泥沙沉积层次对有机碳矿化和CO2排放影响的模拟研究

2023-10-23栗现文胡亚鲜

水土保持研究 2023年6期

张辉, 栗现文, 宋媛, 胡亚鲜,

(1.中国科学院水利部水土保持研究所, 杨凌 712100; 2.中国科学院大学, 北京 100049; 3.西北农林科技大学水利与建筑工程学院, 陕西杨凌 712100; 4.西北农林科技大学水土保持研究所, 陕西杨凌 712100)

土壤侵蚀是影响有机碳迁移和矿化的主要过程之一,但土壤侵蚀的碳源碳汇净效应仍存在较大争议[1-2]。其中一个主要原因是目前研究多关注侵蚀区有机碳的迁移转化,并未探明沉积区泥沙堆积对有机碳矿化的影响[3]。黄土高原作为土壤侵蚀最严重的地区之一[4],侵蚀—沉积过程剧烈地影响着区域碳循环。尤其考虑到黄土高原地区存在大量沉积区(如沟道、淤地坝等),拦蓄淤积了大量泥沙[5-6],年平均碳累积量为1～30 Mg/km2[7],形成了一个巨大的土壤有机碳库[8]。因此,明确沉积区有机碳稳定性对定量评估区域碳源碳汇功能具有重大意义。

现有研究多因沉积泥沙细密质地及掩埋作用而将沉积区视为碳汇[9-10],但事实上,在反复的侵蚀沉积事件中,径流泥沙不断携带新鲜有机碳在沉积区汇聚[11]。而沉积掩埋不仅影响了沉积土层剖面粒级组成和孔隙结构[12],也决定了微生物氧气供应和有机碳分解条件[13]。如,Blume等[14]结合14C测年方法发现地表排放的CO2中90%来自于地表22.5 cm范围内;而Wiaux等[15]则发现,虽然坡脚沉积区有机碳富集,但表层细颗粒沉积显著降低土壤孔隙度,制约深层土壤氧气含量,并限制CO2扩散效率,致使表层10 cm对表观CO2的贡献超过90%,而更深层次土壤对整体CO2通量贡献非常有限。尤其在反复侵蚀沉积过程中,根据降雨事件大小以及泥沙颗粒的迁移沉降特征,泥沙有机碳可在沉积区浅表层形成多个不同的掩埋层次[16],生理化特性与天然成土剖面截然不同[17]。因此泥沙有机碳在不同层次的矿化特征、CO2传输效率以及对表观CO2的贡献等机理亟待研究。

本研究通过土柱回填控制性试验,模拟沉积土层,对比分析不同葡萄糖溶液添加位置和浓度对土柱表观CO2释放速率的影响,解析不同有机碳来源对表观CO2的贡献,进而探讨不同掩埋层位对外源碳矿化和CO2排放的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与样品采集

本研究土壤采自于陕西省咸阳市长武县王东沟小流域(35°13′—35°16′N,107°40′—107°42′E),属于黄土高原南部典型的高塬沟壑区。流域内主要地貌类型分为塬面、沟坡和沟道3种,分别占流域面积的26.5%,41.0%和32.6%[18]。降水主要集中在7—9月(占年总量的60%左右),多暴雨。剖面土层深厚,土质较为疏松,雨季常造成强烈的水土流失,侵蚀速率达6 000～10 000 t/(km2·a),造成大量泥沙在沟道沉积[19]。土壤采集于易遭受土壤侵蚀的农田表层(0—20 cm),土壤类型为黏壤质黑垆土,有机碳含量6.50 g/kg,全氮含量0.62 g/kg,土壤黏粒含量(< 0.002 mm)14%,饱和含水量46%,土壤凋萎含水量 9.0%,pH 8.4。人工剔除所有可见植物根系等杂物,自然风干,并过0.5 mm筛,模拟沉积土细密质地。

1.2 土柱模拟控制性试验

黄土高原地区经过良好的治理,单次降雨在沉积区(如淤地坝)沉积的土层厚度已由1960年代高达50 cm降至平均2—5 cm左右[20-21]。据此本试验设置了3种13C葡萄糖添加层位:土柱上部2 cm、中部5 cm与底部9 cm;和3种13C葡萄糖添加浓度[22]:200%微生物量C,100%微生物量C,50%微生物量C;另设有不添加葡萄糖的对照组。每种处理各设置3个重复。

对于沉积区而言,其深层有机碳因为掩埋效应而被封存,但是沉积区表层因为反复汇水汇沙从而一直处于动态变化过程中,因此表层才是碳排放的主要来源。参照Wiaux等[15]得出的沉积区有效碳排放深度,我们将风干筛分后的土壤样品分层润湿回填至容量为1 L的丁基锂瓶中(直径为10 cm),形成12 cm高土柱,以模拟有机碳矿化最活跃且对地表CO2贡献最大的浅表土层[14-15]。回填过程中,为了更好地控制含水率并保证葡萄糖添加均匀,葡萄糖均以溶液的形式进行添加,并润湿至20%含水量[12](参考雨季淤地坝表层土壤平均含水率)。同时,为了保证各土柱容重的一致性,将总量相同的土均分为16份依次分层回填到土柱中,且每回填一层,量取一次土柱高度,保证各土柱回填高度一致,以此来保证各土柱容重的一致性(图1)。土柱回填完成后,置于20℃条件下的恒温恒湿培养箱中进行培养(HWS-150,普朗特,中国)。培养期间,于每天9:00—10:00,15:00—16:00,21:00—22:00三个时间段,使用CO2/H2O分析仪(LI-850,Licor,美国)测量并计算排放速率。随后,将土柱继续密闭1 h,抽取土柱顶空气体样本,并通过二氧化碳同位素分析仪(PICARROG2131-i)分析CO2中的13C含量。培养十天后,CO2排放已经完全稳定,同时排放CO2中13C相对丰度也降低至大气CO2水平,说明不同掩埋层位对碳排放的影响在10 d后已经不明显了。培养结束后,对不同的处理进行破坏性取样,测定培养后的土壤中13C余量。整个培养试验期间,每晚根据重量差值进行补水,保持土柱含水率一致。

图1 土柱模拟控制性试验设计图Fig. 1 Soil column simulation control experiment design.

1.3 土壤呼吸与激发效应计算

(1) CO2排放速率。向土壤中加入葡萄糖后,土壤中二氧化碳释放速率(mg CO2-C·h)的计算公式如下:

(1)

式中:F为二氧化碳排放速率(mg CO2-C/h);M:二氧化碳的分子质量;C1,C2表示小时内测得的空气中二氧化碳初始体积分数与最终体积分数;V顶表示培养瓶内的顶部留空空间体积(m3);W表示二氧化碳中碳的相对分子质量(%)。

土壤碳累积矿化量(mg CO2-C/g)通过以下公式计算:

(2)

(2) 土壤排放的总CO2中来自添加葡萄糖以及原土有机碳的比例分别由以下公式计算得出[23]:

来自外源添加有机碳的CO2释放比例(fadd):

(3)

式中:13C-CO2,add和13C-CO2,control分别代表添加和未添加葡萄糖的丁基锂瓶所释放CO2中13C相对丰度;13Cadd和13Csoil分别为外源碳和原土的13C相对丰度。

而来自原土有机碳的CO2释放比例(f)为:

f=1-fadd

(4)

(3) 培养结束后,葡萄糖添加对原土有机碳矿化的相对激发效应采用下式计算[23]:

(5)

式中:FTotal为添加葡萄糖处理的总CO2排放速率;FRSC为葡萄糖来源的CO2排放速率;FSOCCON为对照组不添加葡萄糖的CO2排放速率。

土壤累积激发效应则由下式计算得出:

(6)

1.4 数据处理与分析

采用Excel2018和SPSS25软件对数据进行统计分析,利用Origin2021软件作图,图表中数据为平均值±标准误,采用LSD检验比较各处理之间的差异。

2 结果与分析

2.1 不同葡萄糖添加浓度与添加层位下的土壤CO2排放

与未添加葡萄糖的土柱相比,葡萄糖添加可提高土壤CO2排放速率,且均在第二天达到峰值(图2)。不同葡萄糖添加浓度主要影响CO2日排放速率的峰值大小,且添加葡萄糖浓度越低,CO2日排放速率的峰值越高。低、中、高3个浓度下CO2排放速率最大值分别为:530.7,494.2,429.4 μg CO2-C/h(图2)。随着培养时间延长,各处理CO2日排放速率逐渐下降,并在7 d后趋于平稳,均在108.0～128.4 μg CO2-C/h之间变化(图2)。低、中、高3种葡萄糖添加浓度的土柱在培养期间CO2总排放量为:86.8～95.3,81.5～86.9,80.3～81.3 μg CO2-C/g。相对于未添加葡萄糖处理的CO2总排放量79.6 μg CO2-C/g,低浓度葡萄糖添加显著增加了CO2总排放量(p< 0.05),而高浓度葡萄糖添加的CO2总排放量则没有显著差异(图2A,2C)。就不同添加层位而言,随着添加浓度的升高,各添加层位之间、不同添加层位与对照组之间的差异明显削弱。低、中、高浓度下,不同层位之间的CO2总排放量最大差值分别为:8.4,5.4,1.0 μg CO2-C/g;各层位与对照组之间则分别为:15. 6,7.2,1.6 μg CO2-C/g。另一方面,添加浓度的升高也明显增强了底部位置的二氧化碳排放。低浓度葡萄糖下,培养期间CO2总排放量顶部>中部>底部,而中高浓度下则表现为底部最大(图2)。

注:平均值±标准误,n=3,下同;不同大写字母表示葡萄糖添加处理和对照组累积矿化释放的CO2量在p< 0.05水平下存在显著差异。图2 不同浓度和层位葡萄糖添加后表观CO2释放速率的时间变化特征Fig. 2 Temporal variation of apparent CO2 release rate after glucose addition at different concentrations and horizons

2.2 不同葡萄糖添加浓度与添加层位下的表观气体δ13C

不同葡萄糖添加浓度对表观气体13C相对丰度影响明显,各浓度均在第1天便出现峰值,且添加浓度越高,13C相对丰度峰值越大(图3)。具体而言,添加高浓度的葡萄糖后,土柱表观气体13C相对丰度峰值为3176.1‰,约为添加低浓度葡萄糖的8倍、和添加中浓度葡萄糖的2倍(图3A,3C)。不同添加层位不仅影响峰值大小,也决定峰值出现时间。具体而言,如高添加浓度下,顶、中、底部的13C相对丰度峰值分别为3176.1‰,802.1‰,和645.5‰(图3C)。顶部与中部13C相对丰度往往在第1天就达到峰值,而底部峰值多在第2天才出现。随着培养时间的延长,不同添加位置的13C相对丰度逐渐降低,且顶部降低速率显著大于中部和底部,致使培养后期3个添加层位的13C相对丰度均表现为:底部>中部>顶部(图3)。

注:低、中、高表示3种葡萄糖添加浓度,下同;图中虚线为对照组排放CO2中13C相对丰度,与试验地空气13C相对丰度相似,稳定在-17‰左右。图3 不同浓度和层位葡萄糖添加后表观CO2中δ13C的时间变化特征Fig. 3 Temporal variation characteristics of δ13C in apparent CO2 after glucose addition at different concentrations and horizons

2.3 不同葡萄糖添加浓度与添加层位下培养前后的土壤δ13C

低、中、高3种添加浓度下,向不同层位添加等量的葡萄糖后,培养前后土壤δ13C的相对差值比例也不一样。具体而言,添加葡萄糖浓度越高,培养前后土壤13C相对丰度的相对差别越大:低、中、高浓度下,培养前后土壤δ13C相对差别平均为:51.6%,63.9%,72.4%(图4)。另一方面,就不同添加层位而言,随着添加浓度的升高,虽然培养前后土壤δ13C相对差别变大,但各添加层位的相对差别反而趋于一致:低添加浓度下,顶、中、底部各层位的相对差别分别为38.6%,65.1%,50.9%,存在显著性差异(p< 0.05);而高添加浓度下则分别为73.5%,70.9%,72.7%,趋于一致(图4)。且低、中浓度下培养前后土壤δ13C相对差别往往表现为顶部位置小于中部和底部。

图4 不同浓度和层位葡萄糖添加培养前后土壤中δ13C的变化Fig. 4 Changes of δ13C in soil before and after incubation with glucose addition at different concentrations and horizons

2.4 葡萄糖来源和原土来源有机碳对表观CO2的贡献分析

葡萄糖来源和原土来源有机碳排放的CO2均在培养第二天达到峰值,随后降低并逐渐稳定(图5)。添加高浓度葡萄糖后,原土有机碳来源的CO2达到峰值时间较晚,且随后并未明显下降而是趋于稳定(图5F)。添加葡萄糖浓度越高,葡萄糖来源的有机碳对表观CO2的贡献越大,也即原土有机碳的贡献越小(图6)。具体而言,低、中、高3种葡萄糖添加浓度下,总CO2排放量中分别有14.1%～14.8%,28.9%～34.5%,46.7%～60.3%是来自于葡萄糖的分解。添加高浓度的葡萄糖后,葡萄糖来源的 CO2排放量约是低添加浓度下的3～4倍(图6A,6C)。与此同时,与未添加葡萄糖的土柱相比,低、中、高添加浓度下,原土有机碳量分别减少:3.77% ,36.07%和56.63%(图6)。就不同添加层位而言,添加葡萄糖浓度越高,土柱表观CO2的葡萄糖有机碳来源比例在3个添加层位间差异越明显(图6):高浓度葡萄糖下顶、中、低部葡萄糖有机碳来源比例分别为:46.7%,56.4%,60.3%,存在显著性差异(p<0.05);而低浓度下则分别为:14.1%,14.8%,14.8%(图6A,6C)。

图5 不同浓度和层位葡萄糖添加表观CO2中葡萄糖来源与原土有机碳(SOC)来源的日排放量变化Fig. 5 Changes of daily emissions from glucose sources and soil organic carbon (SOC) sources in apparent CO2 with glucose addition at different concentrations and horizons

注:不同大写字母表示葡萄糖添加处理和对照组原土有机碳矿化释放的累积CO2量在p< 0.05水平下存在显著差异;不同小写字母表示葡萄糖添加处理和对照组葡萄糖矿化释放的累积CO2量在p< 0.05水平下存在显著差异。图6 不同浓度和层位葡萄糖添加对表观CO2有机碳来源的贡献Fig. 6 Contribution of glucose additions at different concentrations and horizons to apparent CO2 organic carbon sources

2.5 激发效应

葡萄糖的添加对原土有机碳的矿化产生了明显的激发效应,但不同添加浓度与添加层位下的激发效应强度和净效应不同。培养初期,所有处理均呈现负激发效应,不同处理基本在第一天负激发效应强度就达到最大值,随培养时间的延长(第2天至第5天),负激发效应强度迅速下降,而后逐渐稳定(图7A,7B,7C)。然而,添加低浓度的葡萄糖后,对原土有机碳的激发效应,由前期的负激发(抑制原土有机碳分解)转为正激发(促进原土有机碳分解),且添加位置越靠近土壤表面,正激发效应越早,强度也越大(图7A)。添加中、高浓度的葡萄糖后,对原土有机碳矿化的累积负激发效应随培养时间增加一直增强,最大强度可达-217%和-478%,且高浓度下的累积增强速度显著大于中浓度(图7F)。

注:不同大写字母表示同一浓度下不同层位累积激发效应在p< 0.05水平下存在显著差异。图7 不同浓度和层位葡萄糖添加对原土有机碳的激发效应的时间变化特征Fig. 7 Time variation characteristics of the priming effect at different concentrations and horizons of glucose on soil organic carbon

就不同层位而言,添加高浓度葡萄糖后,原土有机碳的累积负激发效应强度表现为底部>中部>顶部,而添加中浓度葡萄糖后,强度趋势则恰好相反(图7E,7F)。低添加浓度下,各添加层位累积负激发效应随培养时间延长而逐渐下降。其中中部和顶部添加葡萄糖的土柱,其原土有机碳矿化的累积激发效应在第5天转为正激发效应,最终累积激发强度分别为25.3%和46.7%,而底部累积激发强度仍为负数,为-24.6%(图7D)。

3 讨论

本研究中,不同葡萄糖添加浓度下,各添加层位的外源有机碳矿化程度不同。低浓度葡萄糖添加处理下,顶、中、底3个添加层位中葡萄糖的矿化程度分别为38.6%,65.1%,50.9%,存在显著性差异(图4);而随着葡萄糖添加浓度的升高,各层位间的葡萄糖矿化程度趋于一致(图4)。黄双双等[24]通过向农田表层和深层土壤添加等量的葡萄糖并经过培养后发现,上层表现为正激发,而下层却为负激发,并认为“底物优先利用”和“微生物共代谢”等多种激发机制可能同时起作用[25-26]。本试验在培养过程中,低浓度葡萄糖添加处理下的CO2释放速率峰值主要来自原土有机碳的矿化,且越靠近土壤表层,原土有机碳的贡献比例越大,激发效应也更偏向于正激发(图5D,图7D)。这可能是因为在表层土壤中,一方面,葡萄糖快速大量消耗后(图5A,5D),剩余养分不足以满足微生物生长需求,迫使其转而利用原土有机碳[27-28],另一方面,微生物利用外源葡萄糖迅速增殖和生长,同时也加快了土壤原有机质的分解,即发生了微生物的共代谢作用[26],从而产生正激发效应(图7D);在下层土壤中,微生物可能更多地受到氧气条件的限制,在培养前期倾向于大量利用外源葡萄糖,虽然葡萄糖快速大量消耗后,底部位置激发效应也转向正激发,但是最终累积激发效应表现为负激发(图7A,7D),导致低浓度处理下底部位置的外源有机碳矿化程度大于顶部。而高浓度葡萄糖添加处理下的CO2释放速率峰值则主要取决于葡萄糖自身的分解,整个培养期间激发效应一直为负激发(图5C,图7F)。根据底物优先利用假说,微生物会优先利用易分解的外源添加葡萄糖[25],这表明在外源葡萄糖充足的情况下,各层位均以外源葡萄糖为主要矿化来源,各层位间的葡萄糖矿化程度反而趋于一致。

本研究中,在顶、中、底添加层位处理下,CO2释放速率、CO2的δ13C也表现出显著差异(图2,图3)。具体而言,顶部添加葡萄糖后,土表CO2中δ13C在第一天达到峰值,且峰值极高,是当天中部添加位置CO2中13C相对丰度的的2～4倍,是底部添加位置的4～8倍(图3)。这是因为顶部位置氧气充足,葡萄糖矿化分解效率极高,且CO2扩散通畅,这也就意味着沉积区浅层富集的易分解有机碳碳排放潜力大,可产生较强的碳源效应。而土柱底部添加葡萄糖处理下的土表CO2中δ13C均在第2天才达到峰值,存在明显的滞后性(图3),这可能是因为相比顶部位置,底部氧气有效性偏低,且所产生的CO2须经过相对较长的传输路径才可从土表排出[29]。这不仅说明沉积层位和掩埋深度可通过氧气有效性和CO2扩散路径与效率,影响葡萄糖分解和CO2排放,也从过程模拟角度证实了沉积掩埋对有机碳的封存效应,且浅表层12 cm的沉积深度已然可以发挥很好的掩埋封存作用。这与Wiaux等[15]所报道的观察到的沉积剖面CO2浓度和通量结果一致,沉积区表层10 cm对表观CO2的贡献超过90%。王震等[17]对8 m深的淤地坝不同土层进行培养后也发现,埋藏条件下有机碳分解速率仅为有氧条件下的11.4%。沉积区土壤质地和易分解有机碳富集层位与传统非侵蚀沉积环境下存在显著差异,其细密的土壤质地和孔隙结构改变了气体在剖面垂向分布规律,同时影响剖面不同土层氧气有效性和微生物活性[13]。或可大幅增加深层CO2浓度富集,而同时提高表层CO2通量,将土表CO2有效贡献深度由传统土层的22 cm[14]提升至10 cm[15]。

然而,CO2释放速率、δ13C和土壤留存δ13C在顶、中、低3个添加层位之间的差异却随着总葡萄糖浓度的升高而减弱(图2,图3和图4),这可能是因为低浓度葡萄糖添加下,CO2浓度梯度相对较低,扩散驱动力较弱[29-30],更加凸显了层位间的传输路径差异对表层CO2贡献的影响;而高浓度添加下各添加层位的葡萄糖来源CO2浓度均较高(图6C),气体扩散压力较大,传输效率普遍较高,反而削弱了各添加层位间的传输效率差异[31]。

需要指出的是,本研究仅模拟均质沉积土层条件下,不同掩埋层位对外源输入有机碳矿化的影响,并未考虑泥沙旋回沉积条件下,非均质土层结构和孔隙特性对有机碳矿化和气体传输效率的影响。此外,黄土高原季节性温湿度变化也可改变沉积土层充气孔隙度,充水孔隙度等气体扩散条件,从而影响不同沉积层位的氧气含量和CO2传输路径,这些均需要在未来研究中进行系统分析。