全 文 ：开放式空气 CO2 浓度增高条件下旱地土壤
气体 CO2 浓度廓线测定 3
刁一伟1 ,2 　郑循华1 3 3 　王跃思1 　徐仲均1 　韩圣慧1 　朱建国3
(1 中国科学院大气物理研究所 ,北京 100029 ;2 南京气象学院 ,南京 210044 ;3 中国科学院南京土壤研究所 ,南京 210008)
【摘要】　设计了一套适合于 FACE(free2air CO2 enrichment)平台的旱地土壤气体 CO2 浓度廓线测定方法 ,
并将其应用于田间实验. 在江苏省无锡市郊区具有太湖地区典型水稻土的稻麦轮作农田 ,对 FACE和对照
麦田以及裸土 0～30cm 土层的土壤气体 CO2 浓度廓线进行了观测研究. 结果表明 ,所采用的方法满足进
行旱地农田土壤气体 CO2 浓度廓线研究的要求 ;在 0～30cm 土层中 ,上层土壤气体中的 CO2 向上垂直扩
散要比下层土壤快 ;在作物旺盛生长期 ,大气 CO2 浓度升高 200 ±40μmol·mol - 1使 0～30cm 土层的土壤气
体 CO2 浓度显著提高 14 % ±5 %(t2检验 P < 0. 001) .
关键词 　CO2 浓度廓线 　土壤气体 　CO2 浓度增高 　方法
文章编号 　1001 - 9332 (2002) 10 - 1249 - 04 　中图分类号 　S161 ,X171 　文献标识码 　A
Measurement of CO2 prof iles in non2waterlogged soil in a FACE study. DIAO Yiwei1 ,2 , ZHEN G Xunhua1 ,
WAN G Yuesi1 ,XU Zhongjun , HAN Shenghui1 , ZHU Jianguo3 (1 Institute of A t mospheric Physics , Chinese A2
cademy of Sciences , Beijing 100029 ;2 N anjing Institute of Meteorology , N anjing 210044 ;3 N anjing Institute
of Soil Science , Chinese Academy of Sciences , N anjing 210008) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2002 ,13 (10) :1249
～1252.
A method was specially designed and applied for measuring CO2 concentration of soil air over the non2waterlogged
period of a rice2wheat rotation on an available area of about 1. 6m2 in a FACE (free2air CO2 enrichment) study.
Based on measuring the CO2 concentration over the soil profile of 0～30 cm in depth using this method , the CO2
profile in the soils of wheat fields under elevated and ambient CO2 and the bare land under ambient CO2 was in2
vestigated and some preliminary results were obtained. Within 0～30 cm in soil depth ,CO2 in the pores of the
upper soil layers vertically diffused upwards much more quickly than that in the lower soil layers. During the pe2
riod with active wheat growth , elevated atmospheric CO2 by 200 ±40μmol·mol - 1 significantly increased the CO2
concentration in soil air within 0～30 cm in depth by 14 % ±5 % (t2test , P < 0. 001) .
Key words 　Concentration profile of soil CO2 , Soil air , Free2air CO2 enrichment , Method.3 国家自然科学基金 (40175030)和中国科学院知识创新重要方向资
助项目 ( KZCX22408 和 KZCX12SW201) .3 3 通讯联系人.
2002 - 06 - 12 收稿 ,2002 - 08 - 18 接受.
1 　引 　　言
土壤作为多孔介质 ,其空隙内储存的空气中存
在着大量微量气体成分 (包括 CO2 、CH4 、N2 O 等) .
与此同时 ,土壤基质也可能吸附着大量的微量气体
分子. 土壤微量气体成分主要来源于土壤中一系列
化学和生物化学反应的直接产生以及地面空气向土
壤中的扩散 ,土壤中微量气体含量的多少及其空间
分布 ,主要取决于土壤中的产生过程、大气向下扩散
过程以及土壤气体向大气排放过程综合作用的结
果. 在目前盛行的生物地球化学模型 (如 DNDC[8 ])
研究中 ,通常根据 CO2 等气体的生物地球化学产生
过程计算单位体积土壤所含气体质量数在土壤中的
垂直分布 ,然后用扩散方程计算 CO2 等气体向地面
的排放速率. 但是 ,我们并不知道计算的气体分布是
否正确 ,也不知道所引用的扩散速率常数是否符合
客观事实 ,因为从来没有观测资料对其进行验证. 显
然 ,对 CO2 等气体的土壤排放过程进行客观模拟 ,
仅仅了解其在土壤中的生物地球化学过程尚不够 ,
还必须定量了解其土壤气体浓度在土壤中的分布特
征以及变化规律. 为此 ,首先必须实现对土壤气体样
品的有效采集和分析. Dowdell 等[3 ]设计了孔隙尺
度为 5nm 的多孔熔结青铜杯 (porous sintered bronze
cups with 52nm pore size)测量土壤中乙烯气体的浓
度. Goodroad 和 Keeney[5 ]以及 Cates 和 Keeney[2 ]
将塞有橡胶塞的聚氯乙烯管垂直安装在土壤中 (其
应 用 生 态 学 报 　2002 年 10 月 　第 13 卷 　第 10 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Oct . 2002 ,13 (10)∶1249～1252
中大约有 20ml 的空间) ,每次采样时用细针刺入橡
胶塞从中抽取 10ml 土壤气体 ,测定 N2O 浓度. Bur2
ton 和 Beauchamp [1 ]的多层次采样探测器以及 So2
tomayor 和 Rice[10 ]的采样装置都是利用在土壤中钻
孔的方法 ,在一定土壤深度垂直埋设采样管 ,采集气
体样品 ,分析 N2O 和 CO2 浓度. Fang 和 Moncrieff [4 ]
将此项技术进行了改进 ,他们将长方体气体收集装
置 (2. 5cm ×2. 5cm ×5cm) 埋设在不同深度 ,用抽气
泵采集气体样品并分析 CO2 浓度. 为防止抽取气体
样品过程中采样管内气体与周围土壤气体的交换 ,
Kammann 等[7 ]设计了密闭采样系统测定土壤中的
CH4 、N2O 和 CO2 气体浓度. 他将两头密封、外面套
有金属保护网的硅胶管 (内径 13mm ,管壁厚 3mm ,
长度为 130cm) 盘成螺旋状 ,埋设于一定的土壤层
中 ,由于硅胶管壁的良好渗透性 ,气体在几小时内就
可以完全透过管壁渗入管内 ,采样时通过与其相连
的导管在地面用注射器抽取气样. 参考上述各种方
法的可取之处 ,本文设计了适合于旱地农田 FACE
(free2air carbon dioxide enrichment)研究的土壤气体
采样方法 ,并将其应用在 FACE 研究中观测研究稻
麦轮作农田旱田阶段的土壤气体浓度垂直分布的变
化规律及其受大气 CO2 浓度升高的影响.
2 　研究地区与研究方法
211 　研究地区概况
实验地点选在江苏省无锡市锡山区安镇镇年余村农场
内 (31°37′N ,120°28′E) ,实验田为太湖地区典型水稻土上的
稻麦轮作农田 ,土壤为黄泥土 ,耕作层厚度 13. 0 ±1. 6cm ,容
重 1. 2 ±0. 7g·cm - 3 ,总孔隙度 54 % ±2 % ,粘粒 ( < 0. 005
mm)含量 37 % ,有机质含量 25. 8 ±0. 4 g·kg ,全 N 含量 1. 59
±0. 25 g·kg、全 P 含量 (以 P2 O5 计) 1. 23 ±0. 32 gkg ,p H
(水)值为 6. 8. 6 月中旬至 10 月中下旬为水稻生长季 ,11 月
至次年 5 月底或 6 月初为冬小麦生长季 ,两茬作物之间 ,旱
田裸露闲置. 试验中分设 3 个重复对照区 (Ambient) 和 3 个
重复 FACE区 , FACE 的大气 CO2 浓度始终保持比对照高
200 ±40μmol·mol - 1 . 关于 FACE 区的 CO2 浓度设定与控制
可参阅文献[6 ,9 ] . 另外 ,还在对照田增设 3 个重复空白区. 每
个空白区大小 2m ×2m ,不种植作物 ,并随时清除杂草 ,其他
处理与对照区完全相同. 空白区周围是与对照区处理完全相
同的麦田. 冬小麦 (品种 : Triticum aestivum L . cv. Ningmai2
9)于 2001 年 11 月 15 日播种 ,2002 年 6 月 2 日收割. 小麦生
长季 N 肥施用量为 250kg·hm - 2 (以纯 N 计 ,下同) . 其中 11
月 13 日施复合肥 50 kg·hm - 2 ,尿素 50 kg·hm - 2 ;12 月 4 日
施尿素 50 kg·hm - 2 ;3 月 3 日施复合肥 25 kg·hm - 2 ,尿素 25
kg·hm - 2 ;4 月 5 日施尿素 50 kg·hm - 2 . 田间管理按当地常
规方式进行.
212 　采样器的构造
　　如图 1 所示 ,采样器由 3 部分组成 :集气管、导气管和密
封塞. 集气管是 1 个圆柱形的聚四氟乙烯 ( Teflon) 管 ,长
10cm ,外径 1. 25cm ,内径 0. 87cm ,容积 6ml ,管端有橡胶塞 ,
以免土壤颗粒堵塞集气管和导气管 ,管壁水平两侧各有 2 排
直径为 0. 5mm 左右的通气孔均匀分布 ,以便于管内外土壤
气体和水的交换. 集气管水平置于土壤内一定深度. 集气管
的一端连接外径 1. 6mm、内径 1. 2mm 的不锈钢导气管. 导
气管一端穿过橡胶塞伸到集气管中央 ,另一端一直垂直伸出
地面约 10cm ,顶端装有橡胶密封塞 (岛津气相色谱仪专用密
封塞) ,以完全阻止管内气体与地面大气的交换. 采样器所用
的均是化学惰性材料. 实际观测中每两次采样间隔 3～4d ,
每管内外气体有足够的平衡时间. 因此 ,可以忽略集气管及
管内原有气体对观测结果的影响.
图 1 　气体采样器
Fig. 1 Gas sampler.
A. 密封塞 Stopper ; B. 导气管 Stainless steel tube ; C. 集气管 Gas
reservoir.
213 　采样器埋设
　　本实验将采样器分别埋设在各 FACE区、对照区和空白
区. FACE和对照区的采样器埋在地气交换通量观测框附近
大约 20cm 处的土壤中 ,空白区的采样器埋于通量观测框内
的土壤中. 如图 2 所示 ,采样器的埋设深度分别为 : 3、6、9、
12、15、18、21、24、27 和 30cm. 10 个采样器被分为两组 ,同一
组中每个采样器之间的垂直间距 6cm ,水平间距 10～15cm ,
两组之间的水平间距 40cm. 这样设置间距是为了尽量避免
采样过程中各土层之间的气体发生严重的相互扰动. 地表没
图 2 　土壤剖面中埋设采样器的示意图
Fig. 2 Fixing sampler in the soil profile.
0521 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
有安装采样器 ,采样时 ,直接用注射器抽取土壤表面的气体 ,
代表深度为 0cm 的气体.
214 　样品采集与分析
　　采样时间定在每周的星期一、四. 采样时 ,用 5ml 标准注
射器抽取地表气体 3ml 作为 0cm 的样品 ,然后用注射器刺入
密封塞 ,依次从各深度的采样器中各抽取 3ml 气体. 每抽取
1 个气体样品 ,立即用橡胶垫密封注射器针尖. 采样后 ,迅速
送到现场实验室 ,用气相色谱仪 ( GC) 分析 CO2 浓度. 所用
GC是经改装的 varian3400 气相色谱仪. 气体样品中的 CO2
组分在柱箱内经色谱 ( Porpark Q 50/ 80 目不锈钢填充柱 ,内
径 2. 2mm ,外径 3. 2mm ,长 2. 0m) 分离后 ,首先通过镍触酶
转化器 ,与 H2 反应转化为 CH4 ,再由氢火焰离子检测器
( FID)检测 CH4 信号 ,用外标工作曲线标定 CO2 浓度. 柱箱
和 FID 温度分别为 45、200 ℃,载气为高纯 N2 ,流速 15ml·
min - 1 ,燃气和反应气 H2 流速 30ml·min - 1 ,空气流速 300ml·
min - 1 . 每个样品的分析时间为 1. 8min.
3 　结果与讨论
311 　观测数据的可靠性
　　试验从 2001 年 11 月开始到 2002 年 4 月 ,每周
分别在星期一、四观测 2 次 ,每次固定在上午 9∶00
～11∶00 之间进行. 根据观测结果 ,土壤中的 CO2 气
体浓度基本保持在 3500～5500μmol·mol - 1之间 ,比
地面空气中的浓度高 1 个数量级 ,并且对于绝大多
数观测 ,都能得到比较规律的分布廓线 (如图 3) . 这
表明采样器与其周围的土壤之间已经建立了稳定的
气体平衡关系 ,每周 2 次的观测频率以及每个样品
采集 3ml 气体不会对土壤内的气体分布产生明显扰
动.试验测得 6cm 深度 3～4 月份的土壤气体 CO2
浓度平均为 3874μmol·mol - 1 ,这与德国的 Kam2
mann
[7 ]1998～2000 年在深度为 5cm 的草地土壤中
测得的结果 ( 3 个试验点分别为 3950、3790 和
4290μmol·mol - 1)基本一致.
　　已经取得的观测数据表明 ,本研究设计的采样
分析方法 ,具有操作简单、方便 ,数据稳定、可靠等特
点 ,只要采取适当的采样时间间隔 (3～4d) ,并在保
证气相色谱分析精度的前提下尽量减少气体样品采
集量 (3ml) ,就能避免采样操作对土壤气体的扰动
影响观测结果的客观性.
312 　FACE 与对照区的土壤 CO2 浓度
　　2002 年 3～4 月的观测结果显示 :1) 土壤气体
浓度与地表气体浓度的比值约为 10～20 倍 ;2) 在 0
～30cm 土层中 ,CO2 浓度与土壤深度具有稳定的显
著相关性 ,FACE、对照和空白区的相关系数分别为
0. 99、0. 93 和 0. 96 ( P < 0. 001) ;3) FACE 区的土壤
CO2 浓度明显比对照高 14 % ±5 %或 557 ±251μmol
·mol - 1 (t2检验 P < 0. 001) (图 3) . FACE 区土壤浓度
CO2 显著偏高的原因可以这样解释 :3～4 月份正是
小麦旺盛生长的阶段 ,高浓度的大气 CO2 促进了小
麦的根系生长 ,根系分泌物增多 ,刺激了土壤微生物
种群的增长 ,导致 FACE 区的根系呼吸和土壤微生
物呼吸均强于对照区 ,从而导致土壤气体中的 CO2
浓度增高. 大气 CO2 浓度升高所致的土壤气体 CO2
浓度偏高 ,可能将导致土壤内部的理化过程发生变
图 3 　土壤空气 CO2 浓度廓线
Fig. 3 Profile of CO2 concentration in soil air .
Ⅰ. 对照 Ambient ; Ⅱ. FACE.
化 ,这一点有待进一步研究.
313 　空白与对照区的土壤 CO2 浓度
　　如图 4 所示 ,从 3 月中旬到 4 月中旬 ,随着小麦
生长 ,对照区的土壤 CO2 浓度逐渐升高 ,3～30cm
土层 的 平 均 浓 度 由 3192μmol ·mol - 1 增 长 到
4341μmol·mol - 1 ,在这一观测阶段的后期 ,30cm 土
层的气体 CO2 浓度最高可达到 5176μmol·mol - 1 . 这
说明土壤气体 CO2 浓度与植物生长活动密切相关 ,
植物生长活动越旺盛 ,土壤气体 CO2 浓度越高. 图
中对照区的浓度始终显著高于空白区 (t2检验 P <
图 4 　裸地和对照区麦田的土壤气体 CO2 浓度廓线
Fig. 4 CO2 concentration profiles of bare land and the Ambient plots.
Ⅰ. 裸地 ,3 月 18 日 Bare land , March 18 th ; Ⅱ. 裸地 ,4 月 16 日 Bare
land , April 16 th ; Ⅲ. 对照区 ,3 月 18 日 Ambient , March 18 th ; Ⅳ. 对
照区 ,4 月 16 日 Ambient , April 16 th.
152110 期 　　　　　　　　　　　刁一伟等 : FACE研究中的旱地土壤气体 CO2 浓度廓线测定 　　　　　　　　
0. 001)也进一步说明这一点. 另外 ,随着对照区土壤
气体 CO2 浓度增高 ,空白区的土壤气体 CO2 浓度也
相应升高 (平均从 982μmol·mol - 1增长到 2633μmol·
mol - 1) . 这表明空白区的土壤气体 CO2 浓度受到对
照区的影响. 其原因是 :空白区离种植小麦区域太近
(大约 1m) ,土壤气体的水平交换造成空白区土壤气
体 CO2 浓度偏高. 今后的试验在设计上应使空白区
远离种植作物的田块 ,以避免试验区之间相互干扰.
　　3～4 月份的多次观测均显示了与图 4 相同的
现象 :土壤气体 CO2 浓度分布呈现底层土壤高于上
层土壤的分布规律 ,尤其是空白区土壤 ,这种分布更
加明显. 这表明 ,上层土壤气体中的 CO2 向上垂直
扩散要比下层土壤快. 通常小麦根系主要分布在耕
作层 ,0～10 的土层集中了 90 %以上的小麦根系 ,这
一土层的微生物活动应当最为活跃 ,根系和微生物
呼吸作用产生的 CO2 也应高于底层土壤 ,如果上下
土层的气体垂直扩散速率相同 ,则上层土壤中应当
累积更高浓度的 CO2 ,而实际观测结果 ,恰好相反.
耕作、根系穿透和冻融交替使这一阶段的上层土壤
空隙比底层发达得多 ,观测结果给出 ,3～19cm 深度
的土壤空隙度为 48 %～55 % ,20～30cm 为 43 %～
47 % ,因此上层土壤中气体扩散更快.
4 　结 　　论
411 　本实验所采用的方法基本满足旱地农田土壤
气体 CO2 浓度廓线研究的要求.
412 　在作物旺盛生长期 , 大气 CO2 浓度升高
200μmol·mol - 1使 0～30cm 土层的土壤气体 CO2 浓
度显著提高 ,这将使土壤内部理化机制发生变化 ,关
于这一点 ,有待进一步研究.
413 　在 0～30cm 土层中 ,上层土壤气体中的 CO2
向上垂直扩散要比下层土壤快.
414 　本文所研究的土壤最深层为 30cm ,对于种植
作物的农田 ,作物旺盛生长期的土壤气体 CO2 浓度
在 27～30cm 处已趋于稳定 ,但更深层土壤气体的
CO2 浓度如何变化尚不清楚 ,有待进一步研究.
致谢 　导师陈万隆教授 (南京气象学院) 对本项研究予以指
导和启发 ,中国科学院南京土壤研究所韩勇、刘钢和蔡祖聪 ,
中国科学院大气物理研究所的黄 　耀、刘广仁、张 　文、谢宝
华、石立庆、宋 　涛 ,扬州大学的杨宏建等对本项研究提供重
要帮助 ,谨此致谢 !
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tion. J Envi ron Qual ,28 :784～793
作者简介 　刁一伟 ,男 ,1977 年生 ,硕士研究生 ,从事大气物
理与大环境研究. E2mail :diaoyiwei @163. com
2521 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷