中國水稻土碳循環(huán)研究進展

PAGE966生態(tài)環(huán)境第14卷第6期（2005年11月）許信旺等：中國水稻土碳循環(huán)研究進展PAGE965生態(tài)環(huán)境2005,14(6):961-966EcologyandEnvironmentE-mail:editor@基金項目：國家自然科學(xué)基金重點項目（40231016）；安徽省教育廳自然科學(xué)基金項目（2004kj297）作者簡介：許信旺（1962－），男，副教授，博士生，主要從事生態(tài)環(huán)境與全球變化教學(xué)和研究工作。E-mail:xuxinwang@163.com*通訊作者收稿日期：200中國水稻土碳循環(huán)研究進展許信旺1,2，潘根興1*1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所，江蘇南京210095；2.池州師專資源環(huán)境科學(xué)系，安徽池州247000摘要：文章首先分析了水稻土在碳循環(huán)研究中的地位和重要性，進而對我國水稻土碳循環(huán)的研究現(xiàn)狀作了較為詳盡的闡述，對其主要研究結(jié)論進行了深入的剖析。中國大面積的水稻土自1980年以來顯示出有機碳庫增加現(xiàn)象，說明水稻田對大氣CO2可能產(chǎn)生匯效應(yīng)。水耕熟化過程是有機碳的積累過程，水稻土的碳密度是旱作土碳密度的2～3倍。水稻土的固碳能力與土壤的微團聚體的粒徑有關(guān)。但對于水稻土中有機碳的分布和結(jié)合狀態(tài)與農(nóng)業(yè)管理措施、水稻土質(zhì)量變化、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境變化的關(guān)系仍不清楚。因而建議就這一問題從土壤物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)的相互作用與土壤微團聚體中礦物質(zhì)、有機質(zhì)和微生物的相互結(jié)合關(guān)系的層面上進行多學(xué)科研究。同時提出了今后我國水稻土碳循環(huán)的重點研究方向和領(lǐng)域，即從整體和系統(tǒng)的角度來研究碳循環(huán)和平衡，從不同的時空區(qū)域來研究碳循環(huán)的過程和強度。關(guān)鍵詞：水稻土；碳循環(huán)；碳庫；溫室氣體中圖分類號：P467；X144文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1672-2175（2005）06-0961-06土壤碳庫為地球表層生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳儲庫。土壤中的有機碳庫與無機碳庫都是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的碳庫，對于溫室效應(yīng)與全球氣候變化同樣有著重要的控制作用。全球土壤有機碳庫(SOCpool)達到1.5×103～2×103Pg，是大氣碳庫的3倍，約是陸地生物量的2.5倍；無機碳庫(SICpool)也達0.7×103～1×103Pg[1]。但由于土壤無機碳的更新周期在1ka尺度(有資料表明8500多年[2])以上，因此土壤有機碳庫在全球變化研究中顯得更為重要。土壤有機碳通過呼吸的CO2排放是決定陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的主要因子[3]，是土壤碳與大氣CO2快速交換的主要形式[4]。過去的研究認(rèn)為，SOC庫70%左右分布于森林土壤；而新近Eswaran等的研究表明，全球森林土壤SOC庫約600Pg，僅占全球SOC庫的40%左右。苔原帶、北方帶、溫帶和熱帶等4大生態(tài)地理區(qū)的SOC庫均約占25%，而在全球濕潤地區(qū)土壤儲存SOC約470Pg，為全球土壤碳庫的35%，遠大于凍土和半干旱濕度條件下[5,6]。全球土壤在最近歷史時期損失的有機碳碳庫約50Pg。土壤碳庫是地球系統(tǒng)在長期的演化中形成的，其對當(dāng)前大氣CO2的匯效應(yīng)以及響應(yīng)大氣CO2升高的庫變化的作用還不十分了解，這些庫量不足以說明大氣CO2的可能匯項的分配。土壤碳的更新周期在中等時間尺度，可能動態(tài)地響應(yīng)大氣CO2的升高。因此，實現(xiàn)土壤有機碳的穩(wěn)定以及增加其碳匯成為全球土壤學(xué)界的研究熱點，也正成為土壤學(xué)影響國際社會全球變化對策的重要工作。SchlesingerWH曾組織了一個“土壤碳固定”的政策論壇，旨在推動社會政府和科學(xué)家對土壤碳固定研究的共同關(guān)注[7]，美國土壤學(xué)會已將這一問題的研究列為近期的主要目標(biāo)?，F(xiàn)有的研究已初步表明水稻土在農(nóng)業(yè)土地利用和全球固碳效益方面具有重要意義，水稻土的碳固定研究將成為陸地生態(tài)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的熱點。1水稻土碳循環(huán)研究進展1.1水稻土有機碳在全球土壤有機碳庫中的地位農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對土壤有機碳庫的效應(yīng)各異。就水稻生產(chǎn)來說，世界上大多數(shù)雨養(yǎng)稻作系統(tǒng)中普遍存在土壤有機碳下降的趨勢[8]。不過，統(tǒng)計資料顯示，阿爾巴尼亞的農(nóng)業(yè)灌溉38年來濕地土壤有機碳含量顯著提高，碳積累速率達到210g·m-2·a-1，因而對大氣CO2的固存有積極貢獻[9]。而泰國雨養(yǎng)條件下水稻秸稈還田只在第一年提高了土壤全碳，以后并沒有顯著增加。中國植稻已有7000年的歷史，水稻土面積約3000萬hm2，占全國耕地總面積的1/4，中國水稻土主要分布于南方各省，東北、西北面積較小，但分布集中，氣候和農(nóng)業(yè)利用條件各異。水耕土壤(廣義的水稻土)是自然土壤在人為水耕熟化過程中形成的，是特殊的人為濕地土壤，屬《中國土壤系統(tǒng)分類》中獨特的人為土亞綱，國際上公認(rèn)為中國特色的土壤。水稻土在土壤發(fā)生、肥力特性和利用類型上有廣泛的多樣性[11,12]。最近幾年我們對中國土壤有機碳庫進行了統(tǒng)計研究[13,14]，表明中國表層土壤有機碳庫約20Pg，其中有6個表層土壤有機碳庫在1.0Pg以上，水稻土占1.1Pg，是主要土壤類型之一。水稻土水耕熟化過程中有機碳的積累是普遍趨勢。20世紀(jì)80年代以來，中國尤其是江蘇省水稻土呈現(xiàn)出土壤有機碳庫的增長，因此土壤有機碳固定效應(yīng)十分顯著[15]。1.2水稻土與旱作土固碳效益差異灌溉是我國農(nóng)業(yè)的特色。灌溉及其水耕熟化作用是我國大面積農(nóng)業(yè)土壤保持有機碳的主要途徑。據(jù)對我國第二次土壤普查資料的統(tǒng)計，全國水田土壤有機碳含量普遍高于旱地土壤[16]。據(jù)我們的計算，我國水田土壤(含灌淤土)共0.3億hm2，保存表層有機碳達0.9Pg，其碳密度是旱地土壤的137.7%。因此，我國灌溉農(nóng)業(yè)的發(fā)展相當(dāng)于增加有機碳固定達0.3Pg。這種增加的碳固定在華南、長江中下游、華北和黃土高原區(qū)最為顯著[9]。據(jù)江蘇省第二次土壤普查[17]，全省旱地土壤平均有機碳含量約6g·kg-1，而水田則為近12g·kg-1。1949年時全省水田面積為934.7×103hm2，1998年達2669.7×103hm2，40年間的碳固定效應(yīng)可達17Tg，其碳固定速率達到20g·m-2·a-1。湖南省第二次土壤普查資料表明，水田土壤與旱地土壤的平均有機碳含量分別為18.36g·kg-1和10.22g·kg-1，不同母質(zhì)起源的土壤中，水田土壤有機碳均顯著高于旱地土壤[18]。同樣，江西省是南方土壤有機碳十分缺乏的省份，旱地土壤有機碳的平均含量為9g·kg-1，而水田土壤達16.6g·kg-1，而截至1980年，該省水田土壤發(fā)展到300萬hm2，而旱地則削減到46萬hm[19]。我們最近估算了安徽省的水稻土和旱作土的碳密度，結(jié)果表明安徽省水稻土的碳密度（41.82±11.62t·hm-2）是旱作土（17.58±6.07t·hm-2）的2.4倍。這種水田土壤的碳固定作用即使是在土壤水分條件較差的荒漠地區(qū)也十分明顯[20]，資料表明甘—新干旱平原區(qū)不同荒漠土壤在引水灌溉和耕墾培肥后有機碳的升高幅度在1～3g·kg-1[21]。寧夏植稻歷史較長的灌淤土有機碳含量顯著高于普通灌淤土[22]。因此，水耕熟化作用使水田土壤中有機碳得到穩(wěn)定而提高。根據(jù)第二次全國土壤普查中容重、耕層厚度和面積等資料[23]計算，我國灌溉農(nóng)業(yè)下的水田土壤累計碳固定效應(yīng)達0.22Pg。1.3水稻土有機碳的固定與交換機制水稻土中有機碳的固定機制目前尚不清楚。20世紀(jì)70年代以來，對水稻土中有機碳的含量、分布及其微團聚體分配、有機無機結(jié)合的數(shù)量與性質(zhì)進行了較多研究。對于相同類型的水稻土來說，運用重液區(qū)分法得到的有機碳復(fù)合量一般與全土有機碳呈線性相關(guān)，但復(fù)合度與有機碳含量無關(guān)[12]，說明有機碳在水稻土中與不同物質(zhì)的結(jié)合關(guān)系是復(fù)雜的。有機碳復(fù)合度在不同粒徑的團聚體中的分布因土壤類型與肥力狀況而異袁穎紅、李輝信等（2004）研究表明，紅壤性水稻土中0.02～0.05mm微團聚體中，有機碳占40％，長期施用有機肥，無機肥能顯著增加0.002～0.02mm微團聚體的含量[25]。我們近年的研究表明，太湖地區(qū)黃泥土中新增加的有機碳主要固定在2～0.25mm和0.25～0.02mm兩個粒組的微團聚體中，提示不同粒徑團聚體中有機碳的組成與活潑性存在差異[26]。我們最近對太湖地區(qū)3種水稻土的培養(yǎng)試驗表明，不同發(fā)生起源與土壤礦物組成的水稻土，其有機碳在升溫下的碳損失規(guī)律迥異，滲育型富晶質(zhì)氧化高鐵的黃泥土的有機碳在升溫下仍然十分穩(wěn)定，而沼澤起源與貧氧化鐵礦物的水稻土有機碳損失較快[27]。土壤中氧化鐵是水稻土中活躍的化學(xué)成分，它通過水穩(wěn)性團聚體的形成促進有機碳的復(fù)合，作為水稻土高度熟化標(biāo)志的鱔血(一種有機氧化鐵絡(luò)合物)是否可以代表某種固定機制尚不得而知。水耕過程中土壤有機碳的增加還伴隨有機質(zhì)的腐殖酸組成與結(jié)構(gòu)的演變。過去有資料認(rèn)為，水稻土形成中有機碳的w(HA)/w(FA)比降低[24]。但最近的資料顯示，無論是江西紅壤起源的水稻土，還是西北灌淤土，水耕熟化過程中w(HA)/w(FA)比升高[9]。對于水稻土中有機質(zhì)的研究，過去較多是腐殖質(zhì)的w(C)/w(O)比、w(C)/w(H)比和E4/E6比的分析，認(rèn)為水耕熟化過程中，腐殖質(zhì)光密度降低、w(C)/w(H)比減小而w(C)/w(O)比提高，羧基含量降低[24]。水稻土有機碳固定是一個復(fù)雜的問題，不但必須從有機碳的微團聚體分配及其與土壤礦物的結(jié)合方式，而且必須從有機碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)與反應(yīng)性(有機質(zhì)組成與基團結(jié)構(gòu))的改變進行深入研究，這需要現(xiàn)代分子水平的研究技術(shù)。土壤對有機碳的固定作用實際上應(yīng)該是易變形態(tài)成為難變態(tài)，生物可利用形態(tài)成為不可利用形態(tài)。因此，土壤中有機碳與土壤粒子的結(jié)合可能受土壤中有機-無機-生物的相互作用特點所制約。土壤有機碳固定中團聚體保護機制可能說明有機碳的固定效應(yīng)。我們對太湖地區(qū)水稻土、紅壤旱地和江淮丘陵旱地土壤的研究發(fā)現(xiàn)有機碳積累量與2000~250m微團聚體有機碳含量密切相關(guān)[29,30]。因此，需要從微團聚體水平的有機碳轉(zhuǎn)化與結(jié)合機制上研究農(nóng)業(yè)土壤對有機碳的固定機制，并探討促進其固定的技術(shù)措施[31甲烷是僅次于CO2的最重要的溫室氣體之一，水稻田排放的CH4大約占全球CH4總排放量的(17.5±12.5)%，減少稻田CH4排放量是目前最被關(guān)注的。CH4是極端還原田間下產(chǎn)甲烷菌活動的產(chǎn)物。影響甲烷排放量的主要因素有：土壤水分、有機質(zhì)含量、土壤特性，溫度及農(nóng)業(yè)管理等。與土壤還原條件關(guān)系密切的土壤水分是影響水稻田甲烷排放量的最重要的因素。蔡祖聰?shù)热说难芯勘砻鱗32,33]，冬季土壤水分含量與水稻生長期CH4排放量呈顯著正相關(guān)，冬季良好的排水管理，可有效地減少后續(xù)水稻生長季節(jié)的甲烷排放量。烤田也能明顯減少水稻田CH4排放量；有機物質(zhì)又是一影響CH4排放量的因素，其排放量隨著有機物質(zhì)的增加而增加，其原因是有機物質(zhì)降低土壤氧化還原電位，為產(chǎn)甲烷菌的活動創(chuàng)造生長條件和為生成甲烷直接提供碳源。土壤理化特性對甲烷排放量影響主要變現(xiàn)在土壤的砂粒含量和C/N比上，黃耀等的研究表明[34]，在淹水條件下，土壤砂粒含量和C/N比與甲烷排放量呈正相關(guān)，在濕潤條件下，僅與砂粒含量呈線性關(guān)系。不同的溫度和農(nóng)業(yè)管理對甲烷排放量的影響各異，并沒有顯著規(guī)律。1.4水稻土有機碳固定的環(huán)境意義及不同形態(tài)的碳素間的關(guān)系最近有人估計，在中國過去的600年里，旱田改為水田使土壤有機碳儲量增加了120～584Tg[35]，這項研究說明了中國農(nóng)業(yè)土壤作為CO2匯的潛力。中國水稻土有機碳在全球變化背景下的潛在變化如何是一個有待闡明的問題。根據(jù)目前的估計，未來30～50年間大氣溫度將升高1.5～4.5℃，而21世紀(jì)初大氣CO2濃度將達600Ｌ·Ｌ-1的高峰值。謝云等的研究表明，氣候邊緣地區(qū)的敏感性較強，黑龍江、河北和江蘇對氣候變化最敏感[36]。資料表明，中國東經(jīng)95°、黃河以北地區(qū)的最高溫度和全國普遍地區(qū)的最低溫度在近40年以來顯著升高，在東北和淮河以北地區(qū)升溫幅度每10a達0.3~0.7℃。因此，溫帶地區(qū)水稻土和西北灌淤土有機碳可能對全球變暖敏感。同時，全球大氣CO2升高是普遍趨勢，水稻土有機碳變化對于大氣CO2升高的響應(yīng)至今仍無充足資料與研究案例。從土壤有機碳固定的角度研究水稻土有機碳的穩(wěn)定性及其對于全球變化的有利效應(yīng)還未見報道。另外，中國水稻土還存在著酸化和土壤污染[37,38]等生態(tài)環(huán)境問題，它們對水稻土碳固定的影響也需要研究明確。以往對于中國水稻土與全球變化的研究集中在水稻土的溫室氣體釋放行為(甲烷排放和反硝化的N2O排放)，已積累了較多的資料大量研究[4042]表明，土壤易氧化碳和DOC分別與總有機碳量呈顯著的線性正相關(guān)，二者同時也與土壤微生物量碳呈顯著的線性正相關(guān)，土壤的易氧化碳和可礦化碳有較好的相關(guān)性。土壤微生物量碳與土壤有機碳極相關(guān)，土壤DOC的含量與CH4產(chǎn)生量顯著相關(guān)，增加淹水土壤水溶性有機碳含量可以增加CH4生成量。因此，可根據(jù)不同形態(tài)碳之間的相關(guān)關(guān)系來進一步研究水稻土有機碳的固定和循環(huán)機制及對全球環(huán)境的意義。1.5農(nóng)業(yè)自然因素及耕作制度對水稻土碳排放與碳循環(huán)的影響不同的利用方式、不同氣候地帶、不同的耕作與管理、施肥與灌溉等自然因素對水稻土CO2的排放通量和碳循環(huán)有著顯著的影響。婁運生、李忠佩等人[43]的研究表明，不同利用方式表現(xiàn)為在水田淹水植稻期(夏季)，水田的排放通量明顯低于旱作稻，而在水田非淹水期(排水落干或休閑期)，其排放通量則顯著高于旱作稻。土壤溫度和濕度分別是影響水田CO2排放的主導(dǎo)因子，因此，不同氣候地帶下，CO2的排放通量表現(xiàn)為：熱帶>亞熱帶>溫帶；在溫度基本相同時，土壤濕度、可溶性碳和微生物量碳與通量間的相關(guān)性因季節(jié)而異.在春、秋和冬季，通量與土壤濕度和微生物量碳呈顯著正相關(guān)，與可溶性碳呈顯著負(fù)相關(guān)；而在夏季，通量則與土壤濕度和微生物量碳呈顯著負(fù)相關(guān)，與可溶性碳呈顯著正相關(guān)。不同施肥能使土壤有機碳有不同程度的提高，尤其是有機肥配施無機肥效果最為明顯。不同的耕作對土壤有機碳和微生物量碳有很大的影響。研究表明，免耕是有效的提高農(nóng)田土壤有機碳的方法，免耕土壤比傳統(tǒng)耕作措施管理的土壤有機碳平均水平高[44]。經(jīng)過10a的自然免耕，土壤肥力比試驗前有大幅增長。特別是免耕壟作和廂作的上層，有機質(zhì)分別比10年前增加135%和165%，平均每年增加13.5%和16.5%，全氮增加55%和70%，土壤免耕減緩了土壤中碳、氮的礦化速率和有機質(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，長期免耕能增加表土層土壤微生物生物量碳、氮含量[45]2問題與展望從以上的綜述中可以看出，我國的水稻土碳循環(huán)研究基本上還處于起步階段，以往的許多研究雖然為目前的碳循環(huán)研究奠定了一定的基礎(chǔ)，但其中的部分研究成果與碳循環(huán)的結(jié)合并不十分緊密，要想將其應(yīng)用到碳循環(huán)的研究中還需補充許多研究內(nèi)容。已有的有針對性的碳循環(huán)研究也存在諸多薄弱環(huán)節(jié)，綜合起來，我國水稻土碳循環(huán)研究今后應(yīng)在以下幾個方面進一步加強：（1）從整體和系統(tǒng)的角度來研究碳元素的循環(huán)和平衡。在已有的研究中，對于水稻土碳庫的研究多是局限于水稻土本身的時間變化動態(tài)、空間分布以及周圍環(huán)境因素對其的影響研究。而對于碳元素各個貯存庫間的定量遷移、轉(zhuǎn)化關(guān)系仍很少涉及，缺乏整個系統(tǒng)的綜合研究，無法建立水稻土與植物、大氣、水資源間的動態(tài)循環(huán)模式。（2）進一步加強對影響水稻土碳源匯的物理、化學(xué)和生物過程的研究，補充和完善水稻土的碳循環(huán)機制。迄今為止對水稻土有機碳的固定作用及其所涉及的機理和水稻土有機碳的穩(wěn)定性以及不同農(nóng)業(yè)管理措施下變化的研究嚴(yán)重不足并存在知識缺陷。對于水稻土有機碳的活潑性及其變化的研究甚少，尤其對于全球變化的響應(yīng)及其機制尚不清楚。因此，急需研究中國不同生態(tài)區(qū)、不同發(fā)生型水稻土在水耕熟化過程中有機碳的結(jié)合機制，研究不同結(jié)合機制下水稻土有機碳穩(wěn)定性與對全球變化(變暖和CO2加倍)的響應(yīng)及其水稻土物理、化學(xué)與生物的相互作用以及控制關(guān)系。（3）從不同的時間尺度和空間區(qū)域來探討水稻土碳循環(huán)過程和強度研究。加強水稻土碳源匯季節(jié)變化動態(tài)和區(qū)域分異的對比定位觀測，以闡明中國人為作用下稻作經(jīng)營對于農(nóng)業(yè)土壤碳匯的效應(yīng)以及在溫室氣體與全球變化中的意義，為中國制定CO2排放清單，爭取環(huán)境外交事務(wù)的有利和主動地位提供科學(xué)依據(jù)與系統(tǒng)資料；為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)環(huán)境政策的選擇，水稻土持續(xù)利用的技術(shù)途徑選擇提供決策參考依據(jù)；期望通過對這一土壤特色的研究，使中國在國際土壤與全球變化領(lǐng)域占據(jù)更重要的地位。同時加強機制研究中的多因子綜合評價，增加研究和預(yù)測結(jié)果的可靠性。加強對未來氣候變化下碳循環(huán)過程和強度的預(yù)測性研究，探討不同人類活動強度影響下碳循環(huán)過程的可能變化，定量分析氣候變化、土地利用變化、人類活動強度及耕作制度對水稻土碳收支的相互作用機制，以便確定合適的人類活動強度，實現(xiàn)碳元素減排增匯與社會經(jīng)濟的共同持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)水稻土碳循環(huán)研究的最終目標(biāo)。參考文獻：[1]SHIMELDS.Terrestrialecosystemandthecarboncycle[J].GlobalChangeNewsletter,1999,37:2－3.[2]LALR.Wordsoilsandgreenhouseeffect[J].IGBPGlobalChangeNewsletter,1999,37:4－5.[3]ESWARANH,REICHF,KIMBLEJM.Globalsoilcarbonstocks[M].USA:LewisPublishers,1999:15－26.[4]VALENTINIR,MATTENUCCIG,DOLMANAJ,etal.RespirationasthemaindeterminantofcarbonbalanceinEuropeanforest[J].Nature,2000,404:862－864.[5]TRUMBORESE,CHADWICKOA,AMUNDSONR.RapidexchangeofsoilcarbonandatmosphericCO2drivenbytemperaturechanger[J].Science,1996,272:393－396.[6]KATHARINEC,FUNGIY.Thesensitivityofterrestrialcarbonstoragetoclimatechange[J].Nature,1990,346:48－51.[7]SCHLESINGERWH.Carbonsequestrationsoils[J].Science,1999,284(25):2095.[8]NAKLANGK,WHITEBREADA,LEFROYR,etal.Themanagementofricestraw,fertilizersandleaflittersinricecroppingsystemsinNorthernThailand:Soilcarbondynamics[J].PlantbandSoil,1999,209:21－28.[9]ZDRULIP,ESWARANH,KIMBLEJ.OrganiccarboncontentsandratesofsequestrationinsoilsofAlbania[J].SoilScienceSocietyofAmericanJournal,1995,59:1684－1687.[10]全國土壤普查辦公室.中國土壤[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,1998.STATESOILSURVEYSERVICE.SoilofChina[M].Beijing:ChinaAgriculturalPress,1998.[11]李慶逵.中國水稻土[M].北京:科學(xué)出版社,1992.LIQINGKUI.PaddysoilofChina[M].Beijing:SciencePress,1992.[12]徐琪,楊林章,董元華,等.中國稻田生態(tài)系統(tǒng)[M].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