（环境科学专业论文）模拟降雨对土壤碳、氮转化的影响.pdf

e f f e c to fs i m u l a t e dr a i n f a l lo ns o i lc a r b o na n d n i t r o g e nt r a n s f o r m a t i o n s m a j o r ：e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e n a m e ：z h a n gj i a y i n g s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gr e n d u o a b s t r a c t s o i lc a r b o ns t o c ki sg r e a t l ya f f e c t e db yt h ef r e q u e n c yo fr a i ne v e n t sa sw e l la s t h ea m o u n to fp r e c i p i t a t i o n l i t t l ei sk n o w na b o u tt h eg a sc o n v e c t i o na n dd i f f u s i o n b e s i d e sm i c r o b i a lm i n e r a l i z a t i o nc o n t r i b u t e dt oc 0 2p u l s ed u r i n gs o i l d r y i n ga n d r e w e t t i n g 3 - m mr a i n f a l li n f i l t r a t i o n e x p e r i m e n t s w e r ec o n d u c t e di nt w o o n e - d i m e n s i o n a lc o l u m n sw i t ha i r - d r i e ds t e r i l ea n dn o n - s t e r i l es o i l s ，r e s p e c t i v e l y s o i lw a t e rc o n t e n t sa tt h e5 ，10a n d2 0c ms o i ld e p t h sw e r ec o n t i n u o u s l ym o n i t o r e db y t i m ed o m a i nr e f l e c t r o m e t r y ( t d r ) o v e rt h ec o u r s eo ft h e e x p e r i m e n t c 0 2 c o n c e n t r a t i o n sa tt h e5 ，10a n d2 0c ms o i ld e p t h sw e r es i m u l t a n e o u s l ym e a s u r e du s i n g t h ec l o s e dl o o pg a sc i r c u l a t i n gs y s t e ma n dm e m b r a n et u b i n gt e c h n i q u eo v e rt h e e x p e r i m e n t a lp e r i o d t h e3 - n l l t lr a i n s t o r mi n d u c e dap a t t e r no fs o i lw a t e rc o n t e n t p u l s ei nt h es t e r i l es o i lc o l u m na tb o t ht h e5a n d10c ms o i ld e p t h ss i m i l a rt ot h a to f t h en o n s t e r i l es o i lc o l u m n t h ed r y i n ga n dr e w e t t i n gi n d u c e dar a p i di n c r e a s eo f c 0 2c o n c e n t r a t i o na ta l lt h et h r e es o i ld e p t h si nar e l a t i v e l ys h o r tp e r i o da f t e rt h e b e g i n n i n go fw a t e ra d d i t i o n i nb o t hs o i l s ，a l t h o u g ht h e m a g n i t u d eo fc 0 2 c o n c e n t r a t i o np u l s ew a sl o w e ri nt h es t e r i l et h a nt h en o n s t e r i l es o i la ta l lt h et h r e e d e p t h s t h ec o n c e n t r a t i o no fc 0 2d e c r e a s e dm u c hm o r es l o w l yi nt h en o n - s t e r i l e s o i lc o m p a r e dt ot h es t e r i l es o i la tt h e5 ，10a n d2 0s o i ld e p t h s n oi d e n t i c a lp a t t e r n o fc h a n g e so fs o i lw a t e rc o n t e n ta n ds o i lc 0 2c o n c e n t r a t i o nw a so b s e r v e da ta n yo f t h et h r e ed e p t h si nb o t hs o i l so v e rt h ec o u r s eo ft h ee x p e r i m e n t o v e r a l l , o u rd a t a s h o w e dt h a tb e s i d e st h er 印i dm i c r o b i a lr e s p o n s et os o i ld r y i n ga n d r e w e t t i n g ，t h es o i l g a sc o n v e c t i o na n dd i f f u s i o na l s op l a ya ni m p o r t a n tp a r ti nt h ee m i s s i o no fr a i n f a l l i n f i l t r a t i o ni n t oa i r - d r i e ds o i l s t oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to ff r e q u e n c yo fr a i n f a l l e v e n t so ns o i lw a t e rd y n a m i c sa n ds o i lm i c r o b i a lc a r b o na n dn i t r o g e nt r a n s f o r m a t i o n s ， l l al a b o r a t o r ye x p e r i m e n tw i t hr e p a c k e ds o i li nc o l u m n sw a sc o n d u c t e d t h ec o l u m n s w e r ei n c u b a t e da t2 5o ca n dw e r es u b m i t t e dt o3 ，6a n d10s i m u l a t e dr a i n f a l lo f2 0 c mw i t h i no n eh o u rw i t he q u a lt i m ei n t e r v a la n dk e p ta tc o n s t a n tw a t e rc o n t e n tf o r31 d a y s p u l s eo fs o i lr e s p i r a t i o nr a t e ，m e a s u r e da ss o i lc 0 2f l u xr a t e ，o c c u r r e da f t e r e a c hr a i n f a l li nt h ew a t e ra d d i t i o nt r e a t m e n t s ，a n dw a sa s s o c i a t e dw i t hs o i lm o i s t u r e a n dc 0 2c o n c e n t r a t i o np u l s et h r o u g ht h es o i l p r o f i l e t h el o w ( 3e v e n t s ) a n d m o d e r a t e ( 6e v e n t s ) f r e q u e n c yr a i ne v e n t sc a u s e da181 a n d7 2 i n c r e a s ei n c u m u l a t i v ec 0 2e m i s s i o nc o m p a r e dt ot h ec o n s t a n tw a t e rt r e a t e ds o i l ，r e s p e c t i v e l y i nc o n t r a s t ，t h eh i g hf r e q u e n c yr a i ne v e n t sr e s u l t e di na4 0 r e d u c t i o ni nc u m u l a t i v e c 0 2e m i s s i o nc o m p a r e dt ot h ec o n s t a n tw a t e rt r e a t m e n t s o i lm i c r o b i a lb i o m a s sc s l i g h t l yi n c r e a s e du n d e rr a i n f a l le v e n t sw i t hl o wa n dm o d e r a t ef r e q u e n c y , h o w e v e r , s o i lm i c r o b i a lb i o m a s scd e c r e a s e du n d e rd e n s er a i ne v e n t s b yc o n t r a s t ，s o i l m i c r o b i a lb i o m a s sna n di n o r g a n i cnc o n t e n tw e r er e d u c e da f t e ra d d i n gr a i nw a t e r t h er e d u c t i o n si nm i c r o b i a lb i o m a s sna n di n o r g a n i cn c o n t e n tw e r ei n c r e a s e dw i t h d e c r e a s i n gl e n g t ho fi n t e r - r a i np e r i o d t h er e s u l t si n d i c a t et h a th i g hf r e q u e n c y p r e c i p i t a t i o ne v e n t sc a nm i t i g a t ecl o s si ns o i ld u r i n gt h ew e t t i n gs e a s o n ，c o m p a r e d w i t ht h el o wa n dm o d e r a t ef r e q u e n c yr a i ne v e n t s t h ef r e q u e n c yo fr a i ne v e n t si so f g r e a ti m p o r t a n c ei nc o n t r o l l i n gs o i lc a r b o ne m i s s i o n sa n ds h o u l db ei n c o r p o r a t e di n t o m o d e l so fs o i lc a r b o nd y n a m i c s k e y w o r d s ：s t e r i l ea n dn o n s t e r i l es o i l s ；s o i lo r g a n i cm a t t e rd e c o m p o s i t i o n ；f r e q u e n c y o fr a i n f a l le v e n t s ；ce m i s s i o n s i i i 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：膨壶 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 一签夥魄应 砺砧 0 月v 加 r、： 0 年 名夕， 签 加 一叫 说 伊 月弘年 名 时 酶叫 币= y导 第1 章绪论 1 1 国内外研究综述及问题的提出 1 1 1 土壤二氧化碳( c 0 2 ) 短期排放特性的研究 自工业革命以来，由于人类经济活动加剧，大量使用化石燃料，砍伐森林和 开垦农业用地，损害了地球生物圈调节和维持大气成分的服务功能，造成c 0 2 等温室气体在大气中积累。按目前的发展趋势估计，到2 1 世纪末大气中的c 0 2 浓度将比工业革命前增加2 5 倍，达到7 0 0 p p m ( i p c c ，2 0 0 1 ) ，由此而引起的温 室效应及全球气候变化，正日益引起各国政府与社会的高度关注( c h a p u i s l a r d y e ta 1 ，2 0 0 7 ；l i ，2 0 0 7 ) 。 越来越多的科学研究表明，气候变化跟温室气体在大气圈、土壤圈和生物圈 中的循环密切相关。c 0 2 作为温室气体的重要组成部分，在温室效应中扮演着重 要的角色( c h a p u i s l a r d ye ta 1 ，2 0 0 7 ) 。 土壤温室气体的排放从机理上说主要是各种物理、化学和生物过程综合作用 的结果( s i m u n e ka n ds u a r e z ，1 9 9 3 ；z h o ue ta 1 ，2 0 0 6 ) 。其中物理过程主要包括气 体在土壤中的对流、扩散运动，生物过程主要是土壤微生物对土壤有机质的不断 分解的过程( 有机质的矿化) ( a l v a r e za n da l v a r e z , 2 0 0 0 ；h a n s o ne ta 1 ，2 0 0 0 ；r y a n e ta 1 ，2 0 0 5 ) 。 在陆地生态系统中，尤其是在干旱、半干旱地区，降雨量的大小、降雨频率 的高低会使土壤呈现不同的干湿交替状态。在此过程中，还受到地表植被、土壤 质地、土壤初始含水率以及土壤中有机体的特性及其分布的影响，因此，表征土 壤干湿状态的土壤含水率在时空分布上会呈现出较大的变异性，同时，土壤含水 率的时空变异性也会影响土壤中c 0 2 的排放特性( a u s t i ne ta 1 ，2 0 0 4 ；l o i ke ta 1 ， 2 0 0 4 ；s c h w i n n i n ge ta l ，2 0 0 4 ；p o t t se ta 1 ，2 0 0 6 ) 。 s c h w i n n i n ge ta 1 ( 2 0 0 4 ) 报道在持续时间较短的降雨条件下，干旱地区生态 系统中土壤微生物会在较短的时间内对土壤含水率的脉冲刺激发生响应，而植物 及动物的响应发生则需要较长的降雨过程。因此，开展在短期状况下土壤c 0 2 的排放特性研究对阐明在干湿交替状态下土壤微生物群落对土壤含水率变化的 响应机制以及土壤c 0 2 的排放特性具有重要的生态学意义。 对于干湿交替状况下土壤c 0 2 的短期排放特性的研究，已报道的实验室内 的研究工作包括：在干土加湿前后土壤有机质以及有机质的各种成分的变化以及 c 0 2 脉冲对土壤有机质及有机质组成、土壤微生物生物量、土壤n 转化过程等的 影响( f r a n z l u e b b e r se ta 1 ，2 0 0 0 ；f i e r e ra n ds c h i m e l ，2 0 0 2 ；b o r k e ne ta 1 ，2 0 0 3 ) ，模 拟降雨量以及干湿交替频率对c 0 2 排放特性的影响( f i e r e ra n ds c h i m e l ，2 0 0 2 ) ， 干湿交替下土壤c 0 2 脉冲的产生机理等方面( f i e r e ra n ds c h i m e l ，2 0 0 3 ) ，不同深 度土壤样品在实验室内培养条件下c 0 2 的短期排放特性及其与含水率的关系 ( s p o n s e u e r , 2 0 0 7 ) 。但在于湿交替条件下土壤不同深度处c 0 2 浓度的变化以及 不同深度处浓度变化规律，特别是随时问连续变化过程的研究，报道还很少。野 外实验的研究主要是在生态系统( 尤其是干旱、半干旱地区) 尺度上探讨土壤 c 0 2 排放量的短期及长期特性与土壤含水率之间的关系，但其对土壤含水率的测 量只是集中在土壤的几个深度内( 如0 5c m 、5 1 0c m 等) ，并且测量的时间区间 也较大；而对在土壤干湿交替状态下土壤不同深度处c 0 2 的短时排放特性的测 量也少见报道( l u n d q u i s te ta 1 ，1 9 9 9 ；h u x m a ne ta 1 ，2 0 0 4 ；s c h w i n n i n ga n ds a l a , 2 0 0 4 ) 。 1 1 2 模拟降雨频率对土壤碳( c ) 、氮( n ) 转化的影响 土壤向大气排放c 0 2 的过程被称为土壤呼吸。据估算，在陆地c 排放通量 中，土壤呼吸占第二位。土壤呼吸受到诸如气候( i p c c ，2 0 0 1 ) 、土壤温度( d a v i d s o n a n dj a n s s e n s ，2 0 0 6 ) 、外源有机碳输入( f o n t a i n ee ta 1 ，2 0 0 4 ) 和土壤气体扩散度 ( d a v i d s o na n dt r u m b o r e ，1 9 9 5 ) 等因素的影响。据预测，全球气候变化会改变 降雨格局，潜在地减少总降雨量，同时使得降雨分布向次数少和量大的方向改变 ( f a ye ta 1 2 0 0 0 ) 。例如，g o s w a m ie ta 1 ( 2 0 0 6 ) 研究表明，在全球气候变化下 极端降雨事件的频率和大小呈显著上升趋势。因此，全球气候变化会改变土壤水 2 动力过程，进而决定土壤碳源或碳汇的潜力。为了预测土壤c 的长期动力学特 性及对其与变化中的全球气候耦合，我们需要不断认识土壤呼吸对平均土壤含水 率的依赖性，而且需要深入研究土壤呼吸对变化降雨量及降雨频率的响应机制。 土壤干湿交替过程是土壤水分的重要控制因子( b o r k e ne ta 1 ，2 0 0 3 ) 。有关干 湿交替过程对土壤c 矿化影响的研究，不论是在短期室内培养还是长期野外观 测中均有报道( f i e r e ra n ds c h i m e l ，2 0 0 2 ；b o r k e ne ta 1 ，2 0 0 3 ；m 汰h ae ta 1 ，2 0 0 5 ； s p o n s e l l e r , 2 0 0 7 ；g o r d o ne ta 1 ，2 0 0 8 ) 。在一项由m i k h ae ta 1 ( 2 0 0 5 ) 所开展的室内 培养实验中，与恒定土壤含水率相比，四次干湿交替抑制了土壤的c 矿化过程。 与此相反，s a i n j ue ta 1 ( 2 0 0 8 ) 在野外实验研究中发现，从5 月到1 1 月间每次降雨 或灌溉后土壤c 0 2 呼吸速率均增加。f i e r e ra n ds c h i m e l ( 2 0 0 2 ) 发现经过2 月的室 内培养后经受四次或更多次干湿交替的土壤，其c 0 2 排放通量显著高于恒定土 壤含水率的对照组。然而，s p o n s e l l e r ( 2 0 0 7 ) 却发现在s o n o r a n 沙漠生态系统中连 续两次降雨时间间隔越长，则第二次土壤c 0 2 的排放通量亦越多。相反地，f a y e ta 1 ( 2 0 0 0 ) 研究发现相邻两次降雨时间间隔增大会导致c 0 2 排放通量的减少，但 c 0 2 排放通量不会受到降雨量减少的影响。并且，n o r t o ne ta 1 ( 2 0 0 8 ) 通过研究得 出夏季土壤干湿交替循环会促进土壤c 的矿化。变化的降雨频率对土壤水分及 气体运移的影响可以用来解释上述研究中出现的差异( s i m u n e ka n ds u a r e z ， 1 9 9 3 ) 。土壤水分状况影响c 对降雨频率的响应，然而水分和气体运动的耦合过 程与降雨频率间的交互作用会给降雨频率和c 响应间的关系引入非线性。t a n ge t a 1 ( 2 0 0 3 ) 发现基于土壤孔隙c 0 2 浓度的土壤c 0 2 扩散运动模型能够较好地拟合 实测c 0 2 数据。 有关连续降雨对土壤n 转化的研究也有所报道。例如，f i e r e ra n ds c h i m e l ( 2 0 0 2 ) 报道，土壤n h 4 + 和n 0 3 浓度在最后一次降雨后l 或7 天不会受到干湿 交替的影响，然而在最后一次降雨后6 周时，土壤n 0 3 - 浓度显著降低。并且， m i k h ae ta 1 ( 2 0 0 5 ) 发现在每次降雨2 4 小时后，土壤矿质态n 显著减少。相反， d a v i d s o ne ta 1 ( 1 9 9 3 ) 发现干土湿润后前3 小时内土壤n h 4 + 浓度升高，而2 4 小时 内会逐步降低。g o r d o ne ta 1 ( 2 0 0 8 ) 最近报道，干湿交替减少了土壤微生物c 、n ， 却增加了微生物活性和n 的淋失。但是，在田间条件下，降雨改变土壤剖面中 易矿化态c 和n 的分布，依土壤剖面形成了养分梯度( c a n n a v oe ta 1 ，2 0 0 4 ) 。 但事实上，连续降雨对土壤剖面养分分布的影响在室内培养实验中却未涉及 ( m i k h ae ta 1 ，2 0 0 5 ) 。而c o p p e n se ta 1 ( 2 0 0 6 ) 却发现降雨会改变土壤剖面c 、n 的分布，且这种降雨效应反过来会影响土壤微生物活性及土壤呼吸速率。因此， 为了更好地认识降雨过程中的土壤剖面养分的重分布效应及其对土壤呼吸的影 响，我们不仅需要研究土壤养分对微生物活性的影响，而且需要深入认识降雨所 导致的c 、n 重分布对土壤呼吸的影响。 1 2 研究目标与内容 1 2 1 研究目标 本文主要探讨干湿交替过程对土壤碳汇的影响，通过研究土壤含水率对土壤 碳氮转化的影响来阐明土壤干湿交替条件下其碳氮循环过程及其调控因子。因 此，我们首先通过灭菌与非灭菌土柱单次模拟降雨实验来对c 0 2 在土壤中的产 输机理进行研究，以捕捉土壤在降雨条件下的c 0 2 短期排放特性，并对微生物 在此过程中的作用进行分析与讨论。在此基础上，进一步研究降雨频率对土壤碳 氮转化过程的影响。对土壤干湿交替过程对c 0 2 在土壤中的产输机理以及土壤 微生物的c 、n 转化机制进行研究，从而为研究全球气候变化下土壤碳循环提供 参考。 1 2 2 研究内容 ( 1 ) 在灭菌与非灭菌条件下土壤c 0 2 产输机理研究 通过单次模拟降雨入渗实验，对灭菌土壤和非灭菌土壤在单次模拟降雨后的 c 0 2 产输情况进行对比，观测模拟降雨后的土壤呼吸变化，同时对土壤微生物在 此过程所起的作用进行研究和讨论，初步探讨c 0 2 的产输机理。 4 ( 2 ) 模拟降雨频率对土壤碳氮转化的影响 通过室内恒温土柱培养实验，研究不同降雨频率对土壤碳氮转化过程的影 响。主要通过设定4 组模拟降雨的频率组合( 每3 、5 、1 0 天降雨一次和恒定土 壤含水率对照) ，并对全过程不同深度的土壤含水量和土壤孔隙的c 0 2 浓度及土 壤呼吸速率进行连续监测，并定期测定5c m 和1 5c m 处的土壤c 、n 指标( 硝 态氮、铵态氮、微生物生物量c 、微生物生物量n 等) ，进而对多次降雨过程中 土壤碳氮转化过程进行分析讨论。 5 第2 章在非灭菌与灭菌条件下土壤c 0 2 短期排放特性 2 1 材料与方法 2 1 1 供试土壤 供试土壤为广州城郊土，采样点位于广州大学城内。采集的土壤经自然风干， 剔除砖块、植物根茎等杂物后，碾碎过孔径为2m m 的土筛。其质地为砂壤土， 砂粒、粉粒和粘粒含量分别为6 0 2 、2 9 o 、1 0 8 。用烘干法测定供试土壤 初始质量含水率为1 5 ，有机质含量为2 8 4 9 ( g b7 8 5 7 8 7 ) 。 2 1 2 实验仪器与设备 土壤体积含水率的测定采用德国i m k o 公司生产t d r 探头t r i m e i t ，数 据采集部分采用d t 8 0 0 ( d a t a t a k e r ) ，每1 5s 采集一次。使用前用烘干法对每个探 头都进行了校正( 周凌云等，2 0 0 3 ；l a u r e n te ta 1 ，2 0 0 5 ) ，校正结果见图2 1 。 如图2 2 所示，土壤孑l 隙中c 0 2 浓度的测定采用闭合回路循环系统，此系统 由透气疏水多孔聚丙烯膜管( a c c u r e l p pv 8 2 ) 、气泵( e c o t e k ，北京) 、红外 线气体分析仪( i i a ，l i 8 4 0 ，l i c o r ，n e ，a m e r i c a ) 和塑料管( 内径6m m ) 等组成。填装土柱时将透气不透水的膜管埋在土壤内，并在膜管两端接内径为6 m m 的塑料管，塑料管的另两端连接气泵和红外线气体分析仪，由气泵以ll m i n 的速率不断地抽气以构成循环通路，并通过红外线气体分析仪测定c 0 2 的浓度。 此装置除在膜管处土壤孔隙c 0 2 与膜管进行气体交换外，剩下部分均在实验之 前作气密性检查，没有发现管道内流动的气体与外界空气发生交换，装置气密性 良好( g u t ，1 9 9 8 ；d e s u r e r , 2 0 0 6 ) 。填装土柱为有机玻璃制成的透明圆柱，高6 0 c m ，直径1 0c m 。 6 i d r 读数t d rd a t a1 i t d r 读数t d r d a t a l i t d r 读数t d r d a t a l 图2 1t d r 校正回归曲线，( a ) 探头1 ，( b ) 探头2 ，( c ) 探头3 。 f i g u r e2 1l i n e a rr e g r e s s i o np l o tf o rt d rs e n s o r s ，( a ) s e n s o r1 ，( b ) s e n s o r2 ，a n d ( c ) s e n s o r3 7 一百。暑oe誊i26芑。芑oo事蔷；=口竹 一墨=燃卜一哪*郇氍蛙翳刊 一口o l l苗e ji芒口一芒口芑8i岩傅；=o一 一零)(燃牛甚一哪*扣雕撼群刊 一口olno暑篡，、芒5，芒要coo誊苗=o竹 一誉j(燃怍答一枷*钿聪堆群卅 a固 冈22 十 i ：降阿入渗实验装氍网：( a ) 上杜装背；( b ) 模拟降雨装氍。 f i g u r e2 2p h o t o g r a p h so f e x p e r i m e n t a ls e t u po f r a i n f a l li n f i l t r a t i o ni n t os o i lc o l u n m ： ( a ) s o i lc o l u m n ；( b ) r a i n f a l ls i m u l a t o r 2 1 3 灭菌土柱垂直入渗实验 取足够的过筛土黄于3 0 0 0m l 的烧杯中，密封之后放入于提武高压蒸汽灭菌 器内( 01 4 01 6m p a ，1 2 00 c ) ，于2 0m i n 后取出并冷却。有机玻璃柱及其它 相关实验器材于紫外灭菌箱内持续灭菌1h ，模拟降p h 聚用去离子水并用电炉煮 沸3 0m i n ，之后密封冷却至市温。在无菌操作台卜填装n l 柿，土柱按千密度13 5 gc m l 3 ，以每2c m 分层填装。士枉填装高度为5 0c m ，剩余的1 0 c m 的空刚用作 土壤呼吸速率的测定。在离土壤上边界5 、1 0 、2 0c m 处水平埋入t d r 探头。在 相应位置处水平埋入透气不透水的膜管，以便收集土壤孔隙中的c 0 2 并测定其 浓度。土柱填装完后密封并在土壤上方的气室中连接一条长4 m 左右的橡皮管以 保持土壤上方空气的压强与大气压一致( w e l l e s e ta 1 ，2 0 0 1 ) 。为保持柱内无菌的 环境，在橡皮管与外界相通之处均用滤菌膜加以过滤( 图2 2 a ) 。 模拟降雨开始之前，让土桂静簧2h ，以使土壤内气体压强与外界大气平衡， 并利用t d r 和红外线气体分析仪铡4 定土壤不同深度的初始含水率和c 0 2 浓度。 翳一 蕊 如图2 2 b 所示，人工降雨装置由马氏瓶及医用输液器构成，依据设计的降 雨量计算并调节好流速后，连续均匀降雨lh ，降雨量约为3c m 。使用t d r 在 深度为5c m 、1 0c m 和2 0c m 处进行土壤含水率的连续测定，并利用闭合回路装 置对三个深度及土柱上方气室c 0 2 浓度进行轮换测定。当土壤空气c 0 2 浓度降 至降雨之前水平时，即停止实验，整个实验持续大约4 0 0 0m i n 。 2 1 4 非灭菌土柱垂直入渗实验 此实验步骤与灭菌土柱入渗实验大致相同，只是供试土壤和各种仪器设备均 不进行灭菌操作，按照同样的方式装填土柱、静置2h 后进行模拟降雨，之后分 别测定土壤含水率和c 0 2 浓度。由于土壤空气c 0 2 浓度随时间下降较缓，所以 实验持续时间较长( 大约1 2 0 0 0m i n ) 。 2 2 结果与讨论 2 2 1 灭菌土壤c 0 2 短时排放特性 模拟降雨之前对灭菌土壤5 、1 0 及2 0c m 深度处c 0 2 浓度加以监测发现其浓 度均大约在4 0 0p p m 左右，此时由于灭菌土壤中微生物活性很低，土柱三个深度 处c 0 2 浓度均接近于外界空气浓度( 3 7 0p p m ) 。模拟降雨一开始，土壤上方气 室中的c 0 2 浓度变化在短时间内先迅速升高到峰值( 1 2 0 0p p m 左右) ，之后较为 迅速地降低到相对较低的值，并相对地保持稳定( 4 0 0p p m 左右) ( 图2 3a ) 。 这与文献上报道的结果是一致的( f r a n z l u e b b e r se ta 1 ，2 0 0 0 ；f i e r e ra n ds c h i m e l ， 2 0 0 3 ；s p o n s e l l e r , 2 0 0 7 ) 。第一个深度( 5c m 处) 的含水率迅速增加，达到峰值后 又逐渐下降( 图2 3b ) ；而第二个深度( 1 0c n l 处) 随着雨水的下渗土壤含水率 随着时间的推移增长较快，之后缓慢增长到一个较为稳定的数值( 图2 3c ) ；而 第三个深度( 2 0c m 处) 在整个实验过程中水分没有入渗至该剖面，故其含水量 基本保持不变( 图2 3d ) 。 9 结合含水率变化的规律，我们发现在这种短期土壤含水率因降雨而产生脉冲 的条件下，土壤剖面含水率并未表现出与c 0 2 浓度变化相一致的规律性。而目 前文献上报道的有关土壤含水率与c 0 2 浓度或土壤呼吸速率之间的经验关系 ( o r c h a r da n dc o o k ，1 9 8 3 ；r a i c ha n dp o t t e r , 1 9 9 5 ；l e i r o se ta 1 ，1 9 9 9 ) 都是在较长 的时间和空间尺度上得到的。不论是实验室内还是在f f l 间实验中都较少关注在这 种短期的土壤含水率变化特性下土壤含水率与土壤呼吸或是c 0 2 之间的关系， 那些经验关系的建立也是在较长的时间尺度测定数据然后加以回归分析，在数据 测量或是在回归分析之中都有可能覆盖了这种短期特性，从而导致在干湿交替频 繁的地区那些对估计当地碳平衡非常必要的信息的丢失，因而也就不能准确地估 计土壤的呼吸量。 乙 星 吾 e 毒 魁 爰 矿 o l o 图2 3 灭菌土壤不同深度( a 土壤表面，b 5c m , c 1 0 c m , d 2 0c m ) 土壤含水 率、c 0 2 浓度随时间变化图。 f i g u r e2 3d i s t r i b u t i o n so fs o i lw a t e rc o n t e n ta n dc 0 2 c o n c e n t r a t i o na saf u n c t i o no f t i m ea td i f f e r e ms o i ld e p t h s ( a t h es o i ls u r f a c e ，b 5c m , c 10c m , d 2 0c m ) o ft h e s t e r i l es o i l 对灭菌土壤模拟降雨前后各个深度c 0 2 浓度对比发现，随着时间的增加， 各个深度的c 0 2 浓度增加和减少均是在较短的时间内发生的( 7 0 0m i n 左右) ， 在此之后，土壤各个深度的c 0 2 浓度均维持在一个较为稳定的水平，且各个深 度处c 0 2 的浓度相差不大( 图2 3 ) 。在模拟降雨初期，影响各个深度c 0 2 浓度的 短时变化机制以气体对流占主导。随着模拟降雨的进行，水分不断地充填着土壤 孔隙，迫使之前存在于上部土层中的气体由于受到水分的压迫而不断地向下运 动，也即之前存在于整个土柱中的空气将被不断地压缩到下部土层，故此阶段 c 0 2 的浓度会迅速升高。之后由于模拟降雨结束，土壤水分向下运动的速率减小， 土壤水分向下驱替土壤空气的趋势减弱，此时由c 0 2 浓度梯度而导致的分子扩 散作用将占主导，但由于分子扩散作用相对于对流来浼较慢，所以各个深度c 0 2 浓度的下降相对于上升来说历时较长。但随着扩散的进行，各个深度处c 0 2 的 浓度趋于一致，各深度间的c 0 2 浓度梯度越来越小，最终土壤c 0 2 浓度在各个 深度问大致相同。 根据气体扩散原理，由于浓度的差异，土壤孔隙气体会从浓度高的区域扩散 到浓度低的区域。土壤孔隙气体的扩散通量可以表示为：f = 一见_ a c ，其中f 为 扩散通量( g c m - 2 m i n - ，) ，见为气体有效扩散系数( c m 2 m i n - 1 ) ，见：d o 皂芸，d o 为c 0 2 在空气中的自由扩散系数，取8 4 x1 0 - 4c m 2 m i n 一，曼为多孔介质孔隙 ) 通道的弯曲因子，其表征了多孔介质对c 0 2 扩散的影响，厂为土壤孔隙度 ( c m 3 。c m 3 ) ，取0 4 7 ，包为单位体积土壤中c 0 2 的体积含量( c m 3 c m - 3 ) ， 眈= f 一钆( 乱为土壤体积含水量( c m 3 c m 3 ) ) 。那么在4 0 0m i n 时，灭菌土壤 深度5c m 至l oc m 的c 0 2 通量为： f 5i o ，4 0 0 - - - 乜喜= - 8 4 x10 - 4x 等半x 去= 1 2 6 5 t t g c m - 2 m i n 。 深度1 0 c m 至2 0c m 的c 0 2 通量为： s l o2 0 ，4 0 0 - - = - - 见謇= - 8 4 x1 0 - 4x 警下1 8 4 8 - 1 7 5 2 差- 6 哪g m 2 m i n - l 。而在较长的时间( 如3 9 6 0m i n ) 时，灭菌土壤5c m 至1 0c m 的c 0 2 通量和 1 0c m 至2 0c m 的c 0 2 通量均接近0 。由计算可得，在4 0 0m i n 时，由于浓度差 而造成的c 0 2 在灭菌土壤不同深度间的扩散较为明显，而随着时间的推移，扩 散作用很弱，c 0 2 浓度在各个深度问的差异不大。 1 2 2 2 2 非灭菌土壤c 0 2 短时排放特性 如图2 4 所示，非灭菌土壤在模拟降雨后各个深度土壤含水率的变化规律大 致与灭菌土壤一致，该实验持续时间比灭菌土壤的持续时间长，第一个深度和第 二个深度的土壤含水率都是在较短时间内达到一个峰值，然后又以较缓慢的速率 下降；而第三个深度的含水率由于土壤水下渗较慢而变化不大。 非灭菌土壤在模拟降雨之前，土壤各个深度的c 0 2 浓度亦接近大气水平。 究其原因是由于此时土壤含水率很低，微生物在水分很低时活性很低。模拟降雨 后非灭菌土壤在土壤表面和三个深度的c 0 2 变化规律与灭菌土壤基本一致。但 是非灭菌土壤相对灭菌土壤来说，c 0 2 浓度变化呈现出一定的波动性，这可能是 由室温的小幅度变化所致。 乙 o e 二 o e 善 倒 爱 _ o ， - 1 2 囊 。一 o - - g 吾 呈 魁 蠼 妒 图2 4 非灭菌土壤不同深度( a 土壤表面，b 5c m , c 1 0 c m , d 2 0c m ) 土壤含 水率、c 0 2 浓度随时间变化图。 f i g u r e2 4d i s t r i b u t i o n so fs o i lw a t e rc o n t e n ta n dc 0 2c o n c e n t r a t i o na saf u n c t i o no f t i m ea td i f f e r e n ts o i ld e p t h s ( a t h es o i ls u r f a c e ，b 5c m , c 10c m , d 2 0c m ) o ft h e n o n - s t e r i l es o i l 对非灭菌土壤各个深度c 0 2 浓度对比发现，与灭菌土壤相似，随着时间的 增加，各个深度的c 0 2 浓度变化是在较短的时间内进行的( 图2 4 ) 。不过，在 非灭菌条件下，土壤各个深度c 0 2 浓度与灭菌条件下相比较高，这一方面是由 于微生物对土壤有机质的矿化作用，而另一方面是由于在较高浓度存在条件下， c 0 2 在土壤不同深度间的扩散作用也更为显著。 1 4 类似地，根据气体扩散原理，可以计算在3 9 6 0m i n 时，非灭菌4 - 壤5c m 至 1 0c m 的c 0 2 通量为： 艮，。，咖= 一见塞= _ 8 4 1 。一丽0 1 6 7 3 半面4 4 = 4 0 o 。蜉c m 2 m 酊- 。 1 0c m 至2 0c m 的c 0 2 通量为： f , o2 0 ，3 9 6 0 = - d o 必a c = - 8 4 x 1 0 - 4x 警型产_ 4 4 41 5 7 4 “g c m - 2 俯1 。 而在较长的时间( 如1 2 0 0 0m i n ) 时，非灭菌土壤5c m 至1 0c m 的c 0 2 通量和 1 0c m 至2 0c m 的c 0 2 通量均接近0 。由计算可得，在6 0 0 0m i n 左右的时间内， 由于浓度差而造成的c 0 2 在土壤不同深度间的扩散较为明显，而随着时间的推 移，扩散作用很弱，c 0 2 浓度在各个深度间的差异不大。 2 2 3 灭菌土壤与非灭菌土壤c 0 2 短时排放特性对比 比较灭菌土壤与非灭菌土壤在不同深度c 0 2 的排放特性可见( 图2 5 ) ，在 非灭菌土壤中c 0 2 浓度要明显高于灭菌土壤，且在时间上呈现出较大的差异，从 模拟降雨开始大约1 5m i n 之内，土壤表面c 0 2 的浓度就达到了最大值，而土壤 各个深度c 0 2 浓度的达到最大值要滞后于土壤表面c 0 2 浓度的变化( 大约在1 0 0 m i n 左右) 。f i e r e ra n ds c h i m e l ( 2 0 0 3 ) 通过在室内培养条件下使用同位素示踪方 法研究了干土加水过程中c 0 2 的排放特性，发现c 0 2 的排放主要源于土壤微生 物为适应加水前后土壤含水率变化而对细胞渗透势进行调整时细胞质内物质的 矿化。土