斯洛文尼亚典型岩溶区土壤剖面CO2冬季动态变化特征

章 程,汪进良,肖 琼,苗 迎,Mitja Prelovsek

1 中国地质科学院岩溶地质研究所,自然资源部/广西岩溶动力学重点实验,桂林 541004 2 斯洛文尼亚科学与艺术院岩溶研究所,波斯托尼亚 SI-6230

碳酸盐岩溶蚀因其快速的反应动力学过程及其对环境变化的敏感性特点[1—4],决定了岩溶系统水文地球化学特征具有显著的季节变化和对降雨过程的快速响应[5—6],而且随土地利用的变化而变化[7—9],因而是现今全球碳循环的积极参与者和贡献者[10—12]。目前,全球碳循环研究面临碳收支不平衡现状,存在巨大的“遗漏碳汇”[13—14]。岩溶作用吸收大气或土壤CO2,从已有全球或中国因岩溶作用消耗的CO2估算量看,可能是潜在的重要碳汇项[15—17]。主要问题是岩溶作用形成的碳汇量在数量级上是否可与陆地生态系统碳汇相比拟,成为岩溶区生态系统碳汇的重要组成部分,气候、水文条件等短时间尺度因子如何影响土壤CO2的变化,进而影响下伏碳酸盐岩的溶蚀过程[18]。因此,岩溶作用驱动力CO2的监测与研究显得十分重要和具有现实意义。

土壤CO2主要来自植物根系呼吸作用、微生物代谢活动及有机质分解,受温度与水分控制具有显著的季节变化,已有的监测数据表明在水热配套西南岩溶区土壤剖面CO2存在中间高上下部低的双向梯度[19],暗示上部CO2向大气释放、下部被碳酸盐溶蚀消耗,意味着CO2环境敏感性尤其是降雨效应监测将直接关系到岩溶碳循环过程的精细刻画,碳汇强度的评估。以往研究较多关注岩溶系统输出端岩溶泉、地下河出口和岩溶区河流[20—21],多从水文地球化学或生物地球化学角度探讨岩溶碳循环及碳汇稳定性和通量[22—23],较少关注输入端CO2来源问题[24],而从全球尺度讲,受生态系统控制的土壤CO2分压可以用来表征流域出口水体钙镁离子含量[25],也就是说,土壤CO2可以用来评估或预测岩溶作用碳循环强度,因此,土壤CO2季节变化及其降雨效应的研究可为该方法在生态系统尺度的应用提供科学积累。从地球关键带理念和系统角度考虑,需要综合探究CO2从大气、土壤层到岩溶含水层的运移行为与作用方式,才能全面揭示岩溶系统碳循环特征及其碳汇效应。在全球岩溶类型中,斯洛文尼亚是地中海气候岩溶的典型代表,如同中国西南岩溶代表热带亚热带岩溶类型。斯洛文尼亚也是“喀斯特”一词发源地,被称为经典喀斯特研究的摇篮,以发育坡立谷、斗淋、峡谷型地下河著称。“喀斯特”原意是裸露的石头,经过数十年的恢复,目前大部分已被人工林地或草地覆盖,而生态修复过程增汇效应的监测对岩溶贡献碳汇能否进入温室气体源汇清单十分关键,选择斯洛文尼亚典型生态系统开展冬雨季节监测研究,有助于加深对地中海气候岩溶碳循环的认识,为全球岩溶碳汇的评估提供基础数据。本文就是围绕这一目的,依托科技部援外项目,与斯洛文尼亚岩溶研究所合作进行的探索性尝试。

1 研究区概况

斯洛文尼亚位于欧洲中南部,地处阿尔卑斯山和亚得里亚海之间,面积为20273 km2。与中国西南水热配套的亚热带季风气候不同,斯洛文尼亚属于典型的地中海气候,夏季炎热干燥,冬季温和多雨,多年平均气温10.9℃,平均降雨量1363 mm[26]。2019年冬季(11月份至次年3月份)累计降雨量为336 mm。森林和草地覆盖率分别为49.7%和 27.6%。斯洛文尼亚的岩溶面积达8800 km2,占总面积的43.4%,主要类型有阿尔卑斯岩溶、第纳尔岩溶和孤立状岩溶,其中发育于侏罗系-白垩系石灰岩和白云岩的第纳尔岩溶是欧洲最主要的岩溶类型[27](图1)。研究区位于第纳尔岩溶中部波斯托尼亚(Postojna)地区普拉尼娜(Planina)岩溶流域,主要地貌类型为坡立谷[28—30]。监测站点位于Cerknica坡立谷边缘,海拔720 m,是典型的草地土壤生态系统,土壤深度一般为30—60 cm,下伏基岩岩性为侏罗系石灰岩。

2 研究方法

利用发明专利技术“一种土壤二氧化碳浓度的监测装置及监测方法”(专利号：ZL201510606453.3)[31],开展土壤CO2等指标高分辨率在线监测(图1)。监测指标包括：大气温度、湿度、CO2含量(体积分数),测量精度分别为0.01℃、0.1%、1×10-6,监测装置位于距离地面1.5 m高度空中；土壤温度、水分和CO2含量,精度分别为0.01℃、0.1%、1×10-6。考虑到研究区土壤深度一般在30—60 cm,土下设置20 cm、30 cm和50 cm三个不同深度安装电极,同步监测土壤温度、水分与CO2含量。20 cm深度用于监测草地根系层的作用,50 cm用于监测下部岩土界面的影响。监测工作开始于2019年11月15日,每5 min记录一组数据,至2020年3月31日(此后数据因CO2电极故障未能及时更换而中断),共获取数据39600余组。

图1 研究区位置与土壤监测装置Fig.1 Location of study area and the soil monitoring devices

每30 min降雨量来自距离监测点约4 km的Nova Vas雨量站(斯洛文尼亚环境署(ARSO)国家气象站点)[26]。数据处理和图件制作使用Excel软件和Origin8.0绘图软件。

3 结果

表1为大气温度、湿度与CO2含量,不同深度土壤温度、水分和CO2含量等指标最大最小与均值统计结果,可以看出,冬季气温和湿度变化较大,气温变化值为-9—20.5℃,平均值为4℃,湿度变化值为15.3%—100%,均值为77.6%,大气CO2含量变幅为(356—489)×10-6,均值为427×10-6。

表1 不同深度土壤温度、水分、CO2含量Table 1 Temperature,moisture and CO2 concentration in various soil depths

不同深度土温变幅较小,为3.8—12.9℃,平均为7.6℃。土壤水分变化不明显,为26.9%—34.7%,平均值29.6%,说明降雨对土壤水分保持的重要性,总体上,表层土壤和下部土壤水分略高于中部土壤层。大气CO2均值为427×10-6,变化范围为356—489×10-6；不同深度土壤CO2含量变化相对较大,监测期间变化范围为682—6760×10-6,随深度增加而上升,土下20 cm,30 cm和50 cm深度CO2含量均值分别为1558×10-6,2072×10-6和2469×10-6,受冬季低温微生物活动相对较弱影响,总体上土壤CO2含量相对较小。

各监测指标变化曲线见图2,可以看出,大气湿度与CO2昼夜变化较大,大气CO2变化趋势与气温相反,即气温上升会导致大气CO2含量下降,两者呈现显著的负相关关系(图3)。土壤温度随着冬季的来临呈逐渐下降趋势,受气温影响局部出现回升现象,但存在一定时间的滞后,低值区位于1月隆冬期间,可能与该阶段气温低且往往有积雪覆盖有关,此后土壤温度逐渐上升,昼夜变化尤其是上部土壤层变得十分显著,冬季早期下部土壤温度高于上部,后期则相反。土壤CO2含量总体上与土壤温度变化趋势一致,剖面上均表现为随深度增加而上升。土壤水分变化曲线波峰与降雨事件有很好的对应关系,即每次降雨过程都会导致土壤水分的陡升陡降(图2)。

图2 大气与土壤监测指标变化曲线Fig.2 Variation of monitoring parameters in air and soil

图3 大气CO2含量与气温负相关关系 Fig.3 Negative relationship between air temperature and CO2 content

4 讨论

4.1 大气CO2昼夜变化及降雨效应

受气温影响,大气CO2含量呈现昼夜变化特征,即白天气温升高,CO2含量下降,夜间则相反,但会受到降雨事件的干扰,降雨过程可导致大气CO2含量较大幅度的下降,昼夜变幅变小(图4),暗示部分CO2被雨水吸收,随水体渗入土壤层进入下伏岩溶含水层系统参与岩溶作用过程,有利于溶蚀作用强度的提升[32]。

图4 气温与大气CO2含量昼夜变化(2020.2.26—3.6)Fig.4 Daily changes of air temperature and atmospheric CO2 content

4.2 土壤温度分层与降雨效应

土壤温度总体上与气温变化趋势一致,即随着冬季气温的下降,土壤温度也随之降低,整个冬季土壤温度变化曲线呈U字形分布,但不同深度土壤温度变化差异仍然较大,分层效应显著(图5)。土下20 cm土壤温度变化受气温影响,一方面呈现较显著的白天升高夜间下降的昼夜变化,另一方面,在冬季早期低于土下30 cm和土下50 cm温度,反映上部土壤温度对昼夜气温变化响应敏感；下部土壤温度曲线波动减弱,由于热传导衰减原因,土温日变幅不显著,呈现多日动态变化特征,且受热传导影响略滞后于气温[33],土下20 cm日最高土温多位于下午6点左右,意味着滞后最高气温约3—5 h。隆冬季节受降雪覆盖影响,土下温度昼夜变化不显著,冬季后期随着气温的回升,土下20 cm土壤温度快速回升,总体上土温高于下部土壤温度,揭示上部土壤层温度对环境温度较敏感,在冬季不同时段出现较大的变化。

土下30 cm和50 cm土壤温度总体变化趋势与土下20 cm温度变化一致,但随着土壤深度的增加,昼夜变化越来越弱,代之以较平缓的变化幅度较小的多日变化。在冬季早期,土壤温度随深度增加而升高,冬季后期则相反,随着深度增加而降低(图5)。

图5 冬季不同深度土壤温度变化曲线及其与气温的关系Fig.5 Variations of soil temperatures in different depths

降雨事件可以显著干扰昼夜热变幅,由于水的比热高,当土壤水分处于较高水平至饱和状态时,土壤温度则易保持稳定,但当水分快速减少时昼夜热变幅会加大,如无雨日土温昼夜变幅显著大于降雨日(图6)。如2020年3月1日至3日连续降雨期间,土下20 cm土壤温度昼夜变幅只有0.3—0.75℃,而晴天的昼夜变幅高达1.3—2.0℃

图6 土温昼夜变化及降雨效应Fig.6 Daily changes of soil temperature and rainfall effect

4.3 土壤水分的降雨与界面效应

由于降雨较充沛且分配较均匀,气温较低蒸发量较小,冬季土壤水分相对保持在27%—33.5%区间较高的水平,但不同深度分层效应显著,对降雨过程响应及时(图7),降雨过程水分上升幅度为一般在1%—3%,最高达6.5%。总体上,土下20 cm土壤水分相对较高,其次为土下50 cm,土下30 cm土壤水分含量最低,即随着深度增加,土壤水分呈现先降低后升高趋势,暗示草地根系有利于土壤水分保持,中部土壤水分受下渗流的影响,部分补给下部土壤层,下部土岩界面的存在可能是土下50 cm保持较高水分的原因[34—37]。因为在灰岩岩溶区,土壤剖面不发育C层,即缺少基岩风化层,也就是说基岩与土壤为硬接触,而灰岩孔隙裂隙率一般均较低,导致土壤水到达岩土界面后出现滞水现象。在冬季早期和后期,伴随降雨过程不同深度土壤水分均出现陡升陡降的特征,说明土壤水分变化主要受降雨控制。无雨期间土壤水分会持续且以较快速度下降。

图7 不同深度土壤水分变化及降雨影响Fig.7 Variations of soil moistures in different depths and the impact of rainfall

隆冬降雪覆盖期间(1月份),土壤水分则相对稳定,波动微弱且具有逐渐下降的趋势,但下部土壤水分下降幅度要大于上部,呈现低值区,上部和中下部水分分别稳定在29.5%和28%左右,可能与无降雨期间上部土壤层水分蒸发减小,下部土壤层水分向下入渗有关。冬春之交土壤水分持续减小,可能与降雨偏少及气温回升密切相关,气温回暖会导致水分蒸发加剧。

4.4 土壤CO2变化的温度与水分效应

冬季土壤CO2含量总体上受土温控制,即随着土温的下降而减小,隆冬降雪覆盖时期出现相对稳定的低值区,此后随着土温回升又逐渐增加(图2),两者之间具有较显著的正相关关系也证实了这点(图8),说明土壤温度的上升可促进土壤微生物活动与有机质降解,进而释放更多CO2[38—39],而土壤温度又与气温密切相关,证实土壤CO2的变化主要受季节性气温变化控制[40—41]。土下20 cm土壤CO2含量相对较低,随着深度增加,CO2含量逐渐升高。总体上CO2含量低于中国云南石林岩溶区草地秋季土壤[34]。在降雨过后观测到不同深度土壤CO2含量均有不同程度且较快速的升降现象(图9),暗示雨水入渗土壤层后产生的活塞效应和随后的向下迁移是导致土壤CO2含量陡升陡降的主要原因,一般认为土壤空气CO2含量随着深度递增是由于土壤CO2的不断产生以及较低的向上或向下的扩散速率的降低,尤其是当有下部基岩的阻碍[42—43]。从降雨过程大气CO2含量有较大幅度降低的现象看,降雨过程溶解部分大气CO2进入土壤层,说明来自大气与土壤CO2均参与了下伏碳酸盐岩的溶蚀过程。降雨过程一方面可遏制土壤CO2向大气的逸出,同时携带大气CO2进入下伏岩溶含水层,揭示岩溶作用过程对大气CO2同时具有减源与碳汇效应。

图8 不同深度土壤CO2与土温相关关系Fig.8 Relationship between soil CO2 contents and temperatures in different depths

图9 强降雨条件下土壤水分和CO2变化Fig.9 Changes of soil CO2 and moisture during storm water event

不同深度土壤CO2含量与土壤温度之间指数相关曲线见图8,揭示土壤温度区间及变幅对土壤CO2含量变化的影响,土温在4—8℃区间,温度每上升1℃产生的土下CO2含量上升幅度为(130—530)×10-6,土温在8—12℃区间,则为(400—1430)×10-6。可见低温区土壤CO2含量较低变幅较小,当土温大于8℃后,单位温度梯度产生的CO2变幅显著增加,土壤下部的变幅又大于上部。监测期间总体上温度较低,但CO2含量对温度变化的敏感性特征,十分有利于土壤层维持在较高CO2含量的水平,进而为土下溶蚀作用的持续进行提供驱动力。图10是根据土温、水分与CO2含量监测数据制作的CO2含量等值线图,反映土壤CO2含量变化主要受土壤温度和水分共同控制,但土温在11℃以下似乎仅受温度控制。总体上,土壤CO2含量随着土壤温度的增加而增加,从土温5℃左右时的低于1000×10-6上升到温度11℃左右的大于5000×10-6。当土温上升到12℃左右、水分在31%—32%范围出现一个土壤CO2高值区,反映较高的土温和适宜的水分含量有利于微生物呼吸作用与代谢活动,进而释放更多的CO2。研究表明土壤水分会对土壤CO2释放产生负面效应[44—46],即存在所谓的“双峰效应”(Bimodal effect)。过高的水分(大于临界值)导致土壤孔隙被水充填,从而减弱微生物活动影响CO2产出,也影响CO2的传输与逸出[47—49]。

温度和土壤水分是反映气候条件的两个特征指标[50],也是控制土壤呼吸的两个关键因子[51]。水分的增加直接影响土壤微生物活动,同时减小气液相扩散速率,并限制O2和其它气体的供给[52—53]。另一方面,较低的土壤水分含量不利于植物生长和土壤微生物活动[54]。这些条件较好地解释了研究区土壤CO2的分布形态(图10)。

图10 土下20cm土壤CO2含量等值线图Fig.10 Contour map of CO2 contents at soil depth of 20 cm

4 结论

高分辨率在线监测表明,土壤温度与CO2含量对环境因子变化极其敏感,不同深度分层效应显著。尤其是上部土壤层,两者既有昼夜动态也有多日动态变化特征。季节尺度上土壤CO2含量主要受土温控制,两者具有显著的指数相关关系,温度越高,其温度梯度产生的CO2变幅越大,意味着冬季土温的快速下降可导致土壤CO2含量快速下降,春季土温的快速上升可导致土壤CO2含量的快速回升。由于降雨较充沛,土壤水分总体上保持在较高水平,但受降雨过程影响,出现陡升陡降。降雨期间大气CO2含量有下降现象,土壤CO2也表现为先上升后下降的特点,证实雨水溶解部分大气CO2进入土壤层,并进一步溶解土壤CO2通过脉冲效应使得CO2向下迁移补给下伏岩溶含水层,因而促进岩溶作用的持续进行,同时可缓解土壤CO2向大气释放。也就是说,在湿冷的地中海气候岩溶区,受生态系统控制的CO2仍可为下伏碳酸盐岩溶蚀提供驱动力,其产生的碳汇可能是整个生态系统碳汇的重要组成部分,因而在岩溶区碳汇估算中,不仅要考虑石漠化治理产生的植被与土壤改良増汇,同时也要考虑岩溶作用产生的増汇效应。