高寒冻融区土石混合介质二氧化碳传输过程与有机碳库计算方法

Soil carbon has been focused widely in the studies related to carbon cycle and climatic change. However, we have not known effects of water and temperature changes induced by gravels on CO2 transmission in soils with rock fragments. The classical method can not be used to compute carbon pool in soils with rock fragments. Although many previous studies have developed single-porosity model (SPM) and dual-porosity model (DPM) to describe their hydrologic process, little attention was focused on carbon cycle in soils with rock fragments. Our previous studies found that there exist a high gravel content in soils on the Tibetan Plateau due to terrain uplift, freeze thawing and glacial recession. Soil organic carbon stock was highest in the medium gravel mulch sites with ~40–50% gravel. The objectives of this project are to i) assess effects of gravel properties on soil moisture and temperature, ii) detect CO2 movement laws in soil profile and build CO2 movement model, iii) develop a new method to compute soil carbon pool. The study results will provide valuable insight into soil carbon cycle and SPAC theory.

土壤碳是陆地生态系统碳循环与全球变化研究的热点。然而，由于砾石存在及其对水热过程的改变，土石混合介质中CO2传输机制尚不明确，基于均质土壤的质能传输理论与碳库计算方法受限。以单孔模型（SPM）和双孔模型（DPM）为基础的土石混合介质水分迁移研究已得到较快发展，但该介质气体传输和碳过程方面的研究亟待深入。申请者前期发现，在隆升挤压、寒冻风化和冰川退缩的长期作用下，青藏高原土壤中含有大量砾石，是影响碳循环的重要非生物因素，约40-50%砾石覆盖度时，土壤有机碳含量最高，申请者已经设置了不同含量的砾石覆盖与镶嵌的对照样地。本课题拟通过定位观测、控制实验和碳同位素等技术手段，弄清砾石特性对土壤理化性质和水热过程的影响，揭示土石混合介质中CO2垂向运移规律与平衡机理，建立CO2运移数值模型，修订土石混合介质碳库计算方法，提高高寒区土壤碳循环与碳库估算的可靠性，也是SPAC质能传输理论的重要补充。

土壤碳是陆地生态系统碳循环与全球变化研究的热点。然而，由于砾石存在及其对水热过程的改变，土石混合介质中CO2传输机制尚不明确，基于均质土壤的质能传输理论与碳库计算方法受限。青藏高原土壤中含有大量砾石，是影响碳循环的重要非生物因素。本研究针对土石混合介质中二氧化碳传输过程与碳库计算不确定性问题，在青藏高原高寒冻融区，以代表性高寒草原土壤分布区为重点，主要通过定位观测和控制实验等技术手段，剖析不同类型土石混合介质理化性质、水热差异的形成机制，阐明砾石种类、含量、直径、分布对二氧化碳传输过程和固碳的影响。主要研究结果如下：○1土壤砾石的含量在地表水平方向的变化主要由坡度决定，在垂直方向上砾石体积含量随着土壤深度的增加而增加。从不同粒径的砾石体积含量看，不同土层的粒径配比是相同的，粒径的分选性差。○2不同粒径覆盖对土壤温度、湿度有显著影响。不同粒径覆盖处理的土壤温度为：中粒>细粒>CK>粗粒；土壤湿度为：粗粒>中粒>CK>细粒。○3不同粒径覆盖处理的土壤呼吸速率从大到小依次为：CK>粗粒>中粒>细粒。细粒砾石覆盖下土壤呼吸速率显著低于对照组，并且当砾石盖度大于50%时，土壤呼吸会被抑制。○4土壤中砾石含量影响植物地下生物量分配，与地下生物量呈正相关（R2=0.60, P<0.05）。藏北高寒草地SOM化学组成以含氮化合物为主，而多糖、木质素和酚类等相对含量较低，并且砾石含量和土壤有机质呈负相关（R2=-0.65, P<0.05）。本项目的研究成果不仅为高寒冻融区植被保护和生态屏障建设积累重要的基础资料，也进一步深化了对青藏高原寒旱条件下土石混合介质的独特的SPAC和碳过程的认识。