我國土壤有機碳儲量、分布及其轉化研究進展

0土壤有機碳庫土壤碳是土壤碳的重要組成部分。世界上以有機碳的形式儲存在地球土壤中（即土壤有機碳的soil，套）。這是地球植被碳庫（500.600kg）的兩倍，也是世界碳庫（750kg）的兩倍多。土壤年有機碳儲量的年平均產量是能源燃燒燃料的10倍。因此，高儲量的土壤有機碳儲量的小幅度變化會影響到碳排放，并影響世界氣候變化。因此，土壤中有機碳儲量的統計是聯合國氣候變化框架協議（un-rc）的一部分。中國是一個資源相對匱乏的農業大國。科學地利用和保護有限的土壤資源，提高土壤質量，緩解土壤侵蝕對理論和實踐的重要性，對中國農業經濟的可持續發展和生態平衡的充分利用具有很好的應用價值。國內眾多學者對于土壤有機碳進行了研究,如方精云、王紹強、潘根興、金峰等對我國土壤有機碳庫進行估算,對其分布特征以及在全球碳循環中的意義給予了分析.但是,基于不同研究者所采用的資料、計算方法及其側重點的不同,所得結論存在一定的差異性.本文在查閱大量相關資料的基礎上,綜合研究了國內外科研成果,對我國土壤有機碳的儲量、估算方法、分布特征、轉化規律以及影響土壤有機碳的自然和人為因素給予了詳細分析.1土壤有機碳量與土SOC包括植物、動物及微生物的遺體、排泄物、分泌物及其部分分解產物和土壤腐殖質.土壤中的有機碳量是進入土壤的植物殘體量以及在土壤微生物作用下分解損失的平衡結果.1.1我國土壤總有機碳庫的現狀土壤是一個不均勻的三維結構體,在空間上呈現復雜的鑲嵌性,且與陸地植被和生物發生復雜的相互作用,土壤碳密度存在極大的空間變異性.基于不同研究者所采用的資料來源和統計樣本容量不同,所得結果存在一定的差異性(相關數據列于表1).王紹強等根據我國第二次土壤普查數據,估算得到中國陸地土壤有機碳蓄積量大致在615.19×1014~1211.37×1014g之間,平均碳密度為10.49~10.53kg·m-2(土壤厚度為100cm)或11.52~12.04kg·m-3(土壤厚度為88cm),土壤平均碳蓄積量為913.28±298.09×14g.我國國土面積約占全球陸地面積的1/15,而土壤總有機碳庫僅占全球(全球SOC約有1500Gt)的1/25~2/25,故我國是低土壤有機碳密度的國家,這與我國一半以上的國土為低或貧有機碳的土壤所覆蓋的國情相符.方精云等把土壤都均一化為1m厚度,從而估算提出我國土壤總有機碳庫高達185Pg,實際上我國大面積土壤的有機碳分布不到1m深度.1.2我國表層土壤有機碳庫的現狀表層土壤有機碳直接與陸地生態系統碳循環相動態耦合,其儲量、分布、循環等與環境變化休戚相關.潘根興分別采用《中國土種志》和《中國土壤普查數據》的資料估算我國表層土壤有機碳的含量均為20Pg(旱地采樣深度為20cm,水田為20cm),占全球的4.4%(Potter等1993年根據CENTURY模型計算的全球土壤表層有機碳為455Pg),因此,我國SOC的表聚性較突出.我國表層土壤有機碳庫從地區分布上看,東北地區和西北地區庫量較大,在占總量8.7%和32.5%的土壤面積中,總有機碳庫分別占總量的28.3%和32.3%,表層有機碳庫占總量的38.9%和30.5%;從土壤類型來看,主要集中于與濕地和寒濕地帶有關的幾個土壤類型中(如表2所示).2統計方法的不確定性SOC儲量研究一般按土壤類型、植被類型、生命帶、相關關系統計或模型法來統計,不同研究者所用的各種統計方法無本質差別,但是所用的資料來源不一,加上土壤分布的空間變異性和各區域相關因素的差異性,使得各方法在研究中受到不同的限制,統計數據在一定程度上也具有一定的不確定性.2.1土壤條件與土壤類型的匹配關系土壤類型法是通過土壤剖面數據計算分類單元的SOC含量,根據各種分類層次聚合土壤剖面數據,再按照區域或國家尺度土壤圖上的面積得到SOC蓄積總量.同時,在土壤圖上將土壤單元與土壤碳密度匹配以表現土壤碳蓄積量的空間分布特征.同類土壤往往會具有相似的影響土壤碳蓄積的調控因素,因此,此方法能提供更多碳蓄積與土壤發生學相關的認識,有利于分析碳蓄積量估計中不確定性的原因,容易識別土壤碳的空間格局.土壤類型法也可以利用世界土壤圖和全球土壤分類系統形成統一的估算體系用來估算全球SOC碳蓄積量.2.2有機碳密度與該類型的地區分布面積計算植被類型、生態系統類型和生命地帶法是按照植被、生命地帶或生態系統類型的土壤有機碳密度與該類型分布面積計算SOC蓄積量.使用該方法能較容易地了解不同植被、生態系統和生命地帶類型的土壤有機碳庫蓄積總量,而且各類型還可以包含多種土壤類型,分布范圍更加廣泛,更能反映氣候因素、植被分布對SOC蓄積的影響.2.3氣候變化對土壤碳蓄積量的影響模型方法是通過各種土壤碳循環模型(相關關系模型、機理過程模型、基于實測數據和遙感數據的模型等)來估算SOC的蓄積量.該方法可以綜合考慮決定進入土壤的碳數量和質量,以及決定SOC分解速率的各種因子,從而可以估算SOC蓄積量,并且能夠根據大量實測數據和氣候變化模擬數據,預測不同情況下的土壤碳蓄積量動態變化趨勢,探討SOC蓄積和固定潛力,分析氣候變化對土壤碳蓄積的不同綜合影響.2.4土壤有機碳含量與土壤理化性質、土壤理化性質、氣候的空間分布相關關系統計法是通過分析SOC的蓄積量與采樣點的各種環境變量、氣候變量和土壤屬性之間的相關關系,建立一定的數學統計關系,在有限數據基礎上計算SOC的蓄積量.SOC蓄積量的地理格局和土壤形成因子之間的關系可以通過比較土壤碳和母質、土壤理化性質、地形、植被和氣候的空間分布,從而得到SOC的含量與形成影響因素之間的空間相關關系.建立土壤有機碳含量與降水、溫度、土壤厚度、質地、海拔高度、容重之間的相關關系是普遍采用的一種方式,但是由于各區域的主要控制因素不同,相關性表現不一,因此所確定的統計關系需要得到檢驗和驗證后方可應用.SOC蓄積量的計算是非常困難和復雜的,許多方面存在不確定因素,主要在于:缺乏連續、可靠、完整和統一的土壤剖面實測數據;土壤碳氮含量、質地、容重等土壤理化性質存在相當大的空間變異性,以及氣候、地形、母巖、植被和土地利用的綜合影響;土壤內部碳循環過程難以觀測;土壤采樣方法的設計以及土壤碳蓄積量的計算方法.3土地利用的影響因素SOC儲量的大小受植被、氣候、土壤屬性以及土地利用方式的變化等多種自然因素和人文因素的綜合影響.近年來,許多學者對此也做了大量研究,成為人們關心和研究的熱點.3.1枯落帶.積水單自然條件下,植被類型決定進入土壤的植物殘體量.植被類型不同,進入土壤的方式各異,有機物的進入量也就不同,從而SOC的分布狀況也有很大差異.森林植被的枯枝落葉,一般在地表就已分解;草原土壤有機碳的主要來源是殘根,在土中埋藏較深,分解速率較小,較森林土壤有機碳密度高;耕作土壤,由于作物秸稈在收獲時移出、地溫和淋溶損失較高、作物殘體分解能力弱等原因,碳密度較森林土壤低.不同的氣候條件如溫度、水分等因素制約著植被類型.相關研究顯示,陸地土壤碳密度一般隨降水增加而增加,在相同降雨量時,溫度和碳密度成負相關,溫度和降雨的綜合作用決定了陸地土壤碳密度分布的地理地帶性.一般,濕熱的赤道雨林地區年枯枝落葉量最大,極地地區最小,溫帶和寒溫帶地區居中;與此同時,氣溫高的地區土壤微生物的活動相對較強,對土壤有機質的分解速率快.相關實驗表明,溫度每升高1℃,全球將分解11~34Gt的SOC,產生溫室氣體排向大氣.土壤性質、粘土礦物類型及土壤環境如地形地貌特征也是影響SOC穩定性的重要因素.一般情況下,SOC含量和粘土含量呈顯著的正相關,且粘土礦物對有機質具有一定的穩定作用(土壤有機質的數量與更新的最大變化,可歸因于土壤深部受土壤礦物控制的惰性碳的變化.相對無定形的非晶質礦物,如水鋁英石、水鐵礦、具有高水合程度,廣大的表面積以及可變的電位,它們通過陰離子以及配位基交換反應形成穩定的有機—礦物復合體,它們的幾何形態可以很好配合,從而形成對有機質的物理保護.而非晶質礦物處于準穩定狀態,給定足夠長的時間,它們脫水成為晶質粘土,包括埃洛石、高嶺石、水鋁礦以及赤鐵礦等礦物,具有較低的表面積和電荷密度,固定有機質的能力相對較弱),并且不同質地的土壤因持水性能和所含粘粒所占比例不同也影響SOC的分布,而坡度、坡向等地形因素在一定程度上影響蒸騰蒸發、水分入滲等繼而影響到植物生產力和凋落物歸還量及其分解,SOC的含量也就存在明顯差異.另外,土壤的酸堿度、溫度、水分和深度等因素,由于影響微生物的活動而使得有機碳的分解速率不同,也就影響了SOC的含量.大氣CO2濃度的變化主要通過影響植物生長而間接影響土壤碳循環.首先,大氣CO2濃度的升高會刺激植物的光合作用,使總初級生產量(GPP)提高,并且更多的光合產物分配到植物根系,促進根系的生長和根分泌物的增加,使得根基沉積(Rhizodeposition)和根際呼吸作用也顯著提高,因此促進了碳向地下部分的輸入.另外,還將通過影響凋落物的化學組分及生態系統種類組成而影響凋落物的分解,而且通過凋落物中C/N比的改變影響土壤微生物分解速率,從而導致植物一土壤系統中碳通量的變化.3.2人為因素3.2.1減少土壤有機碳的釋放土地利用方式的變化直接和間接地(通過改變土壤有機質的分解速率)影響SOC的含量和分布.在諸多活動中,將自然植被轉變為耕地是干擾土壤碳庫和碳循環的最重要因子.土地開墾與耕作.土壤的耕墾一方面,破壞了土壤的團聚結構,使得土壤有機質(SOM)充分暴露失去保護作用而分解;另一方面,耕作改變了土壤原有的溫度、濕度、孔性等相關條件,從而增強了微生物的活性,促進了呼吸作用的進行,加速了SOM的礦化;再一方面,林地和多年生牧草轉變為作物后,初級生產固定的碳素向土壤中分配比例降低,地上生物量中碳素向土壤中的輸入由于作物收割也相應減少.相關研究顯示,森林砍伐或改變林地利用現狀都會造成20%~50%的SOC損失;草地的開墾會導致SOC的釋放,損失掉原來土壤中碳素總量的30%~50%.過度放牧.過度放牧是土壤沙漠化的主要根源,同時是人類施于草地生態系統最強大的影響因素.研究表明,過度放牧對草地生產力產生嚴重負效應;過度放牧影響有機碳由初級生產向凋落物的轉化和向土壤中的輸入;過度放牧將促使土壤的呼吸作用,加速了碳素向大氣的釋放.3.2.2不同的土壤管理方式對土壤soc含量的影響相關數據顯示,耕作制度、輪作體系、作物殘留物的管理方式等都對SOC的儲量和轉化產生影響.撂荒、輪耕和免耕.通過土地的撂荒、輪耕和免耕都會不同程度的增加SOC的含量,其中,土壤免耕減緩了土壤中碳、氮的礦化速率和SOM分解速率,減少了反硝化作用所需的碳、氮基質供應量,同時,長期免耕可以提高土壤表土層微生物生物量碳、氮含量,通過凋落物的轉化增加了有機碳的蓄積量.管理方式.秸稈焚燒是一種普遍采用的措施,這種管理方式直接造成了碳的釋放,并且加快了SOC的損失.澳大利亞的有關研究表明,秸稈還田比秸稈焚燒移出處理,土壤顆粒有機質碳增加30%.施肥.一些定位試驗研究表明,使用無機、有機肥、綠肥在一定程度上能促進SOC儲量的增加,但另外一些試驗卻得到不同結論.因此,土壤施肥對SOC儲量的影響還有待于我們開展多種生態系統得長期定位試驗,進行深入研究.此外,隨著我國工業的發展和城市化進程加快,在土地利用方式改變(農用地轉化為建設用地)的同時也嚴重影響了SOC的含量.4加大耕作方式的改變土壤是氣候變化的記錄者,土壤碳循環研究是確定陸地生態系統與全球變化相互關系的有效方法,是認識農、林生態系統生產潛力的重要手段.我國面臨著嚴峻的人口、資源和環境問題,在人口急劇增長的情況下,人為地改變土壤利用類型和不合理利用,加之自然環境變化