长武站在黄土高原土壤剖面CO2动态变化研究方向取得新进展

作者：长武站  更新时间：2024-09-29

   近日，水土保持科学与工程学院（水土保持研究所）长武黄土高原农业生态试验站郭胜利研究员团队在Agriculture, Ecosystems & Environment上发表了题为 “Differential responses of soil CO2 dynamics along soil depth to rainfall patterns in the Chinese Loess Plateau” 的研究论文。西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室为第一单位，博士研究生杨潇为论文第一作者，郭胜利研究员为通讯作者。

图1 黄土高原研究区域位置和研究设计示意图

  土壤CO2碳排放是全球碳循环中最大的组成部分之一，即使是微小的变化也会直接影响大气CO2浓度，进而导致全球变暖。土壤地表CO2排放不仅来源于表层土壤，还涉及到深层土壤的贡献。深层土壤碳可以以CO2的形式释放到大气中，其速度比以往人们认为的要更快，这凸显了深层土壤在全球碳循环中的重要性。深层土壤中的CO2在排放到大气之前，会在不同土层的固相、液相和气相之间经历复杂的物理和化学扩散与迁移过程。在干旱和半干旱地区，土壤地表CO2排放量随降雨模式而显著波动。降雨引起的湿润沿土壤剖面不成比例地扩散，进一步影响了土壤中的CO2浓度。然而，关于降雨模式对土壤CO2动态影响的详细评估仍相对有限。

  图2 土壤CO2浓度、温度和水分对不同降雨的响应

为了填补这一空白，该研究对半干旱黄土高原农田和果园10 cm、50 cm和100 cm深度处的土壤CO2浓度、温度和含水量进行全年连续监测（图1）。对降雨事件进行了细致的记录，并将其划分为小雨（<10 mm）、中雨（10 mm–40 mm）和大雨（>40 mm），以探究不同降雨模式对土壤CO2动态的影响。研究发现，与小雨相比，中雨和大雨导致0–10 cm土壤CO2通量大幅下降，这主要是由于气体扩散率降低所致。基于高频率的田间监测，捕捉到中雨和大雨诱导10 cm和50 cm深度土壤CO2浓度出现明显的两阶段响应，先是显著降低，然后是迅速升高。这种模式与气体扩散率显著下降有关，气体扩散途径的减少导致土壤CO2浓度快速上升。此外，大雨显著降低了100 cm深度的土壤CO2浓度，这主要是由于较低的温度抑制了生物过程（图2）。总之，这项研究表明，降雨引起的含水量增加降低了表层土壤的气体扩散率，而土壤温度降低减弱了深层土壤的生物过程，这共同驱动了土壤CO2动态对降雨的不同响应。

该研究得到了国家重点研发计划（2022YFD1901600）和国家自然科学基金（42107360）等项目资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.agee.2024.109306