土壤CO2濃度變化特征及其水文地質(zhì)意義研究

高宗軍，張洪英，李 偉，劉新剛，韓寶瑩，時(shí)孟杰，牟林凱

(1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051；3.山東省萊蕪市水土保持辦公室，山東 萊蕪 271100)

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土壤CO2濃度變化特征及其水文地質(zhì)意義研究

高宗軍1，張洪英1，李 偉2，劉新剛3，韓寶瑩3，時(shí)孟杰1，牟林凱1

(1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051；3.山東省萊蕪市水土保持辦公室，山東 萊蕪 271100)

利用EGM-4便攜式環(huán)境氣體檢測(cè)儀，在野外現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)開展沙柱試驗(yàn)，檢測(cè)土壤不同深度的CO2濃度。結(jié)果表明：土壤中CO2濃度具有明顯的差異性，具有隨著植被發(fā)育程度增高而升高的趨勢(shì)。(1)土壤中CO2濃度比當(dāng)?shù)卮髿饧暗乇鞢O2濃度顯著偏高；(2)野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到，隨深度增加，土壤溫度及CO2濃度逐漸升高，于深度210cm處土壤CO2濃度似存在極大值；(3)不同坡度時(shí)，坡度較小者的土壤CO2濃度偏高；相同坡度時(shí)，植被條件好的土壤CO2濃度偏高；(4)在單棵樹株周圍，具有隨著與樹干距離增加，同樣深度土壤CO2濃度逐漸減小的趨勢(shì)。文章討論了土壤(包氣帶)CO2濃度變化與水的溶濾能力及地下水化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系等水文地質(zhì)意義。

土壤CO2濃度；深度；植被發(fā)育程度；土地坡度變化；水文地質(zhì)意義

土壤是地球碳循環(huán)中的重要節(jié)點(diǎn)，全球土壤CO2濃度的變化對(duì)氣候變化和碳循環(huán)都會(huì)產(chǎn)生重要影響[1]。自上個(gè)世紀(jì)50年代以來，國(guó)外對(duì)不同土地利用方式和森林碳生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量、碳循環(huán)等進(jìn)行了大量研究，代表性的科學(xué)家有Shuttle worth, Grace等，他們對(duì)水汽通量、CO2通量進(jìn)行了觀測(cè)[2]。1990年代，方精云、馮宗煒、趙士洞和汪業(yè)勖等[3-8]我國(guó)科學(xué)家開始對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量和碳循環(huán)進(jìn)行研究，特別是對(duì)我國(guó)北半球高緯度地區(qū)的研究取得了較大的進(jìn)展。國(guó)內(nèi)外學(xué)者多關(guān)注不同土地利用方式及土壤表層CO2濃度的變化[9-11]，對(duì)土壤不同深度CO2濃度變化的研究較少。專家學(xué)者對(duì)于CO2與地下水水質(zhì)關(guān)系的研究大多數(shù)側(cè)重在研究地質(zhì)存儲(chǔ)CO2泄漏對(duì)地下水的影響[12，13，14]，本文重點(diǎn)闡述地表及淺部包氣帶(土壤)中CO2分布與植被間的關(guān)系，討論其與地下水的水化學(xué)性質(zhì)間的關(guān)系。該工作將有助于認(rèn)識(shí)和了解土壤不同深度的理化過程和生物學(xué)過程，有助于了解陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中土壤環(huán)節(jié)的特征，為地下水的水質(zhì)演化，特別是對(duì)地下水的溶濾作用的研究具有指導(dǎo)意義。

1 土壤CO2濃度及其檢測(cè)方法

土壤CO2濃度，是指充滿土壤空隙的氣體中所含CO2的量，單位為mg/kg，亦可稱為ppm或10-6。土壤CO2濃度的檢測(cè)，采用美國(guó)PP SYSTEM公司生產(chǎn)的EGM-4便攜式環(huán)境氣體檢測(cè)儀。將其探頭連接橡膠管后，將橡膠管開口一端置于目標(biāo)處，既可以讀出氣體中所含的CO2的量。置于空氣中可測(cè)得開口的端口處的空氣中所含的CO2的量，當(dāng)置于土壤中某一深度處時(shí)讀出的值，則為該點(diǎn)處土壤CO2濃度。由于氣體的擴(kuò)散較快，為了獲得較為準(zhǔn)確的土壤某一深度的氣體中所含CO2的量，需要將橡膠開口端快速地伸入到新鉆掘出的小孔底部，此時(shí)讀出的值即為該測(cè)點(diǎn)處的土壤CO2濃度。利用該儀器，可同時(shí)讀出測(cè)點(diǎn)處的溫度。試驗(yàn)沙柱中CO2濃度的檢測(cè)，則是將儀器的橡膠管開口與固定的沙柱的開口相連，讀出該點(diǎn)氣體中所含CO2的量，即為該點(diǎn)土壤CO2濃度。

2 研究場(chǎng)地與試驗(yàn)沙柱簡(jiǎn)介

本次對(duì)所做3處野外CO2濃度檢測(cè)場(chǎng)地及室內(nèi)開展的一組沙柱試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 耕地及果樹

魯中山區(qū)的沂源縣，為典型的北方巖溶發(fā)育區(qū)?；鶐r地層為奧陶紀(jì)碳酸鹽巖，巖溶十分發(fā)育，區(qū)內(nèi)開辟有數(shù)個(gè)國(guó)內(nèi)外有名的洞穴，如九天洞是著名的旅游景區(qū)。

于縣城東北10 km處的孟坡村，位于山間溝谷，第四系發(fā)育，常年作為耕地。該處農(nóng)業(yè)以冬小麥和夏玉米為主，測(cè)量時(shí)是冬季，無綠色植被覆蓋，但土壤中還有玉米秸稈未清除。

同時(shí)在該村某蘋果樹園中，選擇某棵長(zhǎng)勢(shì)普通的果樹，在其周圍不同距離及不同深度上進(jìn)行了土壤CO2濃度的檢測(cè)。

2.2 水土保持試驗(yàn)場(chǎng)

該場(chǎng)地位于萊蕪市萊城區(qū)北部山區(qū)棲龍灣，系水利部設(shè)置的典型小流域水土保持試驗(yàn)場(chǎng)地，用來監(jiān)測(cè)不同坡度山地土壤的侵蝕強(qiáng)度及水文特征。該區(qū)為片麻巖等太古界變質(zhì)巖分布區(qū)，該場(chǎng)地設(shè)有不同坡度、不同植被覆蓋情況的試驗(yàn)地方20余塊，我們于2016年夏天對(duì)其不同條件下的土壤CO2濃度進(jìn)行了檢測(cè)，獲得了大量數(shù)據(jù)。本文僅利用了其中的少量數(shù)據(jù)。

2.3 試驗(yàn)沙柱簡(jiǎn)介

為驗(yàn)證不同條件下的土壤(包氣帶)CO2濃度，專門采用高強(qiáng)度塑膠材料，構(gòu)建了若干圓柱形沙柱。柱高2.3 m，直徑30 cm，柱體側(cè)面螺旋形設(shè)置8個(gè)端口，端口垂直間距30 cm，每個(gè)端口向沙柱體內(nèi)部伸入3 cm，便于測(cè)到沙柱內(nèi)部CO2濃度(圖1)。本裝置做了大量試驗(yàn)，本文只介紹部分內(nèi)容，更多內(nèi)容見另文。

圖1 試驗(yàn)用沙柱示意圖

3 土壤CO2濃度檢測(cè)結(jié)果

3.1 樹干周圍土壤CO2濃度變化

在某棵蘋果樹下，以樹干為原點(diǎn)，測(cè)試距離樹干分別為10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm處，且在相同深度31 cm處的土壤CO2濃度，其變化曲線見圖2。

圖2 與蘋果樹不同距離相同深度CO2濃度變化曲線

可以看出，在相同深度、與樹干不同距離的土壤CO2濃度具有一些顯著特征：(1)土壤CO2濃度都大于地表CO2濃度。(2)相同深度、距離不同CO2濃度差異較大。在距離樹干20 cm時(shí)，CO2濃度達(dá)到最大值；而在距離30cm之后，CO2濃度具有不斷降低的趨勢(shì)。(3)在相同深度上溫度幾乎沒有變化，但是都高于地表溫度。

3.2 耕地土壤CO2濃度垂向變化

在沂源玉米耕地中選擇相距約2 m 的2點(diǎn)，檢測(cè)了不同深度土壤CO2濃度和溫度(圖3和圖4)。

圖3 點(diǎn)1不同深度CO2濃度及溫度變化曲線

圖4 點(diǎn)2不同深度CO2濃度及溫度變化曲線

由圖可以看出，不同深度土壤中CO2濃度和溫度均發(fā)生規(guī)則性變化。

(1)土壤深度和土壤CO2濃度及土壤溫度之間具有線性相關(guān)關(guān)系；

(2)土壤溫度高于地表溫度，隨深度增加，溫度升高；

(3)土壤CO2濃度亦隨深度增加而逐漸升高；觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：土壤CO2濃度在深度210 cm處出現(xiàn)極大值；在深度70～100 cm之間CO2濃度出現(xiàn)波動(dòng)，原因不明，可能是由于測(cè)試儀器操作不當(dāng)造成的系統(tǒng)誤差。

3.3 不同坡度土壤CO2濃度變化

在山東省萊蕪市棲龍灣實(shí)驗(yàn)基地，對(duì)不同地形坡度(圖5)的裸地(未種植農(nóng)作物或樹木)，分別進(jìn)行了不同深度上的土壤CO2濃度的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)隨著地形坡度的增加，不同深度上的土壤CO2濃度是具有減少趨勢(shì)的。

(圖中10-1表示地形坡度為10度的地方，20-1表示地形坡度為20度的地方，25-1表示地形坡度為25度的地方，30-1表示地形坡度為30度的地方)

圖5 不同坡度下裸地二氧化碳變化

3.4 不同植被覆蓋土壤CO2濃度和溫度變化

同樣在山東省萊蕪市棲龍灣實(shí)驗(yàn)基地，對(duì)不同地形坡度、不同植被覆蓋狀況，分別進(jìn)行了不同深度的土壤CO2濃度的檢測(cè)。這里僅列出地形坡度為10度和20度的兩種情況(圖6和圖7)。發(fā)現(xiàn)在相同的地形坡度的情況下，不同植被覆蓋也會(huì)對(duì)不同深度上的土壤CO2濃度具有顯著影響。對(duì)于10度坡的情況，裸地地方小于花椒樹地方，花椒樹地方小于長(zhǎng)勢(shì)喜人的花生地方。對(duì)于20度坡的情況，看起來較為復(fù)雜：深度小于15 cm時(shí)，裸地<板栗<赤松+刺槐<花生；深度15～45 cm時(shí)，裸地<板栗<花生<赤松+刺槐；深度大于45 cm時(shí)，裸地<花生<板栗<赤松+刺槐?？梢钥闯?，根系發(fā)育直接影響不同深度土壤CO2濃度。

(10-1為10度坡裸地方，10-2為10度坡花椒樹地方，10-3為花生地地方，花生長(zhǎng)勢(shì)較旺)

圖6 坡度10°條件下二氧化碳濃度變化

(20-1為20度坡的裸地地方，20-2為花生地的地方，20-3為板栗地方，20-4為赤松與刺槐地方)

圖7 坡度20°條件下二氧化碳濃度變化

3.5 正常與無菌條件下包氣帶CO2濃度變化

作者認(rèn)為，土壤CO2濃度與其微生物含量有關(guān)。無論是植被的根系發(fā)育，還是無植被的裸地，其土壤中是蘊(yùn)含著大量微生物的。對(duì)此，作者利用沙柱體，開展了正常及無菌條件下的不同深度土壤CO2濃度的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)這種特征是顯著的(圖8)：即無菌條件下，沙柱體內(nèi)CO2濃度幾乎是不變的，而且接近于當(dāng)?shù)卮髿庵械腃O2濃度；與此同時(shí)，未經(jīng)無菌處理的沙柱體內(nèi)的CO2濃度，則具有與野外實(shí)測(cè)得到的隨著深度增加CO2濃度逐漸增加的趨勢(shì)相一致的特征。

圖8 正常與無菌條件下包氣帶CO2濃度

4 結(jié)語

4.1 土壤CO2濃度變化特征

通過現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)沙柱體CO2濃度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，土壤CO2濃度具有以下特征：

(1)土壤CO2濃度比地面及大氣中的CO2濃度呈指數(shù)增加的趨勢(shì)；

(2)不同深度土壤CO2濃度具有顯著變化，隨深度的增加土壤CO2濃度逐漸升高，但在深度210 cm左右土壤CO2濃度似出現(xiàn)極大值；

(3)在相同或相近的環(huán)境中，植被發(fā)育程度不同，土壤CO2濃度也不同；具有隨著植被發(fā)育的增強(qiáng)，土壤CO2濃度也逐步增加的趨勢(shì)；

(4)在單株樹木周圍，在相同的深度上，具有隨著與樹干距離的增加，其土壤CO2濃度逐漸減小的趨勢(shì)。

(5)同樣質(zhì)地的土壤，隨著其傾斜坡度的增大，土壤CO2濃度具有逐漸減小的趨勢(shì)；

由上述特征不難看出，土壤CO2濃度具有與植被發(fā)育程度直接或間接正比相關(guān)的關(guān)系，即植被發(fā)育程度強(qiáng)則其土壤CO2濃度高，反之亦然。

由此可得出以下兩個(gè)基本結(jié)論：一是土壤CO2濃度是植被根系活動(dòng)與發(fā)育的產(chǎn)物；二是地下水中CO2的主要來源是土壤而并非大氣。

由此亦可以進(jìn)一步推論得出：在石灰?guī)r分布地區(qū)，裸露的石灰?guī)r地區(qū)與土壤覆蓋較厚、植被發(fā)育的石灰?guī)r地區(qū)相比，裸露的石灰?guī)r分布區(qū)由降水入滲補(bǔ)給形成的地下水中的CO2濃度相對(duì)較低，反之亦然。

4.2 土壤CO2濃度的水文地質(zhì)意義

眾所周知，水的化學(xué)性質(zhì)取決于水的溫度、壓力及其所含的化學(xué)物質(zhì)的成分及其多寡，而自然界中的水的CO2濃度的提高或降低，都會(huì)對(duì)水的溶蝕性能力產(chǎn)生直接影響，正如下屬3個(gè)化學(xué)式所描述的：

CO2+H2O+CaCO3(碳酸鹽巖)

(1)

CaAl2Si2O8(鈣長(zhǎng)石)+2CO2+3H2O→Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+Ca+++2HCO3-

(2)

H2O+2CO2+ 2NaAlSi3O8(鈉長(zhǎng)石)→Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+4SiO2(溶于水)+2Na++2HCO3-

(3)

當(dāng)水中的CO2濃度升高時(shí)，該3個(gè)化學(xué)式均具有向著右側(cè)方向發(fā)展的趨勢(shì)，即此時(shí)水的溶蝕石灰?guī)r、鈣長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石(斜長(zhǎng)石)的能力就會(huì)得到增強(qiáng)，因而勢(shì)必會(huì)造成由降水補(bǔ)給形成的地下水中的可溶性化學(xué)成分的類型及濃度發(fā)生變化，直接影響地下水的水質(zhì)。

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Analysis of vertical profiles of soil CO2with different depths and its hydro-geological significance

GAO Zong-jun1, ZHANG Hong-ying1, LI Wei2, LIU Xin-gang3, HAN Bao-ying3,SHI Meng-jie1,MOU Lin-kai1

(1.College of Earth Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, 266590,China;2.Center for Hydrogeology and Environmental Geology, China Geology Survey, Baoding 071051, China;3. The office of soil and water conservation in Laiwu City, Laiwu , 271100, China)

Using EGM-4 portable gas detector to detecte the CO2concentration and temperature in soil at countryside and Lab. The results showed: The concentration of CO2in the soil increases with the development of vegetation. (1) The concentration of CO2in the soil was greater than that in the atmosphere or ground surface.(2) The CO2concentration of soil at different depth has significant changes that it gradually increases with the increase of the depth but it may be the max at depth of 210cm.(3) The soil CO2concentration increases with the increasing of vegetation development degree or the decreasing of land slope.(4) The soil CO2concentration decreases with the distance from the tree trunk . At the end the certain relationship between the change of groundwater and the aeration zone of CO2is discussed.

soil CO2concentration; depth; Vegetation development degree; Land slope change; hydro-geological significance

2017-03-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：“地下水流及其系統(tǒng)分異的熱驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究”(41641022)；沂蒙山革命老區(qū)1:5萬水文地質(zhì)調(diào)查“大汶河流域水化學(xué)演特征研究”

高宗軍(1964-)，男，山東泰安人，教授，主要從事水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等教學(xué)研究。

S153.6+1

A

1004-1184(2017)03-0136-04