肖塘地區夏季土壤CO2濃度日變化特征及影響因素

阿力木·阿巴斯，買買提艾力·買買提依明，何　清，霍　文，楊　帆，楊興華，熱娜古麗·太來提

（1.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆　烏魯木830054；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊830002；3.塔克拉瑪干沙漠大氣環境觀測試驗站，新疆　塔中841000；4.克州氣象局，新疆　阿圖什845350）

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肖塘地區夏季土壤CO2濃度日變化特征及影響因素

阿力木·阿巴斯1，2，3，買買提艾力·買買提依明2，3*，何清2，3，霍文2，3，楊帆2，3，楊興華2，3，熱娜古麗·太來提4

（1.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆烏魯木830054；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆
烏魯木齊830002；3.塔克拉瑪干沙漠大氣環境觀測試驗站，新疆塔中841000；4.克州氣象局，新疆阿圖什845350）

摘要：利用塔克拉瑪干沙漠北緣流動沙漠—古河床過渡帶肖糖地區2012年6—8月土壤40 cm深處CO2濃度和相關氣象要素資料,對該區域的土壤CO2濃度變化特征及影響因子進行了分析。結果表明:（1）肖塘地區夏季土壤40 cm深處CO2濃度的日變化過程中呈現出夜間低、白天高的單峰型，日最高值出現在18:00左右，最低值出現在6:30左右，濃度平均值保持在506.97～518.14 ppm之間；（2）隨著土壤溫度和土壤濕度的變大,土壤CO2濃度增大,兩者呈顯著正相關；（3）風速和土壤CO2濃度之間存在一定的滯后性；（4）大氣壓力對土壤CO2濃度變化產生顯著影響，兩者呈負相關。

關鍵詞：塔克拉瑪干沙漠；土壤CO2濃度；影響因子

阿力木·阿巴斯，買買提艾力·買買提依明，何清，等.肖塘地區夏季土壤CO2濃度日變化特征及影響因素[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（2）：63-69.

工業革命以來，由于化石燃料燃燒、水泥生產以及土地利用變化等人類活動造成大氣中CO2、CH4等溫室氣體濃度不斷升高，溫室效應增強，導致了全球性的氣候增暖。IPCC第四次評估報告指出，目前大氣中CO2濃度是過去42萬年來未曾達到過的，認為觀測到的過去50 a來的大部分變暖可能主要是由人類活動引起的，關于這一點的結論比第三次評估報告評估更確定。在諸多溫室氣體當中，CO2成為最早受人們所關注的溫室氣體，其溫室效應對氣候變暖的貢獻超過其他氣體，達56%[1]。陸地、大氣、海洋生物之間的碳交換過程會影響大氣中CO2濃度的變化，土壤作為陸地各種生物的棲息地，在CO2變化和轉換過程中扮演著非常重要的角色，是地球大氣CO2的重要來源之一[2]。在大氣中CO2含量約占0.03%，而土壤空氣中CO2含量比大氣中高5～10 倍[3-4]。因此，對土壤CO2濃度進行觀測，分析其變化規律及影響因素，在開展陸—氣碳循環過程研究中具有重要意義。針對土壤CO2濃度變化研究，國內外學者開展了不少研究[5-14]。其中，趙擁華等[8]分析了青藏高原北麓河凍土層中氣體CO2濃度的分布狀況，給出了土壤溫度和土壤有機碳貯量呈明顯相關性的結論。趙景波等[9]測定了巴丹吉林沙山地區CO2濃度的晝夜變化，并指出土壤CO2濃度晝夜變化主要由溫度變化引起。黃磊等[10]在沙坡頭沙漠試驗站對土壤結皮情況下的土壤CO2濃度變化及其驅動因子進行分析指出，土壤40 cm深處CO2濃度平均值為919.05 ppm。邵天杰等[11]對騰格里沙漠民勤地區沙丘CO2濃度研究指出，該區域的土壤CO2濃度變化存在著明顯的晝夜變化特征。塔克拉瑪干沙漠作為世界第二大流動沙漠，約占中國沙質沙漠面積的1/2。有關該沙漠的研究主要集中在沙漠邊界層、陸面過程、氣溶膠以及沙漠氣候等領域[15-26]，針對塔克拉瑪干沙漠土壤CO2濃度的相關研究未見報道。本文利用野外試驗觀測數據，對塔克拉瑪干沙漠北緣過渡帶土壤CO2濃度變化特征及影響因素展開研究，分析該區域的土壤CO2濃度變化特征及影響因素，進而為開展該區域的碳循環機理研究提供初步基礎。

1　研究區概況

肖塘氣象觀測站（40°48＇126″N，84°18＇211″E，海拔912 m）位于塔克拉瑪干沙漠北部邊緣，與塔里木河相距約40 km[24]，是典型的沙漠腹地—荒漠—綠洲過渡帶[25]，下墊面以平坦沙地為主，部分地區有風蝕裸露古河床無植被覆蓋。其東側距離塔克拉瑪干沙漠公路1號井1000 m左右[26]（古河床的南岸），北側2 km以外為胡楊林，向南距離流動沙丘約200～300 m，南部沙丘下伏地貌屬于沖積—泛濫平原，是典型的沙漠與荒漠的交匯之處。氣候類型屬于暖溫帶荒漠氣候，降水量很少，年平均風速為2.5 m·s-1，春季最大，冬季最小。肖塘氣象站氣溫變化與風速的變化基本上相似，以6—7月最大，12—1月最小。該區域沙塵暴發生頻繁，主要集中在春、夏季，占全年的80%以上，冬季比較少。地表土壤多為沙土，質地輕，粒徑細，組成以細沙（125～250 μm）、極細沙（62.5～125 μm）為主，約占78.5%，并含有一定量的中沙（250～500 μm）和粉沙（3.9～62.5 μm），約占20.4%。該處植被資源極為貧乏，主要有檉柳（Tamarixramosisima）和胡楊（Populuseuphratica）[26]。

2　數據處理

圖1　觀測點示意圖

本文所用CO2濃度數據來自安裝在該站土壤40 cm深處的芬蘭VAISALA公司生產的GMT22型CO2濃度探測傳感器，其他數據來自安裝在該站的10m梯度探測系統（儀器配置見表1），所有傳感器用美國Campbell公司生產的CR1000型數據采集器采集，并獲得1 min、30 min和1 h的統計數據。本文采用2012年6—8月30 min尺度的土壤CO2濃度數據和氣象要素觀測數據，對該區域的土壤CO2濃度變化及影響因素進行了回歸分析。

表1　觀測系統傳感器配置

3　結果與分析

3.1土壤CO2濃度日變化

對2012年6月到8月土壤40 cm深處CO2濃度進行分析發現（圖2），6—8月40 cm深處土層中土壤CO2濃度平均值分別是520.02 ppm、505.15 ppm與511.14 ppm，6月平均濃度明顯大于7月和8月，3個月的觀測數據中，7月土壤CO2濃度最低。就日變化而言，6月從2:30開始土壤CO2濃度緩慢下降，7:00降到511.87 ppm，然后開始緩慢升高，在18:00達到527.40 ppm，而后開始緩慢下降到，在23時降到517.24 ppm，之后緩慢升高，2:30達到521.20 ppm。整個過程中，CO2濃度比較高的時段為14:00—19:00這與氣溫較高的時段基本吻合。在7月，土壤CO2濃度變化范圍為498.23～511.21 ppm，從00:00開始CO2濃度緩慢下降，在7: 30降為498.23 ppm，之后緩慢上升，在17:00，達到511.21 ppm，之后緩慢下降。8月土壤CO2濃度變化范圍為504.64～517.37 ppm，比其他兩月變化幅度較小。6—8月土壤CO2濃度日變化曲線因土壤溫度呈現高—低—高—低的變化規律，但是細節上有所差異；6月和7月的曲線變化相似，曲線波動基本符合，但是8月有一些差異。6—8月的土壤CO2平均濃度變化與8月土壤CO2濃度變化類似，即從凌晨00:00到當日23:30，土壤CO2濃度呈現由高—低—高—低的變化規律，變化范圍為506.97～518.14 ppm，平均值為512.1 ppm。從2:30開始CO2濃度緩慢下降，6:30降為506.97 ppm，之后緩慢上升，18:00達到518.14 ppm，之后又迅速下降，23:00降到510.53 ppm。

整體來講,各個月份或者3個月的平均值都以6～7 h的周期變化，從00:00到7:00土壤向空氣釋放熱量，土壤溫度下降，導致土壤CO2濃度也降低；從7:00到16:00溫度升高，空氣向土壤輸送熱量，土壤溫度升高，導致土壤CO2濃度升高；下午從16:00開始到20:00空氣溫度降低，土壤向空氣釋放熱量，土壤溫度下降，土壤CO2濃度也降低。這種變化規律與騰格里沙漠民勤沙丘的CO2濃度變化規律類似。極端干旱的民勤沙漠區CO2濃度晝夜變化也相當明顯，從當日的9:00到次日的9:00均呈現由低到高再到低的變化規律[11]。

圖2　土壤CO2濃度夏季日變化

3.2影響土壤CO2濃度變化的因子

3.2.1土壤CO2濃度與土壤溫度的關系

土壤溫度、濕度、氣壓及風速等各種氣象要素在很大程度上影響土壤CO2濃度，并且濃度變化有一定的日變化規律[13]。為了過濾天氣系統影響所造成的土壤CO2濃度的變化，本文選取6—8月期間15個晴天天氣下的40 cm土壤溫度與土壤CO2濃度數據進行了分析。由圖3可知，研究區土壤CO2濃度與土壤溫度的變化趨勢基本一致。隨著土壤溫度上升，土壤CO2濃度升高，反之亦然。就日平均變化而言，晴天天氣條件下，土壤CO2濃度最大值為519.92 ppm，最小值為503.34 ppm，平均值為512.76 ppm。分析土壤CO2濃度與氣溫相關關系可知（圖4和表2）：土壤CO2濃度與土壤溫度之間存在著正相關關系（R=0.736，在顯著水平為0.01）。土壤溫度對土壤CO2濃度的影響在森林區中更加明顯[27-29]。土壤呼吸和CO2釋放過程中溫度的影響是不可忽視。通常，土壤呼吸主要包括土壤根系呼吸和微生物呼吸[30]，土壤CO2中68%來自于土壤微生物呼吸作用和排放作用，而直接影響土壤微生物活動的主要因素是土壤溫度。土壤溫度的升高會導致土壤微生物活動的加強，很大程度上加快了含碳物質分解和CO2的產生速度，同時土壤中各種生物的呼吸作用也會加強。對于沙漠地區來說，由于沒有植被，土壤溫度主要通過影響土壤微生物活動，間接造成土壤CO2濃度的變化。因此，溫度在土壤CO2濃度變化過程中起著很重要的作用。

圖3　土壤CO2濃度和土壤溫度變化過程

圖4　土壤CO2濃度與土壤溫度的相關性分析

表2　土壤CO2濃度與土壤溫度、土壤濕度及風速的相關系數

3.2.2土壤CO2濃度與土壤濕度的關系

干旱區最主要的氣候特征之一是干旱少雨。土壤水分狀況的變化會導致土壤微生物和土壤透氣性等發生變化，相應地，土壤CO2濃度也會發生變化。由圖5可知，土壤10 cm濕度具有明顯的日變化規律，變化范圍為2.3%～3.5%,平均值為2.8%。從00:00開始，土壤濕度緩慢下降，到6:30左右降到最低水平（2.3%），然后開始緩慢升高，到16:00左右升到最高水平（3.5%），之后開始下降。土壤CO2濃度與同期的土壤濕度之間保持同步變化規律。即，土壤CO2濃度隨著土壤濕度的增加呈升高的趨勢。與土壤溫度類似，土壤濕度也是影響土壤CO2濃度的影響因子。土壤濕度的增加，引起土壤孔隙度減少，抑制土壤空氣中CO2的擴散,從而增加土壤中CO2濃度。此外，土壤濕度的變化直接影響到土壤內的微生物活動，從而影響到土壤CO2濃度的變化。這種情況與騰格里沙漠民勤沙區中的土壤CO2濃度變化情況類似。邵天杰等[11]指出，干燥缺水的騰格里沙漠區沙層水分含量多少是決定CO2濃度高低的主要因素。土壤水分和土壤CO2濃度之間的關系也可從圖6的回歸分析可以得出，即，土壤CO2濃度與土壤濕度呈很高的正相關關系，相關系數達R=0.95。

圖5　土壤CO2濃度和土壤濕度變化過程

圖6　土壤CO2濃度與平均濕度的相關性分析

3.2.3土壤CO2濃度與風速的關系

在土壤粗糙表面因風作用引起的氣流變化會造成壓力差。氣壓的增高或減少影響氣流對土壤投入或擴散，高風速使土壤表面空氣投入土壤中會導致土壤CO2濃度的減少，當風速低或者沒有風的時候土壤空氣擴散到空氣中及使土壤CO2濃度增高。由圖7可知，土壤CO2濃度和風速有著相似的變化趨勢。實驗期間風速日變化呈現雙峰型，第一峰值出現在6:00—9:00，第二峰值出現在17:00—19:00，白天的風速明顯大于夜間，其變化范圍為1.5～3.8 m/s，平均值為2.6 m/s。就日變化而言，日最高值出現在18:00時左右，最低值出現在4:30時左右。從00:00開始風速減小，4:30降到1.5 m/s，然后開始增大，8:30升到3.3 m/s。之后很少，保持一定水平，18:30開始緩慢減小，22:30降到1.9 m/s。通過分析發現，土壤CO2濃度與風速之間有很好的對應關系，即土壤CO2濃度高時相應地風速也大，土壤CO2濃度低時相應地風速也小，不過兩者之間存在一定的滯后性。如，風速達到高值后一段時間，才能引起土壤CO2濃度的升高。同樣，風速變小1～2 h之后，土壤CO2濃度才能出現較低的濃度值。本文中，由于未考慮滯后相關的參數計算，土壤CO2濃度和風速的相關性分析結果顯示出正相關性，這與趙景波等[27]在西安人工林區域開展的風速與土壤CO2濃度的變化情況類似。由圖8可以看出，土壤CO2濃度和風速之間呈現正相關關系（相關系數R=0.549），雖然相關系數比土壤溫度、土壤濕度與土壤CO2濃度的相關關系差，但也是影響該區域土壤CO2濃度變化的影響因子之一。

3.2.4土壤CO2濃度與氣壓的關系

圖7　土壤CO2濃度和風速變化過程

氣壓也是影響土壤CO2濃度的主要因素之一。當氣壓增高，土壤空氣被壓縮及大氣空氣投入土壤之中，使得土壤CO2濃度減小，同樣，氣壓的減小對土壤空氣提供擴散到土壤表面的機會，這個過程引起增加土壤CO2濃度。由圖9可知，肖塘地區夏季氣壓變化幅度為896.1～908.7 hPa，平均值為900.8 hPa，最高值出現在8月31日，最低值出現在6月20日。就兩者變化關系來看，土壤CO2濃度較高時相應地氣壓較低、土壤CO2濃度較低時相應地氣壓較高，兩者呈顯著性負相關。這種變化關系在Sánchez-Ca?ete在西班牙南部進行的土壤CO2濃度觀測試驗得到證實。西班牙南部干旱區中，大氣壓力增強時，土壤CO2在氣壓作用下向更深層次的土壤滲透或遷移。當大氣壓力變小時，土壤深處的CO2向土壤表層遷移，使得測量區域的土壤CO2濃度升高[14]。

圖8　土壤CO2濃度與風速的相關性分析

圖9　土壤CO2濃度和氣壓變化過程

4　結論

（1）土壤CO2濃度呈明顯的晝夜變化特征，整體上呈白天升高，夜間回落的趨勢。濃度最高值和最低值分別出現在白天和夜間。6—8月40 cm深處土層中土壤CO2濃度平均值分別是520.02 ppm、505.15 ppm與511.14 ppm，6月平均濃度明顯大于7月和8月。

（2）土壤溫度是影響土壤CO2濃度的決定性環境因子。同時，土壤濕度對土壤CO2濃度的影響也不容忽視。土壤濕度通過控制土壤空氣的空隙而影響土壤CO2濃度。

（3）風速也是土壤CO2濃度的影響因子之一，但與土壤CO2濃度變化之間存在一定的滯后性。

（4）土壤CO2濃度的變化還受氣壓的影響。氣壓對土壤CO2濃度的影響不是直接的，通過改變土壤空氣密度而影響土壤CO2濃度變化，兩者具有負相關性，氣壓的增高會減小土壤CO2濃度，氣壓的降低會增大土壤CO2濃度。

參考文獻:

[1]溫曉霞，魏俊，楊改河.陜西省生態足跡動態評價研究[J].西北農林科技大學學報：自然科學版，2006，34（10）：55-59.

[2] Flanagan L B，W ever L A，Carlson P J.Seasonal and Interannual Variation in Carbon Dioxide Exchange and Carbon Balance in a Northern Temperate Grassland [J]. GlobalChangeBiology，2002（8）：599-615.

[3]姜國寶.土壤空氣與土壤肥力的關系[J].土壤通報，1986，17（7）：89-93.

[4]程云生.土壤空氣研究概況[J].土壤學報，1965，13（3）：6-12.

[5]戴萬宏，王益權，黃耀，等.塿土剖面CO2濃度的動態變化及其受環境因素的影響[J].土壤學報，2004，41（5）：170-175.

[6]莫江明，方運霆，李德軍，等.鼎湖山主要森林土壤CO2排放和CH4吸收特征[J].廣西植物，2006，26（2）：142-147.

[7]張智才，劉峻杉，朱鍇，等.內蒙古典型草原土壤不同剖面深度CO2通量格局及其驅動因子[J].生態環境，2008，17 （5）：2024-2030.

[8]趙擁華，趙林，武天云，等.冬春季青藏高原北麓河多年凍土活動層中氣體CO2濃度分布特征[J].冰川凍土，2006，28（2）.

[9]趙景波，邵天杰，呂曉虎，等.巴丹吉林最高沙山區CO2濃度與晝夜變化規律[J].地理研究，2010，29（11）：1993-2003.

[10]黃磊.固沙植被區典型生物土壤結皮類型下土壤CO2濃度變化特征及其驅動因子研究[J].中國沙漠，2012，32 （4）：915-920.

[11]邵天杰，趙景波，郁科科，等.騰格里沙漠民勤沙丘CO2濃度與晝夜變化規律研究[J].環境科學，2010，31（12）：3004-3010.

[12]趙擁華,趙林,武天云,等.冬春季青藏高原北麓河多年凍土活動層中氣體CO2濃度分布特征[J].冰川凍土，2006，28（2）：183-190.

[13] JenniferL L,George E.H，Laura Dobeck L S.Dynamics of CO2Fluxes and Concentrations During a Shallow SubsurfaceCO2Release[J].EnvironmentalEarth Sciences，2010，60：285-297.

[14] Sánchez-Ca?ete E P.Characterization ofCO2Exchanges in Deep Soils and Caves and Their Role in the Net Ecosystem Carbon Balance [D].Universidad de Granada，2013.

[15]來風兵，孫虎，張展赫，等.塔克拉瑪干沙漠和田河西側胡楊沙堆的形態特征及空間分布格局[J].中國沙漠，2015（2）：284-293.

[16]王雪芹，楊東亮，馬洋，等.沙漠—綠洲過渡帶典型下墊面風速脈動特征——以塔克拉瑪干沙漠南緣策勒綠洲為例[J].中國沙漠，2015（3）：542-548.

[17]金莉莉，何清，買買提艾力·買買提依明，等.塔克拉瑪干沙漠腹地輻射平衡和反照率變化特征[J].中國沙漠，2014（1）：215-224.

[18]賈文茹，李生宇，高曉陽，等.塔克拉瑪干沙漠腹地不同種類植物葉面滯塵粒度特征[J].中國沙漠，2014（3）：658-665.

[19]王新萍，楊青.塔克拉瑪干沙漠周邊地區極端弱降水的時空變化特征[J].中國沙漠，2014（5）：1376-1385.

[20]溫雅婷，何宏讓，王春明，等.塔克拉瑪干沙漠腹地湍流能量耗散率和結構函數參數特征[J].中國沙漠，2014 （4）：1094-1101.

[21]陸輝，魏文壽，崔彩霞，等.塔克拉瑪干沙漠腹地黑碳氣溶膠濃度[J].中國沙漠，2014（4）：1087-1093.

[22]買買提艾力·買買提依明，繆啟龍，王延慧，等.塔克拉瑪干沙漠北緣過渡帶紫外輻射和總輻射特征[J].中國沙漠，2013（6）：1816-1823.

[23]劉永強，買買提艾力·買買提依明，霍文，等.塔克拉瑪干沙漠地表發射率及分布變化特征[J].沙漠與綠洲氣象，2014，8（3）：1-7.

[24]顧軍明，霍文，何清.塔克拉瑪干沙漠北緣兩種下墊面氣象要素廓線特征分析[J].沙漠與綠洲氣象，2014，8（2）：27-33.

[25]王延慧，買買提艾力·買買提依明，何清，等.塔克拉瑪干沙漠北緣地表能量收支特征[J].沙漠與綠洲氣象，2014，8（3）：34-41.

[26]楊興華，李紅軍，何清，等.塔克拉瑪干沙漠荒漠過渡帶春季風沙活動特征—以肖塘為例[J].中國沙漠，2012，32 （4）:910-914.

[27]趙景波，王長燕，岳應利，等.西安地區人工林土壤干層與水分恢復研究[J].自然資源學報，2007，32（6）：1583-1589.

[28]李瑜琴，趙景波.西安地區豐水年林地土壤水分恢復效應研究[J].干旱地區農業研究，2009，27（3）：101-106.

[29]楊玉盛，董彬，謝錦升.森林土壤呼吸及其對全球變化的響應[J].生態學報，2004，24（3）：583-591.

[30] Liu Ying,Han Shijie,LIXuefeng.The Contribution of RootRespiration ofPinuskoraiensis Seedlings TotalSoil Respiration underElevated CO2Concentration[J].Journal ofForestResearch，2004，15（3）：187-191.

Daily Variation Characteristicsand Influence FactorsofSoilCO2Concentration in Xiaotang Region in Summer

Alim Abbas1，2，3，AliMamtimin2，3，HE Qing2，3，HUO W en2，3，YANG Fan2，3，YANG Xinghua2，3，RenaguliTailaiti4
（1.CollegeofGeographicalScienceand Tourism，Xinjiang NormalUniversity，Urumqi830054，China；2.InstituteofDesertMeteorology，China MeteorologicalAdministration，Urumqi830002，China；3.The Taklimakan DesertAtmosphere EnvironmentObservation Station，Tazhong841000，China；4.Kezhou MeteoroligicalBureau，Atux845350，China）

AbstractThe characteristics and influence factors ofsoil CO2concentration were analyzed by using soil CO2concentration,soil temperature,soil humidity at a depth of40 cm,and data of atmospheric pressure and wind speed from Xiaotang region,a transition zone ofmobile desertof northern borderofTaklimakan desert,from 1 stJulyto31 stAugust,2015.Theresultsshowed that, （1）the daily change ofsoilCO2concentration ata depth of40 cm appeared a single peak curve （lowervaluesatnightand high valuesatday）,the daily maximum value occurred atabout18:00 and the lowestvalue appeared atabout06:30,the average concentration value varied from 506.97 ppm to 518.14 ppm;（2）soil CO2concentration increased as the soiltemperature rose with a significantpositive correlation,（3）the highersoilrelative humidityaccompanied the highersoilCO2concentration with a significantpositive correlation because the soilCO2was noteasily dispersed underhigherrelativehumidity；（4）atmosphericpressureaffected soilCO2concentration byallowing air into the soilor soildecreased CO2concentration by atmospheric diffusion,and there were a negativecorrelation between them.

Key wordsTaklimakan desert;soilCO2concentration;influencefactors

中圖分類號：P461.4

文獻標識碼：B

文章編號：1002-0799（2016）02-0063-07

doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.02.010

收稿日期：2015-11-19；修回日期：2016-01-22

基金項目：國家自然科學基金（41175140）；公益性行業專項（GYHY201306066）共同資助。

作者簡介：阿力木·阿巴斯（1988-），男（維吾爾族），碩士研究生，主要從事干旱區環境演變的研究。E-mail：342483183@qq.com

通訊作者：買買提艾力·買買提依明（1978-），男（維吾爾族），副研究員，主要從事沙漠大氣邊界層研究。E-mail：ali@idm.cn