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研究作者与期刊信息
本文第一作者为Xiaoning Zhao，共有多个贡献作者，包括Hannah Conrads、Chengyi Zhao（通讯作者）、Joachim Ingwersen、Karl Stahr、Xiaorong Wei。研究团队分别来自南京信息工程大学土地科学研究中心、德国Hohenheim大学土壤科学与土地评估研究所、中国西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室。本研究成果于2019年4月23日发表于国际学术期刊《Geoderma》，文题为“The effect of different temperature and pH levels on uptake of CO2 in Solonchaks”。
研究背景与目标
本研究属于土壤碳循环与碳汇（carbon sequestration）研究领域，聚焦盐碱土（Solonchaks）在碳吸收方面的潜力。全球干旱和半干旱地区占地球陆地表面积的47.2%，其中盐碱土广泛分布，这使得干旱区的盐碱土成为潜在的重要碳汇。但现有文献多基于自然条件下的定性研究，缺乏在实验条件下对土壤吸收CO2过程的量化研究。此外，碱性土壤的CO2吸收机制与温度、pH值关系密切，但这些因素间的相互作用未被系统研究。因此，本研究以封闭实验室控制条件为基础，探讨温度、pH值和CO2分压（pCO2）对盐碱土吸收CO2的影响，进行相关机理的定量化分析和模型构建。
研究的主要目标包括：
1. 确定不同pH值和温度下盐碱土对CO2吸收过程的速率与饱和特性；
2. 探讨CO2吸收的主要影响因素及其相互作用；
3. 构建CO2吸收与溶解的数学关系模型，揭示碳汇机制。
研究过程与实验设计
本研究包括以下实验步骤：
土壤样本的采集与处理
本研究采集了中国新疆阿克苏实验站（Aksu National Experimental Station，40°37′N, 80°45′E）和阜康实验站（Fukang National Experimental Station，44°17′N, 87°56′E）的盐碱土。这些地区具有典型的温带大陆性干旱气候，阿克苏年平均降水量为72 mm，阜康为160 mm。选取0-30 cm表层土壤样本，涵盖不同植被覆盖（棉花与柽柳）和pH值（阿克苏地区为8.0, 8.5, 9.0；阜康地区为8.7, 9.0, 10.0）。土样经过风干和2 mm筛网过筛后，在4 ℃条件下储存，用于实验。
实验装置与控制条件
实验采用Barometric Process-Separation (BAPS)技术，通过压力、CO2、O2传感器监测土壤吸收CO2过程中的气体动态变化。实验室控制温度分别为15 ℃、20 ℃和25 ℃，土壤水分含量统一为10%（体积百分比）。研究中土壤用微波杀菌，以消除生物作用干扰。CO2通过气密注射器注入培养室，用于分析pCO2对CO2吸收的影响。实验中每次注入CO2后，持续测量10分钟直至达到气体平衡。每个pH条件的土壤样本在多个温度条件下分别进行了重复实验。
数据测量与分析
实验测量了土壤吸收CO2的总量（通过BAPS装置记录），并计算了CO2溶解于土壤水中的浓度（CO2aq）。使用数学公式拟合CO2溶解量与CO2分压之间的关系：
y = a (1 - b^x)，其中y为溶解CO2的浓度，x为pCO2（单位hPa）。并解析了溶解能力的温度和pH依赖性：
dy/dx = ab^x * ln(b)。
研究结果
1. 不同pH土壤对CO2的吸收
实验结果显示，在所有pH水平的土壤中，CO2注入后10分钟内快速被吸收，随后速率减缓。高pH值土壤的CO2吸收总量明显高于低pH土壤。例如，在25 ℃下，阿克苏地区pH 9土壤总共注入2750 μmol CO2，头部空间达到平衡时剩余124 μmol；而pH 8土壤总注入1999 μmol，平衡剩余546 μmol。研究发现所有土壤中72%-97%的注入CO2在实验结束时进入土体。
温度、CO2分压和pH对CO2吸收和溶解的影响
CO2在土壤水中的溶解量（CO2aq）随pCO2增加和pH升高而增加，随温度升高而减小。例如，阜康地区pH 10土壤在15 ℃下达到CO2aq最高值为140 μmol/ml，而25 ℃下pH 8.7土壤的溶解量最低，仅为1.7 μmol/ml。在温度变化范围15-25 ℃间，溶解量表现出线性依赖。通过多因子分析，得出模拟公式：
z = a + bx - cy（z为CO2aq，x表示pCO2，y表示温度）。
溶解能力与饱和曲线
实验显示，CO2溶解能力在低温、低pCO2下最高（如15 ℃下pH 10土壤的14 μmol ml−1 hPa−1），当pH达到10时，溶解能力能显著高于pH 8土壤。
碳汇及模型分析
模拟表明，基于当前温度和气候条件，土壤水中CO2吸收潜力在世界干旱区（615百万公顷土地）可达每年约3.7-42 Tg C。
研究结论、价值与意义
本研究通过实验室控制实验详细阐明了盐碱土在pH和温度变化下对CO2的吸收机制，并构建了数学模型来解析其溶解规律。结果表明，盐碱土尤其是高pH土壤具有显著的CO2吸收能力，并能作为半干旱地区的重要碳汇。全球范围内，碗盐碱土的碳汇潜力可能为气候变化缓解提供新的手段。此外，本研究拓展了对干旱区土壤碳循环过程的理解，为未来碳管理实践及理论展示了重要的研究方向。
研究亮点
1. 通过BAPS技术实现对土壤CO2吸收的高精度定量测量。
2. 系统探讨了土壤pH、温度与CO2分压的协同影响。
3. 构建了pH、温度和溶解碳关系的全面数学模型。