專題2_土壤有機(jī)碳(10.22)

1、土壤碳庫在全球變化中的作用和意義土壤碳庫在全球變化中的作用和意義 土壤有機(jī)碳的影響因素 土壤碳庫的研究方法土壤碳庫的研究方法相關(guān)的國家研究計(jì)劃土壤有機(jī)碳的國內(nèi)外研究進(jìn)展 報(bào)告提綱一、土壤碳庫在全球變化中的作用和意義土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫, 其有機(jī)碳總貯量約在1400-1500 Pg 之間（耿元波等，2000）（1Pg=1015g），是陸地植被碳庫的2-3倍，大氣碳庫（750 PgC）的2倍多，其較小幅度的變動(dòng)也可能對(duì)大氣中溫室氣體的濃度以及全球變化產(chǎn)生重要影響，因此在調(diào)控地球表層生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡和減緩溫室氣體方面具有重要的作用（汪業(yè)勖等，1999）。 在氣候變化和人類活動(dòng)等條件的綜

2、合影響下, 將導(dǎo)致土壤有機(jī)碳蓄積量及動(dòng)態(tài)平衡的變化，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳庫既可能成為碳匯也可能成為碳源，由此反過來對(duì)全球變化產(chǎn)生影響。 因此，關(guān)于土壤有機(jī)碳庫的研究日益成為全球碳循環(huán)研究的熱點(diǎn)，同時(shí)也成為全球變化問題研究的核心內(nèi)容之一（陳泮勤，孫成權(quán)，1992，1994）。 二、土壤有機(jī)碳的影響因素土壤有機(jī)碳的影響因素自然因素人類活動(dòng)的影響 土壤理化性質(zhì)土壤理化性質(zhì) 植被植被 氣候條件及其變化氣候條件及其變化 土地利用變化土地利用變化 農(nóng)業(yè)管理措施農(nóng)業(yè)管理措施 （一）自然因素對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響（一）自然因素對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響1. 土壤理化性質(zhì)的影響土壤理化性質(zhì)的影響 土壤理化性質(zhì)（包括土

3、壤質(zhì)地、母質(zhì)、有機(jī)質(zhì)組成、pH以及土壤C/N、土壤養(yǎng)分等）會(huì)影響對(duì)土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性及其變化產(chǎn)生一定的影響。 一些研究表明,土壤有機(jī)碳含量與粘土含量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)（Spackman and Munn，1984），但也有研究表明二者之間并未存在明顯的相關(guān)關(guān)系（Sims and Nielsen，1986）。 強(qiáng)酸性的土壤環(huán)境可以抑制微生物的活動(dòng)而降低有機(jī)碳分解速率（Ayanaba and Jenkinson，1990）。 土壤的物理結(jié)構(gòu)則通過調(diào)節(jié)土壤中空氣和水的運(yùn)動(dòng)，影響微生物的活動(dòng)。土壤C/ N 的高低也對(duì)土壤微生物的活動(dòng)能力有一定促進(jìn)或限制作用，當(dāng)土壤氮素增加時(shí),可以促進(jìn)微生物的活動(dòng),提高土

4、壤有機(jī)質(zhì)的分解速率（廖利平等，2000）。2.植被的影響植被的影響v地表植被類型的不同直接影響著輸入土壤有機(jī)物數(shù)量的差異。草原植被光合作用的有機(jī)產(chǎn)物中的92%以上分布在地下，同時(shí)草本植物每年均有大量的根系死亡進(jìn)入土壤碳循環(huán)過程；v森林植被光合產(chǎn)物分配到地下土壤中的比例較低，其土壤有機(jī)碳的主要來源多為枯枝落葉，輸入量的差異決定了不同植被類型的土壤碳庫存在明顯的差異。v在相同的氣候條件下，草原土壤有機(jī)碳約為森林土壤有機(jī)碳的2倍（周莉等，2005）。單位海域中生物固碳量是森林的單位海域中生物固碳量是森林的10倍倍, 是草原的是草原的290倍倍v對(duì)于農(nóng)田土壤，由于收割時(shí)農(nóng)作物的殘茬常被移除，導(dǎo)致地表有

5、機(jī)物的淋溶損失較大，同時(shí)存留的作物殘?bào)w的分解能力較弱，因此其有機(jī)碳密度常常低于森林土壤（Bouwman，1990）。v在缺乏地表植被覆蓋的沙漠和荒漠地區(qū)，植被和土壤的碳密度幾乎為0（李克讓等，2003）。3.氣候條件及其變化的影響氣候條件及其變化的影響Y 氣候變化對(duì)于土壤有機(jī)碳的蓄積具有重要影響。氣候變化通過溫度、降水變化影響植物生產(chǎn)力速率和凋落速率，從而控制和影響輸入土壤的有機(jī)碳量；但同時(shí)也影響微生物活性從而改變地表凋落物和土壤有機(jī)碳分解速率。Y 溫室氣體濃度上升引起的全球變暖雖然可以使植被的生長期延長，光合作用效率提高，從而增加陸地植被的凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）和土壤有機(jī)碳的輸入量，但氣溫的

6、升高也加速了土壤有機(jī)碳的分解（王紹強(qiáng)，劉紀(jì)遠(yuǎn)，2002）。研究表明，在全球范圍內(nèi)溫度升高0.5會(huì)使處于穩(wěn)定狀態(tài)的土壤碳庫下降約6%（Trumbore et al.，1996）；Y 全球變暖還將導(dǎo)致永久凍土中大量的有機(jī)碳以CO2、CH4和其它痕量氣體釋放到大氣中，進(jìn)一步增強(qiáng)溫室效應(yīng)（Bockheim et al.，1997）。已有研究證實(shí)，在20世紀(jì)70-80年代，由于氣候變暖已使美國阿拉斯加北坡凍原由碳匯變?yōu)樘荚矗∣echel et al.，1993）。（二）人類活動(dòng)對(duì)于土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響（二）人類活動(dòng)對(duì)于土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響1.土地利用變化對(duì)土壤碳庫的影響土地利用變化對(duì)土壤碳庫的影響 Y土

7、地利用變化不僅直接改變了地表植被類型從而影響土壤有機(jī)碳的輸入，而且還引起了土壤理化性質(zhì)的變化，從而對(duì)土壤的固碳能力產(chǎn)生影響（周濤，史培軍，2006）。Y據(jù)IPCC（2007）估算，20世紀(jì)90年代土地利用變化引起的CO2排放量相當(dāng)于人類活動(dòng)引起的總排放量的1/4。Y而Houghton(1995)對(duì)土地利用變化影響結(jié)果的估計(jì)表明, 1850-1990年，土地利用的變化導(dǎo)致124 PgC釋放到大氣中，約相當(dāng)于同時(shí)期化石燃料燃燒碳釋放量的一半。Y 土地利用變化已經(jīng)成為僅次于化石燃料燃燒排放引起溫室氣體濃度增加的主要原因。（1）森林砍伐轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后：會(huì)引起土壤有機(jī)碳（SOC）含量快速下降，其主要原因是

8、地表凋落物的輸入減少，同時(shí)耕作破壞了土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，使有機(jī)質(zhì)暴露，加快了其分解速度；（2）森林轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸兀浩渫寥烙袡C(jī)碳的下降幅度比農(nóng)田少甚至可能有所增加。（3）草地被開墾成農(nóng)田后：土壤呼吸作用加強(qiáng)，土壤有機(jī)碳的分解速度加快，由此也導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳的損失。草地開墾為農(nóng)田后，土壤中的有機(jī)碳損失量大約在30%-50%。據(jù)Houghton估計(jì)，1850-1980年期間，由于開墾導(dǎo)致的草原生態(tài)系統(tǒng)碳素凈損失量約為10 Pg（周廣勝，2003）。（4）通過采取減少森林砍伐、棄耕農(nóng)田還林還草，或者草地恢復(fù)為森林等保護(hù)性的土地利用變化, 可以減少陸地生態(tài)系統(tǒng)向大氣的CO2凈排放，穩(wěn)定甚至增加土壤碳儲(chǔ)量。（5）

9、土地利用變化對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響取決土地利用方式發(fā)生了什么樣的變化（楊景成等，2003）。2.農(nóng)業(yè)管理措施的影響農(nóng)業(yè)管理措施的影響X 耕作破壞了土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性，加速了土壤有機(jī)碳分解。采取免耕或保護(hù)性耕作，有利于更多的作物殘茬轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳、微生物量碳和可礦化碳，從而促進(jìn)表層土壤有機(jī)碳的快速積累，顯著提高土壤有機(jī)碳的含量（趙鑫等，2006）。相關(guān)研究表明：多年的保護(hù)性耕作使北美地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯增加，持續(xù)10年以上可使農(nóng)田耕層SOC含量增加7%-10%。X 施肥對(duì)于農(nóng)田土壤的有機(jī)碳含量也具有重要影響。長期定位試驗(yàn)表明：長期施用有機(jī)肥能顯著提高土壤活性有機(jī)碳的含量；有機(jī)肥和無機(jī)肥配合施用

10、，能促進(jìn)土壤活性有機(jī)碳含量積累。X 提高對(duì)作物殘留物的管理，促進(jìn)秸稈還田可以增加SOC含量，改善土壤微環(huán)境，能夠進(jìn)一步提高土壤的固碳能力。但殘茬管理對(duì)SOC的影響需要與一定的耕作方式相結(jié)合，在不同的耕作措施下，殘茬還田對(duì)于SOC的作用也具有一定的差異。Lal等（1999）研究顯示，保護(hù)性耕作和殘茬管理相結(jié)合的碳固存潛力是0.15 Pg/a-0.175 Pg/a。X 通過土地撂荒和自然演替或是作為一種有效的管理決定（例如轉(zhuǎn)變?yōu)槟翀觯Ｗo(hù)性閑置)，土壤有機(jī)碳水平一般會(huì)增加Schleisinger W H et al.。近年來，農(nóng)業(yè)土地的閑置計(jì)劃已在北美和歐洲實(shí)施。19501959年，美國西部有2.

11、7105km2土地閑置，土壤有機(jī)碳密度增長率為30 g/m2a，總增長率為8106t/a。在這些土地上，土壤有機(jī)碳的增加速率和最終達(dá)到的穩(wěn)定水平將取決于生產(chǎn)力水平和土壤條件。 X 免耕是非常有效的提高農(nóng)田土壤有機(jī)碳的方法，研究發(fā)現(xiàn)免耕土壤比傳統(tǒng)耕作措施管理的土壤有機(jī)碳平均水平高Jin Feng et al.。土壤免耕減緩了土壤中碳、氮的礦化速率和有機(jī)質(zhì)分解作用速率,減少了反硝化作用所需的碳、氮基質(zhì)供應(yīng)量,同時(shí),長期免耕能增加表土層土壤微生物生物量碳、氮含量Xu Yangchun et al.，2002，通過陸地生物及落葉的轉(zhuǎn)化，有機(jī)碳蓄積量能夠增加。 四、土壤碳庫的研究方法四、土壤碳庫的研究方

12、法土壤碳庫的研究方法土壤碳庫的研究方法土壤類型法 植被類型、生態(tài)系統(tǒng)類型和生命地帶法植被類型、生態(tài)系統(tǒng)類型和生命地帶法相關(guān)關(guān)系統(tǒng)計(jì)法相關(guān)關(guān)系統(tǒng)計(jì)法模型方法模型方法（一）土壤類型法X 是在土壤剖面數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，以土壤類型作為分類單元來估算SOC的蓄積量。X 根據(jù)土壤各種分類層次聚合土壤剖面數(shù)據(jù)計(jì)算各類土壤的碳密度，再和區(qū)域或國家尺度土壤圖上的相應(yīng)土壤類型的面積相乘，就可以得到SOC蓄積總量。同時(shí)，根據(jù)土壤類型圖，將計(jì)算所得的土壤碳密度與土壤類型單元相匹配，可以表現(xiàn)土壤碳密度的空間分布格局和規(guī)律。X優(yōu)點(diǎn)：由于同類土壤往往會(huì)具有相似的影響土壤碳蓄積的調(diào)控因素，因此該方法容易識(shí)別土壤有機(jī)碳的空間格局，減

13、少估算的不確定性，是目前進(jìn)行土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量研究較為常用的方法。X不足：但土壤類型法的應(yīng)用是以大量實(shí)測剖面數(shù)據(jù)以及對(duì)土壤類型準(zhǔn)確劃分為前提的，且僅考慮土壤類型的因素。實(shí)測數(shù)據(jù)的缺乏和對(duì)植被、土地利用方式以及人類活動(dòng)等影響因素的忽略，都會(huì)在一定程度上對(duì)估算結(jié)果產(chǎn)生影響。 2.植被類型、生態(tài)系統(tǒng)類型和生命地帶法植被類型、生態(tài)系統(tǒng)類型和生命地帶法 該方法是以植被、生命地帶或生態(tài)系統(tǒng)類型作為分類單元，在確定各種單元類型的土壤有機(jī)碳密度與該類型分布面積的基礎(chǔ)上，計(jì)算出SOC蓄積量。 優(yōu)點(diǎn)：使用該方法不僅能較容易了解不同植被、生態(tài)系統(tǒng)和生命地帶類型的土壤有機(jī)碳庫蓄積總量，而且能更好地反映溫度、降水等氣候因素

14、、植被以及生態(tài)系統(tǒng)類型的分布對(duì)SOC蓄積的影響。3.相關(guān)關(guān)系統(tǒng)計(jì)法 相關(guān)關(guān)系統(tǒng)計(jì)法是通過分析一定剖面數(shù)據(jù)SOC的蓄積量與樣點(diǎn)的各種環(huán)境因子、氣候因子和土壤屬性之間的相關(guān)關(guān)系，建立一定的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)關(guān)系，來計(jì)算SOC的蓄積量。不足：但由于各區(qū)域的SOC的主要控制因素可能不同，相關(guān)性表現(xiàn)不一，因此所確定的統(tǒng)計(jì)關(guān)系需要得到驗(yàn)證后方可應(yīng)用，由此影響了該方法的推廣和應(yīng)用。4.模型方法模型方法運(yùn)用模型方法估算土壤碳庫及固碳潛力成為目前研究SOC一種重要的方法和途徑，原理：是在認(rèn)識(shí)和掌握土壤碳循環(huán)過程與機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立SOC的表征、評(píng)估或預(yù)測模型，然后通過輸入大量實(shí)測數(shù)據(jù)，來對(duì)區(qū)域的SOC儲(chǔ)量進(jìn)行估算；在此基

15、礎(chǔ)上還可以根據(jù)SOC的影響因素或管理措施的變化來做情景分析，從而估計(jì)、評(píng)估和預(yù)測區(qū)域或國家尺度的土壤固碳潛力。目前，國際上比較有代表性的土壤碳循環(huán)模型包括Century和DNDC模型等，不足： 但由于模型的正確運(yùn)用與否，有賴于進(jìn)一步對(duì)土壤碳循環(huán)過程的認(rèn)識(shí)和把握，且模型參數(shù)化過程較為復(fù)雜，對(duì)數(shù)據(jù)的完善有很高的要求，如果模型參數(shù)和構(gòu)建機(jī)理與研究區(qū)的實(shí)際情況存在較大差異，就會(huì)使模擬結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差。四、土壤有機(jī)碳的國內(nèi)外研究進(jìn)展 不同空間尺度的土壤碳庫研究 碳循環(huán)模型在土壤有機(jī)碳研究中的運(yùn)用碳循環(huán)模型在土壤有機(jī)碳研究中的運(yùn)用 土地利用方式及其變化對(duì)土壤有機(jī)碳的影響土地利用方式及其變化對(duì)土壤有機(jī)碳的

16、影響 （一）不同空間尺度的土壤碳庫研究 不同空間尺度的土壤碳庫研究 全球尺度的土壤碳庫研究全球尺度的土壤碳庫研究 區(qū)域尺度的土壤碳庫研究區(qū)域尺度的土壤碳庫研究不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量研究不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量研究國家尺度的土壤碳庫研究國家尺度的土壤碳庫研究 1. 全球尺度的土壤碳庫研究全球尺度的土壤碳庫研究研究者時(shí)間SOC的估算值(1m)Rubey and William1951710 PgBohn19822200 PgPost19821395 PgEswaran et al19931576 PgBatjes19961500 Pg2.國家尺度的土壤碳庫研究國家尺度的土壤碳庫研究 隨著

17、碳循環(huán)研究的深入開展，為了提高全球尺度的土壤碳庫的估算精度，同時(shí)也為了在國際談判中能夠提供更為有效的數(shù)據(jù)依據(jù)，各國學(xué)者紛紛加強(qiáng)了國家尺度上的土壤碳庫研究。 Lacelle（1997）根據(jù)加拿大數(shù)字土壤地圖和1500個(gè)土壤剖面數(shù)據(jù)，計(jì)算出加拿大0-30 cm和0-100 cm深度的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為72.8 Pg和262.3 Pg。 Scott et al.（2002）根據(jù)土壤類型、氣候和土地利用將新西蘭分為39類景觀單元，并利用近2000個(gè)剖面數(shù)據(jù)庫估算出新西蘭0-10 cm、10-30 cm和30-100 cm深度的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為1.15 Pg、1.43 Pg和1.60 Pg。 Be

18、rnoux（2002）估算了巴西0-30 cm土層的SOC儲(chǔ)量為36.43.4 Pg。 研究者時(shí)間SOC的估算結(jié)果SOC密度（kg/m2）（1m)方精云1996年185.69 Gt李克讓2003年82.65 Gt王紹強(qiáng)2000年924.18108 t10.53解憲麗200469.38 Gt（1m),23.81 Gt(20cm)于東升200589.14 Pg9.6 中國國家尺度的土壤有機(jī)碳庫的估算結(jié)果表3.區(qū)域尺度的土壤碳庫研究區(qū)域尺度的土壤碳庫研究（1 1）國外）國外 Singh et al.（2007）對(duì)印度半干旱Rajasthan地區(qū)的土壤有機(jī)碳進(jìn)行了估算，結(jié)果表明，該地區(qū)和0100 cm

19、的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為1.23 Pg。 Meersmans et al.（2008）根據(jù)比利時(shí)國家土壤普查數(shù)據(jù)的6900多個(gè)數(shù)據(jù)以及結(jié)合Flanders的土地利用矢量圖和土壤數(shù)字地圖，研究了該區(qū)域的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及其影響因素。（2）國內(nèi)：地區(qū)PlaceSOC密度（0-100cm） SOC density (kgm-2)上海 Shanghai10.55廣東Guangdong10.44福建 Fujian14.52河北Hebei10.83河南 Henan7.46安徽Anhui11.75內(nèi)蒙古 Inner mongolia10.21環(huán)渤海地區(qū)Bohai rim8.94全國China9.6上海上海0-100

20、cm0-100cm土壤碳密度與全國其他地區(qū)的比較土壤碳密度與全國其他地區(qū)的比較 4.不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量研究不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量研究 （1）國外： Dixon et al.（1994）研究得出了全球森林土壤碳庫為787 Pg，占全球土壤碳的73%。Bird et al.（2002）通過對(duì)加拿大和西伯利亞的緯度樣帶上的森林SOC調(diào)查，明確了該地區(qū)森林SOC的儲(chǔ)量及其空間分布。 （2）國內(nèi) 森林生態(tài)系統(tǒng)SOC： 方運(yùn)霆等（2004）通過對(duì)鼎湖山自然保護(hù)區(qū)自然植被和次生植被的土壤有機(jī)碳貯量及其分配特征分析，發(fā)現(xiàn)混交林碳貯量貢獻(xiàn)最大 張城等（2006）對(duì)中國東部地區(qū)7個(gè)典型森林的土壤樣

21、區(qū)碳儲(chǔ)量進(jìn)行了野外調(diào)查與對(duì)比研究，分析了6 種土壤類型和28 種植被類型的SOC 儲(chǔ)量及其隨深度的變化。濕地生態(tài)系統(tǒng)SOC 劉子剛等（2005）對(duì)黑龍江三江平原的土壤碳儲(chǔ)量及農(nóng)業(yè)開發(fā)50年以來的碳儲(chǔ)量變化進(jìn)行了研究，表明三江平原的濕地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為621 Mt，人類活動(dòng)導(dǎo)致的濕地喪失和退化、水土流失和不合理的耕作措施等是土壤碳儲(chǔ)量減少的主要原因。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)SOC 張琪等（2004）等通過對(duì)2002年江蘇省宜興市市域范圍水稻土的61個(gè)土壤監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行研究，并與1983年和1994年進(jìn)行的土壤肥力調(diào)查結(jié)果相對(duì)比，表明20年來該市域內(nèi)水稻土有機(jī)碳總體上呈上升趨勢。 （二）碳循環(huán)模型在土壤有機(jī)碳研究

22、中的運(yùn)用（二）碳循環(huán)模型在土壤有機(jī)碳研究中的運(yùn)用國外關(guān)于土壤碳循環(huán)方面的模型開發(fā)較多，其中比較有代表性的碳循環(huán)模型包括CENTURY、DNDC（脫氮-分解）等模型。 CENTURY模型是目前應(yīng)用較為廣泛的反映土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的模型，它以將土壤有機(jī)碳分為3個(gè)庫的理論為基礎(chǔ)，是從模擬草地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展而來，已經(jīng)在世界很多地區(qū)的土壤碳循環(huán)研究中得到了檢驗(yàn)（高魯鵬等，2004）。 DNDC（脫氮-分解）模型是美國New Hampshire大學(xué)發(fā)展起來的，其目標(biāo)是模擬農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中碳氮的生物地球化學(xué)循環(huán)，時(shí)間步長以日為單位，也是目前國際最為成功的模擬生物地球化學(xué)循環(huán)的模型之一（邱建軍等，2004）。 國外碳

23、循環(huán)模型的實(shí)證研究Li等（1997）利用DNDC模型模擬了20年以上的土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化，并與歐洲和澳大利亞的5個(gè)站點(diǎn)11塊樣地的定點(diǎn)觀測結(jié)果對(duì)比，表明，除1塊樣地外，其余樣地的模擬值和實(shí)測值的土壤有機(jī)碳含量的百分比的平均差值在0.07%以下。Jonas and Lennart（2003）利用CENTURY模型結(jié)合GIS手段，對(duì)半干旱的蘇丹的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量進(jìn)行了估算，表明，從 1900到2000年期間，蘇丹表層土壤有機(jī)碳（0-20 cm）下降了6.8 Mt，而從2000到2010年，土壤表層的最大的固碳潛力可達(dá)到17 Mt。國內(nèi)碳循環(huán)模型的實(shí)證研究（1）采用國外模型研究韓冰等（2004）采用

24、DNDC模型, 估算了中國東北地區(qū)農(nóng)田土壤碳儲(chǔ)量為1.27 Gt，平均碳密度為63.57 t/hm2，是全國C平均值的1.4倍。高魯鵬等（2004）應(yīng)用CENTURY模型，對(duì)東北地區(qū)自然狀態(tài)下的黑土有機(jī)碳庫進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，在自然狀態(tài)下，黑土有機(jī)碳庫經(jīng)歷了一個(gè)由快到慢的增長過程，經(jīng)過長時(shí)間積累，并最終趨于穩(wěn)定。 （2）自主開發(fā)模型研究國內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了一些碳循環(huán)模型的開發(fā)，吳金水（2002）開發(fā)模擬旱田和水稻土壤有機(jī)碳的SCNC模型（土壤有機(jī)碳的變化模擬模型）；于永強(qiáng)等（2006）開發(fā)模擬農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的SOC動(dòng)態(tài)模型等不足：但這些模型在對(duì)土壤碳循環(huán)機(jī)理方面研究較為簡單，從而難以得到廣泛應(yīng)用和

25、推廣。總體來看，無論是國外還是國內(nèi)開發(fā)的碳循環(huán)模型，都需要利用大量的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，而且需要進(jìn)一步的改進(jìn)及發(fā)展。（三）土地利用方式及其變化對(duì)土壤有機(jī)碳的影響（三）土地利用方式及其變化對(duì)土壤有機(jī)碳的影響 人類活動(dòng)所引起的土地利用/覆被變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳蓄積量和通量的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了自然變化影響的速率和程度，主要包括農(nóng)業(yè)活動(dòng)、城市建設(shè)用地的擴(kuò)張、森林砍伐以及其他土地利用變化等（劉紀(jì)遠(yuǎn)等，2004）。因此，關(guān)于土地利用變化對(duì)土壤有機(jī)碳的影響日益成為土壤碳庫研究中的重點(diǎn)內(nèi)容。1.國外：Tan and Rattan（2005）利用美國俄亥俄州的土壤普查數(shù)據(jù)以及長期的定位試驗(yàn)資料，對(duì)耕作和免耕的土壤有機(jī)

26、碳進(jìn)行對(duì)比研究分析，結(jié)果表明，免耕和農(nóng)田退耕還林有利于提高土壤有機(jī)碳蓄積能力，但提高的效果又和免耕或退耕還林前的土壤性質(zhì)密切相關(guān)，SOC含量低的土壤在免耕或退耕還林后具有更高的碳蓄積能力。 Seiichi et al.（2008）通過對(duì)實(shí)驗(yàn)樣地具有相同水稻耕作歷史的三種類型的農(nóng)作物系統(tǒng)（單一的水稻種植（PR）、單一的旱地種植（UR）和大豆和小麥的輪作）下的土壤有機(jī)碳的比較研究表明，從水稻種植轉(zhuǎn)變?yōu)楹档刈魑锓N植的土地利用變化導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳的明顯損失。2.國內(nèi)X 張于光等（2006）對(duì)川西米亞羅林區(qū)不同土地利用下的土壤有機(jī)碳和微生物碳狀況的分析表明，土地利用變化明顯地影響了土壤有機(jī)碳和微生物碳的

27、含量。X 侯鵬程等（2007）采用耕地質(zhì)量監(jiān)測資料，分析了2003年江蘇省吳江市6種土地利用方式下的土壤有機(jī)碳含量的變化，結(jié)果顯示，稻田土壤有機(jī)碳密度顯著高于其他土地利用方式，在陸地碳固定方面有著特殊意義。 X 王小利等（2007）研究了黃土丘陵溝壑區(qū)燕溝流域不同土地利用下的SOC和全氮的積累特征，結(jié)果表明，基本農(nóng)田建設(shè)、大規(guī)模的果園建設(shè)對(duì)表層SOC和TN的積累作用不明顯；而退耕還林還草、封山育林等土地利用優(yōu)化措施明顯促進(jìn)了SOC和TN的積累。 思考：對(duì)城市區(qū)域內(nèi)不同土地利用方式的土壤有機(jī)碳蓄積量應(yīng)該如何研究？ 專題3 我國農(nóng)田土壤碳庫演變研究:全球變化和國家糧食安全 一、我國農(nóng)業(yè)土壤碳庫演變

28、與全球變化由于工業(yè)CO2排放日益加劇，而目前又還沒找到有效的替代技術(shù)途徑，尋求將能源消耗中排放的碳在農(nóng)業(yè)中重新收集與固定成為國際上共同努力的趨勢。全球農(nóng)業(yè)利用的土壤覆蓋面積是4 961Mhm2，耕地為1369Mhm2 20，耕地占全球陸地面積的10. 5%。在全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中只有農(nóng)業(yè)土壤碳庫是強(qiáng)烈人為干擾而又可以在較短的時(shí)間尺度上可以調(diào)節(jié)的碳庫。近5年來，國際科學(xué)界出現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)土壤碳固定與收集的重視，研究十分興盛。有較多資料顯示,西方國家由于實(shí)行保護(hù)性耕作和少免耕，最近時(shí)期的農(nóng)業(yè)土壤碳庫呈穩(wěn)定和增長的趨勢21，可以在較顯著的水平上抵消其碳排放。據(jù)估計(jì),全球農(nóng)業(yè)土壤固碳潛力為20 Pg16

29、,在最近25年內(nèi)其速率平均可達(dá)(0. 90. 3) Pg/a22,歐盟15國農(nóng)業(yè)土壤的碳收集潛力為90120 TgC/a，美國為107 TgC/ 。全球農(nóng)業(yè)土壤的碳收集潛力差不多是全球每年大氣CO2總量的增加值的1/41/3。因此，從農(nóng)業(yè)經(jīng)營管理上來說,保持農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展并發(fā)揮農(nóng)業(yè)土壤的碳收集能力,對(duì)于全球糧食供應(yīng)與緩解氣候變化趨勢具有雙重的積極意義。根據(jù)方精云最近的研究,我國自然植被系統(tǒng)的生物量碳庫不到7 Pg,其中面積為農(nóng)業(yè)耕地面積的3倍以上的草地系統(tǒng)的生物量碳庫僅1. 15 Pg。最近20年來自然植被系統(tǒng)生物量固碳僅達(dá)20 Tg/a。這與西方國家森林和草地的固碳規(guī)模29相比很微弱,遠(yuǎn)遠(yuǎn)

30、不能滿足我國工業(yè)發(fā)展中碳減排的固碳?jí)毫?。中?億多公頃的耕地,生物量固碳年均達(dá)10Tg，相當(dāng)于4億多公頃自然植被面積的一半。因此，我國農(nóng)業(yè)在固碳上具有更大的潛力與容量，農(nóng)業(yè)及其耕地土壤的有機(jī)碳固定勢必成為我國CO2減排壓力下碳匯的最重要去向。 我國土壤的總有機(jī)碳庫的最近估計(jì)接近8090 Pg。就人為活動(dòng)影響最顯著和活躍的表層土壤碳庫來說，全國總計(jì)38 -39Pg。農(nóng)業(yè)土壤約占5 Pg(表1)。就碳密度來說，我國土壤總體上低于世界平均值，遠(yuǎn)低于歐洲國家(表2)。從土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)存和固定潛力來說，我國農(nóng)業(yè)系統(tǒng)看來也是脆弱的系統(tǒng)。對(duì)于農(nóng)業(yè)利用下土壤碳庫的變化一直是農(nóng)業(yè)與全球變化關(guān)系的研究內(nèi)容。國外科

31、學(xué)家采用時(shí)空尺度轉(zhuǎn)換和生態(tài)系統(tǒng)模型對(duì)全球和區(qū)域的土壤碳庫變化作過估計(jì)34, 35。目前一般認(rèn)為,人類活動(dòng)下全球土壤碳庫的總消減達(dá)到土壤原碳庫的5%左右36,IPCC37估計(jì)全球土壤碳庫的歷史損失量為55 Pg。國外科學(xué)家對(duì)我國土壤碳庫的歷史變化問題甚為關(guān)注,Lal31提出我國土壤碳庫的最近時(shí)期損失為3. 5Pg(包括沙漠化的2 Pg)。Lindert等38根據(jù)我國農(nóng)業(yè)歷史資料和1960年前文獻(xiàn)上的土壤踏勘資料提出我國廣大地區(qū)土壤存在土壤碳庫嚴(yán)重?fù)p失;而Li等39根據(jù)DNDC模型計(jì)算結(jié)果提出我國1950年以來土壤碳庫存在持續(xù)消減, 1970年以來這種損失達(dá)到70 Tg/a的規(guī)模。 Wu等40發(fā)表

32、的論文提出我國自然土壤開墾為耕地后的總有機(jī)碳庫損失為78 Pg。Song等30提出我國自然土壤開墾后耕地土壤表層有機(jī)碳庫的總損失約為2 Pg。這種損失在華北、東北和西南地區(qū)達(dá)到60%以上(表3),這與全球變化的區(qū)域響應(yīng)和生態(tài)環(huán)境脆弱性的梯度相吻合。我國農(nóng)業(yè)耕作土壤在高強(qiáng)度集約化利用和高化學(xué)投入下的有機(jī)碳庫損失一方面可能是目前我國耕作土壤普遍有機(jī)質(zhì)含量較低的原因,另一方面可能對(duì)全球土壤的有機(jī)碳損失與向大氣的CO2釋放有重要的影響。 盡管國外科學(xué)家認(rèn)為土壤碳庫一直是我國農(nóng)業(yè)的環(huán)境問題,最近20多年來我國農(nóng)業(yè)土壤中較普遍地出現(xiàn)了碳的固定趨勢8。這從我國土壤肥力的長期觀測和不同時(shí)段的土壤有機(jī)碳含量的變

33、化資料的分析中可以認(rèn)識(shí)到(表4)。由于農(nóng)田管理與培育技術(shù)的進(jìn)步和推廣，作物高產(chǎn)使根系生物量歸還土壤增加,加上秸稈還田的數(shù)量和面積的增加，土壤總體上呈不斷上升趨勢。并且,在許多長期試驗(yàn)中農(nóng)業(yè)土壤中有機(jī)碳庫增加還未達(dá)到飽和限。因而這段時(shí)間內(nèi)農(nóng)業(yè)土壤中有機(jī)碳儲(chǔ)量是增加的，十年尺度內(nèi)都可以觀察到土壤有機(jī)碳增加的現(xiàn)象。 李忠佩等41從農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)平衡的實(shí)驗(yàn)及計(jì)算出發(fā)，論證了南方紅壤地區(qū)最近20年來大部分農(nóng)業(yè)土壤表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)的盈余，而東北黑土地區(qū)總體上仍表現(xiàn)為虧缺42，華北平原區(qū)基本上穩(wěn)定或略有增長，從有機(jī)質(zhì)農(nóng)田角度提出我國低產(chǎn)農(nóng)田的碳庫增加規(guī)模為500 Tg。在有機(jī)質(zhì)的增加中，化肥施用可能有積極的貢獻(xiàn)

34、。（1）一方面這可能是通過產(chǎn)量的提高而增加了土壤有機(jī)質(zhì)的輸入量，（2）另一方面我國化肥以氮肥為主,耕作土壤中氮素水平普遍提高，相對(duì)于自然或森林生態(tài)系統(tǒng)中氮素對(duì)碳固定與收集的限制作用43，農(nóng)田土壤中氮素積累使土壤生物可以固定更多的碳于有機(jī)質(zhì)。因此,在現(xiàn)階段，我國的高產(chǎn)高投入的農(nóng)業(yè)并不一定導(dǎo)致土壤有機(jī)碳的下降。 土壤有機(jī)質(zhì)的變化中, 表現(xiàn)出兩個(gè)特點(diǎn)：（1）其一,有機(jī)質(zhì)增長幅度在南方要高于北方，而東北仍表現(xiàn)為有機(jī)碳損失;（2）作為一種特殊的農(nóng)業(yè)土地利用方式，水稻土中有機(jī)質(zhì)積累明顯較旱地高，尤其是南方水稻土(表4)。水稻土作為一種特殊利用方式下形成的人為耕作土壤，其有機(jī)質(zhì)含量是所有耕作土中最高的。水稻

35、土耕作層平均比旱地土壤多保持了9t/hm2的有機(jī)碳,按土壤普查當(dāng)時(shí)的面積算，全國因水稻土的經(jīng)營多固定了0. 3 Pg有機(jī)碳32。 一些田間實(shí)驗(yàn)資料表明,我國水稻土的固碳速率介于0. 12 tC/(hm2a),甚至超過北美森林土壤的固碳速率44, 45。在農(nóng)業(yè)土壤固碳潛力中，水稻土明顯占較高的份額。中國的水稻生產(chǎn)經(jīng)營方式的農(nóng)業(yè)在我國耕作土的碳匯效應(yīng)在全球農(nóng)業(yè)與碳循環(huán)中具有重要意義。二、 耕作土壤有機(jī)碳庫與國家糧食安全X美國和歐洲農(nóng)業(yè)的目前的固碳水平為每年0. 1Pg左右3, 2224。然而,我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中耕層土壤碳庫已損失了約2 Pg(表3),我國耕地有機(jī)碳密度已低于世界平均水平30%。農(nóng)業(yè)能否

36、有效固碳也構(gòu)成了國際社會(huì)對(duì)我國農(nóng)業(yè)環(huán)境安全的擔(dān)憂。X就土壤有機(jī)碳含量而言,南方一般在0. 8% 1. 2%，華北在0. 5% 0. 8%,東北約在1% 1. 5%,西北絕大多數(shù)在0. 5%以下。X 我國耕地平均有機(jī)碳含量低于世界平均值30%以上，低于歐洲50%以上52。X 從碳密度來說,世界平均為121 tC/hm253,蔡祖聰63、Zhou等54,Wu等40對(duì)我國全部土壤的報(bào)道值介于80 105 tC/hm2。X 全球表層土壤的有機(jī)碳密度約為50 tC/hm2,據(jù)我們最近的估計(jì)30,我國自然土壤為57 tC/hm2,耕作土壤僅30tC/hm2，低于世界平均值較大幅度。所以說,我國是土壤碳密度

37、低的國家,也是表層碳密度低的國家。這是耕地資源生產(chǎn)力的基本特點(diǎn)。 在北方旱作區(qū),0. 1%的有機(jī)質(zhì)相當(dāng)于0. 8 t/hm2的糧食生產(chǎn)地力。而南方稻區(qū), 0. 1%的有機(jī)質(zhì)相當(dāng)于0. 6 t/hm2的糧食生產(chǎn)地力。同時(shí),我國耕地肥力監(jiān)測網(wǎng)的長期觀測資料表明,糧食作物的單產(chǎn)的年際變率也受土壤有機(jī)質(zhì)水平制約(表5)。平均說來,提高土壤有機(jī)質(zhì)0. 1%,可以提高10% 20%的穩(wěn)產(chǎn)性 從各地近15年來的年際試驗(yàn)資料看,耕地土壤固碳對(duì)于提高和穩(wěn)定糧食生產(chǎn)力具有舉足輕重的意義。我國南方的長期試驗(yàn)表明,耕地有機(jī)碳的增長(固碳)都促進(jìn)了糧食作物單產(chǎn)的提高和穩(wěn)定(圖2)。因此,農(nóng)業(yè)土壤固碳與糧食生產(chǎn)的安全保障的目標(biāo)是一致的。我國農(nóng)業(yè)可以在高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的目標(biāo)下為國家固碳和溫室氣體減排做出貢獻(xiàn)。也就是說,農(nóng)業(yè)土壤固碳對(duì)于國家目標(biāo)來說無疑是雙贏的戰(zhàn)略選擇25。三、全球變化及糧食安全下我國農(nóng)業(yè)土壤碳庫演變研究的科學(xué)問題與需求1.農(nóng)業(yè)土壤碳庫及其演變研究有兩個(gè)層面的問題:（1）是土壤碳庫的國際外交層面的問題,即目前農(nóng)業(yè)土壤碳匯潛力及其技術(shù)條件已成為國際環(huán)境談判籌碼；（2）是提高土壤有機(jī)質(zhì)水平、培育和提高耕地生產(chǎn)力的問題。 為應(yīng)對(duì)我國環(huán)境外交和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食安全