深层土壤CO2浓度对降雨事件的响应

作     者：王晓璐 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭胜利;王蕊

授予年度：2023年

学科分类：09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 090301[农学-土壤学] 

主      题：半干旱区 深层土壤 土壤CO2浓度 降雨事件 CO2扩散 

摘      要：深层土壤(30 cm)有机碳含量相对稳定,但深层土壤中CO浓度更高,并且以较快的速度通过土壤孔隙释放到大气中。因此深层土壤CO产生和排放的微小变动会显著影响陆地碳循环过程。降雨作为土壤CO产生、传输或扩散的重要影响因素,其与地表CO通量变化的关系已有大量研究,而降雨对深层土壤CO浓度变化的影响尚不清楚。本研究围绕不同土层土壤CO浓度变化,通过田间原位监测和土柱模拟实验开展三个方面的研究:1)不同土层土壤CO浓度的分布特征及其影响因素;2)深层土壤CO浓度对降雨事件的响应;3)极端降雨对土壤CO气体向深层扩散的影响。具体而言,于2019年-2022年,利用高频率自动监测仪器对田间原位10 cm、50 cm和100 cm处土壤CO浓度(GMP343＿SS探头)、土壤温度和水分状况(CS655传感器)进行连续监测,并通过土柱模拟实验,分析不同土层土壤CO浓度变化特征及其影响因素。获得以下主要结果:(1)深层土壤CO浓度显著高于表层。10 cm、50 cm和100 cm处土壤CO浓度年均值分别为0.66×10μmol·mol、0.87×10μmol·mol和1.04×10μmol·mol。50 cm、100 cm处土壤CO浓度分别为10 cm处的1.2倍和1.5倍。各层土壤CO浓度在春季缓慢升高,并在8月份达到全年最大值,秋季持续下降。春末时10 cm、50 cm和100 cm处土壤CO浓度分别为春初的2.8倍、2.6倍和2.6倍,在夏季各层土壤CO浓度最高可达1.20×10μmol·mol、1.56×10μmol·mol和1.67×10μmol·mol,秋季分别降低62%、58%和53%。各土层土壤温度和CO浓度变化趋势一致,在春季逐渐升高并于8月份达到峰值,期间表现为10 cm50 cm100 cm,之后土温逐渐降低100 cm50 cm10 cm。晴天时10 cm、50 cm和100 cm处土壤CO浓度与气温均表现为相反的单峰变化趋势,气温达到最高值时,土壤CO浓度最低。10 cm处土壤CO浓度与土壤温度变化大致相同,均为先降低后升高,而在50 cm和100 cm处,土壤温度波动平缓,对土壤CO浓度的影响不大。雨天时,土壤CO浓度日变化幅度减小,10 cm、50 cm和100 cm土壤CO浓度未出现单峰变化。(2)影响土壤剖面CO浓度的生物因素存在明显的空间分布特征。随着深度的增加,土壤微生物量降低。放线菌门、变形菌门、酸杆菌门和绿弯菌门作为土壤细菌群落的四大优势物种。绿弯菌门的相对丰度与土壤剖面CO浓度变化一致升高;放线菌门、变形菌门和酸杆菌门的相对丰度与土壤剖面CO浓度呈相反的变化趋势,与10 cm处相比,100 cm处细菌群落的相对丰度分别降低12.7%、50.0%和21.3%。子囊菌门和担子菌门是土壤真菌群落中的两大优势物种,均与土壤剖面CO浓度呈相反的变化趋势,100 cm处相对丰度分别降低45.9%和12.0%。(3)深层土壤CO浓度对降雨事件的响应与表层土壤存在差异。25 mm的降雨事件发生时,随着水分升高10 cm处土壤CO浓度存在激发效应,当土壤含水量升高至19.0%,持续降雨导致该层土壤CO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CO浓度分别降低16.3%、10.9%。大雨事件中,10 cm、50 cm和100 cm土壤CO响应时间为降雨开始后9 h、91 h和121 h,(4)极端降雨促进表层土壤CO气体向深层扩散。与P(单次降雨量5 mm)相比,P(单次降雨量25 mm)导致不同土层CO浓度出现明显的先升高后降低的变化趋势,并随着降雨次数的增加,土壤CO浓度峰值逐渐降低。降雨后,土体内部10 cm和30 cm处CO浓度差(Δ=C-C)为正值(Δ0),逐渐升高后降低为负值(Δ0)意味着土壤CO气体会从浓度较高的表层土壤向深层扩散,负值(ΔCK(不添加秸秆),同一土层M和CK处理土壤CO浓度差(Δ=C-C)的变化特征为先升高后降低,Δ值最高可达5.48×10μmol·mol。30 cm土层处Δ值的变化表明降雨促进表层土壤CO气体向深层扩散的量取决于表层土壤CO浓度,表层CO浓度越高,向深层扩散的量就越多。温度、水分、微生物和底物等因素对深层土壤CO浓度的影响与表层土壤并不相同,尤其是在降雨事件中的响应特征差异显著