西南岩溶石漠化治理区土壤CO2、CH4的变化特征及其碳汇效应

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全球气候变化和岩溶生态系统碳循环均与CO2、CH4的排放密切相关,喀斯特石漠化治理区土壤中CO2、CH4的产生与排放是岩溶生态系统碳平衡的重要构成部分,研究它们的变化特征对于确认陆地遗漏碳汇及其大小具有重要意义。本研究选取西南岩溶石漠化典型地区-重庆市南川石漠化治理示范区为研究区域,分为石漠化治理试验区(杨树林YSL、花椒林HJ、金银花地JYH、坡改梯PGT)和未经治理的对照区(荒地HD、弃耕地QGD、非坡改梯FPGT)。采用L型PVC管自制装置监测土壤剖面中的CO2、CH4,使用静态箱监测地表土壤排放的CO2、CH4,对比分析土壤剖面CO2、CH4浓度与地表CO2、CH4排放通量在季节尺度和日尺度的变化特征及其影响因素,同时通过采用标准石灰岩溶蚀试片法测定试验区和对照区各样地岩溶碳汇量,探讨石漠化治理方式的不同对岩溶碳汇产生的影响。主要研究结论如下:(1)各样地土壤不同深度CO2浓度季节差异明显,夏>秋>春>冬。对照区土壤CO2浓度年均值比试验区大(1785.59 mg·m-3),各样地从大到小为:弃耕地>金银花>荒地>杨树林>花椒林>非坡改梯>坡改梯。土壤CO2浓度年均值随深度的增加总体表现为先增大而后减小(20cm>10cm>50cm)。土壤CO2浓度季节变化的主要影响因素依次为土壤含水率、土壤温度和气温。各样地土壤不同深度CH4浓度季节差异不明显,各深度CH4浓度介于0.17~2.51 mg·m-3。试验区和对照区各样地土壤CH4浓度年均值相差很小,从大到小为:花椒林>金银花>荒地>非坡改梯>弃耕地>坡改梯>杨树林。土壤CH4浓度年均值随深度的增加总体表现为先逐渐减小而后明显增大(50cm>10cm>20cm)。土壤CH4季节变化的主要影响因素依次为土壤温度、气温和土壤含水率。石漠化治理区坡改梯不同深度土壤CO2浓度在夏季的日变化无规律性,各深度均在18:00出现最大值,在3:00出现最小值。土壤CO2浓度日均值随深度的变化表现为10cm>20cm>50cm,随土壤深度增加而减小。影响土壤CO2浓度日变化的重要因素或为温度。不同深度CH4浓度在一天中随时间的动态变化也没有统一的变化规律,最小值在15:00土深50cm处(1.36 mg·m-3),最大值在18:00土深10cm处(1.64 mg·m-3)。土壤CH4浓度日均值随深度的变化表现为20cm>10cm>50cm,表层土壤大于深层土壤。影响土壤CH4浓度日变化的重要因素或为土壤温度。在一年的观测期内,各样地10cm、20cm和50cm的土壤CO2浓度与土壤CH4浓度均呈负相关,CO2浓度增大时,CH4浓度减小,反之亦然。对照区的相关性比试验区更显著,相关性更强,尤其对照区20cm处两者呈极显著负相关。在昼夜观测期内,10cm处CO2浓度与CH4浓度呈显著正相关,20cm、50cm处CO2浓度与CH4浓度的相关性较弱,50cm深处两者趋向负相关,20cm处两者趋向正相关。(2)试验区和对照区各样地有草覆盖下地表CO2通量整体表现出明显的季节差异,夏>秋>春>冬,夏季为其余各季节的1.5到8倍。总体上试验区和对照区均表现为CO2的排放源。试验区地表CO2排放通量年均值小于对照区,各样地CO2排放通量年均值从高到低为:荒地>坡改梯>金银花>杨树林>弃耕地>非坡改梯>花椒林。地表CO2通量季节变化的主要影响因素是气温、土壤温度、土壤含水率和土壤CO2浓度。地表CH4通量季节之间差异不大,呈现两个吸收峰(12月到次年2月和7月到9月)。全年来看试验区和对照区地表土壤均表现为大气CH4微弱的吸收汇,吸收汇:荒地>金银花>弃耕地>杨树林,排放源:坡改梯>花椒林>非坡改梯。地表CH4通量季节变化的重要影响因素或是土壤有机碳含量和土壤含水率。坡改梯地表土壤在采样日表现为CO2的排放源,有草、无草覆盖下CO2排放通量日变化具有明显规律性,呈“V”型变化趋势,最高值和最低值出现在15:00和6:00。地表CO2排放通量与土壤CO2浓度呈极显著正相关,影响地表CO2排放通量的主要因素为土壤CO2浓度。有草、无草覆盖下地表土壤CH4通量的日变化也具有明显规律性,呈双峰型变化趋势,采样日地表CH4通量总体为正通量,土壤为CH4的排放源,释放CH4为主。地表CH4通量日变化与土壤CH4浓度相关程度较低,基本不相关。在一年的观测期内,除了金银花、坡改梯和荒地外,各样地有草、无草覆盖下的地表CO2通量与地表CH4通量均趋向负相关,未达显著水平。试验区坡改梯地表土壤CO2通量与地表CH4通量的日变化趋向正相关关系。坡地改为梯田可能会增加地表土壤CO2和CH4在夏季的日排放,使土壤对CH4的吸收减少。(3)各样地岩溶溶蚀速率随土壤深度增加未呈现统一的变化规律,最大值出现在杨树林地土下20cm深处(48.75mg·cm-2·a-1),最小值出现在非坡改梯地土下10cm深处(-5.10mg·cm-2·a-1)。按岩溶碳汇量从高到低排序,各样地依次为:弃耕地>杨树林>花椒林>金银花>坡改梯>荒地>非坡改梯。经过石漠化治理后,试验区单位面积CO2消耗量比对照区增加2.14mg·cm-2·a-1,试验区岩溶碳汇量增加了4.97 mg·cm-2·a-1。试验区土壤CO2含量与溶蚀速率呈正相关且显著,对照区土壤CO2含量与溶蚀速率为正相关但不显著,试验区溶蚀速率的重要驱动力之一为土壤CO2浓度。试验区各样地土壤CO2浓度变大,能使土壤中有更多CO2加入岩溶作用,土下溶蚀速率也随之提高,岩溶区石漠化治理起到了推动岩溶碳汇的作用,碳汇效应较强,杨树林和花椒林影响最大,金银花次之,坡改梯影响较小。
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