表层土壤碳通量的测量 抽取气体样品的同时，使用Li-8100开路式土壤碳通量测量系统测量表层土壤碳通量，以便于检验用扩散法计算土壤碳通量的准确程度。为防止土壤环境变动对试验造成影响，于测量前1 d在5块样地的3个重复样点上分别布设内径20 cm、高10 cm的PVC环，将PVC环一端削尖并插入土层深度3～5 cm处。表层土壤碳通量于9:00-10:00进行测定，每2 s测定1次，每10 s记录1次平均值。此外在30年生刺槐林样地，从10:00-18:00每小时测量1次表层土壤碳通量。

1.4 数据统计与分析

用气相色谱仪测定不同深度土层土壤CO2浓度，并根据Fick扩散法计算土壤碳通量。用Li-8100开路式土壤碳通量测量系统测量表层土壤碳通量，并进行线性回归分析，采用SPSS 13.0软件对数据进行统计与分析。

2 结果与分析

2.1 扩散公式中适用于不同刺槐林样地各土层ε值的获取

2.1.1 不同样地表层土壤的碳通量 用Li-8100开路式土壤碳通量测量系统对表层土壤碳通量进行测定，结果见表3和表4。由表3可知，坡耕地以及10,20,30,40年生刺槐林地的表层土壤碳通量平均值分别为0.36，0.58，0.65，0.86，0.84 μmol/(m2·s)。表明表层土壤碳通量随植被恢复年限的增加总体呈增大趋势。由表4可知，30年生刺槐林地在 11:00-13:00时段表层土壤碳通量值大。

表3 黄土丘陵区不同刺槐林样地的表层土壤碳通量(09:00-10:00)

表4 黄土丘陵区30年生刺槐林样地10:00-18:00表层土壤碳通量(2013-05-17)

2.1.2 基于5种扩散系数模型计算的不同样地各土层土壤碳通量 先使用气相色谱仪测定不同深度土层土壤CO2浓度，并利用Fick扩散法计算土壤碳通量。本研究选取5种常用的气体扩散系数计算模型计算了各土层碳通量，结果见表5和表6。由表5可知，采用扩散法计算的不同林龄刺槐林地土壤碳通量与Li-8100腔室法实测值存在一定差异；在5种CO2扩散系数模型中，Penman模型计算结果的平均值最高，Moldrup-2000模型计算结果与实测值最接近。由表6可知，30年生刺槐林地10:00-18:00 土壤碳通量各模型计算值均大于实测值；Moldrup-2000模型计算值与实测值差异最小。

表5 黄土丘陵区不同刺槐林地各土层土壤碳通量实测值与计算值的比较

表6 黄土丘陵区30年生刺槐林地各土层10:00-18:00土壤碳通量实测值与计算值的比较

续表 6 Continued table 6

2.1.3 研究区各土层土壤碳通量计算值与实测值的回归分析 用5种扩散模型计算坡耕地以及10,20,30,40年生刺槐林样地各土层的土壤碳通量平均值，对各土层碳通量平均值(y)与实测值(x)进行线性回归分析，结果见表7。表7显示，用扩散法计算的土壤碳通量与其实测值均呈显著正相关关系(P<0.05)；在0，20，80，140，200 cm土层，土壤碳通量计算值与实测值决定性系数(R2)最大的模型分别为Moldrup-2000、Moldrup-2000、Moldrup-1997、Moldrup-1997和Millington。

表7 黄土丘陵区各土层土壤碳通量计算值(y)与实测值(x)的回归分析

续表 7 Continued table 7

2.1.4 适用于不同刺槐林样地各土层的ε值 通过以上分析可知，在各刺槐林样地0，20，80，140和200 cm土层，依次采用Moldrup-2000、Moldrup-2000、Moldrup-1997、Moldrup-1997和Millington扩散系数模型计算的土壤碳通量与其实测值相关性最好，表明上述模型为不同刺槐林样地各土层最适合的扩散系数模型。用上述模型，结合已知的土壤温度、水分、孔隙度、体积质量，计算得出适用于黄绵土0，20，80，140和200 cm土层土壤的ε值分别为0.15，0.14，0.20，0.22和0.27。

2.2 基于扩散法计算的不同刺槐林样地各土层的碳通量

选取合适的扩散系数模型，计算不同刺槐林样地各土层碳通量值，结果如表8所示。从表8可以看出，刺槐林地0，20，80，140，200 cm土层土壤碳通量的平均值分别为0.72，0.32，0.30，0.24，0.17 μmol/(m2·s)；在同一刺槐林地，随着土层深度的增加，土壤碳通量呈逐渐降低趋势。

表8 基于最优扩散系数模型计算的黄土丘陵区不同刺槐林样地各土层的土壤碳通量

3 讨 论

在黄土丘陵区，利用扩散法对不同深度土壤碳通量进行计算时，必须进行适当的校正才能得到较为真实合理的结果。利用扩散模型计算不同深度土壤碳通量时，关键在于准确测量不同深度土壤CO2浓度并选取合适的扩散系数模型[9,17]。已有大量学者通过野外试验和室内模拟的方法总结出一些扩散系数经验模型[18-22]，并使用这些模型对不同深度土层土壤碳通量进行了计算。在计算土壤碳通量时，Penman和Marshall模型是仅以土壤孔隙度作为参数的单参数模型，具有一定的狭隘性；而后来广泛使用的Millington模型也存在一定缺陷；近年来使用的Moldrup模型对前几种模型进行了整合，是更为精确的扩散系数模型。Pingintha等[23]使用与本研究相同的5种扩散模型计算土壤碳通量，结果显示，扩散法计算结果大于实测值；线性回归分析显示，5种扩散模型计算的土壤碳通量与实测值均存在显著相关性，其中Moldrup模型计算结果与实测值的相关性最显著(P<0.05)。本研究结果与之类似，用Li-8100腔室法得到的土壤碳通量实测值小于扩散法计算结果，Penman、Marshall、Millington、Moldrup-1997 和Moldrup-2000模型的计算结果与实测值之间均存在显著正相关性，其中Moldrup-2000模型计算结果最接近实测值，表明Moldrup-2000模型在对之前几个模型整合后，能够更准确地模拟土壤CO2的扩散过程[24]。

本研究还发现，在黄土丘陵区，土壤表层和20 cm土层Moldrup-2000模型计算的土壤碳通量与实测值相关性最高，R2分别为0.99和0.61；80和140 cm土层中，Moldrup-1997模型计算的土壤碳通量与实测值的相关性最大，R2分别为0.67和0.53；在200 cm土层中，用Millington模型计算的土壤碳通量值与实测值相关性较高，R2为0.84。总体而言，表层土壤碳通量计算值与实测值的相关性比其他土层大，这可能是由于表层土壤碳通量实测值较其他土层准确。已有研究发现，在中国北方杉木林 10，20，40，60，80 cm土层，土壤气体扩散系数依次为 0.14，0.16，0.15，0.18，0.36。本试验通过比较分析，得出适用于黄绵土0，20，80，140，200 cm土层的土壤气体扩散系数分别为0.15，0.14，0.20，0.22，0.27。

本试验利用Moldrup-2000、Moldrup-2000、Moldrup-1997、Moldrup-1997和Millington模型分别对0，20，80，140和200 cm土层土壤碳通量进行计算，所得土壤碳通量值分别为0.72，0.32，0.30， 0.24和0.17 μmol/(m2·s)，与前人研究结果[24]类似，表明所选取的扩散模型合适，计算结果具有较高的可靠性。

土壤碳通量是土壤有机碳分解、根系分解和微生物活动共同作用的结果，同时受环境因素、土壤温度和水分的影响，其中土壤有机碳、植物根系是碳通量的主要来源。本课题组前期研究发现，0～20，20～80，80～140，140～200 cm土层土壤有机碳含量依次为6.5，2.81，2.22，2.08 g/kg，土壤根系生物量依次为4.3，7.54，0.30，0.19 g，随着土层深度的增加，20 cm土层深度以下根系生物量减少，土壤有机碳含量降低，这将导致土壤碳通量减少；同时，各土层有机碳含量和根系生物量与扩散模型计算的土壤碳通量均存在良好的相关性(P<0.05)，为碳通量计算结果的可靠性提供了支持[25]。

与Li-8100腔室法相比，扩散法测定土壤碳通量时，对土壤破坏小，且计算结果更为准确；Li-8100腔室法会造成土壤表面压力增加、CO2浓度增大等情况，从而影响测定结果。因此，用扩散法估算土壤碳通量时，可同时用Li-8100腔室法的测定结果进行对比，这样有助于得到更真实的数据。本试验中，5种扩散系数模型计算所得土壤碳通量值都与Li-8100腔室法得到的测定值显著相关(P<0.05)，并且不同土层土壤对应的最佳扩散系数适用模型有所不同。

土壤碳循环是全球碳素平衡中的重要过程，对黄土丘陵区刺槐林地深层土壤碳通量的研究可为科学评估退耕还林还草的土壤固碳效益提供依据，对于揭示深层土壤碳的稳定性、土壤碳库动态变化机理及深层土壤碳在生态系统碳循环中的作用，丰富并深化固碳土壤学研究有重要科学意义。

4 结 论

1) 对土壤剖面碳通量数据进行校正是必要的，但不同校正方法所起的作用有所差异。其中Penman模型计算的土壤碳通量值与实测值差异最大，模拟效果较差，而Moldrup模型模拟效果最好。

2) 5种扩散模型计算的土壤碳通量均大于Li-8100腔室法得到的实测结果，但与Li-8100 测量结果均具有显著相关性。

3) 不同深度土层的环境因子有差异，所以估算不同深度土层土壤碳通量的最佳模型也不同。黄土丘陵区刺槐林地0～20，80～140，200 cm土层土壤碳通量的最佳扩散模型分别为Moldrup-2000、Moldrup-1997和Millington。

4) 在黄绵土0，20，80，140，200 cm土层，土壤气体扩散系数分别为0.15，0.14，0.20，0.22和 0.27，据此计算的各土层土壤碳通量分别为0.72，0.32，0.30，0.24，0.17 μmol/(m2·s)，表明随着土层深度的增加，土壤碳通量逐渐降低。本研究确定了黄土区气体扩散系数模型中的各种参数和不同土层碳通量的估算模型。

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