Vertical and seasonal variations in soil CO₂ production in a 55-year-old oriental arborvitae (Platycladus orientalis) plantation in China

Abstract

The aim of this work was to explore the vertical and seasonal variations of CO 2 within the soil profile based on Fick's law of diffusion in an oriental arborvitae plantation. We continuously measured the soil CO 2 concentration profile using CO 2 sensors buried at different depths in a coniferous forest in northern China and calculated the CO 2 flux based on the profile measurements using a dynamic model. The diurnal pattern of CO 2 concentration and flux fluctuated during the day and varied less at night. The CO 2 profile had a vertical gradient, with the highest concentrations in the deepest soil layers. The CO 2 flux had a clear seasonal pattern with a maximum in summer and a minimum in winter. The contributions of the H, A, B, and C horizons to the total CO 2 flux were 75.38, 13.52, 7.61, and 3.49%, respectively. Q 10 was 2.668, 4.469, 1.175, and 3.333 in the H, A, B, and C horizons, respectively. The CO 2 flux determined from the concentration profiles agreed well with the CO 2 flux measured by open dynamic chambers, suggesting that this model could be used to successfully measure soil CO 2 emissions and to describe the processes underlying CO 2 efflux.Keywords: Platycladus orientalis plantation, soil CO 2 profile, flux, temperature, water content RÉSUMÉNous avons voulu par ce projet étudier les variations verticales et saisonnières du CO 2 dans le profil pédologique d'après la Loi de la diffusion de Fick dans une plantation de thuya oriental. Nous avons mesuré en continu le profil de concentration de CO 2 dans le sol au moyen de détecteurs de CO 2 enfouis à différentes profondeurs dans le sol d'une forêt de conifères du nord de la Chine et calculé le flux de CO 2 à partir des mesures effectuées le long de ce profil à l'aide d'un modèle dynamique. Le modèle diurne de la concentration de CO 2 ainsi que son flux variaient davantage au cours de la journée que durant la nuit. Le profil de CO 2 présentait un gradient vertical dont les plus fortes concentrations se retrouvaient dans les couches les plus profondes du sol. Le flux de CO 2 suivait un modèle nettement saisonnier, le maximum étant atteint en été et le minimum au cours de l'hiver. Les apports en provenance des horizons H, A, B et C au flux total de CO 2 étaient respectivement de 75,38; 13,52; 7,61 et 3,49 %. Le Q 10 se chiffrait à 2,668; 4,469; 1,175 et 3,333 dans les horizons H, A, B et C respectivement. Le flux de CO 2 établi à partir des profils de concentration était conforme aux flux de CO 2 mesurées en chambre à flux dynamique, laissant entendre que le modèle pourrait être utilisé pour mesurer correctement les émis-sions de CO 2 en provenance du sol et pour décrire les processus d' échappement du CO 2 .Mots clés : plantation de Platycladus orientalis, profil de CO 2 du sol, flux, température, teneur en eau

New Sensor Technology for Field‐Scale Quantification of Carbon Dioxide in Soil

“…Klimanek and Greilick (1981) found CO 2 concentrations in soil air of up to 2.9% in field experiments while examining the influence of bulk density on soil aeration for the same soil (a Chernozem at Bad Lauchstädt). A large number of field studies and field experiments have reported similar concentration ranges with maxima in the range of 1 to 5% (e.g., Pumpanen et al, 2003a, 2003b; Doff Sotta et al, 2004; Riveros‐Iregui et al, 2007; DeSutter et al, 2008; Koehler et al, 2010; Ek and Godissart, 2014; Han et al, 2014; Roland et al, 2015; Fan et al, 2016). Others have observed soil respiration processes at CO 2 concentrations below 1% (Risk et al, 2002; Jochheim et al, 2018), while concentrations of up to 10% have also been reported (Oh et al, 2005; Taneva et al, 2006; Bekele et al, 2007; Jaakkola and Simojoki, 2008; Wiaux et al, 2015).…”