全 文 ：覆膜对绿洲棉田土壤 ＣＯ２通量和 ＣＯ２浓度的影响
∗
俞永祥１，２　 赵成义１∗∗　 贾宏涛３　 于　 波１，２　 周天河１，２　 杨与广１，２　 赵　 华４
（ １中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室，乌鲁木齐 ８３００１１； ２中国科学院大学，北京 １０００４９；
３新疆农业大学，乌鲁木齐 ８３００５２； ４新疆昌吉水文水资源勘测局，新疆昌吉 ８３１１００）
摘　 要　 基于静态箱法和气井法分别测定新疆棉田覆膜位置的土壤 ＣＯ２通量和 ＣＯ２浓度．结
果表明： 土壤 ＣＯ２通量和 ＣＯ２浓度时间变化特征与土壤温度变化趋势一致，均表现为 ７ 月较
高，１０月最低．观测期内，棉田土壤 ＣＯ２累积排放量非覆膜处理为 ２０３２．８１ ｋｇ Ｃ·ｈｍ
－２，覆膜处
理为 １８７１．９５ ｋｇ Ｃ·ｈｍ－２；而 １ ｍ深度内土壤 ＣＯ２浓度非覆膜处理为 ２１６５～２３９８６ μＬ·Ｌ
－１，覆
膜处理为 ５１３７～２５９４５ μＬ·Ｌ－１，即覆膜减少了棉田土壤排放 ＣＯ２的同时增加了土壤 ＣＯ２积累
量．覆膜和非覆膜处理下不同深度土壤 ＣＯ２浓度和 ＣＯ２通量的相关系数分别为０．６０～０．７３和
０．５７～０．７５，表明地表释放的 ＣＯ２强烈依赖于土壤剖面储存的 ＣＯ２ ．覆膜和非覆膜处理下 Ｑ１０值
分别为 ２．７７和 ２．４８，表明覆膜处理下的土壤 ＣＯ２通量对土壤温度变化的响应更敏感．
关键词　 土壤 ＣＯ２通量； 土壤 ＣＯ２浓度； 干旱区； 棉田； 覆膜
文章编号　 １００１－９３３２（２０１５）０１－０１５５－０６　 中图分类号　 Ｓ１５２．７　 文献标识码　 Ａ
Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐｌａｓｔｉｃ ｆｉｌｍ ｍｕｌｃｈｉｎｇ ｏｎ ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ ａｎｄ ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ａｎ ｏａｓｉｓ ｃｏｔｔｏｎ
ｆｉｅｌｄ． ＹＵ Ｙｏｎｇ⁃ｘｉａｎｇ１，２， ＺＨＡＯ Ｃｈｅｎｇ⁃ｙｉ１， ＪＩＡ Ｈｏｎｇ⁃ｔａｏ３， ＹＵ Ｂｏ１，２， ＺＨＯＵ Ｔｉａｎ⁃ｈｅ１，２， ＹＡＮＧ
Ｙｕ⁃ｇｕａｎｇ１，２， ＺＨＡＯ Ｈｕａ４ （ １ Ｓｔａｔｅ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｏａｓｉｓ Ｅｃｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｄｅｓｅｒｔ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， Ｘｉｎｊｉａｎｇ
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｃｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｇｅｏｇｒａｐｈｙ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｕｒｕｍｑｉ ８３００１１， Ｃｈｉｎａ； ２Ｕｎｉｖｅｒ⁃
ｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９， Ｃｈｉｎａ； ３Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｕｒｕ⁃
ｍｑｉ ８３００５２， Ｃｈｉｎａ； ４Ｃｈａｎｇｊｉ Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｓｕｒｖｅｙ Ｂｕｒｅａｕ， Ｃｈａｎｇｊｉ ８３１１００，
Ｘｉｎｊｉａｎｇ， Ｃｈｉｎａ） ．⁃Ｃｈｉｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｅｃｏｌ．， ２０１５， ２６（１）： １５５－１６０．
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ｆｉｅｌｄ ｓｔｕｄｙ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｔｏ ｃｏｍｐａｒｅ ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ ａｎｄ ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ
ｍｕｌｃｈｅｄ ａｎｄ ｎｏｎ⁃ｍｕｌｃｈｅｄ ｃｏｔｔｏｎ ｆｉｅｌｄｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｃｌｏｓｅｄ ｃｈａｍｂｅｒ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｃｈａｍｂｅｒ
ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ． Ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ ａｎｄ ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ ａ ｓｉｍｉｌａｒ ｓｅａｓｏｎａｌ ｐａｔｔｅｒｎ， ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ
ｆｒｏｍ Ｊｕｌｙ ｔｏ Ｏｃｔｏｂｅｒ． Ｍｕｌｃｈｅｄ ｆｉｅｌｄ ｈａｄ ａ ｌｏｗｅｒ ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ ｂｕｔ ａ ｈｉｇｈｅｒ ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，
ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ｎｏｎ⁃ｍｕｌｃｈｅｄ ｆｉｅｌｄｓ． Ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｐｅｒｉｏｄ， ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ ｗａｓ
１８７１．９５ ｋｇ Ｃ·ｈｍ－２ ｆｏｒ ｍｕｌｃｈｅｄ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ２０３２．８１ ｋｇ Ｃ·ｈｍ－２ ｆｏｒ ｎｏｎ⁃ｍｕｌｃｈｅｄ ｆｉｅｌｄ． Ｓｏｉｌ ＣＯ２
ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｗａｓ ｈｉｇｈｅｒ ｉｎ ｍｕｌｃｈｅｄ ｆｉｅｌｄ （ ｒａｎｇｉｎｇ ｆｒｏｍ ５１３７ ｔｏ ２５９４５ μＬ·Ｌ－１） ｔｈａｎ ｉｎ ｎｏｎ⁃
ｍｕｌｃｈｅｄ ｆｉｅｌｄ （ ｒａｎｇｉｎｇ ｆｒｏｍ ２１６５ ｔｏ ２３９８６ μＬ·Ｌ－１）． Ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｏｉｌ
ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｅｐｔｈｓ ａｎｄ ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘｅｓ ｗｅｒｅ ０．６０ ｔｏ ０．７３ ａｎｄ ０．５７ ｔｏ ０．７５ ｆｏｒ
ｔｈｅ ｍｕｌｃｈｅｄ ａｎｄ ｎｏｎ⁃ｍｕｌｃｈｅｄ ｆｉｅｌｄｓ， ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ ｔｈａｔ ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｐｌａｙｅｄ ａ ｃｒｕｃｉａｌ ｒｏｌｅ ｉｎ
ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｍｉｓｓｉｏｎ． Ｔｈｅ Ｑ１０ ｖａｌｕｅｓ ｗｅｒｅ ２．７７ ａｎｄ ２．４８ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｕｌｃｈｅｄ ａｎｄ ｎｏｎ⁃ｍｕｌｃｈｅｄ ｆｉｅｌｄｓ，
ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ， ｓｕｇｇｅｓｔｉｎｇ ｔｈａｔ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ ｉｎ ｍｕｌｃｈｅｄ ｆｉｅｌｄ ｗａｓ ｍｏｒｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｔｏ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ； ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ； ａｒｉｄ ｒｅｇｉｏｎ； ｃｏｔｔｏｎ ｆｉｅｌｄ； ｐｌａｓｔｉｃ ｆｉｌｍ ｍｕｌ⁃
ｃｈｉｎｇ．
∗国家青年科学基金项目（４１１０１１００）、中国科学院战略性先导科技
专项（ＸＤＡ０５０２０２０３）、中德科学基金研究交流中心项目（ＧＺ８６７）和
中国科学院西部博士专项（ＸＢＢＳ２０１２０８）资助．
∗∗通讯作者． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｚｃｙ＠ ｍｓ．ｘｊｂ．ａｃ．ｃｎ
２０１４⁃０４⁃２９收稿，２０１４⁃１１⁃１５接受．
　 　 土壤 ＣＯ２ 通量是土壤与大气交换 ＣＯ２ 的主要
途径，即土壤呼吸，主要包括植物根系的自养呼吸和
土壤微生物的异养呼吸［１］ ．据估计，每年通过土壤排
放到大气中的 ＣＯ２ 高达 ７．５×１０１５ ｇ Ｃ，显著影响了全
球气候变化和碳循环过程［２］ ．严格意义上，地表测定
的土壤 ＣＯ２ 通量是土壤中 ＣＯ２ 的产出、储存和传输
等过程共同作用的结果［３］ ．但目前土壤 ＣＯ２ 排放的
测定主要针对土壤⁃大气界面的土壤 ＣＯ２ 通量，对于
应 用 生 态 学 报　 ２０１５年 １月　 第 ２６卷　 第 １期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， Ｊａｎ． ２０１５， ２６（１）： １５５－１６０
土壤剖面 ＣＯ２ 动态的认识存在一定的不足［４］ ．因此，
在测定土壤 ＣＯ２ 通量的同时监测土壤剖面 ＣＯ２ 浓
度变化，可以完善对土壤碳库变化的认识［４］ ．
农田是干旱区土壤碳库最为活跃的生态系统，
极易受耕作、施肥和灌溉等农田管理措施的影响．在
合理的管理措施下，减少农业土壤的 ＣＯ２ 排放量对
于制定减排增汇策略尤为重要［５－６］ ．近半个世纪以
来，我国西北干旱区大规模的绿洲开发活动使土壤
碳库发生了显著变化［７］ ．绿洲农田广泛使用的覆膜
栽培技术，不仅节水和提高作物产量［８］，而且影响
了土壤 ＣＯ２ 动态［９］ ．然而，覆膜对土壤与大气间的气
体交换过程的影响还存在一定的争议．例如，Ｏｋｕｄａ
等［１０］认为覆膜可以通过物理阻碍作用而减少温室
气体排放；与此相反，Ｎｉｓｈｉｍｕｒａ 等［１１］认为气体通过
薄膜扩散到大气中的量不容忽视．而在绿洲棉田，Ｌｉ
等［９］通过比较膜下滴灌和非覆膜沟灌棉田土壤 ＣＯ２
通量和 ＣＯ２ 浓度，发现膜下滴灌技术相对于传统沟
灌方式显著减少了 ＣＯ２ 排放，同时也增加了土壤
ＣＯ２ 浓度．然而，沟灌方式相对于滴灌方式的灌溉量
较高，可能不利于分析覆膜对棉田土壤 ＣＯ２ 通量的
真实影响．因此，本文基于相同灌溉量的基础上，分
析覆膜和非覆膜处理下的棉田土壤 ＣＯ２ 通量和 ＣＯ２
浓度变化特征，探讨覆膜对绿洲农田土壤碳循环的
影响，以期为覆膜管理措施下干旱区农田生态系统
碳排放的估算提供科学依据．
１　 材料与方法
１􀆰 １　 试验材料与试验设计
研究地点位于塔里木盆地北缘的中国科学院阿
克苏绿洲农田生态系统实验站（４０°３７′ Ｎ， ８０°４５′
Ｅ）．站区海拔 １０２８ ｍ，属于典型温带干旱气候，年平
均气温 １１．２ ℃，年降水量 ４５．７ ｍｍ，年水面蒸发量
２５００ ｍｍ，无霜期 ２０７ ｄ，全年日照时数 ２９４０ ｈ，年太
阳辐射总量 ６０００ ＭＪ·ｍ－２ ．试验样地 ０ ～ １０ ｃｍ 土壤
ｐＨ为 ７．６，有机质 １０．２９ ｇ·ｋｇ－１，全氮、全磷和全钾
分别为 ０． ５４、０． ７７ 和 １９． ５６ ｇ·ｋｇ－１，容重为 １􀆰 ３３
ｇ·ｃｍ－３，土壤质地为粉砂壤土．
试验设覆膜和非覆膜两个处理，样地大小为
５ ｍ×５ ｍ，每个处理 ３个重复，随机区组排列．试验样
地供试棉花品种为塔农 ６ 号，株行距采用宽窄行配
置（１０ ｃｍ＋６５ ｃｍ＋１０ ｃｍ＋６０ ｃｍ），即一膜种植 ４ 行
棉花，窄行距 １０ ｃｍ，宽行距 ６５ ｃｍ，膜间距 ６０ ｃｍ，株
距均为 １０ ｃｍ．播种前施磷酸二铵 ４５０ ｋｇ·ｈｍ－２作基
肥，２０１３年 ４ 月 ２３ 日播种．生长期灌溉采用滴灌模
式，铺设滴灌带在宽行中央，定期进行滴灌，每次灌
溉持续 ７～１１ ｈ，６月 ３０日（蕾期）第 １ 次灌水，共灌
溉 ８次，每两次灌溉间隔时间 ７～８ ｄ．
１􀆰 ２　 指标测定与计算方法
２０１３年 ６月底至 １１ 月初测定土壤 ＣＯ２ 通量和
ＣＯ２ 浓度，６ 月初将采样装置布置在土壤中，保证土
壤空气有足够的平衡时间．土壤剖面的 ＣＯ２ 采用气
井法收集，装置参照 Ｌｉ 等［９］采用的装置，略微改变．
装置主要由注射器、三通阀门、聚四氟乙烯管和集气
管组成．具体为：将聚四氟乙烯管（内径 １ ｍｍ，外径
３ ｍｍ）的一端连接外裹尼龙网的聚四氟乙烯圆柱体
采气管（体积 ３０ ｍＬ），集气管两侧均匀分布针状气
孔；另一端引出地面约 １０ ｃｍ，连接三通阀门并与
５０ ｍＬ注射器相连接．采样深度分别为 １０、２０、３０、
４０、５０、６０、８０ 和 １００ ｃｍ．土壤剖面气体采样间隔时
间为 ６～７ ｄ，保证管内外气体有足够的平衡时间．
　 　 土壤 ＣＯ２ 通量采用静态箱法测定，采样箱用不
锈钢板制作而成，分箱体和底座两部分．箱体大小为
５０ ｃｍ×５０ ｃｍ×１５ ｃｍ，底座为 ５０ ｃｍ×５０ ｃｍ×１０ ｃｍ．
为充分估计覆膜对土壤的影响，底座安装在棉田的
垄上位置（图 １），采样前一周将底座封闭嵌入土中
１０ ｃｍ，以减少对表层土壤的干扰，保证覆膜处理下
的薄膜不被损坏，同时去除底座内凋落物及棉花植
株．采样频率为 １周 １次，第 １ 次降雨和施肥加密采
样，持续 ４ ～ ５ ｄ．土壤 ＣＯ２ 测定时间为 １１： ００—
１３：００，采气持续时间 ４０ ｍｉｎ，用注射器连接三通阀
采集盖箱后 ０、１０、２０、３０ 和 ４０ ｍｉｎ 的气体样品．ＣＯ２
浓度采用气相色谱仪（Ａｇｉｌｅｎｔ ７８９０Ａ， Ａｇｉｌｅｎｔ， Ｐａｌｏ
Ａｌｔｏ， ＵＳＡ）测定，具体分析流程为：将 ＣＯ２ 推入镍触
媒转化器，在 ３７５ ℃高温下被 Ｈ２ 还原定量转化为
ＣＨ４后被氢火焰离子化检测器（ＦＩＤ）检测．
根据气体通量定义和测定的 ＣＯ２ 浓度值随时
间变化的方程计算土壤 ＣＯ２ 通量：
图 １　 采样箱埋设位置示意图（参照 Ｌｉ等［９］修改而成）
Ｆｉｇ．１　 Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｐｌｏｔｓ ｂｙ ｃｌｏｓｅｄ ｃｈａｍ⁃
ｂｅｒ ｍｅｔｈｏｄ （Ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｆｒｏｍ Ｌｉ， ｅｔ ａｌ．［９］ ）．
６５１ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
　 　 Ｒ＝ａ·Ｖ ／ Ａ·Ｍ ／ Ｖ０·Ｐ ／ １０１３·２７３ ／ （２７３＋Ｔ）·
ｄｃ ／ ｄｔ
式中：Ｒ 是土壤 ＣＯ２ 通量（ｋｇ Ｃ·ｈｍ
－２·ｄ－１）；ａ 是
气体样品的 ＣＯ２ 浓度（ｍ３·ｍ
－３）；Ｖ 和 Ａ 分别是气
室的体积（ｍ３）和底面积（ｍ２）；Ｍ 和 Ｖ０分别是 ＣＯ２
的摩尔质量（ｇ·ｍｏｌ－１）和摩尔体积（ｍ３·ｍｏｌ－１）；Ｐ
和 Ｔ分别是测定时气室内的气压（Ｐａ）和温度（℃）；
ｄｃ ／ ｄｔ是箱内 ＣＯ２ 浓度的变化速率（１０
－６·ｍｉｎ－１）．
棉田 １０ ｃｍ深度土壤温度和含水量均由埋设的 Ｈｙ⁃
ｄｒａ Ｐｒｏｂｅｓ 传感器 （Ｈｙｄｒａ Ｐｒｏｂｅ ＩＩ， Ｓｔｅｖｅｎｓ Ｗａｔｅｒ
Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃ．， Ｐｏｒｔｌａｎｄ， Ｏｒｅｇｏｎ， ＵＳＡ）同
步测定．
为研究棉田土壤 ＣＯ２ 通量与土壤温度的关系，
对土壤 ＣＯ２ 通量（Ｒ）和棉田 １０ ｃｍ 深度土壤温度
（Ｔ）进行拟合［１２］，方程如下：
Ｒ＝Ｒ０ ｂＴ和 Ｑ１０ ＝ｅ１０ｂ
式中：Ｒ０是温度为 ０ ℃下的土壤 ＣＯ２ 通量，即基础
呼吸速率；ｂ 是拟合参数；Ｑ１０是土壤 ＣＯ２ 通量的温
度敏感性系数．
１􀆰 ３　 数据处理
数据统计分析采用 ＳＰＳＳ １６．０软件完成，采用 Ｔ
检验比较覆膜和非覆膜处理下的土壤 ＣＯ２ 通量和
ＣＯ２ 浓度差异，采用相关分析确定土壤 ＣＯ２ 通量、
剖面 ＣＯ２ 浓度和土壤温度的关系，采用回归分析获
取土壤 ＣＯ２ 通量和 ＣＯ２ 浓度与土壤温度的经验模
型．绘图采用 ＳｉｇｍａＰｌｏｔ １２．０软件完成．
２　 结果与分析
２􀆰 １　 土壤 ＣＯ２ 通量变化特征
土壤 ＣＯ２ 通量与土壤温度的时间变化特征基
本一致，表现为 ７ 月较高而 １０ 月最低（图 ２）．在月
尺度范围内，覆膜和非覆膜处理下的土壤 ＣＯ２ 通量
均值在 ８月和 １０月存在显著性差异．覆膜和非覆膜
处理下棉田土壤 ＣＯ２ 通量变化范围分别为 ３．６６ ～
３０．８１和 ３．６６～ ３０．１７ ｋｇ Ｃ·ｈｍ－２·ｄ－１，均值分别为
１６．５９和 １８．２４ ｋｇ Ｃ·ｈｍ－２·ｄ－１ ．观测期内，覆膜处
理下土壤 ＣＯ２ 累积排放量为 １８７１．９５ ｋｇ Ｃ·ｈｍ
－２，
显著低于非覆膜处理下的土壤 ＣＯ２ 累积排放量
（２０３２．８１ ｋｇ Ｃ·ｈｍ－２）．
２􀆰 ２　 土壤 ＣＯ２ 浓度变化特征
不同深度的土壤 ＣＯ２ 浓度时间变化特征与土
壤 ＣＯ２ 通量变化趋势基本一致（图 ３）．其中，１０ ～
６０ ｃｍ深度范围内土壤 ＣＯ２ 浓度在 ７月最高而 １０月
图 ２　 覆膜和非覆膜处理下棉田土壤 ＣＯ２ 通量和 １０ ｃｍ 深
度土壤温度的时间变化特征
Ｆｉｇ．２　 Ｔｅｍｐｏｒａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｔｅｍｐｅｒａ⁃
ｔｕｒｅ ｉｎ １０ ｃｍ ｄｅｐｔｈ ｉｎ ｃｏｔｔｏｎ ｆｉｅｌｄ ｕｎｄｅｒ ｍｕｌｃｈｅｄ ａｎｄ ｎｏｎ⁃
ｍｕｌｃｈｅｄ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．
Ⅰ： 覆膜 ＣＯ２ 通量 Ｍｕｌｃｈｅｄ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ； Ⅱ： 非覆膜 ＣＯ２ 通量 Ｎｏｎ⁃
ｍｕｌｃｈｅｄ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ； Ⅲ： 覆膜温度 Ｍｕｌｃｈｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ； Ⅳ： 非覆膜
温度 Ｎｏｎ⁃ｍｕｌｃｈｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ． 不同字母表示处理间差异显著（Ｐ＜
０􀆰 ０５）Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｅｔｔｅｒｓ ｍｅａｎｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ａｔ
０􀆰 ０５ ｌｅｖｅｌ．
图 ３　 覆膜（ａ）和非覆膜处理（ｂ）下不同深度土壤 ＣＯ２ 浓度
的时间变化特征
Ｆｉｇ．３　 Ｔｅｍｐｏｒａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｄｅｐｔｈ ｕｎｄｅｒ ｍｕｌｃｈｅｄ （ａ） ａｎｄ ｎｏｎ⁃ｍｕｌｃｈｅｄ （ｂ） ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．
最低，随时间呈逐渐降低的趋势；８０ 和 １００ ｃｍ 深度
内土壤 ＣＯ２ 浓度时间变化特征表现为 ７、８ 月较高
而 １０月最低．
　 　 从土壤剖面 ＣＯ２ 浓度的分布上看，覆膜和非覆
膜处理下不同深度土壤 ＣＯ２ 浓度均值分别为
５１３７～２５９４５和 ２１６５～２３９８６ μＬ·Ｌ－１，随土层深度增
加呈线性增加趋势（图４） ．其中，除３０和６０ ｃｍ外，
７５１１期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 俞永祥等： 覆膜对绿洲棉田土壤 ＣＯ２通量和 ＣＯ２浓度的影响　 　 　 　 　 　
图 ４　 覆膜和非覆膜处理下不同深度土壤 ＣＯ２ 浓度
Ｆｉｇ．４　 Ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｅｐｔｈ ｕｎｄｅｒ ｍｕｌｃｈｅｄ
ａｎｄ ｎｏｎ⁃ｍｕｌｃｈｅｄ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．
不同字母表示同一土层深度不同处理间差异显著（Ｐ＜０．０５）Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｌｅｔｔｅｒｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｓｏｉｌ
ｄｅｐｔｈ ａｔ ０．０５ ｌｅｖｅｌ．
覆膜土壤 ＣＯ２ 浓度显著高于非覆膜土壤 ＣＯ２ 浓度，
表明覆膜增加了膜下土壤 ＣＯ２ 浓度．
２􀆰 ３　 土壤 ＣＯ２ 通量与 ＣＯ２ 浓度的相关性分析
棉田１ ｍ深度内土壤剖面ＣＯ２浓度与ＣＯ２通
量均呈显著正相关（表 １），覆膜和非覆膜处理下的
土壤 ＣＯ２ 浓度与 ＣＯ２ 通量的相关系数分别达
０．６０～０．７３和 ０．５７～０．７５，表明地表 ＣＯ２ 的释放强烈
依赖于土壤 ＣＯ２ 浓度．其中，土壤 ＣＯ２ 通量与表层
土壤 ＣＯ２ 浓度的相关性低于深层土壤．从相关程度
上看，覆膜处理下土壤 ＣＯ２ 通量与 ＣＯ２ 浓度的相关
性在上层（１０ ～ ５０ ｃｍ）较好；而非覆膜处理下土壤
ＣＯ２ 通量与 ＣＯ２ 浓度的相关性在下层（６０～１００ ｃｍ）
较高，表明不同深度的土壤 ＣＯ２ 浓度和 ＣＯ２ 通量相
关程度受覆膜的影响而存在差异．
２􀆰 ４　 土壤温度对土壤 ＣＯ２ 通量和表层土壤 ＣＯ２ 浓
度的影响
回归分析表明，覆膜和非覆膜处理下土壤 ＣＯ２
通量和表层土壤 ＣＯ２ 浓度均与土壤温度呈显著相
关，Ｒ２值为 ０．６６～０．７６，表明土壤 ＣＯ２ 通量和表层土
壤 ＣＯ２ 浓度受土壤温度的影响显著（图 ５）．此外，覆
膜还影响了土壤 ＣＯ２ 通量的温度敏感性系数．覆膜
和非覆膜处理下土壤 ＣＯ２ 通量与土壤温度的回归
模型分别为ｙ ＝ ２．２０７ｅ０．１０２ｘ和ｙ ＝ ３．１６５ｅ０．０９１ｘ，即温度
表 １　 覆膜和非覆膜处理下土壤 ＣＯ２ 通量与 ＣＯ２ 浓度的相关系数
Ｔａｂｌｅ １　 Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘｅｓ ａｎｄ ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｕｎｄｅｒ ｍｕｌｃｈｅｄ ａｎｄ ｎｏｎ⁃ｍｕｌｃｈｅｄ ｔｒｅａｔ⁃
ｍｅｎｔｓ
处理
Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
土壤深度 Ｓｏｉｌ ｄｅｐｔｈ （ｃｍ）
１０ ２０ ３０ ４０ ５０ ６０ ８０ １００
覆膜 Ｍｕｌｃｈｅｄ ０．６０２∗ ０．６７５∗∗ ０．７１４∗∗ ０．６６９∗∗ ０．７１１∗∗ ０．７３３∗∗ ０．６７３∗∗ ０．６４３∗∗
非覆膜 Ｎｏｎ⁃ｍｕｌｃｈｅｄ ０．５７０∗ ０．６０６∗∗ ０．６９５∗∗ ０．６８３∗∗ ０．６８７∗∗ ０．７４８∗∗ ０．７４３∗∗ ０．７１９∗∗
∗Ｐ＜０．０５； ∗∗ Ｐ＜０．０１．
图 ５　 覆膜（ａ）和非覆膜（ｂ）处理下土壤 ＣＯ２ 通量和 ＣＯ２ 浓度与土壤温度的关系
Ｆｉｇ．５　 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｏｉｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘｅｓ ａｎｄ ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｕｎｄｅｒ ｍｕｌｃｈｅｄ （ａ） ａｎｄ ｎｏｎ⁃ｍｕｌｃｈｅｄ （ｂ）
ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．
８５１ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
敏感系数分别为 ２．７７ 和 ２．４８，表明覆膜处理下土壤
ＣＯ２ 通量对温度的响应更敏感．覆膜和非覆膜处理
下土壤呼吸基础速率分别为 ２．２０７ 和 ３．１６５ ｋｇ Ｃ·
ｈｍ－２·ｄ－１，表明温度越低覆膜处理土壤 ＣＯ２ 排放量
越少．
３　 讨　 　 论
覆膜和非覆膜棉田土壤 ＣＯ２ 通量和 ＣＯ２ 浓度
时间变化特征类似，表现为 ７、８ 月较高而 １０ 月较
低．一方面，土壤温度是影响土壤产出和排放 ＣＯ２ 的
重要因素［１３］，较高温度的土壤微生物和植物根系活
性较高，利于产出和排放 ＣＯ２ ［１４
－１６］；另一方面，棉花
根系自养呼吸是土壤呼吸的重要组分［１７］，夏季处于
生长旺盛期的棉花根系呼吸产生的 ＣＯ２ 较多［１８］ ．两
者共同作用使棉田土壤 ＣＯ２ 通量和 ＣＯ２ 浓度呈现
夏季高而秋季低的特征．本研究土壤 ＣＯ２ 通量和
ＣＯ２ 浓度与温度的相关性显著，表明土壤温度是影
响土壤 ＣＯ２ 通量和 ＣＯ２ 浓度时间变化的主要因素．
土壤呼吸作用的温度敏感性系数（Ｑ１０）是评估温度
对土壤 ＣＯ２ 通量影响的关键参数［１２］ ．本文绿洲棉田
Ｑ１０值为 ２．４８～２．７７，高于干旱区梭梭林地（１􀆰 ９４） ［１９］
和胡杨林地土壤（１．００） ［２０］，表明绿洲农田相对于干
旱区其他自然生态系统碳循环活跃．
土壤剖面 ＣＯ２ 浓度随深度增加，这是因为土壤
表层 ＣＯ２ 受大气压力较小，容易向大气排放 ＣＯ２；而
深层土壤 ＣＯ２ 承受压力较大不利于向上扩散以及
土壤溶液中溶解碳酸盐垂直向下运移，使深层土壤
ＣＯ２ 浓度较高［４］ ．本研究土壤 ＣＯ２ 浓度与 ＣＯ２ 通量
呈显著正相关，表明土壤剖面 ＣＯ２ 浓度强烈影响了
土壤 ＣＯ２ 排放［３］ ．目前，有学者在绿洲棉田基于 Ｆｉｃｋ
第一定律和土壤剖面不同深度 ＣＯ２ 浓度测定土壤
ＣＯ２ 通量，该方法在减少土壤扰动的情况下可充分
认识土壤 ＣＯ２ 的产出和排放机制，是测定土壤 ＣＯ２
通量的有效方法［３］ ．
覆膜不仅增加了土壤温度和湿度，利于植物根
系和土壤微生物呼吸产生 ＣＯ２ ［１７］，而且通过物理阻
碍作用减少土壤 ＣＯ２ 通量，增加土壤 ＣＯ２ 浓度［９］ ．
试验期内，覆膜棉田相对于非覆膜棉田土壤 ＣＯ２ 通
量较低而 ＣＯ２ 浓度较高，表明覆膜可能是减少农田
碳排放的有效措施．但是，本试验覆膜减少的 ＣＯ２ 排
放量（８％）低于 Ｌｉ 等［９］测定的结果（２４％），两者差
异可能是不同处理下灌溉量的差异所致．本试验覆
膜和非覆膜处理灌溉量一致，而 Ｌｉ等［９］非覆膜处理
下的灌溉量是覆膜处理的 ２ 倍，可能产生更多的
ＣＯ２ ．此外，覆膜土壤储存的 ＣＯ２ 去向值得注意．一方
面，部分 ＣＯ２ 可能通过水平扩散到非覆膜的行间而
进入大气［１８］；另一方面，覆膜土壤较高浓度的 ＣＯ２
促进了碳酸盐的风化过程，有利于土壤无机碳的溶
解和形成次生性碳酸盐［２１－２２］ ．
覆膜也影响了土壤 ＣＯ２ 通量的温度敏感性系
数（Ｑ１０）和基础呼吸速率（Ｒ０）．其中，覆膜增加了棉
田土壤 Ｑ１０值，这归因于覆膜增加了土壤微生物
量［２３］；而覆膜减少了土壤有机碳含量［２３］，降低了土
壤异养呼吸速率，可能是覆膜土壤基础呼吸速率较
低所致．此外，基于土壤 ＣＯ２ 通量与温度的回归模型
表明，土壤温度低于 ３６ ℃时覆膜土壤 ＣＯ２ 通量低
于非覆膜棉田土壤，而观测期内大部分时间土壤温
度均低于该值，这从侧面证明覆膜减少了棉田土壤
ＣＯ２ 排放量．
致谢　 感谢中国科学院新疆生态与地理研究所李君副研究
员对文章的修改与帮助．
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Ｓｏｉｌ Ｂｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， ２００４， ３６： １８９３－１９０２
作者简介　 俞永祥，男，１９８８ 年生，博士研究生．主要从事农
田生态系统碳氮循环研究． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｙｕｙｏｎｇｘｉａｎｇ１９８８＠ １６３．
ｃｏｍ
责任编辑　 张凤丽
０６１ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷