土壤无机CO2通量(Rio)研究进展

孔范龙, 郗敏, 吴健敏, 李悦, 李奇霏

青岛大学环境科学与工程学院, 青岛 266071

土壤无机CO2通量(Rio)研究进展

孔范龙, 郗敏*, 吴健敏, 李悦, 李奇霏

青岛大学环境科学与工程学院, 青岛 266071

土壤无机CO2通量(Rio)是土壤CO2通量(Rs)的重要组分, 当前对土壤CO2通量多基于完全来自有机源的假设,忽略无机过程影响的研究影响了碳循环过程及源汇评估的科学性和准确性。对 Rio分离方法、特征与影响因素、形成机制等方面的研究进行了归纳总结。1)目前Rio分离方法主要有氯化汞灭菌法、加热法、高压灭菌法和13C同位素法, 不同的分离方法均具有一定的局限性, 且研究成果之间的差异性较大降低了其可比性; 2)特定研究地区Rio能够主导或暂时主导Rs的方向和大小, 且变化特征受温度、含水量、pH、盐分和土壤粒径等因子的影响较大; 3)形成机制主要有碳酸盐系统的溶解/沉淀、地下孔穴储藏与通风作用两大观点。在此基础上, 针对今后的研究方向提出如下建议: 1)探究更通用、简便和精确的分离措施并进行标准化, 提高不同研究结果之间的可比性; 2)进一步拓展研究的区域和范围, 形成基于多生态系统的数据网络; 3)深入探究土壤无机碳循环过程, 为正确判定陆地生态系统碳源汇功能提供参考; 4)加强对土壤Rio在生态系统中作用的研究, 为寻找全球“碳失汇”提供更为科学的解释。

土壤无机CO2通量; 分离方法; 影响因素; 机制

1 前言

土壤作为大气 CO2的源或汇, 是控制大气 CO2浓度变化的关键因子, 在全球变暖及碳循环研究中有着重要的作用[1–2]。土壤CO2通量(Rs)是陆地生态系统中除了植被冠层的光合作用外最大的碳库通量[3], 在全球尺度上 Rs释放碳的速率比人类活动释放碳的速率大一个数量级, 其很小的变化就能显著改变大气CO2浓度的平衡[3–5]。因此在全球变暖背景下, 对 Rs的研究是确定土壤碳源汇功能及探索全球碳循环的重要内容[6–8], 也是当今科学研究的热点之一。

土壤 CO2通量（Rs)是有机 CO2通量(Ro)和无机CO2通量(Rio)的综合体现。但是当前对 Rs所开展的研究多基于其通量完全来自于有机源的假设, 忽略了Rio对Rs的潜在贡献。然而近年来随着对Rs研究的不断深入, 部分学者在沙漠[9–15]、南极干谷[16–18]等特定区域开展的研究发现, Rio占据重要地位, 在一定的时间尺度下能够主导或暂时主导Rs的方向和大小,成为陆地生态系统碳收支中输出通量的重要部分, 其变化能够显著改变大气中CO2浓度的平衡,导致土壤碳储量和碳通量的变化, 这些变化极可能通过正反馈反作用于大气, 导致 CO2浓度升高, 影响大气 CO2浓度的关键生态学过程, 在调控区域及全球尺度的碳循环上起着较大的作用, 特别是在干旱区生态系统中 Rio占有尤其重要的地位[19–20]。这一研究结果表明完全基于有机源假设而开展的 Rs研究将造成部分地区生态系统碳循环评估的不准确性, 同时也为寻找全球“碳失汇”(Missing Carbon Sink)提供了新的思路。目前针对Rio的直接研究较少, 研究区域多集中在沙漠、南极干谷等地区。研究内容主要涉及 Rio特征、环境因子对通量的影响等方面。本文通过综述国内外所开展的Rio相关研究, 从分离技术、特征与影响因素、形成机制等方面进行了归纳总结, 以期为深入理解土壤碳循环过程提供科学依据。

2 土壤无机CO2通量(Rio)分离方法

Rio分离是研究其变化特征及影响因素的前提,是整个研究过程中的关键步骤之一。Rs是Ro和Rio两部分的总和[3,19–20], 其中 Ro是植物根呼吸、土壤微生物呼吸和土壤动物呼吸等过程排放 CO2通量;Rio则是土壤中含碳物质化学氧化等无机过程吸收和排放 CO2通量的综合体现。在此理论基础上, 目前Rio分离方法主要有氯化汞灭菌法[21]、加热法[17]、高压灭菌法[13]和13C同位素法[17]。

氯化汞灭菌法、高压灭菌法和加热法的原理是通过重金属或者高温使土壤中的微生物、酶和根系失活, 从而消除 Ro源[19]。具体分离过程中, 首先根据分离方法的不同设置重金属、压力、温度、时间等条件, 控制好灭菌环境, 将要灭菌处理的土壤进行灭菌处理, 通过覆盖牛皮纸等方式减少灭菌处理前后土壤水分含量的变化, 达到剔除Ro源的效果。经过灭菌处理后, 将土壤在无菌状况下放置一周,使土壤中的CO2和水分状况达到完全平衡。平衡后放入自然环境中, 利用野外缓慢稳定的自然状况控制土体温度变化等, 待条件稳定后, 测得此时桶内的CO2通量, 即为Rio。氯化汞灭菌法对土壤化学特征影响小, 灭菌效果最好, 但容易对环境造成污染;加热法和高压灭菌法易于操作, 但加热法会改变土壤的水分含量, 高压灭菌法可能会影响碳酸盐的溶解性[21], 均会造成额外的实验误差。

13C同位素法则是基于土壤有机和无机过程CO2源同位素组成不同[18,22]的理论, 即根呼吸和微生物呼吸等有机过程的CO2源于土壤有机质, 其13C含量较负[23–24]; 而土壤无机过程的 CO2源于土壤CO2气体, 由于CO2气体的溶解沉淀具有分馏作用,其13C含量较正[25–26]。一般认为,13C同位素法测量的人为影响最小, 也是最准确的方法[27–28]。但是由于方法本身的特性即13C丰度的变率大, 在实际应用中体现出不同程度的不确定性[29], 且13C同位素法只能推算出Rio的大致范围, 不能精确量化, 不适用于短时间高频率的Rio的分离[18]。

此外, 除了上述分离方法自身的局限性, 不同的分离方法结果差异性比较大, 降低了不同研究成果之间的可比性。因而不同测定方法的结果和精度之间的比较显得尤为重要, 但目前该方面研究较为少见。因此, 如何科学而又准确地分离 Rio, 统一测定方法, 仍是深入开展Rio量化及过程机理探究的重要内容。

3 土壤无机CO2通量(Rio)特征及影响因素

近年来随着对Rs研究的不断深入, 部分学者在沙漠、南极干谷、滨海湿地等地区所开展的研究中

发现夜间或暗箱中 CO2吸收等现象[10–11,13,16,18,30–36],代表性研究见表1。基于此, 学者从Rio的角度展开研究并尝试对上述现象进行解释。

3.1 沙漠土壤无机CO2通量(Rio)特征及影响因素

沙漠地区Rio日变化明显, 在一定的条件下能够指示 Rs的波动方向, 且具有区域性差异等特征。根据王忠媛等[19]对古尔班通古特沙漠Rio研究结果, 盐土 Rio的日变幅为 2.06 μmol·m-2· s-1(-1.34—0.73 μmol·m-2·s-1); 碱土 Rio的日变幅为 1.47 μmol·m-2·s-1-0.79—0.68 μmol·m-2·s-1), Rio日变化常呈单峰型曲线, 而且在相同的温度变化范围内, 碱土和盐土 Rio对 Rs日变化波动的贡献率分别为 90%和 61%, 但Stevenson等[21]的研究表明Rio显著低于Rs, 贡献率约为13%。可见沙漠地区Rio虽远远低于Ro, 但是在一定的条件下能够指示Rs的波动方向。此外, 沙漠地区Rio因研究地点、环境条件等因子的不同而表现出明显的区域性差异, 如无植被覆盖的莫哈维沙漠地区相比有灌木等植被覆盖的巴哈荒漠夜间CO2无机吸收过程较为强烈[10–11]。

在对沙漠地区Rio特征研究的基础上, 部分学者对其影响因子进行了初步探究, 结果表明 Rio受温度、pH、含水量等因素的影响较大。Rio单峰型日变化曲线恰与温度的日变化过程相吻合, 随温度升高而逐渐增大。在同样的温度条件下, pH对Rio的影响较为显著, pH高的土壤Rio明显低于pH低的, 且变幅更大[20]。马杰等人的研究表明当土壤含水量为10%时, 非生物通量对总通量的贡献介于 18.6—49.2%之间, 并随着土壤pH的增加呈线性上升的趋势, 而在风干土壤中, Rs几乎全部来源于非生物过程的贡献, 可见土壤 pH和水分含量是土壤非生物通量即Rio的重要影响因子[37]。含盐量对盐碱土Rio有影响, 但整体效果不显著, 表现为在含盐量差异较大时, 盐分高的土壤Rio显著小于盐分低的; 在含盐量差异较小时, Rio差异不显著[20]。

3.2 南极干谷土壤无机 CO2通量(Rio)特征及影响因素

南极干谷特殊的自然环境决定了该地区 Rio的主导地位和复杂的动态变化特征。该地区年平均气温–20℃, 水分匮乏, 维管束植物稀少, 土壤碳循环主要受无机过程控制, Rio对 Rs的贡献率约为 75%,能够主导或暂时主导着 Rs的方向和大小[16,18]。Rio动态变化特征则随土壤粒径的不同而异, 研究显示经加热处理后的南极干谷粗粒土Rio在0—20 h内呈单峰型变化曲线, 随后略有增加; 而细粒土变化特征不显著[17]。

表1 不同研究地区土壤CO2通量异常现象及解释Tab. 1 The abnormal phenomena of soil CO2flux and interpretations in different study areas

与沙漠地区相比, 除温度、含水量外, 南极干谷地区Rio主要受土壤粒径的影响。研究表明南极干谷Rio昼夜变化特征与温度日变化具有显著相关性, 随温度升高而增大, 但是经加热法处理的土样在温度降低时 CO2通量并未呈现减小的趋势[16–17], 这也说明了分离方法对研究结果具有一定的影响。其次,含水量是该地区Rio的重要影响因子, 在土壤含水量较低时, 温度对Rio的影响并不显著[17], 且不同粒径土壤的Rio对含水量的响应不同。灭菌后的粗粒土和细粒土 CO2吸收量随着水分的增加而增加, 因此与灭菌后的干土相比, 粗粒湿土 CO2吸收量更大, 然而细粒湿土则呈相反趋势, 这可能与表面积和孔隙度较大的细粒土较强的保水性有关[17,38]。在加水过程中, 细粒土表层水分过饱和阻碍了大气中 CO2进入土壤中, 从而减少了 CO2吸收量[39–40], 这也进一步表明了土壤粒径对Rio的影响较大。

3.3 滨海湿地土壤无机CO2通量(Rio)特征

目前关于滨海湿地 Rio特征及影响因素的研究与沙漠、南极干谷相比明显偏少, 但是当前对滨海湿地 Rs的研究从侧面证实了 Rio是客观存在的, 且具有一定的时空差异性。

滨海湿地Rs研究结果表明Rio区域变化特征明显。滨海湿地暗箱中Rs负值多出现在低潮滩、中潮滩, 高潮滩则较为少见[30–32,35]。距海越近成土时间越晚、脱盐程度越低、土壤含盐量越高, 土壤盐碱化越严重, 无机吸收 CO2过程占据主导地位, 从而部分地区Rs表现为负值, 这与沙漠、南极干谷Rio特征形成条件基本一致。

滨海湿地Rio同时具有显著的时间异质性。研究表明, 我国长江口崇明东滩低潮滩 2、5、8、10及12月暗箱中Rs常出现负值, 无机吸收CO2量大于有机呼吸量, 且多发生在上午和退潮后[31–32,35]; 但是黄河口湿地低潮滩暗箱中CO2通量负值多出现在凌晨 5:00-9:00[30], 与长江口崇明东滩低潮滩的相关研究结论不相符, 这也表明了滨海湿地Rio在不同研究区域之间和之内均存在着较大的变异性。

由此可见, 位于海洋与陆地的过渡地带的滨海湿地, 受海陆两相交互作用, 与沙漠、南极干谷等地区相比其土壤无机过程更为复杂, Rio特征更为明显。然而目前对于滨海湿地Rio特征及影响因素的直接研究尚未展开, 因此开展滨海湿地Rio相关研究对于形成基于多生态系统的Rio数据网络、深入探究土壤无机碳循环过程具有重要的意义。

4 土壤无机CO2通量(Rio)形成机制

当前普遍认同 Rs无机过程确实存在[41], 但对Rio形成的机制仍没有统一的定论[11–12], 主要有碳酸盐系统的溶解/沉淀[42–43]、地下空隙储藏与通风[33,44]两大观点。

4.1 碳酸盐系统的溶解/沉淀

碳酸盐系统的溶解/沉淀(方程1)主要受CO2-H2O-CaCO3三相系统平衡状态的影响[45]。在全球和较大时间尺度上, CO2-H2O-CaCO3三相系统呈平衡状态, 碳酸盐系统的溶解/沉淀也是一个相对平衡过程[46–47]。但是在年际和季节尺度上, 碳酸盐系统的溶解/沉淀过程与Rs具有一定的相关性[48]。大气中的碳以CO2的形式进入土壤, 形成溶解性无机碳(DIC)储存在土壤中, 随后以碳酸氢盐的形式流失, 该无机过程参与了土壤与大气的CO2交换过程, 对Rs产生一定的影响, 但其影响的大小、方向及时间尺度则主要受碳酸盐岩层分布、环境条件等因子的控制[49]。

在土壤含盐量和pH值偏高、土壤发育较差的碳酸盐岩层分布地区(如沙漠、南极干谷、滨海湿地等区域), 植物呼吸和微生物呼吸产生的CO2被消耗于碳酸盐的溶解, 土壤吸收大气CO2, 导致暗箱/夜间Rs出现负值。而溶解/沉淀过程主要的影响因素除碳酸盐含量、CO2和Ca2+浓度等反应基质外[50–51], 还包括作为化学反应场所的土壤水分和与化学反应平衡常数有直接关系的温度。此外, 该过程消耗/产生着土壤溶液中的H+, 控制着土壤pH值的动态变化, 因而在一定的条件下土壤pH值可作为指示潜在Rio作用大小的指标。

虽然碳酸盐系统的溶解/沉淀机制是目前最为普遍认同的观点, 但是用于量化无机过程贡献率的Witch模型显示, 即使在干旱季节无机过程对其碳平衡的影响占据重要的地位, 其贡献率也不足以解释干旱地区大量CO2被吸收这一现象[33]。而且在干旱季节, 蒸发过程强烈, 土壤含水量减少, 碳酸氢盐易形成次生碳酸盐释放CO2。加上这些地区因大气沉降或硅酸盐风化等过程, 土壤中Ca2+浓度增加,水资源常年失衡, 一般情况下碳酸盐沉淀多于溶解过程[43]。因此碳酸盐系统的溶解/沉淀对碳平衡的影响并不能确定, 可能存在其他无机过程与其耦合共同影响着Rs的量级和时间尺度[52–55]。

4.2 地下空隙储藏和通风作用

地下空隙是土壤、岩石中各种类型空洞的总称,包括孔隙、裂隙和溶穴, 是地下水赋存和运移的场所。大气中的CO2溶解于土壤溶液中, 通过地下空隙渗入地下岩层并溶解碳酸盐。当含有大量DIC的土壤溶液进入充满气体的空隙时, 形成侧压发生沉淀反应, 释放CO2并进入地下环境中[43]。土壤含水量饱和时, 土壤和大气交换过程受到抑制, CO2被封存在地下岩层空隙中, 或者溶解于水中继续向深层环境运移直到地下水层[43,56–57]。与其他地区相比, 沙漠、南极干谷及滨海湿地碳酸盐丰富, 地下空隙较大,其中封存的CO2量也较多。

另外, 作为气体进出碳酸盐岩区域地下岩溶结构的运移过程, 通风作用主导着大气和地下环境CO2交换过程, 同时也控制着地下空隙中CO2及其他气体的封存量及时空分布[58–59]。在空隙与外界连通情况良好的情况下, 温度的变化是引起两个通风区域气体交换的关键因子[60–61]。当外界气温低于空隙时, 外界高密度的冷空气进入空隙, 与空隙气体交换作用强烈, 空隙中CO2浓度与外界相当达到最小值; 外界温度较高时, 空隙中冷空气密度高于外界,由于出口较小冷空气封存于空隙中, 与外界交换过程受到抑制[43], 因此Rio随着温度的变化而变化。

鉴于不同研究地区的复杂性和特殊性, 特别是决定风化作用强烈程度和时间尺度的气象条件的差异性, 虽然地下空隙储藏和通风作用对一些地区采用微气象技术监测到的CO2释放现象可做出合理的解释[33], 但是仍需对该无机过程进一步深入研究,以为其在土壤碳循环中的重要性提供量化依据。

5 结论与展望

通过对Rio分离方法、特征与影响因素、形成机制等方面的综述, 可以看出1)目前Rio的分离方法主要有氯化汞灭菌法、加热法、高压灭菌法和13C同位素法, 但不同的分离方法都具有各自的局限性,不同研究成果之间差异性比较大、可比性较低; 2)在沙漠、南极干谷及滨海湿地等土壤含盐量和 pH值偏高、土壤发育较差的特定研究地区, Rio是Rs的重要组分, 能够主导或暂时主导 Rs的方向和大小, 且沙漠和南极干谷Rio特征变化主要受温度、含水量、pH、盐分和土壤粒径等因子的影响, 而滨海湿地Rio相关研究则较为缺乏; 3)当前Rio的形成机制主要有碳酸盐系统的溶解/沉淀、地下孔穴储藏与通风作用等观点, 尚未形成统一的认识; 4)Rio形成与周转对碳循环具有重要影响, 尤其是在干旱区, 其中大量的土壤无机碳在全球碳储存和缓解大气CO2浓度升高过程中具有重要作用, 但目前对Rio在生态系统中作用方面的研究较为缺乏。

针对以上Rio研究存在的不足, 提出如下建议: 1)探究更通用、简便和精确的分离措施并进行标准化,以统一测定方法, 提高不同研究结果之间的可比性;2)进一步拓展研究的区域和范围, 特别是开展滨海湿地Rio特征及影响因素研究, 形成基于多生态系统的数据网络; 3)深入探究环境因子对Rio的影响机制,揭示土壤无机碳循环过程, 为正确判定陆地生态系统碳源汇功能提供参考; 4)加强对土壤Rio在生态系统中作用的研究, 为寻找全球“碳失汇”提供更为科学的解释。

[1] 韦杰, 胡志毅, 曹华盛, 等. 重庆磁器口古镇景区大气CO2浓度时间特征[J]. 生态科学, 2014, 33(5): 937–942.

[2] 苑韶峰, 杨丽霞. 土壤有机碳库及其模型研究进展[J].土壤通报, 2010 (3): 738–743.

[3] 王忠媛, 谢江波, 王玉刚, 等. 温度对盐土和碱土土壤无机 CO2通量的影响[J]. 生态学杂志, 2013, 32(10):2525–2531.

[4] 林伟盛, 蒲晓婷, 杨智榕, 等. 土壤增温对杉木幼林深层土壤 CO2通量的影响(简报). 亚热带资源与环境学报,2015, 10(1): 87–90.

[5] 陈进, 肖以华, 陈步峰, 等. 珠江三角洲四种森林类型土壤 CO2通量特征研究[J]. 生态环境学报, 2011, 20(5):860–864.

[6] 徐坤, 吴旭东, 谢应忠, 杨菁. 干旱区不同种植年限苜蓿人工草地土壤CO2排放的主要影响因素[J]. 生态环境学报, 2013, 22(10): 1671–1677.

[7] 张丽华, 陈亚宁, 赵锐锋, 等. 干旱区杨树、榆树人工防护林地土壤CO2释放通量研究[J]. 植物生态学报, 2010,34(5): 526–534.

[8] 房彬, 李心清, 张立科, 等. 西南喀斯特地区灌丛林土壤CO2、CH4通量研究[J]. 地球化学, 2013, 42(3): 221–228.

[9] JASONI R L, SMITH S D, ARNONE J A. Net ecosystem CO2exchange in Mojave Desert shrublands during the eighth year of exposure to elevated CO2[J]. Global Change Biol, 2005, 11(5): 749–756.

[10] HASTINGS S J, OECHEl W C, MUHLIA-MELO A.Diurnal, seasonal and annual variation in the net ecosystem CO2exchange of a desert shrub community(Sarcocaulescent) in Baja California, Mexico[J]. Global Change Biology, 2005, 11(6): 1–13.

[11] WOHLFAHRT G, FENSTERMAKER L F, ARNONE J A.Large annual net ecosystem CO2uptake of a Mojave Desert ecosystem[J]. Global Change Biology, 2008, 14(7):1475–1487.

[12] STONE R. Have desert researchers discovered a hidden loop in the carbon cycle?[J]. Science, 2008, 320(5882):1409–1410.

[13] XIE J X, LI Y, ZHAI C X, et al. CO2absorption by alkaline line soils and its implication to the global carbon cycle[J].Environmental Geology, 2009, 56(5): 953–961.

[14] YATES E L, DETWEILER A M, IRACI L T, et al.Assessing the role of alkaline soils on the carbon cycle at a playa site[J]. Environmental Earth Sciences, 2013, 70(3):1047–1056.

[15] HAMERLYNCK E P, SCOTT R L, SáNCHEZ-CANETE E P, et al. Nocturnal soil CO2uptake and its relationship to subsurface soil and ecosystem carbon fluxes in a Chihuahuan Desert shrubland[J]. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 2013, 118(4): 1593–1603.

[16] PARSONS A N, BARRETT J E, Wall D H, et al. Soil carbon dioxide flux in Antarctic dry valley ecosystems[J].Ecosystems, 2004, 7(3): 286–295.

[17] BALL B A, VIRGINIA R A, BARRETT J, et al.Interactions between physical and biotic factors influence CO2flux in Antarctic dry valley soils[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2009, 41(7): 1510–1517.

[18] SHANHUN F L, ALMOND P C, CLOUGH T J, et al.Abiotic processes dominate CO2fluxes in Antarctic soils[J].Soil Biology and Biochemistry, 2012, 53: 99–111.

[19] 王忠媛, 王玉刚, 谢江波, 等. 盐土和碱土土壤无机CO2通量的分离[J]. 干旱区地理, 2013, 36(4): 655–661.

[20] 王忠媛, 谢江波, 王玉刚, 等. 盐碱土土壤无机CO2通量与土壤盐碱属性的关系[J]. 生态学杂志, 2013, 32(10):2552–2558.

[21] STEVENSON B A, VERBURG P S J. Effluxed CO2-13C from sterilized and unsterilized treatments of a calcareous soil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2006, 38(7):1727–1733.

[22] GAMNITZER U, MOYES A B, BOWLING D R, et al.Measuring and modelling the isotopic composition of soil respiration: insights from a grassland tracer experiment[J].Biogeosciences, 2011, 8(5): 1333–1350.

[23] AMUNDSON R, STERN L, BAISDEN T, et al. The isotopic composition of soil and soil-respired CO2[J].Geoderma, 1998, 82(1–3): 83–114.

[24] BAHN M, SCHMITT M, SIEGWOLF R, et al. Does photosynthesis affect grassland soil-respired CO2and its carbon isotope composition on a diurnal timescale?[J]. New Phytologist, 2009, 182(2): 451–460.

[25] MOOK W G, BOMMERSON J C, STAVERMAN W H.Carbon isotope fractionation between dissolved bicarbonate and gaseous carbon dioxide[J]. Earth and Planetary Science Letters, 1974, 22(2): 169–176.

[26] DOCTOR D H, KENDALL C, SEBESTYEN S D, et al.Carbon isotope fractionation of dissolved inorganic carbon(DIC) due to outgassing of carbon dioxide from a headwater stream[J]. Hydrological Processes, 2008, 22(14):2410–2423.

[27] HANSON P J, EDWARDS N T, GARTEN C T, et al.Separating root and soil microbial contributions to soil respiration: a review of methods and observations[J].Biogeochemistry, 2000, 48(1): 115–146.

[28] SUBKE J A, INGLIMA I, COTRUFO F M. Trends and methodological impacts in soil CO2efflux partitioning: a metaanalytical review[J]. Global Change Biology, 2006,12(9): 921–943.

[29] 陈敏鹏, 夏旭, 李银坤, 等. 土壤呼吸组分分离技术研究进展[J]. 生态学报, 2013, 33(22): 7067–7077.

[30] 王玲玲, 孙志高, 牟晓杰, 等. 黄河口滨岸潮滩湿地CO2、CH4和N2O通量特征初步研究[J]. 草业学报, 2011,20(3): 51–61.

[31] 杨红霞, 王东启, 陈振楼, 等. 长江口潮滩湿地-大气界面碳通量特征[J]. 环境科学学报,2006,26(4): 667–673.

[32] 王东启, 陈振楼, 王 军, 等. 夏季长江口潮间带 CH4、CO2和N2O通量特征[J]. 地球化学, 2007, 36(1): 78–88.

[33] KOWALSKI A S, SERRANO-ORTIZ P, JANSSENS IA, et al. Can flux tower research neglect geochemical CO2exchange?[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2008,148(6): 1045–1054.

[34] 于奭, 杜文越, 孙平安, 等. 亚热带典型河流水化学特征、碳通量及影响因素[J]. 水文, 2015, 35(4): 33–41.

[35] 汪青, 刘敏, 侯立军, 等. 崇明东滩湿地 CO2、CH4和N2O排放的时空差异[J]. 地理研究, 2010, 29(5):935–946.

[36] 李树荣. 滨州贝壳堤岛与湿地碳通量地面监测研究[D].大连海事大学硕士学位论文, 2013.

[37] 马 杰, 王忠媛, 唐立松, 等. 非生物过程对盐碱土土壤CO2通量的影响[J]. 干旱区地理, 2014, 37(3): 555–560.

[38] BUCKMAN H O, BRADY N C. The Nature and Properties of Soil, sixth ed[J]. The Macmillan Company, New York,1960.

[39] GOOSEFF M N, BARRETT J E, DORAN P T, et al.Snow-patch influence on soil biogeochemical processes and invertebrate distribution in the McMurdo Dry Valleys,Antarctica[J]. Arctic Antarctic and Alpine Research, 2003,35(1): 91–99.

[40] LYONS W B, WELCH K A, CAREY A E, et al.Groundwater seeps in Taylor Valley Antarctica: an example of a subsurface melt event[J]. Annals of Glaciology, 2005,40(1): 200–206.

[41] SCHLESINGER W H, BELNAP J, MARION G. On carbon sequestration in desert ecosystems[J]. Global Change Biology, 2009, 15(6): 1488–1490.

[42] EMMERICH E W. Carbon dioxide fluxes in a semiarid environment with high carbonate soils[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2003, 116(1): 91–102.

[43] MIELNICK P, DUGAS W A, MITCHELL K, et al. Longterm measurements of CO2flux and evapotranspiration in a Chihuahuan desert grassland[J]. Journal of Arid Environments, 2005, 60(3): 423–436.

[44] SERRANO-ORTIZ P, ROLAND M, SANCHEZ-MORAL S, et al. Hidden, abiotic CO2flows and gaseous reservoirs in the terrestrial carbon cycle: Review and perspectives[J].Agricultural and Forest Meteorology, 2010, 150(3):321–329.

[45] KAUFMANN G, DREYBRODT W. Calcite dissolution kinetics in the system CaCO3-H2O-CaCO3at high undersaturation[J]. Geochim. Cosmochim. Acta, 2007,71(6): 1398–1410.

[46] LASAGA A C, SOLER J M, GANOR J, et al. Chemical weathering rate laws and global geochemical cycles[J].Geochim. Cosmochim. Acta, 1994, 58(10): 2361–2386.

[47] BERNER R A. The long-term carbon cycle, fossil fuels and atmospheric composition[J]. Nature, 2003, 426(6964):323–326.

[48] 丁柳丽, 刘露, 邹定辉. 不同温度 CO2浓度对坛紫菜生长和光合作用温度反应特性的影响[J]. 生态科学, 2013,32(2) : 151–157.

[49] GOMBERT P. Role of karstic dissolution in global carbon cycle[J]. Global and Planetary Change, 2002, 33(1–2):177–184.

[50] SCHLESINGER W H. The formation of caliche in soils of the Mojave Desert[J]. Geochimica Et Cosmochimica Acta,1985, 49(1): 57–66.

[51] LIU Z, ZHAO J. Contribution of carbonate rock weathering to the atmospheric CO2sink[J]. Environmental Geology,2000, 39(9): 1053–1058.

[52] RICHTER D D, MARKEWITZ D. How deep is soil?[J].Bioscience, 1995, 45(9): 600–609.

[53] BOUCOT, A J, GRAY, J. A critique of Phanerozoic climatic models involving changes in the CO2content of the atmosphere[J]. Earth-Science Reviews, 2001, 56(1–4):1–159.

[54] MöRNER N A, ETIOPE G. Carbon degassing from the lithosphere[J]. Global and Planetary Change, 2002, 33(1–2):185–203.

[55] WEISBROD N, DRAGILA M I, NACHSHON U, et al.Falling through the cracks: the role of fractures in Earth–atmosphere gas exchange[J]. Geophysical Research Letters, 2009, 36(2): 270–271.

[56] WOOD W W. Origin of caves and other solution openings in the unsaturated (vadose) zone of carbonate rocks: a model for CO2generation[J]. Geology, 1985, 13(11):822–824.

[57] BOURGES F, MANGIN A, D'HULST D. Le gaz carbonique dans la dynamique de l'atmosphère des cavités karstiques: l'exemple de l'Aven d'Orgnac (Ardèche)[J].Comptes Rendus de l'Académie des Sciences-Series IIA-Earth and Planetary Science, 2001, 333(11): 685–692.

[58] SáNCHEZ-MORAL S, SOLER V, CAñAVERAS J C, et al.Inorganic deterioration affecting the Altamira Cave, N Spain: quantitative approach to wall-corrosion (solutional etching) processes induced by visitors[J]. Science of the total environment, 1999, 243(3): 67–84.

[59] FERNANDEZ-CORTES A, SANCHEZ-MORAL S,CUEZVA S, et al. Annual and transient signatures of gas exchange and transport in the Castañar de Ibor cave(Spain)[J]. International Journal of Speleology, 2009, 38(2):153–162.

[60] BUECHER R H. Microclimate study of Kartchner caverns,Arizona[J]. Journal of Cave and Karst Studies, 1999, 61:108–120.

[61] MILANOLOS, GABROVšEK F. Analysis of carbon dioxide variations in the atmosphere of Srednja Bijambarska Cave, Bosnia and Herzegovina[J]. Boundarylayer meteorology, 2009, 131(3): 479–493.

Research review of the soil inorganic CO2flux (Rio)

KONG Fanlong, XI Min*, WU Jianmin, LI Yue, LI Qifei
College of Environmental Science and Engineering, Qingdao University, Qingdao 266071, China

Soil inorganic CO2flux (Rio) is an important part of soil CO2flux (Rs). In current years, the estimation of Rshas been entirely based on the assumption of organic sources, however, the inorganic process of soil CO2flux has been ignored, which eriously influences on the scientificity and precision of the estimation on CO2flux. In this paper, some aspects on Riowere ummarized including Riopartitioning measures, characteristics, influencing factors and the formation mechanisms. The current partitioning measures focused on Rioinclude HgCl2sterilization, heating method, autoclaving and isotopic measurement of CO2-13C. All the four measures have their own shortcomings and the differences among the methods reducing the comparability of the study results. The Rioin specific research areas can entirely or partly dominate the magnitude and direction of Rs.Meanwhile, the change features of Rioare mainly influenced by temperature, moisture, pH, salt content and particle size of soil.There are two main explanations for the formation mechanisms of Rio: 1) dissolution/precipitation of carbonates; 2) subterranean cavity ventilation. Some research prospects based on current study references are proposed. Firstly, more partitioning measures hould be explored to improve the universality, simplification and accuracy. Secondly, more study areas and scopes should be expanded to form the data network on account of multi ecosystems. Thirdly, further research on the cycle process of soil norganic CO2should be carried out for the determinations of carbon sink function in terrestrial ecosystems. Lastly, the effects of Rioin the ecosystem should be studied deeply to obtain the explanation for the search of global missing carbon sink.

Soil inorganic CO2flux; Partitioning measures; Influencing factors; Formation mechanism

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.03.027

X132

A

1008-8873(2017)03-186-07

孔范龙, 郗敏, 吴健敏, 等. 土壤无机CO2通量(Rio)研究进展[J]. 生态科学, 2017, 36(3): 186-192.

KONG Fanlong, XI Min, WU Jianmin, et al. Research review of the soil inorganic CO2flux (Rio)[J]. Ecological Science, 2017, 36(3):186-192.

2015-11-20;

2016-01-11

国家自然科学基金资助项目(41101080); 山东省自然科学基金资助项目(ZR2014DQ028, No.ZR2015DM004); 山东省高等学校科技计划资助项目(J12LC04); 青岛大学优秀研究生学位论文培育项目(YBPY2014008)

孔范龙(1979 —), 男, 汉族, 山东省临沂人, 在读博士, 副教授, 主要从事湿地生态过程研究, E-mail: kongfanlong@126.com

*通信作者:郗敏, 女, 博士, 副教授, 主要从事湿地变化及其环境效应研究, E-mail: ximin@qdu.edu.cn