土壤碳儲(chǔ)量及其碳固定研究

武曼曼，馬友華，王 強(qiáng)，楊書運(yùn)，徐小牛，張貴友

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，安徽 合肥230036）

全球氣候變化的主要原因是CO2濃度的增加，根據(jù)1850～2000年的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前CO2濃度已達(dá)到370ul／l，達(dá)到了最高值，比1985年工業(yè)化之前最少增加30%［1-2］。據(jù)IPCC預(yù)測(cè)，到2100年大氣CO2濃度將升高到500～1 000ul／l。CO2濃度升高的后果使得人們把控制CO2濃度的劇烈變化變成了重中之重，并且成為許多國際會(huì)議的中心議題。中國也在京都議定書上簽了字，被要求建立碳庫清單及評(píng)估碳庫的變化［3］，與地面有關(guān)的碳源與碳匯，都成為土壤碳庫統(tǒng)計(jì)的一個(gè)主要部分。

在陸地碳循環(huán)研究中，土壤碳扮演著重要的角色。全球0～100m深度的土壤有機(jī)與無機(jī)碳庫儲(chǔ)量約為2 400Pg（1Gt C＝109tC，1Pg C＝1 015g C），約是陸地植被碳庫的2～3倍，大氣系統(tǒng)的3～4倍［4］。土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的貯存庫，受水分、溫度等條件的影響，土壤碳庫可變成貯藏碳的匯，也可變成排放碳的源。土壤碳庫較小的變化，都可通過向大氣排放溫室氣體而影響全球氣候變化，進(jìn)而對(duì)陸地系統(tǒng)產(chǎn)生深刻影響。

1 土壤碳儲(chǔ)量

1.1 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量

在全球碳循環(huán)中，CO2在大氣、海洋和陸地生物圈3大系統(tǒng)之間進(jìn)行著交換。大氣碳含量與海洋碳含量都是一個(gè)相當(dāng)準(zhǔn)確的值，而陸地則因?yàn)槭艿降匦巍夂?、植被狀況等諸多因素的影響，碳含量的測(cè)定就相對(duì)困難并且準(zhǔn)確度也不高（表1）。研究表明，隨著降水的增多，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量隨之增加［5-6］。

表1 地球各圈層碳儲(chǔ)量分布 單位：Gt C

聯(lián)合國氣候變化框架公約各公約國規(guī)定了各個(gè)國家的溫室氣體凈排放通量，而估算土壤有機(jī)碳蓄積量的統(tǒng)計(jì)則是其中一部分工作，研究土壤有機(jī)碳的總蓄積量和空間格局的數(shù)據(jù)來源則是來自土壤水文特征、土壤生產(chǎn)力和以碳為主的溫室氣體的研究［7］。從研究數(shù)據(jù)看，國內(nèi)外對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的研究，早期的估算方法是根據(jù)土壤剖面資料進(jìn)行推算的（表2、表3）。

從上述數(shù)據(jù)中看出，由于全球土壤剖面數(shù)據(jù)較少，使得土壤碳庫的估算具有很大的不確定性，但是，Rubey推算出的全球土壤有機(jī)碳庫719Pg與Bohn估算出的2 946Pg，這兩個(gè)值已經(jīng)成為當(dāng)前估算全球土壤碳儲(chǔ)量數(shù)值的上下限。我國對(duì)于土壤有機(jī)碳庫的估算結(jié)果相差較大，這是因?yàn)槭褂玫姆椒皵?shù)據(jù)指數(shù)不同，因此不確定性也較大。

表2 全球土壤碳儲(chǔ)量估算

表3 中國土壤碳儲(chǔ)量估算

1.2 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的估計(jì)方法

土壤碳儲(chǔ)量的研究一般為有機(jī)質(zhì)的研究，其中被廣泛使用的是土壤類型法、模型方法、生命地帶法和遙感法。

土壤類型法通過土壤剖面數(shù)據(jù)來計(jì)算分類單元的土壤碳含量，根據(jù)各種分類層次總結(jié)土壤剖面數(shù)據(jù)，再按照區(qū)域尺度土壤圖上的面積得到土壤碳蓄積總量。同類土壤影響土壤碳蓄積的因素往往是相似的，因此，此方法更深一步地介紹了碳蓄積與土壤發(fā)生學(xué)相關(guān)的關(guān)系，有利于分析估計(jì)中不確定性的原因和識(shí)別土壤碳的空間格局。

模型方法是通過各種土壤碳循環(huán)模型來估算土壤碳的蓄積量的，包括相關(guān)關(guān)系模型、機(jī)理過程模型、基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)的模型等。研究大尺度陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的必要手段之一為模型方法。如果一個(gè)地區(qū)處在一個(gè)特別理想的條件下，想要估算碳儲(chǔ)量和碳通量，那么模型方法就特別適合。GIS估算方法是一種有效的土壤碳儲(chǔ)量估算新方法，模型與GIS估算方法的結(jié)合有著很好的應(yīng)用前景，可解決土壤碳儲(chǔ)量由點(diǎn)尺度推算到區(qū)域尺度所帶來的尺度擴(kuò)展問題，也便于和其他技術(shù)結(jié)合。

生命地帶法計(jì)算土壤碳蓄積量是按照生態(tài)系統(tǒng)類型的土壤有機(jī)碳密度與該類型土壤的分布面積的。但這個(gè)方法不能推廣，這是因?yàn)槟壳叭蛑脖活愋图懊娣e統(tǒng)計(jì)不夠準(zhǔn)確，容易產(chǎn)生估算誤差所致，其估算結(jié)果只是在一定程度上具有一定意義。

遙感作為一種技術(shù)手段可以用來提供土壤表面狀況及其性質(zhì)的空間信息，可用來評(píng)價(jià)土壤碳儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)變化?；谶b感影像估算土壤碳儲(chǔ)量的方法有遙感影像直接估算方法和植被指數(shù)估算方法。

在制作土壤圖、土壤特性解譯和進(jìn)行農(nóng)業(yè)水肥過程中，土壤表層有機(jī)碳含量是一個(gè)重要土壤屬性，因此目前研究的熱點(diǎn)是如何利用遙感影像直接獲取土壤有機(jī)質(zhì)含量。國外專家利用裸露地表的高分辨率遙感影像來定量化分析土壤表層有機(jī)碳含量的空間變異性。這個(gè)方法簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理過程中可以廣泛使用。

利用遙感技術(shù)來確定和推導(dǎo)植被冠層覆蓋下的土壤特性是遙感估算土壤有機(jī)碳研究的長期目標(biāo)。未來的研究中，需要改善土壤有機(jī)碳和遙感數(shù)據(jù)之間的模擬關(guān)系（土地管理歷史的信息、立地年齡或干擾歷史）作為控制因素來確定他們的影響。

2 土壤碳固定研究

2.1 土壤碳固定

碳源是指向大氣中排放二氧化碳的過程或活動(dòng)。碳匯具體定義為從大氣中清除CO2的過程、活動(dòng)和機(jī)制。因此只要能夠從大氣中去除CO2都可以作為固碳增匯的主要技術(shù)措施。中國農(nóng)田土壤碳素匱乏已經(jīng)成為影響農(nóng)業(yè)發(fā)展的制約因素，而且，國家現(xiàn)在也在大力提倡溫室氣體減排，壓力巨大。因此，增加農(nóng)田中土壤碳含量來緩解溫室氣體排放的壓力，是未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要選擇［18］。

化石燃料的使用增加，使得CO2濃度升高，而另外一個(gè)原因則是土地利用方式變化導(dǎo)致的土壤碳平衡遭到破壞。自1850年開始工業(yè)化進(jìn)程，土地利用方式的轉(zhuǎn)變，使得CO2排放量持續(xù)增加。到了20世紀(jì)初，土地利用方式改變而導(dǎo)致的年排放量為0.5～0.7Pg，20世紀(jì)90年代，CO2年排放量超過2Pg［1］。工業(yè)化進(jìn)程以來釋放到大氣碳庫中的CO2，相當(dāng)于人類活動(dòng)引起的總排放量的1／3［19］。

土壤碳庫的虧損大，意味著土壤固定CO2的潛力也很大，土壤成為存儲(chǔ)CO2的潛在場(chǎng)所［20-21］。土壤碳庫里面補(bǔ)充CO2，一方面可以減少CO2濃度的增加，另一方面有助于恢復(fù)土壤肥力、增加生物多樣性、整治土壤退化、維護(hù)生態(tài)功能［22］。潘跟興等［23］指出，自20世紀(jì)80年代中期以來，南方水稻土碳匯顯著增長；李忠佩［24］計(jì)算出20a間中國亞熱帶地區(qū)水稻土固碳量約等同于固定大氣中CO2555.1±88.7 Tg，在預(yù)測(cè)在未來還有進(jìn)一步固定CO2更多量的可能。

農(nóng)田土壤碳匯通過采用保護(hù)性耕作措施、擴(kuò)大水田種植面積、增加秸稈還田、增加有機(jī)肥施用和采用輪作制度等，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳庫產(chǎn)生顯著差別，使農(nóng)田土壤由碳源轉(zhuǎn)化為碳匯。以保護(hù)性耕作為例，Lal和Bruce估算出全球應(yīng)用保護(hù)性耕作措施的適應(yīng)面積大約為400Mha，農(nóng)田土壤總固碳能力為80Tg·a-1；Simth等研究認(rèn)為歐洲應(yīng)用保護(hù)性耕作措施的適宜面積為117.26Mha，農(nóng)田土壤的固碳能力為40.4Tg·a-1；韓冰等研究表明：采用免耕我國農(nóng)田土壤固碳潛力為3.58Tg·a-1。

綜上所述，農(nóng)田土壤具有巨大的固碳潛力，但是由于中國農(nóng)田缺乏長期的農(nóng)田尺度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持，因此還不能準(zhǔn)確有效地反映農(nóng)田的固碳潛力。保護(hù)性耕作土壤固碳的估算雖然不穩(wěn)定，但可以說明的是土壤固碳是非常重要的固碳措施，可以納入全球的減排措施行列。

2.2 土壤碳固定的影響因素

2.2.1 氣候變化的影響

氣候變化對(duì)土壤有機(jī)碳的影響主要表現(xiàn)在溫度和水分兩個(gè)方面。土壤中的微生物活性由于溫度的升高而增加，從而提高土壤有機(jī)質(zhì)分解速度。據(jù)相關(guān)研究表明，只要溫度上升10℃就會(huì)導(dǎo)致植物殘?jiān)姆纸馑俣瘸杀对黾樱沟猛寥烙袡C(jī)碳（Soil Organic Carbon，SOC）含量下降［25］，但也有學(xué)者指出，在年平均氣溫為10℃～20℃的地區(qū)，溫度上升會(huì)引起SOC儲(chǔ)量的增加［26］，可見對(duì)于溫度與有機(jī)碳固定之間還存在著爭(zhēng)議。溫度對(duì)有機(jī)碳固定的影響還會(huì)隨著地域的變化而有所不同。在中國的北部地區(qū)，比如吉林、黑龍江等地區(qū)，SOC對(duì)于溫度的變化相對(duì)比較敏感，而在南方地區(qū)，受影響的幅度則在變小。水分對(duì)于土壤有機(jī)碳固定的影響是通過改變土壤的通氣性來實(shí)現(xiàn)的，在干濕交替條件下，土壤結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，使得SOC暴露在空氣中，從而加速分解［27］。目前，溫度與水分對(duì)土壤固碳的共同作用研究還是比較少的，但是黃耀等［28］的研究表明，溫度的升高與降雨對(duì)于微生物種群的增長具有良好的作用。

2.2.2 土壤理化特性的影響

土壤團(tuán)聚體是土壤的基本結(jié)構(gòu)，組成成分包括礦物顆粒和有機(jī)物等，在干濕凍融等自然物理過程作用下形成的不同尺度不同大小的多孔單元，其也是土壤養(yǎng)分的貯存庫和各種微生物賴以生存的地方［29］。按照大小不同簡(jiǎn)單地分為微團(tuán)聚體（直徑小于250μm）和大團(tuán)聚體（直徑大于250μm）。大團(tuán)聚體是土壤的基本結(jié)構(gòu)單元，其特點(diǎn)為穩(wěn)定，且不易受到農(nóng)業(yè)耕作影響［30］。

團(tuán)聚體在形成以后，內(nèi)部孔隙會(huì)逐步降低使得有機(jī)碳與顆粒緊密接觸。團(tuán)聚體把其中的碳包裹住，減少其和有機(jī)物接觸［31］。大團(tuán)聚體中的有機(jī)碳分解需要足夠的空氣和水，如果孔隙變小勢(shì)必阻礙分解進(jìn)程；而微團(tuán)聚體的孔隙如果小于細(xì)菌所能通過的限度（3μm）時(shí)，有機(jī)碳的分解只能依靠胞外酶向基質(zhì)擴(kuò)散，這對(duì)生物是個(gè)非常大的耗能過程，有機(jī)碳的分解因此而降低。

2.2.3 農(nóng)業(yè)耕作措施的影響

土壤有機(jī)質(zhì)含量的高低與自然植被覆蓋下的土壤和草原土壤的開墾程度有關(guān)［32-33］。Six等［34］的研究發(fā)現(xiàn)林地土壤有機(jī)質(zhì)總量，顆粒有機(jī)碳含量均比農(nóng)田高。如果耕作方式長期不改變，被開墾的土壤有機(jī)質(zhì)會(huì)維持在一個(gè)較低的水平，因?yàn)槠湎喑怂俾逝c分解速率是相等的［35］。因此，在植物殘?bào)w等有機(jī)質(zhì)歸還量較高的情況下，土壤能夠固定更多的有機(jī)碳。

不同的耕作措施會(huì)通過影響土壤團(tuán)聚體的形成而對(duì)SOC固定產(chǎn)生影響。耕翻土壤導(dǎo)致SOC下降，土壤團(tuán)聚體數(shù)量減少，穩(wěn)定程度減弱。表層土壤易受外界因素的影響（如溫度、水分等），不僅使土壤團(tuán)聚體經(jīng)常遭受干擾，同時(shí)也使團(tuán)聚體穩(wěn)定膠結(jié)劑的產(chǎn)生量減少，嚴(yán)重降低農(nóng)田土壤穩(wěn)定性［36］。采用秸稈還田、輪作、改變?cè)耘嘧魑锏捻樞蚩梢栽谝欢ǔ潭壬嫌绊懲寥拦烫夹Ч?7］。增加土壤覆蓋和作物殘茬還可以降低土壤侵蝕，改善有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分循環(huán)，最終為植物創(chuàng)造更有利的生長環(huán)境［38］。

綜上所述，土壤有機(jī)碳固定受到氣候因素、土壤理化性質(zhì)和農(nóng)業(yè)耕作措施等因素的影響、不同的農(nóng)業(yè)措施會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳的固定產(chǎn)生影響，但影響有多大還有待于進(jìn)一步的研究。因此，在不同的農(nóng)業(yè)措施條件下分析土壤固碳潛力時(shí)要與溫度、水分、土壤理化性質(zhì)等諸多因素綜合研究。

3 結(jié)論與展望

通過對(duì)國內(nèi)外研究的分析后發(fā)現(xiàn)，土壤碳儲(chǔ)量的估算結(jié)果不同，是由于使用的方法和數(shù)據(jù)指數(shù)不同，因此，土壤碳儲(chǔ)量的具體含量存在很大的不確定性。土壤有機(jī)碳在整個(gè)大氣圈中占據(jù)著重要地位，人類活動(dòng)和氣候的影響決定著土壤碳含量的高低，可造成土壤貧瘠化或者更加肥沃，因此，研究土壤與大氣、植被碳庫之間的碳交換過程，成為我們下一步工作的重點(diǎn)。

農(nóng)田土壤的碳固定將成為今后研究的熱點(diǎn)，在哥本哈根氣候大會(huì)中，中國政府承諾，到了2020年，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值的CO2將比2005年下降40%～50%。如何使比例下降，從理論上說，中國的耕地具有較大的潛力，如果采取合理的農(nóng)業(yè)管理措施，就可以增加農(nóng)田碳儲(chǔ)量，是降低百分比的好辦法。但是中國農(nóng)田的固碳潛力有多大，計(jì)算固碳潛力以什么作為標(biāo)準(zhǔn)、不同的環(huán)境對(duì)有機(jī)碳的影響有多少、在不同的農(nóng)業(yè)管理措施下有什么差異，都是在下一步實(shí)現(xiàn)固碳潛力最大化問題上需要進(jìn)一步研究的。

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