DOI: 10.12357/cjea.20220586
王晓璐, 张宁, 贺高航, 林晓华, 陈岩, 王蕊, 郭胜利. 半干旱区深层土壤CO2浓度对降雨事件的响应[J]. 中国生态农业学
报 (中英文), 2023, 31(2): 336?344
WANG X L, ZHANG N, HE G H, LIN X H, CHEN Y, WANG R, GUO S L. Response of deep soil CO2 concentration to precipita-
tion events in semi-arid areas[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2023, 31(2): 336?344
半干旱区深层土壤CO2浓度对降雨事件的响应
王晓璐1, 张 宁1, 贺高航1, 林晓华2, 陈 岩2, 王 蕊1,2,3, 郭胜利1,2,3
(1. 西北农林科技大学水土保持研究所 杨凌 712100; 2. 西北农林科技大学资源环境学院 杨凌 712100; 3. 中国科学院
水利部水土保持研究所 杨凌 712100)
摘 要: 降雨是干旱半干旱地区土壤CO2产生、传输或扩散的重要影响因素, 并进一步影响土壤和大气中的CO2
浓度。目前大量研究集中在地表CO2通量变化与降雨的关系, 深层土壤有机碳储量巨大, 但深层土壤CO2浓度变化
对降雨事件的响应机制尚不清楚。本研究通过对10 cm、50 cm和100 cm处土壤CO2浓度进行原位连续监测, 分
析不同深度土壤CO2浓度对降雨事件的响应过程及其影响因素。结果表明: 试验期间, 78%的降雨事件能迅速引
起10 cm处土壤CO2浓度发生改变, 且随着降雨量增大, 土壤CO2浓度发生变化的深度逐渐增加。当降雨量在
10~25 mm时, 50 cm处土壤CO2浓度在91 h后降低; 降雨量>25 mm时, 100 cm处土壤CO2浓度在121 h后降低。
当土壤由干变湿时, 降雨量>25 mm的降雨事件促进10 cm处土壤CO2浓度升高30%后开始降低, 而50 cm和100 cm
处土壤CO2浓度随水分升高分别降低16.3%和10.9%。在半干旱区, 当土壤含水量较低时, 降雨可以对10 cm处土
壤CO2浓度变化产生短暂的正激发效应, 而深层土壤含水量往往高于田间持水量, 水分升高会导致该处土壤CO2浓
度降低。降雨对不同深度土壤CO2浓度变化的影响存在差异, 这在很大程度上取决于土壤含水量状况。
关键词: 土壤CO2浓度; 深层土壤; 降雨事件; 半干旱区
中图分类号: S152开放科学码(资源服务)标识码(OSID):
Response of deep soil CO2 concentration to precipitation events in semi-arid
areas
WANG Xiaolu1, ZHANG Ning1, HE Gaohang1, LIN Xiaohua2, CHEN Yan2, WANG Rui1,2,3, GUO Shengli1,2,3
(1. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2. College of Natural Resources and En-
vironment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 3. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences
and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China)
Abstract: In arid and semi-arid areas, soil moisture strongly influences the balance between respiration and diffusion, altering soil
CO2 concentration and surface flux. Numerous studies have focused on the relationship between surface soil CO2 flux changes and
rainfall events. Subsoil carbon constitutes a large fraction of the total carbon stock, but it is unclear how rainfall events influence sub-
soil CO2 concentration dynamics. We continuously monitored CO2 concentrations at 10, 50, and 100 cm in the soil profile from 2019
to 2021, and analyzed the various responses of subsoil CO2 concentration to rainfall events. In this study, soil temperature showed ap-
parent seasonal characteristics. As the air temperature changed, the soil temperature of different depths also changed from 100 cm <
50 cm < 10 cm to 10 cm < 50 cm < 100 cm. The soil moisture content of different layers was in the order of 10 cm < 100 cm < 50 cm,
国家自然科学基金重点项目(41830751)资助
通信作者: 郭胜利, 主要研究方向为土壤碳氮磷循环与生态环境。E-mail: slguo@ms.iswc.ac.cn
王晓璐, 主要研究方向为土壤侵蚀。E-mail: wangxiaolu1998@126.com
收稿日期: 2022-07-29 接受日期: 2022-11-25
The study was supported by the National Natural Science Foundation of China (41830751).
Corresponding author, E-mail: slguo@ms.iswc.ac.cn
Received Jul. 29, 2022; accepted Nov. 25, 2022
中国生态农业学报 (中英文) ?2023年2月 ?第?31?卷 ?第?2?期
Chinese?Journal?of?Eco-Agriculture,?Feb.?2023,?31(2):?336?344
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and a significant fluctuation was found at 10 cm. The soil CO2 concentration gradually increased with the increase of the depth in the
order of 10 cm < 50 cm < 100 cm, with mean values of 0.66×104, 0.87×104, and 1.04×104 μmol?mol?1, respectively. On sunny days,
the soil CO2 concentrations at 10, 50, and 100 cm showed apparent diurnal variations and could be expressed as a single-peak curve.
However, rainfall events significantly affected the change trends of CO2 concentrations. Approximately 78% of the rainfall events
quickly altered the soil CO2 concentration in 10 cm layer. When the rainfall amount was exceeded 25 mm, the CO2 concentration at
50 and 100 cm decreased after 91 and 121 hours. When the soil moisture status changed from drying to wetting phases under rainfall
events, > 25 mm precipitation promoted an increase in soil CO2 concentration at 10 cm by 30% which then began to decrease. The
soil CO2 concentrations at 50 and 100 cm decreased by 16.3% and 10.9%, respectively, with an increase in soil moisture. In arid and
semi-arid areas, rainfall negatively affects the changes in soil CO2 concentration at 10 cm depth under lower soil moisture content.
This is because the decrease in gas diffusivity led to an increase in CO2 concentration. Soil CO2 concentrations at 50 and 100 cm
depths decreased under rainfall events, although the soil moisture was higher than the field capacity. This was caused by the high soil
moisture content, which inhibited microbial respiration. The responses of soil CO2 concentration at different depths to rainfall differed
and largely depended on the soil moisture content.
Keywords: Soil CO2 concentration; Deep soil; Precipitation event; Semi-arid area
土壤作为陆地生态系统中最大的有机碳库[1],
30 cm以下有机碳储量占到土壤碳库的30%~75%[2]。
与表层土壤相比, 尽管深层土壤(>30 cm)有机碳含
量相对稳定, 但其矿化分解也不容忽视[3]。有研究指
出深层土壤中CO2浓度更高[4], 并且以较快的速度通
过土壤孔隙释放到大气中[5], 因此深层土壤CO2产生
和排放的微小变动会显著影响陆地碳循环过程[1,6]。
土壤CO2浓度是土体内CO2产生和排放综合作
用的结果[7], 由于温度、水分、微生物和底物等影响
因素的垂直空间变异性[8-9], 深层土壤CO2浓度变化
和表层土壤并不相同。随着深度的增加, 有机质含
量和微生物生物量逐渐减少、土壤温度降低等原因
导致深层土壤CO2产生较少, 但深层土壤CO2浓度
却高于表层[8,10-11]。水分对土壤CO2浓度的影响较为
复杂, 土壤干湿变化会强烈影响土壤有机碳矿化速
率和CO2排放[12-14], 不仅影响土体内的CO2浓度, 也
会影响其与大气中CO2交换[15-16]。研究表明, 0~10 cm
处CO2产生量与土壤含水量呈正相关, 而在10~20 cm
处CO2产生量与土壤含水量呈负相关[17]。除改变土
壤水分状况外, 降雨不仅影响土壤CO2产生, 还可能
阻断气体扩散通道, 导致土壤CO2浓度上升, 这一变
化在土壤深层尤为明显[18]。Delsarte等[19]发现降雨
导致表层和深土壤CO2浓度均降低。Rachhpal等[20]
研究表明降雨后, 表层和深层土壤CO2浓度升高。
Fernandez-Bou等[21]和刘合满等[22]却认为表层和深
层土壤CO2浓度变化在降雨事件中呈现相反的变化
趋势。在干旱半干旱区, 降雨作为土壤水分的主要
来源, 其多变性(降雨量、降雨强度等)对土壤CO2
浓度的影响仍然存在很大的不确定性[22-23], 尤其深层
土壤CO2浓度对降雨的响应尚不清楚。
本研究在田间原位条件下, 对10 cm、50 cm和
100 cm深土壤CO2浓度、土壤温度和土壤水分进行
高频率自动监测, 探究深层土壤CO2浓度的变化特
征及其对降雨事件的响应和影响因素, 以期进一步
了解降雨事件对深层土壤CO2浓度变化的作用机制,
为正确评估干旱区降雨变化对生态系统碳循环影响
提供科学基础。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验地位于黄土高原南部陕西长武农田生态系
统国家野外科学观测研究站(简称长武站, 107°40?E,
35°12?N), 海拔约1220 m, 属大陆性季风气候。平均
温 度9.1 ℃, ≥10 ℃积 温 为3029 ℃, 最 低 温 度 为
?19.6 ℃, 最高温度为32.4 ℃; 1985 ?2020年平均降
水量580 mm, 其中最高年份为954 mm, 最低年份为
296 mm, 并且季节性分布不均, 7 ?9月份降水占年
降水量的55%左右, 最高月份为237 mm。降雨入渗
深度最深可达3 m, 地下水位50~80 m。无灌溉条件,
属典型的旱作雨养农业区。土壤类型为黑垆土, 母质
是中壤质马兰黄土[24], 不同深度土壤理化性质见表1。
1.2 试验设计
黄土高原是优质苹果(Malus domestica)的适生
区, 该区域苹果园面积已经超过120万hm2 [25]。基于
此, 本研究以苹果园为研究对象, 探讨半干旱区深层
土壤CO2浓度对降雨事件的响应。所选苹果园建于
2000年, 面积1000 m2, 种植品种为‘红富士’, 株行距
为3 m×4 m, 呈南北走向, 平均树高3.5 m, 多年平均
产量为42 000 kg?hm?2 [26]。无灌溉条件, 每年11月施
用基肥(氮肥 100 kg?hm?2和磷肥 375 kg?hm?2), 次年
7月追施氮肥(100 kg?hm?2)。一般春秋两次修剪, 9
月份采摘, 果树生长状况良好, 无病虫害。
第 2 期 王晓璐等 : 半干旱区深层土 壤 CO2浓度对降雨事件的响应 337
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在果园中心选取两株长势均匀、位置相邻且不
同行的果树, 取两株果树之间的中心位置作为首个
点位, 以该点位为基准, 向正南、正北方向6 m再各
选取1个点位, 共计3个点位, 各点位中心点距离两
侧果树均为2 m。每个点位并排设置两个100 cm测
坑, 分别用于监测10 cm、50 cm和100 cm土层的土
壤温度、水分(西侧测坑)和CO2浓度(东侧测坑),
共设置6个测坑。测坑内安装仪器后回填压实, 实
时监测各要素变化情况。监测点布设情况如图1所示。
0.1 m
0.5 m
3 m
6 m
2 m 6 m
N
2 m
1.0 m
土壤温度、水分测坑
Soil pit for temperature and water content measurement
土壤 CO2 浓度测坑
Soil pit for CO2 concentration measurement
图 1 苹果园仪器布设图
Fig. 1 Equipment layout in the apple orchard
1.3 土壤温度、水分、CO2浓度及降水的测定
本研究开展于2019 ?2021年, 通过在测坑中安
装土壤水分和温度电导率传感器CS655 (campbell,
美国)、数据采集传送器CR1000X (campbell, 美国)
监测记录各土层土壤温度(℃)、土壤含水量(%)的逐
时变化情况; 在土壤CO2测坑中水平安装GMP343_SS
探头(Vaisala, 芬兰)监测各土层CO2浓度(μmol?mol?1)
的逐时变化情况。上述仪器均依靠太阳能供电, 利
用太阳能板TR-SP50Z1 (华益瑞, 中国)、蓄电池TR-
J200 (华益瑞, 中国)、防水机箱ENC14/16 (campbell,
美国)做好蓄电防水工作, 确保电量充足和数据采集
的稳定性。
降雨和气温由长武站自动气象站实时观测, 自
动记录每小时降雨量(mm?h?1)和气温(℃)。本研究
对降雨事件进行以下判定: 降雨发生前24 h无降水,
且降雨停止后5 h没有降雨作为判定标准。参考国
家气象局规定(http://www.cma.gov.cn)对降雨事件进
行划分: 降雨量在10 mm以下为小雨, 10~25 mm为
中 雨, 25 mm以 上 为 大 雨 。 测 定 时 间 为 春 季(4 ?
6月)、夏季(7 ?9月)、秋季(10 ?11月) 3个季节。
为了探究降雨变化对各土层土壤CO2浓度的影响,
在 夏 季(雨 季)选 取 小 雨(8 mm)、 中 雨(15.6 mm)、
大雨(31.6 mm) 3个典型的降雨事件进行深入分析,
小雨、中雨和大雨分别选取降雨前1 d至降雨停止
后3 d、5 d和7 d确保各因素对降雨响应的完整性。
1.4 土壤微生物量碳测定
用“S型采样法”在果园中心选取5颗长势良好、
无病虫害的标准果树。以树主干为中心, 沿三等分
圆半径方向取0.5 m、1.0 m和2.0 m处为采样点, 在
每个采样点垂直向下0.1 m、0.5 m和1.0 m处取土,
并将同一颗树、同一土层的3个土样取等量混匀装
袋。将土样冷冻处理, 用于测定土壤微生物量碳(氯
仿熏蒸硫酸钾浸提法)。
1.5 数据处理
1.5.1 气体扩散系数
基于不同试验条件和研究目的, 有研究者综述
了不同土壤扩散系数模型的优劣[27]。考虑本研究为
田间原位监测试验, 土壤相对干燥, 充气孔隙度为
0.11~0.45, 故选取Moldrup-2000模型计算气体扩散
系数[28]:
DS
D0 = " (1)
D0 = Da0
( T
T0
)1:75 (P
0
P
)
(2)
"
式中: Ds为深度s处CO2的扩散系数(m2?s?1), D0为
CO2在 自 由 大 气 中 扩 散 系 数(m2?s?1); 为CO2在 土
壤中的相对扩散系数; Da0为T0 (293 K)、P0 (标准大
气 压 , 1.31×105 Pa) 下 CO2在 大 气 中 的 扩 散 系 数
(1.47×10?5 m2?s?1); T、P为实际测量时温度(K)和气
压(Pa)。
表 1 试验地不同深度土壤基本理化指标
Table 1 Soil basic physical and chemical indexes at different depths of the experimental site
土壤深度
Soil depth
(cm)
容重
Bulk density
(g?cm?3)
充气孔隙度
Air-filled porosity
(cm3?cm?3)
pH
有机质
Organic matter
(g?kg?1)
全氮
Total N
(g?kg?1)
全磷
Total P
(g?kg?1)
全钾
Total K
(g?kg?1)
10 1.25 0.34 8.23 13.40 0.98 0.82 8.05
50 1.30 0.17 8.20 9.14 0.81 0.83 9.12
100 1.30 0.26 8.30 11.03 0.63 0.71 8.30
338 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
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" = (φ )
2:5
φ (3)
φ =1 b
s
(4)
φ s
b
式中: 为土壤孔隙度(cm3?cm?3); 为土壤比重, 本研
究中该值为2.65 g?cm?3; 为土壤容重; 为土壤体积
含水量(cm3?cm?3)。
1.5.2 数据分析
利用Excel 2010对原始数据进行整理、筛选和
初步分析, 采用Origin 2018软件制作相关的基础图件。
2 结果与分析
2.1 不同土层温度和水分的变化特征
土壤温度受气温影响, 表现出明显的季节特征。
春季土壤温度逐渐升高, 夏季(8月中旬)达到峰值,
秋 季 随 气 温 下 降 而 逐 渐 降 低(图2a)。 观 测 期 内,
10 cm、50 cm、100 cm土壤温度最高可达28.4 ℃、
24.1 ℃和21.4 ℃, 最低至4.6 ℃、7.6 ℃和8.4 ℃, 均
值为18.2 ℃、17.1 ℃和16.0 ℃。各土层温度存在显
著性差异(P<0.05), 在温度上升期表现为100 cm土
层<50 cm土层<10 cm土层, 到达峰值后转为10 cm
土层<50 cm土层<100 cm土层。
试 验 期 间 (2019 ?2021年 )共 发 生 降 雨 事 件
23次, 小雨(<10 mm)发生频次最多, 共计13次, 占
总降水频次的56%, 中雨(10~25 mm)次之, 占总降水
频次的26%, 大雨(>25 mm)占比18% (图2b, 表2)。
10 cm土壤水分对降雨的响应最为敏感, 雨后土壤含
水量最高可达雨前的两倍之多; 50 cm和100 cm处
0
2
4
6
8
10
降雨量
Precipitation (mm)
b
降雨量 Precipitation
10 cm 土层 10 cm soil layer
50 cm 土层 50 cm soil layer
100 cm 土层 100 cm soil layer
4 月
April
5 月
May
6 月
June
7 月
July
8 月
August
9 月
September
10 月
October
11 月
November
春季 Spring 夏季 Summer秋季 Autumn
0
3000
6000
9000
12 000
15 000
18 000
d
土壤
CO
2 浓度
Soil CO
2 concentration
(μmol·mol
?1
)
0
10
20
30 a
土壤温度
Soil temperature (
℃
)
5
15
25
35
45 c
土壤含水量
Soil moisture content (%)
图 2 试验期间土壤CO2浓度、土壤温度和土壤含水量变化
Fig. 2 Variations of soil CO2 concentration, soil temperature and soil moisture during the experiment
第 2 期 王晓璐等 : 半干旱区深层土 壤 CO2浓度对降雨事件的响应 339
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土壤含水量对降雨的响应相对迟缓, 在降雨事件中
土壤水分增加量不超过11% (图2c)。10 cm、50 cm
和100 cm处土壤含水量最高为31.7%、39.1%和35.0%,
最低至8.7%、30.1%和23.8%, 均值为17.2%、33.7%
和27.4%。土层间土壤含水量差异显著(P<0.05), 表
现为10 cm土层<100 cm土层<50 cm土层 (图2c)。
表 2 2019 ?2021年试验期间降水事件和土壤CO2浓度响应特征
Table 2 Characteristics of precipitation events and soil CO2 concentration response during the experiment from 2019 to 2021
降水类型
Precipitation type
降水频次
Precipitation frequency
占总降水频次比例
Proportion in total
precipitation frequency (%)
土壤 CO2浓度响应频次
Soil CO2 concentration response frequency
10 cm土层
10 cm soil layer
50 cm土层
50 cm soil layer
100 cm土层
100 cm soil layer
小雨 Light rain (<10 mm) 13 56 8 0 0
中雨 Moderate rain (10~25 mm) 6 26 6 2 0
大雨 Heavy rain (>25 mm) 4 18 4 4 3
总计 Total 23 100 18 6 3
2.2 不同土层CO2浓度的变化特征
季 节 尺 度 上, 10 cm、50 cm和100 cm处 土 壤
CO2浓 度 与 土 壤 温 度 有 相 似 的 季 节 特 征 和 土 层
间的差异, 即在春季逐渐升高, 于8月份达到全年峰
值, 秋季持续下降(图2d)。春末时10 cm、50 cm和
100 cm处CO2浓度为春初的2.8倍、2.6倍和2.6倍;
夏季各土层CO2浓度峰值可达1.20×104 μmol?mol?1、
1.56×104 μmol?mol?1和1.67×104 μmol?mol?1; 而与CO2
浓度峰值相比, 秋季分别降低62%、58%和53%。
但与土壤温度不同, 土壤CO2浓度呈现出随着深度
增加逐渐上升的趋势, 10 cm、50 cm、100 cm处CO2
浓度均值为0.66×104 μmol?mol?1、0.87×104 μmol?mol?1
和1.04×104 μmol?mol?1, 50 cm、100 cm处CO2浓度分
别为10 cm处的1.3倍和1.6倍。
晴天时, 10 cm、50 cm和100 cm处土壤CO2浓
度均有显著的日变化特征, 其动态变化存在明显的
单峰趋势, 并与气温呈相反的变化模式(图3)。10 cm
处土壤CO2浓度还与土壤温度的变化趋势基本一致
(图3a), 均表现为先降低后升高, 13:00左右达全天最
低值, 而在50 cm和100 cm处, 土壤温度对土壤CO2
浓度变化的影响不大(图3b, c)。雨天时, 各土层土
壤CO2浓度变化趋于平缓, 日变化幅度减小。10 cm
处土壤CO2浓度变化趋势与晴天时基本一致(图3d),
而50 cm、100 cm处土壤CO2浓度未出现单峰变化
(图3e, f)。
2.3 不同土层CO2浓度对降雨事件的响应
土壤CO2浓度对降雨量<10 mm的小雨事件无
明显响应。10~25 mm的中雨可以导致10 cm处土壤
含水量从32.1%上升至35.7%, 土壤CO2浓度降低
5%; 50 cm处土壤含水量和CO2浓度的响应则较为
迟缓。>25 mm的大雨事件发生时, 10 cm处土壤含
水量仅有10.5%, 该处土壤CO2浓度随着水分上升增
加了30%, 表现出明显的激发效应; 当10 cm处土壤
含水量升高至19.0%, 持续降雨导致土壤CO2浓度降
低。大雨导致50 cm、100 cm土壤含水量从32.0%、
24.7%上升至39.1%、35.0%, 土壤CO2浓度分别降
低16.3%、10.9%。大雨事件中, 10 cm、50 cm、100 cm
土壤CO2响应时间为降雨开始后9 h、91 h和121 h,
土壤含水量和土壤温度对降雨的响应存在类似的滞
后现象(图4)。
3 讨论
3.1 不同土层CO2浓度对水分的响应
土壤CO2浓度取决于产生和传输的共同作用。
虽然表层土壤根系密度大、微生物活性高, 但CO2
能快速排放至大气中, 因此表层土壤CO2浓度低。
一 般 而 言, 深 层 土 壤 中 的 微 生 物 量 通 常 比 表 土 低
1~2个数量级[29], 氧气浓度也会随着深度增加逐渐降
低, 深层土壤生物和根系的生长环境较差[30], 导致深
层土壤CO2产生较少。本研究发现深层土壤微生物
量显著低于表层(10 cm vs. 50 cm vs. 100 cm: 125.44
mg?kg?1 vs. 45.92 mg?kg?1 vs. 12.50 mg?kg?1)。因此, 深
层土壤CO2浓度与微生物关系不大。随着土层加深,
土壤中CO2扩散性降低可能是导致深层CO2浓度升
高 的 主 要 原 因 。 深 层 土 壤 质 地 紧 实(容 重=1.30
g?cm?3), 孔隙度较小, 土壤CO2扩散系数(D)仅为表
层 土 壤 的 1/8~1/4 (D10 cm=22.6×10?7 m2?s?1、 D50 cm=
2.7×10?7 m2?s?1、D100 cm=6.7×10?7 m2?s?1), 导 致 深 层 土
壤CO2气体的累积并表现为浓度升高[31]。喀斯特[23]、
土[32]和森林[33]土层中CO2浓度变化的相关研究也
得到了相似的结果。
不同土层CO2浓度因其土壤孔隙含水量增加而
呈降低趋势, 但关系复杂。表层土壤含水量因降雨
波动剧烈, 相应地土壤CO2浓度波动范围也较大, 随
340 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
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10
15
20
25
30
e
00:0000:0000:0000:00 12:0012:0012:0012:0000:0012:00
Day-3Day-2
a 10 cm
Day-1
00:00
7400
7900
8400
8900
9400
10
15
20
25
30
时间 Time
b 50 cm
气温和土壤温度
Air temperature and soil temperature (
℃
)
11 300
11 500
11 700
11 900
12 100
土壤
CO
2
浓度
Soil CO
2 concentration (μmol·mol
?1
)
10
15
20
25
30
f
Day-5Day-4
c 100 cm
13 000
13 500
14 000
14 500
土壤 CO2 浓度 Soil CO2 concentration气温 Air temperature土壤温度 Soil temperature
d
图 3 晴天(左侧图a, b, c)和雨天(右侧图d, e, f)气温和不同土层土壤温度、CO2浓度的变化
Fig. 3 Variations of air temperature, soil temperature and soil CO2 concentration in different soil layers under different weather con-
ditions (the left figures are sunny days; the right figures are rainy days)
6000
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15 000
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0
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20
25
降雨量 Precipitation土壤温度 Soil temperature 土壤含水量 Soil water concent 土壤 CO2 浓度 Soil CO2 concentration
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pre-1 post-1 post-2 post-3 pre-1 post-1 post-2 post-3 post-4 post-5
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时间 Time
10
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25 降雨量
Precipitation (mm)
土壤温度
Soil temperature (
℃
)
或
or
土壤含水量
Soil water content (%)
土壤
CO
2
浓度
Soil CO
2 concentration (μmol·mol
?1
)
a 小 雨 Light rain-10 cm
b 小雨 Light rain-50 cm
c 小雨 Light rain-100 cm
g 大雨 Heavy rain-10 cm
h 大雨 Heavy rain-50 cm
i 大雨 Heavy rain-100 cm
d 中雨 Moderate rain-10 cm
e 中雨 Moderate rain-50 cm
f 中雨 Moderate rain-100 cm
图 4 不同降水事件对10 cm、50 cm和100 cm深土壤CO2浓度的影响
Fig. 4 Effect of different precipitation events on soil CO2 concentration of 10 cm, 50 cm and 100 cm soil layers
小雨的降雨量为10 cm以下, 中雨的降雨量为10~25 cm, 大雨的降雨量为大于25 cm。pre-指降雨前, post-指降雨后, 其后数字为天数。The pre-
cipitation of light rain, moderate rain and heavy rain are <10 cm, 10?25 cm and >25 cm. pre- means before rainfall, post- means after rainfall, the numbers fol-
lowing them are number of days.
第 2 期 王晓璐等 : 半干旱区深层土 壤 CO2浓度对降雨事件的响应 341
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着土壤含水量升高, 土壤CO2浓度呈降低趋势(图5);
随着深度的增加, 土壤含水量波动范围(32%~35%)
变小, CO2浓度波动范围(4000~16 700 μmol?mol?1)加
大(图2), 土壤CO2浓度随着水分升高而降低的相关
性得到加强; 当达到100 cm土层深度时, 土壤含水量
基本稳定在24%~30%, 因大雨时水分入渗到深层后
土壤水分才在短时间内出现变化, 相应地土壤CO2
浓度才会出现剧烈变化, 但短时间内出现的水分和
土壤CO2浓度变化并不存在简单的线性关系。其中
原因需要进一步的田间监测和研究。
3.2 降雨事件对深层土壤CO2浓度的影响
降雨影响土壤CO2浓度, 但不同土层CO2浓度
变化并不相同[34]。大雨初期(前3 d), 随着土壤由干
变湿, 10 cm处土壤CO2浓度迅速增加并达到峰值
(图4g)。干湿交替引起团聚体破坏(物理学说)或土
壤水分引起的微生物群落结构和活性变化促进了土
壤CO2产生(生理学说)[2,35]。与10 cm处激发效应不
同, 在50 cm和100 cm处由于雨前土壤含水量(W)
较高(Wpre-50 cm=32%, Wpre-100 cm=24.7%), 降雨后反而抑
制CO2的产生(图6e, f)。深层土壤含水量一般高于
表层, 降水导致的深层土壤含水量的进一步升高, 降
低了土壤通透性和土壤中O2的供应, 使得好氧微生
物的活性受到抑制[36]; 其次, 水分过高还会阻碍土壤
溶液中可溶性有机碳(DOC)的扩散, 降低微生物可
利用的DOC含量[37-38]。此外, 尽管表层土壤出现了
CO2升高的激发效应, 但当土壤含水量超过19%时,
激发效应减弱。这可能与土壤孔隙逐渐被水分填充,
土壤处于厌氧环境中, 微生物呼吸和根系代谢受到
抑制有关[39-40]。
5000
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11 000
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15 000 d 大雨 Heavy rain-10 cm
0
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e 大雨 Heavy rain-50 cm
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post-5
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pre-1
f 大雨 Heavy rain-100 cm
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降雨量 Precipitation 气体扩散系数 Diffusivity 土壤 CO2 浓度 Soil CO2 concentration
a 小雨 Light rain-10 cm
30
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34
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降雨量
Precipitation (mm)
c 中雨 Moderate rain-50 cm
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b 中雨 Moderate rain-10 cm
土壤
CO
2
浓度
Soil CO
2 concentration (μmol·mol
?1
)
0
2
4
6
8
10
气体扩散系数
Diffusivity ( 10
?7
m2
·s?1
)
图 6 不同降水事件对对10 cm、50 cm和100 cm深土壤CO2扩散系数的影响
Fig. 6 Effect of different precipitation events on soil CO2 diffusivities in 10 cm, 50 cm and 100 cm soil layers
小雨的降雨量为10 cm以下, 中雨的降雨量为10~25 cm, 大雨的降雨量为大于25 cm。pre-指降雨前, post-指降雨后, 其后数字为天数。The pre-
cipitation of light rain, moderate rain and heavy rain are <10 cm, 10?25 cm and >25 cm. pre- means before rainfall, post- means after rainfall, the numbers fol-
lowing them are number of days.
大雨导致10 cm处CO2浓度升高还与CO2扩散
系数降低有关。本研究发现降雨导致CO2扩散系数
降低4%~47% (图6)。水分升高阻碍土壤气体向大气
中扩散, 从而使得扩散系数降低[23]。但土壤CO2浓
度并不总是随着CO2扩散系数的降低而升高, 大雨
事件中100 cm处气体扩散系数和土壤CO2浓度均
呈 降 低 趋 势(图6f)。 除 此 之 外, 半 干 旱 地 区 土 壤
CO2溶解也会影响其浓度变化。研究地土壤中碳酸
8 16 24 32 40
0
5000
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土壤
CO
2
浓度
Soil CO
2 concentration (μmol·mol
?1
) 10 cm 50 cm
100 cm
土壤含水量 Soil moisture content (%)
图 5 不同深度土壤CO2浓度和土壤含水量的关系
Fig. 5 Relationship between soil CO2 concentration and soil
moisture in different soil depths
342 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
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(
CaCO3 + CO2 +H2 O,Ca2+ +2HCO 3
)
盐含量为10.5%、pH值8.2[41], 这会显著影响土体内
CO2气体的溶解和固存[42]。Maier等[15]认为入渗的
雨水和大气中浓度较低的CO2保持平衡, 进入土壤
后, 雨水会对土体内部浓度较高的CO2有稀释作用。
而CO2溶解形成碳酸盐溶液所需时间远低于形成碳
酸钙的时间 , 这也
可能是降雨事件中导致土壤CO2浓度降低的重要原因。
4 结论
在半干旱区, 78%的降雨事件可以引发10 cm
处CO2浓度变化, 降雨量为10~25 mm、>25 mm的
降雨事件分别导致50 cm和100 cm处土壤CO2浓度
降低, 响应时间各自滞后91 h、121 h。降雨对土壤
CO2浓度的影响取决于土壤含水量状况, 土壤由干变
湿时, 降雨可以对10 cm土壤CO2浓度产生正激发
效应, 而在含水量较高的深层土壤, 则产生负激发效应。
致谢: 感谢陕西长武农田生态系统国家野外科学观
测研究站对本研究的支持。
参考文献 References
NAN W, YUE S, LI S, et al. The factors related to carbon
dioxide effluxes and production in the soil profiles of rain-fed
maize-fields[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2016,
216: 177?187
[1]
MIN K, BERHE A A, KHOI C M, et al. Differential effects of
wetting and drying on soil CO2 concentration and flux in near-
surface vs. deep soil layers[J]. Biogeochemistry, 2020, 148(3):
255?269
[2]
FIERER N, ALLEN A S, SCHIMEL J P, et al. Controls on
microbial CO2 production: a comparison of surface and
subsurface soil horizons[J]. Global Change Biology, 2010, 9(9):
1322?1332
[3]
WANG X L, FU S L, LI J X, et al. Forest soil profile inversion
and mixing change the vertical stratification of soil CO2
concentration without altering soil surface CO2 flux[J]. Forests,
2019, 10(2): 192
[4]
HARRISONR B, FOOTEN P W, STRAHM B D. Deep soil
horizons: contribution and importance to soil carbon pools and
in assessing whole-ecosystem response to management and
global change[J]. Forest Science, 2011, 57(1): 67?76
[5]
RATTAN L. Digging deeper: a holistic perspective of factors
affecting soil organic carbon sequestration in
agroecosystems[J]. Global Change Biology, 2018, 24(8):
3285?3301
[6]
RAICH J W, SCHLESINGER W H. The global carbon dioxide
flux in soil respiration and its relationship to vegetation and
climate[J]. Tellus B, 1992, 44(2): 81?99
[7]
LI X, WANG H H, LI X, et al. Shifts in bacterial community
composition increase with depth in three soil types from paddy
[8]
fields in China[J]. Pedobiologia, 2019, 77: 150589
GABRIEL C E, KELLMAN L. Investigating the role of
moisture as an environmental constraint in the decomposition of
shallow and deep mineral soil organic matter of a temperate
coniferous soil[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2014, 68:
373?384
[9]
TAYLOR J P, WILSON B, MILLS M S, et al. Comparison of
microbial numbers and enzymatic activities in surface soils and
subsoils using various techniques[J]. Soil Biology &
Biochemistry, 2002, 34(3): 387?401
[10]
TIAN Q X, YANG X L, WANG X G, et al. Microbial
community mediated response of organic carbon mineralization
to labile carbon and nitrogen addition in topsoil and subsoil[J].
Biogeochemistry, 2016, 128(1/2): 125?139
[11]
SHEN R, PENNELL K G, SUUBERG E M. Influence of soil
moisture on soil gas vapor concentration for vapor intrusion[J].
Environmental Engineering Science, 2013, 30(10): 628?637
[12]
GHEZZEHEI T A, SULMAN B, ARNOLD C L, et al. On the
role of soil water retention characteristic on aerobic microbial
respiration[J]. Biogeosciences, 2019, 16(6): 1187?1209
[13]
LEE X H, WU H J, SIGLER J, et al. Rapid and transient
response of soil respiration to rain[J]. Global Change Biology,
2004, 10(6): 1017?1026
[14]
MAIER M, SCHACK-KIRCHNER H, HILDEBRAND E E, et
al. Pore-space CO2 dynamics in a deep, well-aerated soil[J].
European Journal of Soil Science, 2010, 61(6): 877?887
[15]
BALESDENT J, BASILE-DOELSCH I, CHADOEUF J, et al.
Atmosphere–soil carbon transfer as a function of soil depth[J].
Nature, 2018, 559(7715): 599?602
[16]
YU Y X, ZHAO C Y, JIA H T, et al. Effects of nitrogen
fertilizer, soil temperature and moisture on the soil-surface CO2
efflux and production in an oasis cotton field in arid
northwestern China[J]. Geoderma, 2017, 308: 93?103
[17]
郎红东, 杨剑虹. 土壤CO2浓度变化及其影响因素的研究[J].
西南大学学报(自然科学版), 2004, 26(6): 731?734, 739
LANG H D, YANG J H. Study of CO2 concentration changes in
soil profile and its affecting factors[J]. Journal of Southwest
University (Natural Science Edition), 2004, 26(6): 731?734, 739
[18]
DELSARTE I, COHEN G J V, MOMTBRUN M, et al. Soil
carbon dioxide fluxes to atmosphere: the role of rainfall to
control CO2 transport[J]. Applied Geochemistry, 2021, 127:
104854
[19]
RACHHPAL J, ANDY B, MIKE N, et al. Relationship between
soil CO2 concentrations and forest-floor CO2 effluxes[J].
Agricultural and Forest Meteorology, 2005, 130(3): 176?192
[20]
FERNANDEZ-BOU A S, DIERICK D, ALLEN M F, et al.
Precipitation-drainage cycles lead to hot moments in soil carbon
dioxide dynamics in a neotropical wet forest[J]. Global Change
Biology, 2020, 26(9): 5303?5319
[21]
刘合满, 曹丽花, 李江荣, 等. 色季拉山急尖长苞冷杉林不
同层次土壤CO2浓度对短时降雨的响应[J]. 生态学报, 2020,
40(22): 8354?8363
LIU H M, CAO L H, LI J R, et al. Response of soil CO2
concentration at different depth of Abies georgei var Smithii
forest to short-time rainfall on Sejila Mountain, southeastern
[22]
第 2 期 王晓璐等 : 半干旱区深层土 壤 CO2浓度对降雨事件的响应 343
http://www.ecoagri.ac.cn
Tibet[J]. Acta Ecologica Sinica, 2020, 40(22): 8354?8363
CHEN Q. Characteristics of soil profile CO2 concentrations in
karst areas and their significance for global carbon cycles and
climate change[J]. Earth System Dynamics, 2019, 10(3):
525?538
[23]
张芳, 郭胜利, 邹俊亮, 等. 长期施氮和水热条件对夏闲期
土壤呼吸的影响[J]. 环境科学, 2011, 32(11): 3174?3180
ZHANG F, GUO S L, ZOU J L, et al. Effects of nitrogen
fertilization, soil moisture and soil temperature on soil
respiration during summer fallow season[J]. Environmental
Science, 2011, 32(11): 3174?3180
[24]
郭正, 李军, 张玉娇, 等. 黄土高原不同降水量区旱作苹果
园地水分生产力和土壤干燥化效应模拟与比较[J]. 自然资源
学报, 2016, 31(1): 135?150
GUO Z, LI J, ZHANG Y J, et al. Simulation and comparison of
water productivity and soil desiccation effects of apple orchards
in different rainfall regions of the loess plateau[J]. Journal of
Natural Resources, 2016, 31(1): 135?150
[25]
白岗栓, 邹超煜, 邵发琦, 等. 自然生草和蚯蚓对渭北旱塬
苹果园土壤特性及苹果品质的影响[J]. 中国农业大学学报,
2022, 27(3): 146?157
BAI G S, ZOU C Y, SHAO F Q, et al. Effects of self-sown
grass and earthworm on the soil property and apple quality of
apple orchard in weibei dry plateau[J]. Journal of China
Agricultural University, 2022, 27(3): 146?157
[26]
苏志慧. 应用浓度梯度法估算农田和草地土壤地表CO2通
量[D]. 北京: 中国农业大学, 2016
SU Z H. Using gradient method to estimate soil surface CO2
flux in crop and grass field[D]. Beijing: China Agricultural
University, 2016
[27]
MOLDRUP P, OLESEN T, GAMST J, et al. Predicting the gas
diffusion coefficient in repacked soil water‐ induced linear
reduction model[J]. Soil Science Society of America Journal,
2000, 64(5): 1588?1594
[28]
EILERS K G, DEBENPORT S, ANDERSON S, et al. Digging
deeper to find unique microbial communities: the strong effect
of depth on the structure of bacterial and archaeal communities
in soil[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2012, 50: 58?65
[29]
WORDELL-DIETRICH P, DON A, Helfrich M. Controlling
factors for the stability of subsoil carbon in a Dystric
Cambisol[J]. Geoderma, 2017, 304: 40?48
[30]
程建中, 李心清, 周志红, 等. 土壤CO2浓度与地表CO2通
量的季节变化及其相互关系[J]. 地球与环境, 2011, 39(2):
196?202
CHENG J Z, LI X Q, ZHOU Z H, et al. Seasonal variation and
relationship between soil CO2 concentrations and surface CO2
fluxes[J]. Earth and Environment, 2011, 39(2): 196?202
[31]
戴万宏, 王益权, 黄耀, 等. 土剖面CO2浓度的动态变化
及其受环境因素的影响[J]. 土壤学报, 2004, 41(5): 827?831
DAI W H, WANG Y Q, HUANG Y, et al. Seasonal dynamic of
[32]
CO2 concentration in Lou soil and impact by environment
factors[J]. Acta Pedologica Sinica, 2004, 41(5): 827?831
ZHOU L X, FU S L, DING M M, et al. Soil CO2 concentration
and efflux from three forests in subtropical China[J]. Soil
Research, 2012, 50(4): 328?336
[33]
张红星, 王效科, 冯宗炜, 等. 黄土高原小麦田土壤呼吸对
强降雨的响应[J]. 生态学报, 2008, 28(12): 6189?6196
ZHANG H X, WANG X K, FENG Z W, et al. The great rainfall
effect on soil respiration of wheat field in semi-arid region of the
Loess Plateau[J]. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(12):
6189?6196
[34]
LIU Y C, LIU S R, MIAO R H, et al. Seasonal variations in the
response of soil CO2 efflux to precipitation pulse under mild
drought in a temperate oak (Quercus variabilis) forest[J].
Agricultural and Forest Meteorology, 2019, 271: 240?250
[35]
SIERRA C A, MALGHANI S, LOESCHER H W. Interactions
among temperature, moisture, and oxygen concentrations in
controlling decomposition rates in a boreal forest soil[J].
Biogeosciences, 2017, 14(3): 703?710
[36]
王融融, 余海龙, 李诗瑶, 等. 干湿交替对土壤呼吸和土壤
有 机 碳 矿 化 的 影 响 述 评[J]. 水 土 保 持 研 究, 2022, 29(1):
78?85
WANG R R, YU H L, LI S Y, et al. Review on the effects of
soil alternate drying-rewetting cycle on soil respiration and soil
organic carbon mineralization[J]. Research of Soil and Water
Conservation, 2022, 29(1): 78?85
[37]
DAVIDSON E A, BELK E, BOONE R D. Soil water content
and temperature as independent or confounded factors
controlling soil respiration in a temperate mixed hardwood
forest[J]. Global Change Biology, 1998, 4(2): 217?227
[38]
ZHU M X, De BOECK H J, XU H, et al. Seasonal variations in
the response of soil respiration to rainfall events in a riparian
poplar plantation[J]. Science of the Total Environment, 2020,
747: 141222
[39]
王旭, 闫玉春, 闫瑞瑞, 等. 降雨对草地土壤呼吸季节变异
性的影响[J]. 生态学报, 2013, 33(18): 5631?5635
WANG X, YAN Y C, YAN R R, et al. Effect of rainfall on the
seasonal variation of soil respiration in Hulumber Meadow
Steppe[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(18): 5631?5635
[40]
郭胜利, 高会议, 党廷辉. 施氮水平对黄土旱塬区小麦产量
和土壤有机碳、氮的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2009,
15(4): 808?814
GUO S L, GAO H Y, DANG T H. Effects of nitrogen
application rates on grain yield, soil organic carbon and nitrogen
under a rainfed cropping system in the loess tablelands of
China[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2009, 15(4):
808?814
[41]
GAO Y, ZHANG P, LIU J. One third of the abiotically-
absorbed atmospheric CO2 by the loess soil is conserved in the
solid phase[J]. Geoderma, 2020, 374: 11448
[42]
344 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
http://www.ecoagri.ac.cn
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