刘允芬

（中国科学院自然资源综合考察委员会 北京 100101）

提　要　根据 1995～1996 年作物生长季在中国科学院拉萨农业生态站进行的试验研究，西藏高原农牧地不同植被覆盖下的土壤 CO₂ 排放通量为 1.7～10.5kgCO₂hm－2h－1。各类植被覆盖下土壤 CO₂ 排放通量均表现为白天高于夜间，午后高于午前。在作物生长季，由于土壤排放的 CO₂ 补充了高原大气 CO₂ 含量的不足，作为光合作用原料的重要组成部分被植物同化，因而不会增加大气中的 CO₂ 浓度。影响土壤 CO₂ 排放速率的因子主要有植被发育期、植被类型及环境因子。在环境因子中，土壤 CO₂ 排放速率与地温（地面 0cm、地中 5cm、10cm）及气温均呈明显正相关，与大气压及空气中 CO₂ 浓度呈明显负相关。

关键词　西藏高原 农田 土壤CO₂排放通量

分　类　中图法 S154.2

　　大气中 CO₂ 等含碳温室气体含量的日益增加，是造成地球温室效应的主要原因之一。土地利用部分所固定的大量碳被保留在土壤有机质和植被中，全球土壤碳库的碳贮量约为植被中碳贮量的 1.5 倍^[1、2]，对土壤碳库的库容及其动态变化进行研究，有助于探讨减少人为碳排放、增加土壤碳贮存、延长土壤碳的固定时间等问题。迄今对农业生态系统土壤 CO₂ 排放研究的报导尚不多见，搞清农田土壤 CO₂ 的排放量及其动态变化对于评估农业生态系统碳排放及其对大气中含碳温室气体浓度变化的贡献，是全球变化研究中的重要课题。西藏高原是全球变化的敏感区，大气中各种成分的密度仅为平原地区的 2/3，在这里进行农业生态系统碳含量动态测定，了解含碳温室气体吸收与排放动态，并探讨对其影响的环境因子，对于揭示西藏高原农业碳收支机理，指出其对大气温室气体源汇变化的影响与响应，进而建立并运行含碳温室气体的动态模拟模型都有重要意义。1995～1996 年（作物生长季 6～9 月），我们连续两年在西藏高原农牧区开展了农田土壤碳动态变化特征及其排放规律的试验研究。本文是试验初报。

1 试验区自然环境特点及研究对象与方法

　　试验在中国科学院拉萨农业生态站（29°41′N，91°20′E，海拔 3688m）进行。该站位于青藏高原南部拉萨河下游南岸宽谷盆地的冲洪积阶地上，属高原季风温带半干旱气候。年平均气温约 7.5℃；年降水量 430mm 左右，90% 以上集中在雨季的 6～9 月。生态站土壤为冲洪积物母质，质地偏沙；土壤类型主要有灌丛草原土、草甸土、潮土、风沙土和新积土；土壤 pH 值较高，为 6.95～8.55；有机质含量较低，一般在 1.22%～2.34%。受水热条件的制约，天然植被为河谷灌丛草原，有少量草甸。人工植被有：农作物、人工牧草和林地。进行土壤 CO₂ 排放速率测定土壤的植被有：冬小麦、春小麦、玉米（覆膜与未覆膜）、油菜、巫溪红三叶及垂穗披肩草；对比试验地植被是测地相邻处人工林地中的北京杨与速生毛白杨。

　　土壤 CO₂ 排放采用箱法直接测定，测定仪器为 CI－301PS 便携式红外 CO₂ 气体分析仪和箱式土壤气体采集器（桶状箱体内径 23.5cm，内高 29.5cm）。试验前分别在北京和高原用 CO₂ 标准气对仪器进行了严格的标定和预试验。试验过程中每次测定的前一天晚上都用标准气对仪器进行标定。

　　试验时将土壤气体采集器与红外 CO₂ 分析仪联接在现场直接测定。测定前一天将气体采集器底圈埋入被测土壤 5cm 深处，外圈用土砸实封严，底圈水槽中注入清水。在玉米地和林地的测定样地，将采集器底圈埋于植株间的空地上；在小麦地、油菜地和草地中尽量埋于植株之间，不能避开的植株，将其地上部分剪掉。预试验的结果表明，在扣箱后短时间（比如 15min）内土壤排放速率随时间呈线性变化（相关系数通过 0.001 置信度检验）。每次测定前将气体采集器箱体罩于底圈的盛水凹槽内，每次扣箱（以水密封）并测定 10min，计算该 10min 内 CO₂ 平均增量代表该时次土壤 CO₂ 排放通量。在冬小麦和玉米地每隔 10d 左右连续测定 2～3d，其它植被土壤每个生育期测定 1～2d。土壤排放速率强度变化测定在当日 7∶00～22∶00 进行，每小时测一次；昼夜变化测定在当天 7∶00 至次日 6∶00 进行，7∶00～22∶00 每小时测一次，22∶00～7∶00 每 3h 测一次。仪器测定的 CO₂ 是以体积相对浓度显示的，测定后必须用实测气压、气温、水气压资料将测定结果换算为 CO₂ 密度值^[3]。用换算后的密度值计算 10min 内 CO₂ 平均增量，计算公式为：

式中 Qt 为 t 时土壤 CO₂ 排放通量（μmolCO₂m^-2s^-1 或换算为 kgCO₂hm^-2h^-1）；Δc 为时间间隔Δt 里箱内 CO₂ 浓度差 (μmolCO₂m^-3)；V 为箱子体积 (m³)；A 为被测土壤面积 (m²)；h 为箱子高度 (m)。

　　土壤 CO₂ 排放日总量依下式计算：

式中 Qa 为单位面积土壤 CO₂ 排放日总量（μmolCO₂m^-2d^-1）；t1、t2 分别为测定日的开始、结束时间 (t)；Qt 同上。

2 测定结果

2.1 不同植被土壤 CO₂ 排放通量及其日变化

　　据测定，生长季不同植被覆盖下的土壤 CO₂ 排放通量为 1.7～10.5kgCO₂hm^-2h^-1。冬小麦地土壤 CO₂ 排放通量变动幅度最大，从 2.5kgCO₂hm^-2h^-1 到 10.5kgCO₂hm^-2h^-1，其它植被土壤 CO₂ 排放通量依次为林地 1.7～4.0kgCO₂hm^-2h^-1，覆膜玉米地 3.0～8.8kgCO₂hm^-2h^-1，未覆膜玉米地 3.2～5.2kgCO₂hm^-2h^-1，巫溪红三叶地和垂穗披肩草地为 4.4～6.8kgCO₂hm^-2h^-1，春小麦地 4.5～7.7kgCO₂hm^-2h^-1，油菜地 8.6～10.7kgCO₂hm^-2h^-1。王在模等 ^[4]1978～1979 年在青海测定高山草甸土壤 CO₂ 排放通量为 4.5～8.1kgCO₂hm^-2h^-1。我们的结果下限比他们低，上限比他们高，其原因除海拔高度差异外，更与所测土壤植被不同有关。我们除草地外还测定了作物及林地，结果表明草地土壤 CO₂ 排放通量高于林地而低于作物地。

　　各类植被覆盖下土壤 CO₂ 排放通量均表现为白天 (7∶00～20∶00) 高于夜间 (21∶00～6∶00)，午后 (13∶00～20∶00) 高于午前 (7∶00～12∶00)。就占排放日总量的比率而言，上午为 1/5 强，下午为 1/3 强；白天约为 3/5，夜间约为 2/5，7∶00～22∶00 为 2/3 强。从不同植被土壤看，白天排放比率最高为牧草（巫溪红三叶），其次是冬小麦，最低是玉米（表 1）。

表 1 不同植被土壤不同时段 CO ₂ 排放通量占排放日总量的比率 (%)
Table 1 Percentage of CO ₂ emission flux of soil in different vegetations and at different time intervals to daily total amount

2.2 不同植被土壤 CO₂ 排放通量与净光合通量的关系

　　根据同日同地块用同样仪器测定的土壤 CO₂ 排放通量与冬小麦、未覆膜玉米及覆膜玉米功能叶片的净光合速率，计算了土壤 CO₂ 排放占功能叶片净光合速率的百分比。白天土壤 CO₂ 排放占功能叶片净光合速率的百分比分别是：冬小麦 20%～25%，未覆膜玉米 10%～25%，覆膜玉米 10%～20%。早 8∶00 前和晚 19∶00 后，由于光合作用明显降低造成该百分比较高，最高曾超过 50%；而 9∶00～18∶00 光合作用强，这一比值一般低于 30%。冬小麦的比值最高：9∶00～15∶00 低于 20%，15∶00～19∶00 在 20%～40% 之间，早 8∶00 前和晚 19∶00 后最高可超过 50%。未覆膜玉米地该比值虽早晚亦可能高于 40%，但 9∶00～19∶00 明显低于冬小麦，一般不超过 20%。覆膜玉米该比值变化范围与未覆膜玉米类似，9∶00～19∶00 甚至低于 10%（图 1）。综合以上分析，白天土壤 CO₂ 排放占功能叶片净光合速率的百分比为 10%～25%；我们测定的夜间土壤 CO₂ 排放占排放日总量的 2/5 左右，相当于功能叶片净光合速率的 10%。因此，在作物生长季，一般来讲土壤排放的 CO₂ 不及所覆盖植被净光合作用同化 CO₂ 的 1/3（因我们这里仅是与功能叶片净光合速率比较的结果）。由此可见，由于土壤排放的 CO₂ 补充了高原大气中 CO₂ 含量的不足，作为光合作用原料的重要组成部分被植物同化，因而不会增加大气中的 CO₂ 浓度。

图 1 不同植被土壤 CO₂ 排放通量占功能叶片净光合速率百分比日变化
Fig.1 The diurnal variation of percentage of soil CO₂ emission flux of different vegetations to net photosynthetic rate

2.3 影响土壤 CO₂ 排放通量的主要因子

　　土壤 CO₂ 排放是土壤中生物学和生物化学过程综合作用的结果，是植物根系、土壤微生物、土壤动物等呼吸排放的共同产物，土壤理化因子和气象因子共同影响着它们的生命进程和土壤气体的扩散。从试验中不同植被覆盖下的土壤 CO₂ 排放通量看，其值高低主要受以下因素的影响：从发育期看，植物旺盛生长期土壤 CO₂ 排放通量高于发育后期，很显然，生长盛期植物根系活性强，呼吸旺盛，是 CO₂ 排放通量高的主要原因。从不同植被看，林地土壤 CO₂ 排放通量低于作物及人工草地。从环境条件看，CO₂ 排放通量与温度呈正相关变化，而与大气压和空气 CO₂ 含量呈反相关变化。西藏高原海拔高，热量条件比同纬度东部平原低，温度高特别是地温高是强化土壤生命活动的重要因素，高温使生物活性增强，从而 CO₂ 排放通量高。而气压和空气 CO₂ 含量低则降低了土壤气体扩散阻力，从而加快了 CO₂ 排放。根据试验结果，对物理意义明确的环境因子（主要有气温、地温、大气压、空气中 CO₂ 浓度及土壤有机质含量等）与土壤 CO₂ 排放通量进行了回归分析。虽然不同植被覆盖下的土壤 CO₂ 排放通量与各环境因子的相关程度不尽相同，但它们与地温（地面 0cm、地中 5cm、10cm）及气温均呈明显正相关，而与大气压及空气中 CO₂ 浓度呈明显负相关，相关指数 R2 均高于 0.5，超过了置信度 0.01 的水平，现仅将冬小麦及覆膜玉米的部分计算结果列于表 2。

表 2 不同植被土壤 CO ₂ 排放通量与环境因子的相关分析及模拟方程
Table 2 Correlation analysis between soil CO ₂ emission flux of different vegetations and environmental factor as well as simulation equation

注：环境因子：x₁——气温；x₂——5cm 地温；x₃——10cm 地温；x₄——CO₂ 浓度。

3 结论与讨论

　　从对西藏农地、草地生长期间土壤 CO₂ 排放的测定，得到以下初步结论并需进一步探讨。据测定，作物生长季不同植被覆盖下的土壤 CO₂ 排放通量为 1.7～10.5kgCO₂hm^-2h^-1。各类植被覆盖下土壤 CO₂ 排放通量均表现为白天高于夜间，午后高于午前。在作物生长期间，土壤排放的 CO₂ 不及植被光合作用所同化 CO₂ 的 1/3。由于土壤排放的 CO₂ 补充了高原大气 CO₂ 含量的不足，作为光合作用原料的重要组成部分被植物同化，因而不会增加大气中的 CO₂ 浓度。影响土壤 CO₂ 排放通量的因子主要有植被发育期、植被类型及环境因子。环境因子中，土壤 CO₂ 排放通量与地温（地面 0cm、地中 5cm、10cm）及气温均呈明显正相关，而与大气压及空气中 CO₂ 浓度呈负相关。

　　从初步测定与分析看，在作物、牧草生长期，土壤 CO₂ 排放为植株吸收，作为光合作用原料形成植物有机质，起到固碳作用。由于试验刚进行两年，资料有限，这只是初步分析，但已可看到在高原地区开展土壤 CO₂ 排放研究具有重要意义。在非生长季乃至全年土壤 CO₂ 排放及其对大气 CO₂ 浓度的贡献、高原地区农田土壤 CO₂ 排放与平原地区的比较分析等工作还在继续深入，而对于全自治区土壤碳排放的估算，将进一步根据土壤分区进行。

参考文献

1	W N Adger, K Brown. A UK greenhouse gas inventory: On estimating anthropogenic and natural sources and sinks. AMBIO, 1993,22 (8)：509～517
2	W G Sombroek, F O Nachtergaele, A Hebel. Amounts, dynamics and sequestering of carbon in tropical and subtropical soils. AMBIO, 1993,22(7)：417～426
3	李继由．空气资源．见：侯光良，李继由，张谊光主编．中国农业气候资源．北京：中国人民大学出版社，1993,33～56
4	王在模，乐炎舟，张金霞．高山土壤呼吸强度的初步研究．见：夏武平主编．高寒草甸生态系统．兰州：甘肃人民出版社，1982,174～183

作者简介

刘允芬，女，1946 年 9 月出生，研究员。1970 年 7 月毕业于北京农业大学农业物理气象系农业气象专业，1993 年 12 月在俄罗斯农科院农业物理研究所获博士学位。主要研究方向为农业气候资源合理利用、全球变化对农业影响与响应。发表论文 30 余篇，参加编写专著 6 本。

*	本文为国家八五攻关项目“85－913－06”课题成果之一，并得到国家教委留学回国人员基金资助。