我國(guó)農(nóng)牧生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究進(jìn)展

譚外球　王榮富　閆曉明　何成芳　朱鴻杰　張正旺

摘要：在分析當(dāng)前我國(guó)農(nóng)牧生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究?jī)?nèi)容、基本特征的基礎(chǔ)上，闡述農(nóng)牧碳循環(huán)在全球碳循環(huán)及氣候變化研究中的重要地位和作用，并指出農(nóng)牧生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的基本方法、當(dāng)前研究存在的問(wèn)題以及研究的前景。

關(guān)鍵詞：農(nóng)牧生態(tài)系統(tǒng)；放牧土地；碳循環(huán)；碳儲(chǔ)量

中圖分類號(hào)： S181.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）02-0307-03

收稿日期：20133-06-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：2012BAD14B13-3）。

作者簡(jiǎn)介：譚外球（1988—），男，湖南郴州人，碩士研究生，研究方向?yàn)榱帜辽鷳B(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)。E-mail：sw0741tanwaiqiu@126.com。

通信作者：王榮，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：rfw54@163.com。工業(yè)革命以來(lái)，人類生產(chǎn)力水平大幅度上升，排入大氣的含碳溫室氣體也在逐年增加。這使得生物圈和大氣圈之間原有的碳平衡被打破，直接的后果是嚴(yán)重的溫室效應(yīng)，引發(fā)全球溫暖化、海平面上升等一系列重大環(huán)境問(wèn)題[1-2]。要消除這一威脅人類生存的重大課題，必須深入認(rèn)識(shí)造成以上問(wèn)題的根源并尋求相應(yīng)的解決方法[3]。碳循環(huán)是地球上最大的生物地球化學(xué)循環(huán)，其研究是了解生物圈的重要途徑，對(duì)估計(jì)CO2及其他含碳溫室氣體含量及其與生物圈的相互作用具有不可取代的作用。隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)全球氣候變化的重視，CO2作為最重要的一種溫室氣體，其源與匯已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)[4]。

放牧土地是陸地土地資源的一個(gè)重要組成部分，對(duì)陸地碳截存以及碳循環(huán)研究起著極為重要的作用[5]。近年來(lái)，放牧土地的碳儲(chǔ)量、放牧管理對(duì)碳循環(huán)及生態(tài)過(guò)程的效應(yīng)研究受到了土壤、環(huán)境、全球環(huán)境變化、生態(tài)學(xué)等研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[5-7]。由于放牧土地的分布具有廣泛性和復(fù)雜性，相關(guān)研究暫無(wú)明確的定論，但有研究表明，只要放牧強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)，對(duì)草地生產(chǎn)力和植被蓋度無(wú)明顯影響，就不會(huì)造成土壤碳的損失，同時(shí)由于家畜排泄物的輸入使碳周轉(zhuǎn)周期縮短而提高了土壤碳的截存；如果放牧強(qiáng)度過(guò)大而引起植被蓋度和初級(jí)生產(chǎn)力嚴(yán)重下降，土壤侵蝕和礦化就會(huì)損失掉大量草場(chǎng)土壤有機(jī)碳，其中相當(dāng)一部分貢獻(xiàn)于大氣CO2的升高[7-10]。

1草牧生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)

1.1草牧生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)

草地是全球分布最廣的生態(tài)系統(tǒng)類型之一，在全球碳循環(huán)和氣候調(diào)節(jié)中起重要作用[3，11]。草地中儲(chǔ)存的碳總量占陸地生態(tài)系統(tǒng)的12.7%，其中90%存在土壤中[12]。草地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的基本機(jī)制之一，也是維持陸地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和發(fā)展的重要因素[13]。

草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)已有不少研究，有的研究針對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)碳評(píng)估的方法及意義[14]，有的研究圍繞氣候變暖對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力、土壤呼吸、凋落物輸入與分解、土壤碳庫(kù)的影響等內(nèi)容[15]，但更多的研究集中在草牧復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)方面。在我國(guó)北方廣大的草原上，由于風(fēng)蝕嚴(yán)重，持續(xù)放牧對(duì)植被、土壤及周圍環(huán)境有極嚴(yán)重的惡化作用。在廣大牧區(qū)，畜糞是主要的生活能源。與畜糞的自然分解相比，燃燒利用加速了碳排放，在增加溫室氣體的同時(shí)，也影響了放牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)[16]。畜糞是放牧草地生態(tài)系統(tǒng)碳素從植物到土壤碳庫(kù)轉(zhuǎn)移的中間形式[17]，目前對(duì)畜糞與草地碳源匯的關(guān)系仍有爭(zhēng)議：畜糞樣方的土壤呼吸較高[18-19]，但所有畜糞樣方都是CO2匯[18]。

1.2草牧生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)

1.2.1草牧生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)研究土壤碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫(kù)，在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究中有極其重要的地位。土壤碳庫(kù)由有機(jī)碳庫(kù)和無(wú)機(jī)碳庫(kù)組成，對(duì)溫室氣體及全球變化有重要的控制作用。有研究表明，土壤有機(jī)碳庫(kù)是大氣碳庫(kù)含量的2.2倍，是陸地生物量的2.8倍；土壤無(wú)機(jī)碳庫(kù)與大氣碳庫(kù)相當(dāng)[20]，但由于土壤無(wú)機(jī)碳的更新周期在千年以上，所以土壤有機(jī)碳庫(kù)在全球變化研究中就顯得極為重要。土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)是土壤碳循環(huán)研究中的關(guān)鍵，同時(shí)土壤有機(jī)碳庫(kù)通過(guò)土壤呼吸釋放CO2到大氣中，這使得土壤有機(jī)碳庫(kù)與大氣碳庫(kù)有直接的聯(lián)系[21]。土壤有機(jī)碳庫(kù)的研究不僅僅是局部環(huán)境問(wèn)題，而且也是一個(gè)全球性問(wèn)題，土壤有機(jī)碳的分布及其轉(zhuǎn)化日益成為全球有機(jī)碳循環(huán)研究的熱點(diǎn)[22]。

據(jù)估計(jì)全球農(nóng)業(yè)土壤碳儲(chǔ)量為142 Pg C，農(nóng)田土壤碳儲(chǔ)量占土壤碳儲(chǔ)量的8%～10%[23]。不同利用方式不僅直接影響土壤有機(jī)碳的含量，而且通過(guò)影響土壤有機(jī)碳的形成，間接影響土壤有機(jī)碳的分布[22，24]。開(kāi)墾荒地和翻耕農(nóng)田加速了土壤有機(jī)碳的流失，目前僅土地開(kāi)墾一項(xiàng)損失的土壤有機(jī)碳就在30%～50%之間[25]。但是也有研究表明，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)有較強(qiáng)的固碳功能[26]。這說(shuō)明對(duì)當(dāng)前土地如何合理利用亟需開(kāi)展深入的研究。王明君等研究了內(nèi)蒙古呼倫貝爾草原不同放牧強(qiáng)度對(duì)土壤有機(jī)碳的影響，結(jié)果表明，土壤表層（0～20 cm）有機(jī)碳含量在輕度放牧和中度放牧下差異不顯著，但重度放牧情況下土壤有機(jī)碳含量顯著低于前者[27]。由于過(guò)度放牧，內(nèi)蒙古錫林河草原40年來(lái)土壤表層（0～20 cm）碳儲(chǔ)量降低了12.4%[28]。這種影響可能短期內(nèi)無(wú)法立即體現(xiàn)出來(lái)[22]，短期的重牧對(duì)高山草甸的土壤碳儲(chǔ)量是有好處的[29]，增加的土壤碳主要集中于0～30 cm[30]。在土壤侵蝕比較嚴(yán)重的地區(qū)，重度放牧甚至能夠保持土壤有機(jī)碳含量的穩(wěn)定，而輕牧處理則因?yàn)榍治g作用使土壤有機(jī)碳含量減少。另外，重度放牧地區(qū)C4植物的增加也有助于土壤有機(jī)碳含量的穩(wěn)定[31]。持續(xù)放牧草地的土壤表層碳含量低于圍封恢復(fù)草地，且圍封時(shí)間長(zhǎng)的草地土壤表層碳含量高。這可能是因?yàn)閲饣謴?fù)，不僅能使土壤免遭風(fēng)蝕，還顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)的輸入，顯著增強(qiáng)土壤的碳截存能力[9]。但是目前對(duì)圍封的時(shí)間尺度還有待于深入研究。

土地覆蓋變化既可改變土壤有機(jī)物的輸入，也可通過(guò)對(duì)小氣候和土壤條件的改變來(lái)影響土壤有機(jī)碳的分解速率，從而改變土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。不合理的土地利用會(huì)導(dǎo)致土壤儲(chǔ)存的碳量和植被生物量減少，使更多的碳素釋放到大氣中，從而導(dǎo)致大氣CO2濃度的增加，這又進(jìn)一步加劇了全球變暖的趨勢(shì)和與之有關(guān)的氣候變化。所以，精確估計(jì)土壤有機(jī)碳庫(kù)和土地利用變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的影響是當(dāng)前全球陸地表層碳循環(huán)研究的重點(diǎn)內(nèi)容[32]。

1.2.2土壤有機(jī)碳循環(huán)的研究方法土壤有機(jī)碳模型是研究生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)的唯一可用工具。根據(jù)國(guó)內(nèi)外發(fā)表的土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的文章可知，土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的研究方法可分為普通方法、非示蹤方法、示蹤方法、模型和計(jì)算機(jī)模擬等方法[23]。

碳素測(cè)試是研究土壤有機(jī)碳組成及駐留時(shí)間的重要手段，針對(duì)土壤有機(jī)碳的測(cè)定方法目前已成為較成熟的技術(shù)。按照測(cè)定原理的差異可以分為以下幾類[21]。（1）物理分組法：相對(duì)密度分組法、顆粒大小分組法；（2）化學(xué)方法：氧化法、酸溶液提取法；（3）微生物學(xué)方法：土壤微生物生物量的測(cè)定（三氯甲烷熏蒸提取法）、土壤可礦化碳的測(cè)定。

2林牧生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)

林農(nóng)、林牧復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)具有多樣性、系統(tǒng)性、集約性、高效性和可持續(xù)性等特點(diǎn)[33]。林農(nóng)復(fù)合就內(nèi)容而言與古代農(nóng)業(yè)的發(fā)展是基本平行的，但到20世紀(jì)70年代才引起世界各國(guó)的普遍關(guān)注。經(jīng)過(guò)多年的積累研究，根據(jù)生產(chǎn)目的的不同，將林農(nóng)生態(tài)系統(tǒng)分為林-農(nóng)復(fù)合型、林-牧復(fù)合型、林-漁復(fù)合型、林-農(nóng)-漁復(fù)合型、林-副復(fù)合型。有研究表明，合理的林下放牧和養(yǎng)殖方式有助于林地小環(huán)境的穩(wěn)定。當(dāng)前針對(duì)林牧復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的研究多集中于放牧對(duì)林木的影響、放牧對(duì)林下植物的影響、放牧對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響等。例如，黃登峰對(duì)南方紅黃壤丘陵地區(qū)果-草-禽林農(nóng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)研究[34]、李雙喜對(duì)上海崇明地區(qū)林-草-禽林牧復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)研究等[35]。

對(duì)林牧生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的研究也有一定基礎(chǔ)，如孟慶巖等以我國(guó)海南省文昌市典型的膠-茶-雞農(nóng)林復(fù)合模式為研究對(duì)象，進(jìn)行過(guò)膠-茶-雞農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)氮、鉀等物質(zhì)循環(huán)以及能量流動(dòng)的相關(guān)研究，結(jié)果表明，復(fù)合系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)結(jié)構(gòu)更加合理[36-38]，相同能量投入的產(chǎn)出比例也明顯上升[39]。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)林牧復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究較少，從已有的針對(duì)林牧復(fù)合體系的物質(zhì)循環(huán)研究結(jié)論可以推測(cè)，這一系統(tǒng)類型的研究對(duì)全球碳循環(huán)研究無(wú)疑具有重大意義。

3問(wèn)題與展望

農(nóng)牧生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但存在的問(wèn)題依然顯而易見(jiàn)：（1）當(dāng)前關(guān)于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究多集中于草牧、農(nóng)田等傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)于近年新興的林牧生態(tài)系統(tǒng)的研究較少涉及；（2）針對(duì)土壤碳庫(kù)的研究，目前大部分側(cè)重于土壤呼吸和碳庫(kù)組分，亟需開(kāi)展的土壤碳的結(jié)構(gòu)類型和穩(wěn)定性以及土壤生物尤其是土壤動(dòng)物的響應(yīng)機(jī)制的相關(guān)研究較少；（3）我國(guó)正大力發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)，但當(dāng)前的研究很少涉及林下養(yǎng)殖對(duì)林地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及碳通量的影響，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)以林地生態(tài)系統(tǒng)耦合理論為核心的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的研究；（4）碳循環(huán)研究具有全球性，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)國(guó)際合作，以全球農(nóng)牧生態(tài)系統(tǒng)為背景的碳循環(huán)研究；（5）碳循環(huán)研究的目的是解決目前棘手的全球變暖等問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)氣候變化與碳循環(huán)相結(jié)合的研究工作。

當(dāng)前，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究已經(jīng)成為生態(tài)學(xué)及環(huán)境科學(xué)等學(xué)科的研究焦點(diǎn)。從《京都協(xié)定書》的制定開(kāi)始，減少含碳溫室氣體的排放在民眾中已逐漸達(dá)成共識(shí)。哥本哈根大會(huì)的召開(kāi)進(jìn)一步指引人們對(duì)當(dāng)前生產(chǎn)和生活方式進(jìn)行反思，并且明確了溫室氣體排放的全球框架，低碳的概念得到了廣泛的認(rèn)同。“低碳生活方式”“低碳社會(huì)”“碳交易”等新概念隨之產(chǎn)生，有關(guān)碳循環(huán)的新思維模式也逐漸深入人心。在全球范圍低碳革命的指引下，人類社會(huì)將進(jìn)入“低能耗、低污染、低排放”的全新時(shí)代，通過(guò)改變?cè)鲩L(zhǎng)模式，應(yīng)用新機(jī)制和新科技，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，提倡低碳生活，逐步實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

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