肖塘地区夏季土壤CO2浓度日变化特征及影响因素

阿力木·阿巴斯，买买提艾力·买买提依明，何　清，霍　文，杨　帆，杨兴华，热娜古丽·太来提

（1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆　乌鲁木830054；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐830002；3.塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站，新疆　塔中841000；4.克州气象局，新疆　阿图什845350）



肖塘地区夏季土壤CO2浓度日变化特征及影响因素

阿力木·阿巴斯1，2，3，买买提艾力·买买提依明2，3*，何清2，3，霍文2，3，杨帆2，3，杨兴华2，3，热娜古丽·太来提4

（1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆乌鲁木830054；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆
乌鲁木齐830002；3.塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站，新疆塔中841000；4.克州气象局，新疆阿图什845350）

摘要：利用塔克拉玛干沙漠北缘流动沙漠—古河床过渡带肖糖地区2012年6—8月土壤40 cm深处CO2浓度和相关气象要素资料,对该区域的土壤CO2浓度变化特征及影响因子进行了分析。结果表明:（1）肖塘地区夏季土壤40 cm深处CO2浓度的日变化过程中呈现出夜间低、白天高的单峰型，日最高值出现在18:00左右，最低值出现在6:30左右，浓度平均值保持在506.97～518.14 ppm之间；（2）随着土壤温度和土壤湿度的变大,土壤CO2浓度增大,两者呈显著正相关；（3）风速和土壤CO2浓度之间存在一定的滞后性；（4）大气压力对土壤CO2浓度变化产生显著影响，两者呈负相关。

关键词：塔克拉玛干沙漠；土壤CO2浓度；影响因子

阿力木·阿巴斯，买买提艾力·买买提依明，何清，等.肖塘地区夏季土壤CO2浓度日变化特征及影响因素[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（2）：63-69.

工业革命以来，由于化石燃料燃烧、水泥生产以及土地利用变化等人类活动造成大气中CO2、CH4等温室气体浓度不断升高，温室效应增强，导致了全球性的气候增暖。IPCC第四次评估报告指出，目前大气中CO2浓度是过去42万年来未曾达到过的，认为观测到的过去50 a来的大部分变暖可能主要是由人类活动引起的，关于这一点的结论比第三次评估报告评估更确定。在诸多温室气体当中，CO2成为最早受人们所关注的温室气体，其温室效应对气候变暖的贡献超过其他气体，达56%[1]。陆地、大气、海洋生物之间的碳交换过程会影响大气中CO2浓度的变化，土壤作为陆地各种生物的栖息地，在CO2变化和转换过程中扮演着非常重要的角色，是地球大气CO2的重要来源之一[2]。在大气中CO2含量约占0.03%，而土壤空气中CO2含量比大气中高5～10 倍[3-4]。因此，对土壤CO2浓度进行观测，分析其变化规律及影响因素，在开展陆—气碳循环过程研究中具有重要意义。针对土壤CO2浓度变化研究，国内外学者开展了不少研究[5-14]。其中，赵拥华等[8]分析了青藏高原北麓河冻土层中气体CO2浓度的分布状况，给出了土壤温度和土壤有机碳贮量呈明显相关性的结论。赵景波等[9]测定了巴丹吉林沙山地区CO2浓度的昼夜变化，并指出土壤CO2浓度昼夜变化主要由温度变化引起。黄磊等[10]在沙坡头沙漠试验站对土壤结皮情况下的土壤CO2浓度变化及其驱动因子进行分析指出，土壤40 cm深处CO2浓度平均值为919.05 ppm。邵天杰等[11]对腾格里沙漠民勤地区沙丘CO2浓度研究指出，该区域的土壤CO2浓度变化存在着明显的昼夜变化特征。塔克拉玛干沙漠作为世界第二大流动沙漠，约占中国沙质沙漠面积的1/2。有关该沙漠的研究主要集中在沙漠边界层、陆面过程、气溶胶以及沙漠气候等领域[15-26]，针对塔克拉玛干沙漠土壤CO2浓度的相关研究未见报道。本文利用野外试验观测数据，对塔克拉玛干沙漠北缘过渡带土壤CO2浓度变化特征及影响因素展开研究，分析该区域的土壤CO2浓度变化特征及影响因素，进而为开展该区域的碳循环机理研究提供初步基础。

1　研究区概况

肖塘气象观测站（40°48＇126″N，84°18＇211″E，海拔912 m）位于塔克拉玛干沙漠北部边缘，与塔里木河相距约40 km[24]，是典型的沙漠腹地—荒漠—绿洲过渡带[25]，下垫面以平坦沙地为主，部分地区有风蚀裸露古河床无植被覆盖。其东侧距离塔克拉玛干沙漠公路1号井1000 m左右[26]（古河床的南岸），北侧2 km以外为胡杨林，向南距离流动沙丘约200～300 m，南部沙丘下伏地貌属于冲积—泛滥平原，是典型的沙漠与荒漠的交汇之处。气候类型属于暖温带荒漠气候，降水量很少，年平均风速为2.5 m·s-1，春季最大，冬季最小。肖塘气象站气温变化与风速的变化基本上相似，以6—7月最大，12—1月最小。该区域沙尘暴发生频繁，主要集中在春、夏季，占全年的80%以上，冬季比较少。地表土壤多为沙土，质地轻，粒径细，组成以细沙（125～250 μm）、极细沙（62.5～125 μm）为主，约占78.5%，并含有一定量的中沙（250～500 μm）和粉沙（3.9～62.5 μm），约占20.4%。该处植被资源极为贫乏，主要有柽柳（Tamarixramosisima）和胡杨（Populuseuphratica）[26]。

2　数据处理

图1　观测点示意图

本文所用CO2浓度数据来自安装在该站土壤40 cm深处的芬兰VAISALA公司生产的GMT22型CO2浓度探测传感器，其他数据来自安装在该站的10m梯度探测系统（仪器配置见表1），所有传感器用美国Campbell公司生产的CR1000型数据采集器采集，并获得1 min、30 min和1 h的统计数据。本文采用2012年6—8月30 min尺度的土壤CO2浓度数据和气象要素观测数据，对该区域的土壤CO2浓度变化及影响因素进行了回归分析。

表1　观测系统传感器配置

3　结果与分析

3.1土壤CO2浓度日变化

对2012年6月到8月土壤40 cm深处CO2浓度进行分析发现（图2），6—8月40 cm深处土层中土壤CO2浓度平均值分别是520.02 ppm、505.15 ppm与511.14 ppm，6月平均浓度明显大于7月和8月，3个月的观测数据中，7月土壤CO2浓度最低。就日变化而言，6月从2:30开始土壤CO2浓度缓慢下降，7:00降到511.87 ppm，然后开始缓慢升高，在18:00达到527.40 ppm，而后开始缓慢下降到，在23时降到517.24 ppm，之后缓慢升高，2:30达到521.20 ppm。整个过程中，CO2浓度比较高的时段为14:00—19:00这与气温较高的时段基本吻合。在7月，土壤CO2浓度变化范围为498.23～511.21 ppm，从00:00开始CO2浓度缓慢下降，在7: 30降为498.23 ppm，之后缓慢上升，在17:00，达到511.21 ppm，之后缓慢下降。8月土壤CO2浓度变化范围为504.64～517.37 ppm，比其他两月变化幅度较小。6—8月土壤CO2浓度日变化曲线因土壤温度呈现高—低—高—低的变化规律，但是细节上有所差异；6月和7月的曲线变化相似，曲线波动基本符合，但是8月有一些差异。6—8月的土壤CO2平均浓度变化与8月土壤CO2浓度变化类似，即从凌晨00:00到当日23:30，土壤CO2浓度呈现由高—低—高—低的变化规律，变化范围为506.97～518.14 ppm，平均值为512.1 ppm。从2:30开始CO2浓度缓慢下降，6:30降为506.97 ppm，之后缓慢上升，18:00达到518.14 ppm，之后又迅速下降，23:00降到510.53 ppm。

整体来讲,各个月份或者3个月的平均值都以6～7 h的周期变化，从00:00到7:00土壤向空气释放热量，土壤温度下降，导致土壤CO2浓度也降低；从7:00到16:00温度升高，空气向土壤输送热量，土壤温度升高，导致土壤CO2浓度升高；下午从16:00开始到20:00空气温度降低，土壤向空气释放热量，土壤温度下降，土壤CO2浓度也降低。这种变化规律与腾格里沙漠民勤沙丘的CO2浓度变化规律类似。极端干旱的民勤沙漠区CO2浓度昼夜变化也相当明显，从当日的9:00到次日的9:00均呈现由低到高再到低的变化规律[11]。

图2　土壤CO2浓度夏季日变化

3.2影响土壤CO2浓度变化的因子

3.2.1土壤CO2浓度与土壤温度的关系

土壤温度、湿度、气压及风速等各种气象要素在很大程度上影响土壤CO2浓度，并且浓度变化有一定的日变化规律[13]。为了过滤天气系统影响所造成的土壤CO2浓度的变化，本文选取6—8月期间15个晴天天气下的40 cm土壤温度与土壤CO2浓度数据进行了分析。由图3可知，研究区土壤CO2浓度与土壤温度的变化趋势基本一致。随着土壤温度上升，土壤CO2浓度升高，反之亦然。就日平均变化而言，晴天天气条件下，土壤CO2浓度最大值为519.92 ppm，最小值为503.34 ppm，平均值为512.76 ppm。分析土壤CO2浓度与气温相关关系可知（图4和表2）：土壤CO2浓度与土壤温度之间存在着正相关关系（R=0.736，在显著水平为0.01）。土壤温度对土壤CO2浓度的影响在森林区中更加明显[27-29]。土壤呼吸和CO2释放过程中温度的影响是不可忽视。通常，土壤呼吸主要包括土壤根系呼吸和微生物呼吸[30]，土壤CO2中68%来自于土壤微生物呼吸作用和排放作用，而直接影响土壤微生物活动的主要因素是土壤温度。土壤温度的升高会导致土壤微生物活动的加强，很大程度上加快了含碳物质分解和CO2的产生速度，同时土壤中各种生物的呼吸作用也会加强。对于沙漠地区来说，由于没有植被，土壤温度主要通过影响土壤微生物活动，间接造成土壤CO2浓度的变化。因此，温度在土壤CO2浓度变化过程中起着很重要的作用。

图3　土壤CO2浓度和土壤温度变化过程

图4　土壤CO2浓度与土壤温度的相关性分析

表2　土壤CO2浓度与土壤温度、土壤湿度及风速的相关系数

3.2.2土壤CO2浓度与土壤湿度的关系

干旱区最主要的气候特征之一是干旱少雨。土壤水分状况的变化会导致土壤微生物和土壤透气性等发生变化，相应地，土壤CO2浓度也会发生变化。由图5可知，土壤10 cm湿度具有明显的日变化规律，变化范围为2.3%～3.5%,平均值为2.8%。从00:00开始，土壤湿度缓慢下降，到6:30左右降到最低水平（2.3%），然后开始缓慢升高，到16:00左右升到最高水平（3.5%），之后开始下降。土壤CO2浓度与同期的土壤湿度之间保持同步变化规律。即，土壤CO2浓度随着土壤湿度的增加呈升高的趋势。与土壤温度类似，土壤湿度也是影响土壤CO2浓度的影响因子。土壤湿度的增加，引起土壤孔隙度减少，抑制土壤空气中CO2的扩散,从而增加土壤中CO2浓度。此外，土壤湿度的变化直接影响到土壤内的微生物活动，从而影响到土壤CO2浓度的变化。这种情况与腾格里沙漠民勤沙区中的土壤CO2浓度变化情况类似。邵天杰等[11]指出，干燥缺水的腾格里沙漠区沙层水分含量多少是决定CO2浓度高低的主要因素。土壤水分和土壤CO2浓度之间的关系也可从图6的回归分析可以得出，即，土壤CO2浓度与土壤湿度呈很高的正相关关系，相关系数达R=0.95。

图5　土壤CO2浓度和土壤湿度变化过程

图6　土壤CO2浓度与平均湿度的相关性分析

3.2.3土壤CO2浓度与风速的关系

在土壤粗糙表面因风作用引起的气流变化会造成压力差。气压的增高或减少影响气流对土壤投入或扩散，高风速使土壤表面空气投入土壤中会导致土壤CO2浓度的减少，当风速低或者没有风的时候土壤空气扩散到空气中及使土壤CO2浓度增高。由图7可知，土壤CO2浓度和风速有着相似的变化趋势。实验期间风速日变化呈现双峰型，第一峰值出现在6:00—9:00，第二峰值出现在17:00—19:00，白天的风速明显大于夜间，其变化范围为1.5～3.8 m/s，平均值为2.6 m/s。就日变化而言，日最高值出现在18:00时左右，最低值出现在4:30时左右。从00:00开始风速减小，4:30降到1.5 m/s，然后开始增大，8:30升到3.3 m/s。之后很少，保持一定水平，18:30开始缓慢减小，22:30降到1.9 m/s。通过分析发现，土壤CO2浓度与风速之间有很好的对应关系，即土壤CO2浓度高时相应地风速也大，土壤CO2浓度低时相应地风速也小，不过两者之间存在一定的滞后性。如，风速达到高值后一段时间，才能引起土壤CO2浓度的升高。同样，风速变小1～2 h之后，土壤CO2浓度才能出现较低的浓度值。本文中，由于未考虑滞后相关的参数计算，土壤CO2浓度和风速的相关性分析结果显示出正相关性，这与赵景波等[27]在西安人工林区域开展的风速与土壤CO2浓度的变化情况类似。由图8可以看出，土壤CO2浓度和风速之间呈现正相关关系（相关系数R=0.549），虽然相关系数比土壤温度、土壤湿度与土壤CO2浓度的相关关系差，但也是影响该区域土壤CO2浓度变化的影响因子之一。

3.2.4土壤CO2浓度与气压的关系

图7　土壤CO2浓度和风速变化过程

气压也是影响土壤CO2浓度的主要因素之一。当气压增高，土壤空气被压缩及大气空气投入土壤之中，使得土壤CO2浓度减小，同样，气压的减小对土壤空气提供扩散到土壤表面的机会，这个过程引起增加土壤CO2浓度。由图9可知，肖塘地区夏季气压变化幅度为896.1～908.7 hPa，平均值为900.8 hPa，最高值出现在8月31日，最低值出现在6月20日。就两者变化关系来看，土壤CO2浓度较高时相应地气压较低、土壤CO2浓度较低时相应地气压较高，两者呈显著性负相关。这种变化关系在Sánchez-Cañete在西班牙南部进行的土壤CO2浓度观测试验得到证实。西班牙南部干旱区中，大气压力增强时，土壤CO2在气压作用下向更深层次的土壤渗透或迁移。当大气压力变小时，土壤深处的CO2向土壤表层迁移，使得测量区域的土壤CO2浓度升高[14]。

图8　土壤CO2浓度与风速的相关性分析

图9　土壤CO2浓度和气压变化过程

4　结论

（1）土壤CO2浓度呈明显的昼夜变化特征，整体上呈白天升高，夜间回落的趋势。浓度最高值和最低值分别出现在白天和夜间。6—8月40 cm深处土层中土壤CO2浓度平均值分别是520.02 ppm、505.15 ppm与511.14 ppm，6月平均浓度明显大于7月和8月。

（2）土壤温度是影响土壤CO2浓度的决定性环境因子。同时，土壤湿度对土壤CO2浓度的影响也不容忽视。土壤湿度通过控制土壤空气的空隙而影响土壤CO2浓度。

（3）风速也是土壤CO2浓度的影响因子之一，但与土壤CO2浓度变化之间存在一定的滞后性。

（4）土壤CO2浓度的变化还受气压的影响。气压对土壤CO2浓度的影响不是直接的，通过改变土壤空气密度而影响土壤CO2浓度变化，两者具有负相关性，气压的增高会减小土壤CO2浓度，气压的降低会增大土壤CO2浓度。

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Daily Variation Characteristicsand Influence FactorsofSoilCO2Concentration in Xiaotang Region in Summer

Alim Abbas1，2，3，AliMamtimin2，3，HE Qing2，3，HUO W en2，3，YANG Fan2，3，YANG Xinghua2，3，RenaguliTailaiti4
（1.CollegeofGeographicalScienceand Tourism，Xinjiang NormalUniversity，Urumqi830054，China；2.InstituteofDesertMeteorology，China MeteorologicalAdministration，Urumqi830002，China；3.The Taklimakan DesertAtmosphere EnvironmentObservation Station，Tazhong841000，China；4.Kezhou MeteoroligicalBureau，Atux845350，China）

AbstractThe characteristics and influence factors ofsoil CO2concentration were analyzed by using soil CO2concentration,soil temperature,soil humidity at a depth of40 cm,and data of atmospheric pressure and wind speed from Xiaotang region,a transition zone ofmobile desertof northern borderofTaklimakan desert,from 1 stJulyto31 stAugust,2015.Theresultsshowed that, （1）the daily change ofsoilCO2concentration ata depth of40 cm appeared a single peak curve （lowervaluesatnightand high valuesatday）,the daily maximum value occurred atabout18:00 and the lowestvalue appeared atabout06:30,the average concentration value varied from 506.97 ppm to 518.14 ppm;（2）soil CO2concentration increased as the soiltemperature rose with a significantpositive correlation,（3）the highersoilrelative humidityaccompanied the highersoilCO2concentration with a significantpositive correlation because the soilCO2was noteasily dispersed underhigherrelativehumidity；（4）atmosphericpressureaffected soilCO2concentration byallowing air into the soilor soildecreased CO2concentration by atmospheric diffusion,and there were a negativecorrelation between them.

Key wordsTaklimakan desert;soilCO2concentration;influencefactors

中图分类号：P461.4

文献标识码：B

文章编号：1002-0799（2016）02-0063-07

doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.02.010

收稿日期：2015-11-19；修回日期：2016-01-22

基金项目：国家自然科学基金（41175140）；公益性行业专项（GYHY201306066）共同资助。

作者简介：阿力木·阿巴斯（1988-），男（维吾尔族），硕士研究生，主要从事干旱区环境演变的研究。E-mail：342483183@qq.com

通讯作者：买买提艾力·买买提依明（1978-），男（维吾尔族），副研究员，主要从事沙漠大气边界层研究。E-mail：ali@idm.cn