張治國, 胡友彪, 鄭永紅, 陳孝楊

(安徽理工大學 地球與環(huán)境學院, 安徽 淮南 232001)

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陸地土壤碳循環(huán)研究進展

張治國, 胡友彪, 鄭永紅, 陳孝楊

(安徽理工大學 地球與環(huán)境學院, 安徽 淮南 232001)

[目的] 對近年來國內(nèi)外碳循環(huán)方面的研究進展進行綜述，為退化土地的生態(tài)恢復及環(huán)境治理和保護提供依據(jù)。 [方法] 總結(jié)了當前土壤有機碳循環(huán)研究中的幾種主要方法(室內(nèi)培養(yǎng)法、同位素示蹤法、碳循環(huán)模型和計算機模擬法等)，分析對比了這幾種方法的特點和存在的問題，并對土壤有機碳循環(huán)機理和影響土壤有機碳循環(huán)的主要因素進行分析。[結(jié)果] 目前，在土壤有機碳庫的估算方法、數(shù)據(jù)依據(jù)、結(jié)果以及土壤有機碳循環(huán)模型上存在較大差異，給土壤有機碳變化和循環(huán)研究帶來一定的困難。土地利用方式和土地覆蓋變化是影響陸地土壤有機碳變化及循環(huán)最直接的人為因子。[結(jié)論] 應(yīng)注重土地利用及覆被變化在土壤碳循環(huán)中的作用及地位。并建立適用于中國國情的碳循環(huán)模型。未來的土壤碳循環(huán)研究應(yīng)探索標準化、高精度的有機碳庫儲量估算方法。

土壤有機碳; 碳循環(huán); 碳同位素; 碳循環(huán)模型

文獻參數(shù)： 張治國, 胡友彪, 鄭永紅, 等.陸地土壤碳循環(huán)研究進展[J].水土保持通報，2016,36(4)：339-345.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.058

2005年2月16日，《京都議定書》開始強制生效，這是人類歷史上首次以法規(guī)的形式限制溫室氣體排放。由于國際氣候談判及碳交易中對碳源、碳匯評價的客觀需要，碳循環(huán)問題日益受到人們的普遍關(guān)注。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究是預測大氣CO2含量及氣候變化的重要基礎(chǔ)。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)中最大的碳庫載體(1 500～2 500 Pg)[1]，其碳貯量是全球陸地植被碳庫(650 Pg)的近3倍，大氣碳庫(750 Pg)的2倍多[2]，在全球碳循環(huán)中扮演著重要的角色，是影響全球碳循環(huán)重要的流通方式，也是應(yīng)對全球氣候變化的重要途徑。另一方面，開展陸地土壤碳循環(huán)的研究對增加土壤碳截存，提高土壤質(zhì)量，對退化土地的生態(tài)恢復及環(huán)境治理和保護等都有重要的意義[3]。

1　土壤有機碳庫研究進展

土壤碳是陸地碳庫的重要組成部分，包括土壤有機碳與無機碳。土壤有機碳是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要、最活躍的碳庫。國外對土壤有機碳的研究開始較早，在20世紀50年代就開始進行全球土壤有機碳總庫存量研究[4]。Rubey[5]根據(jù)美國9個土壤剖面的有機碳含量推算出全球土壤有機碳庫存量為710 Pg，Bohn等[6]利用土壤分布圖和其有機碳含量，估計出全球土壤有機碳庫存量為2 946 Pg，這2個估計值成為當前對全球土壤有機碳庫存量的上下限值。早期對土壤有機碳庫存量的估算，大都是根據(jù)少數(shù)土壤剖面資料進行的，存在一定的局限性。20世紀80年代，為了研究全球碳循環(huán)與氣候、植被及人類活動等因素之間的相互關(guān)系,統(tǒng)計方法開始應(yīng)用于土壤碳庫的估計。如Post等[7]據(jù)土壤碳密度及其相關(guān)面積估計出全球1 m厚度的土壤有機碳庫為1 395 Pg,這一數(shù)據(jù)被廣泛引用。20世紀90年代，隨著3S技術(shù)的快速發(fā)展，為土壤有機碳研究提供了新的方法和手段。在區(qū)域尺度上，不少國家已經(jīng)開展了土壤碳庫的估算。如俄羅斯在1∶250萬土壤分布圖上建立了土壤碳空間數(shù)據(jù)庫，估算土壤有機碳庫存總量為342.1 Pg[8]，加拿大建立了1∶100萬的數(shù)字化土壤分布圖及土壤碳數(shù)據(jù)庫，并計算出加拿大0～100 cm土層土壤有機碳庫存量分別為249 Pg[9]。國內(nèi)從20世紀80—90年代后，對土壤有機碳庫的研究較多。從1996年開始，方精云[10]、潘根興[11]、王邵強[12-13]、解憲麗[14]、于東升[15]等人陸續(xù)根據(jù)不同的資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫和全國第二次土壤普查資料估算出了，中國的土壤有機碳庫儲量約在80～120 Pg之間。受估算資料的來源、樣品采集、估算方法的不同及氣候、土壤性狀變異性等因素的影響，估算結(jié)果存在一定的不確定性。

2　土壤有機碳循環(huán)機理

土壤有機碳循環(huán)是有機碳進入土壤，并在土壤微生物(包括部分動物)參與下分解和轉(zhuǎn)化形成的碳循環(huán)過程。進入土壤的有機碳主要包括植物和動植物殘體，土壤中的有機碳包括土壤腐殖質(zhì)、土壤微生物及其各級代謝產(chǎn)物的總和。在土壤有機物降解方面，土壤學家提出了一些有機碳動態(tài)變化模型[16]，如Jenkinson建立的模型把有機碳分成5類：可降解植物(DPM)，抗分解植物(RPM)，生物有機碳(BIO)，物理穩(wěn)定性有機物(POM)，化學穩(wěn)定性有機物(COM)。DPM/RPM比率隨土壤類型而變化，是一個比較重要的參數(shù)。根據(jù)Huggins的雙池模型，有機物質(zhì)進入土壤后的分解過程依據(jù)其分解速率的大小可分成兩個階段：第一階段是易分解物質(zhì)(主要是可溶性物質(zhì)如簡單的糖類、蛋白質(zhì)、有機酸等)的快速分解過程，這一過程隨土壤條件又有很大的變化，大部分土壤約需3～6個月；第二階段是難分解物質(zhì)(如木質(zhì)素、腐殖質(zhì)等)的緩慢分解過程。土壤碳循環(huán)及有機碳的分配轉(zhuǎn)化如圖1所示。

圖1　土壤碳循環(huán)及有機碳的分配轉(zhuǎn)化

3　土壤有機碳循環(huán)的研究方法

綜合國內(nèi)外文獻，有機碳的轉(zhuǎn)化過程及轉(zhuǎn)化速率的方法主要包括：室內(nèi)培養(yǎng)法、同位素示蹤法、模型和計算機模擬。

3.1室內(nèi)培養(yǎng)法

人們在室內(nèi)模擬土壤水熱狀況，研究有機物質(zhì)的分解情況即培養(yǎng)法(包括實驗室和盆缽培養(yǎng)法)。通常認為土壤有機碳(SOC)及其組分的分解遵循一級熱力學方程，通過測定一定溫度下各培養(yǎng)時段的SOC含量，即可以計算出SOC及其組分的周轉(zhuǎn)速率[17]。假設(shè)培養(yǎng)初期(t=0)，SOC含量為Y0，那么，培養(yǎng)一段時間(t)后SOC組分(Yt)為

Yt=Y0e-kt

(1)

式中：k——SOC或其組分的周轉(zhuǎn)速率常數(shù)。單位時間內(nèi)SOC及其組分的周轉(zhuǎn)量(Rt)可表示為：

(2)

在穩(wěn)定狀態(tài)下，SOC的分解和合成速率相等，因此其周轉(zhuǎn)時間(T)可以表示為:

(3)

根據(jù)方程和方程，周轉(zhuǎn)時間可表示為:

(4)

借助于這種方法，可以闡明植物物質(zhì)分解的一些規(guī)律，了解土壤微生物生物量周轉(zhuǎn)狀況及其與土壤有機質(zhì)周轉(zhuǎn)與積累的關(guān)系。但室內(nèi)的試驗條件與田間有差異，不能完全說明其分解轉(zhuǎn)化過程。

3.2同位素示蹤法

3.2.1放射性同位素示蹤法在20世紀50年代以前，大氣中的14C含量基本上是穩(wěn)定的。自從50—60年代的核試驗以來，空氣中的14C含量大大增加。這些空氣中高Δ14C值的14CO2隨光合作用進入植物體內(nèi)，參與碳循環(huán)[18]。因此，放射性同位素成為研究土壤碳短期(如幾年到幾十年內(nèi))周轉(zhuǎn)率的示蹤劑[19-20]。目前，土壤有機質(zhì)(SOM)周轉(zhuǎn)率的計算大多是基于時間模型，通過模擬土壤有機質(zhì)核試驗14C的攝取來把核試驗14C的信息轉(zhuǎn)化成有機質(zhì)的周轉(zhuǎn)時間。

Cherkinsky和Brovkint[21]利用測定的Δ14C值將SOC分為周轉(zhuǎn)快的組分(Δ14C>0)和周轉(zhuǎn)較慢的組分(Δ14C<0)，兩碳庫含量計算公式為：

(5)

(6)

式中：ρ——土壤容重(g/cm3)；s——單位面積(cm2)；d——土壤層位深度(cm)；S(d)——SOC的深度分布函數(shù)；d總——土壤剖面總深度(cm)；快庫周轉(zhuǎn)速率可用下式計算：

(7)

(8)

慢庫周轉(zhuǎn)速率計算公式為：

Cherkinsky模型最大的優(yōu)點就是不需要核試驗前的土壤樣品。Wang[22]等用這種方法研究了美國加利福尼亞中部內(nèi)華達山脈西坡天然的和被擾動的土壤碳更新速率。Chen等[23]利用該方法對中國亞熱帶地區(qū)的鼎湖山保護區(qū)的土壤剖面進行研究,分層計算出土壤有機質(zhì)的周轉(zhuǎn)率。

3.2.2穩(wěn)定同位素示蹤法(13C)穩(wěn)定碳同位素法(13C)示蹤技術(shù)能有效地闡明碳動態(tài)變化和土壤碳儲量的微小遷移與轉(zhuǎn)換，以及定量化評價新老土壤有機碳對碳儲量的相對貢獻[24-25]，成為研究土壤碳循環(huán)最科學有效的方法之一。碳穩(wěn)定同位素比值(δ13C)常被用來研究有機碳來源，以及測定土壤有機質(zhì)各組分的周轉(zhuǎn)速率。當原先土壤上植被被另一種δ13C值不同的植被代替時，土壤的δ13C值發(fā)生改變。在一時間t時來源于C4植物和C3植物的有機碳比例[26]可表示為:

C4t/C或f=(δ-δC3)/(δC4-δC3)·C

(10)

C3t/C或1-f=(δC4-δ)/(δC4-δC3)·C

(11)

式中：δ——C3和C4植物共同存在時土壤有機質(zhì)的δ13C值；δC3——加入C4植物之前土壤有機質(zhì)的δ13C值；δC4——C4植物的δ13C值。若土壤的有機碳總量(C)已知，那么來自C4植物和C3植物的有機碳數(shù)量可表示為:

C4t=f·C，C3t=(1-f)·C

(12)

竇森[23]等通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗，應(yīng)用δ13C方法研究了玉米秸稈分解期間，土壤中胡敏酸(HA)和富里酸(FA)數(shù)量的動態(tài)變化。Katoh等[27]研究了13C標記的水稻秸稈添加對土壤溶液中可溶性有機碳和無機碳的貢獻。Liang等[28]通過13C穩(wěn)定同位素培養(yǎng)試驗研究了玉米根際沉積碳在土壤碳庫中的分配。An等[29]在遼寧沈陽用13C穩(wěn)定同位素標記技術(shù)證明地膜覆蓋下玉米向土壤中的有機碳輸入是增加的。徐國良等[30]通過13C穩(wěn)定同位素標記示蹤技術(shù)，分析了凋落物新C在跳蟲和微生物作用下的循環(huán)過程。放射性同位素示蹤法與穩(wěn)定同位素示蹤法區(qū)別詳見表1。

3.3陸地碳循環(huán)模型與計算模擬

由于碳循環(huán)過程及各碳庫之間的碳通量和反饋機制的復雜性，碳循環(huán)模型被認為是定量實現(xiàn)土壤碳循環(huán)的模擬和預測的必不可少的手段,利用碳循環(huán)模型可以模擬碳循環(huán)的動態(tài)變化，估計土壤和植被的碳存貯現(xiàn)狀以及預測未來的碳存貯潛力[31]。從20世紀中期開始，國內(nèi)外研究者建立了各種模型，模擬不同尺度的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程[32-35]。陸地碳循環(huán)模型的發(fā)展分3個階段。最早的階段是碳平衡模型[36]，根據(jù)陸地生態(tài)系統(tǒng)的分類，模擬各類生態(tài)系統(tǒng)的凈初I級生產(chǎn)力(NPP)來實現(xiàn)碳循環(huán)模擬，如根據(jù)實測數(shù)據(jù)獲得分析不同生態(tài)系統(tǒng)類型的碳密度并計算其分布面積，再用簡單相乘的方法來計算全球陸地的碳平衡，屬于靜態(tài)模型。包括最初的MIAMI，OBM到TEM模型[37-39]。第二階段是進入20世紀90年代中期，植被—氣候關(guān)系模型，該模型是在地理空間數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，通過植被—氣候關(guān)系模擬陸地植被分布，陸地生態(tài)系統(tǒng)凈第一性生產(chǎn)力(NEP)和植被的潛在分布，從而預測氣候變化對陸地碳平衡的動態(tài)影響。如BIOME3[40]和CAR-AIB[41]模型等。第三階段是模擬生物地球化學循環(huán)的動態(tài)和機理過程，并將植被結(jié)構(gòu)與組成變化，土地覆蓋和土地利用方式變化等影響引入到模型中，預測全球變化背景下陸地碳循的動態(tài)過程，如CEVSA，SIB2，BEPS和DNDC模型等[42-44]。其中DNDC模型[45-48]也是目前應(yīng)用最廣泛的有機碳模型之一，具有模擬結(jié)果較精確和簡單的參數(shù)輸入簡單的優(yōu)點，可模擬不同耕作制度下、不同環(huán)境因子、不同尺度和管理下土壤碳儲量及其變化情況，可信度較高[49-57]。20世紀80年代開始，相繼建立了國內(nèi)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型。目前開發(fā)的模型以靜態(tài)模型為主，動態(tài)模型多是根據(jù)中國生態(tài)系統(tǒng)的特點對國外主流模型的改進。國內(nèi)開發(fā)的碳循環(huán)模型經(jīng)驗性參數(shù)較多，具有一定的地域性和局限性，有影響的模型主要有AVM模型[58]、EALCO 模型[59]、SCNC 模型[60]、SMPT-SB模型[61-62]、EPPML模型[63]、Agro-C模型[64]等。

表1　放射性同位素示蹤法與穩(wěn)定同位素示蹤法區(qū)別

3.4其它方法

國內(nèi)外對土壤有機碳循環(huán)的研究中還應(yīng)用13C核磁共振(13C-NMR)、電子自旋共振(ESR)、紅外光譜法、質(zhì)譜以及氣相色譜等方法。

4　影響土壤有機碳循環(huán)的主要因素

4.1自然因素的影響

土壤碳循環(huán)的過程受到多種物理因素和生物因素的控制，如氣候、植被以及土壤的化學、物理學和生物學屬性等，并存在各種因子間的相互作用。

4.1.1氣候因子氣候因子中最主要的因素是溫度和降雨量。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(guān)[65]；氣溫高的地區(qū)土壤微生物的活動相對較強，土壤溫度每升高10 ℃，土壤有機碳的分解速率會快2～3倍。溫度在30 ℃時每升高1 ℃對土壤有機碳損失3%。溫度每升高1 ℃，全球?qū)⒎纸?1～34 PgC的土壤有機碳，產(chǎn)生溫室氣體排向大氣[66]。

4.1.2植被因子不同類型植被導致其光合作用強度和有機物進入土壤的方式不同，影響有機碳輸入量，使土壤有機碳分布也存在差異。Jobbagy等[67]研究表明，灌木、草原和森林土壤表層20 cm有機碳占1 m深度土層中有機碳百分比33%，42%和50%。

4.1.3土壤理化因子土壤含水率對土壤碳循環(huán)的影響主要是通過對植物和微生物的生理活動、微生物的活性、土壤氧化電位、通透性以及土壤中溫室氣體向大氣擴散速率等方面的調(diào)節(jié)和控制來實現(xiàn)的[68]。土壤的Eh與CH4的排放呈顯著相關(guān)性。土壤pH值主要是通過影響微生物的活動及根系的生長發(fā)育等來影響土壤碳循環(huán)的過程。土壤pH值在5.5～8.0范圍，土壤有機碳的分解相對緩慢，溫室氣體的排放也會大幅減少。在強堿條件下，土壤有機質(zhì)的溶解、分散和水解作用增加，增大了土壤CO2的排放，反之強酸條件下則減少[68]。

4.1.4土壤質(zhì)地土壤質(zhì)地越細，有機碳的分解越慢，相反土壤質(zhì)地越粗，有機碳的分解越快，黏粒能夠有效地域有機碳結(jié)合，保護有機碳使其免受分解。土壤質(zhì)地通過改變土壤通透性和有機質(zhì)的分解速率來影響土壤碳循環(huán)的過程。一般情況下，砂質(zhì)土壤溫室氣體的排放最大，黏土的排放量最小[68]。

4.2人為因素的影響

陸地生態(tài)圈的碳平衡受到越來越多的人為干擾，如耕作措施、輪作制度、施肥方式、土壤類型、土壤結(jié)構(gòu)、土地利用方式等過程都對土壤碳循環(huán)造成較大的影響。由人類活動引起的土地利用和土地覆蓋變化，如草原開墾為農(nóng)田、森林砍伐后變成農(nóng)田等等行為，導致土壤有機碳大幅下降，是土壤碳庫和碳循環(huán)最直接的影響因子。Bouwman[69]認為，溫帶地區(qū)草地開墾為農(nóng)田后，土壤有機碳損失20%～40%。劉紀遠等[70]根據(jù)陸地衛(wèi)星TM影像分析，1990—2000年耕地面積增加4.05×106hm2，由于土地利用方式變化，表層土壤(30 cm)與0—100 cm深度土壤有機碳庫分別損失53.7，99.5 Tg。楊玉盛等[71]對中亞熱帶山區(qū)土地利用變化研究發(fā)現(xiàn)，天然林轉(zhuǎn)變?yōu)槠赂睾?—20 cm土層土壤有機碳降幅高達74.8%。另外，施肥、灌溉、耕作等人為活動能夠改變土壤理化性質(zhì)，改變土壤的微環(huán)境，進而影響土壤溫室氣體排放量。如翻耕土壤排放的溫室氣體產(chǎn)生量高于免耕36%[69]。Yang等[72]研究表明10 a的保護性耕作使北美地區(qū)農(nóng)田耕層土壤有機碳含量增加了7%～10%。Lal等[73]試驗研究認為免耕、淺耕相對于傳統(tǒng)耕作能夠提高土壤表層有機碳含量，但對深層土壤碳含量的影響不大。Wang[74]，Liu[75]等研究表明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中地膜覆蓋促進土壤有機碳礦化但同時增加作物根系有機碳輸入。

5　問題與展望

(1) 國內(nèi)外在土壤有機碳庫的估算方法、數(shù)據(jù)依據(jù)、結(jié)果上存在較大差異，給土壤有機碳變化、循環(huán)研究，特別是預測其對氣候變化的響應(yīng)帶來一定的困難。未來的研究，應(yīng)探索標準化、高精度的有機碳庫儲量估算方法。

(2) 陸地土壤有機碳循環(huán)模型很多，但是各種模型估算結(jié)果的差異卻很大，一方面可能是因為受現(xiàn)有土壤有機碳循環(huán)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的參數(shù)選擇、數(shù)據(jù)數(shù)量、范圍等因素的限制，另一方面，土壤有機碳循環(huán)模型以國外的為主，國內(nèi)研發(fā)模型能力較弱，不太適合中國國情。因此，隨著3S技術(shù)土壤生態(tài)系統(tǒng)研究中廣泛應(yīng)用，結(jié)合3S技術(shù)實現(xiàn)大尺度范圍和長時間的檢測、定量化的調(diào)查，建立適用于中國國情的碳循環(huán)模型。這對于模擬大尺度的碳循環(huán)過程，實現(xiàn)對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯/碳源的時間和空間分布格局的判斷與評估有著重要的意義。

(3) 由人類活動引起的土地利用方式和土地覆蓋變化是陸地土壤有機碳變化及循環(huán)最直接的影響因子。因此，今后應(yīng)注重土地利用方式和土地覆蓋變化在土壤碳循環(huán)中的作用及地位、固碳減排具體措施的提出及在實踐中的應(yīng)用研究，這些問題的不斷解決將有助于人們采取合理的土地利用和管理措施進行生態(tài)恢復或重建。

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Advances on Soil Organic Carbon Cycling Research in Terrestrial Ecosystem

ZHANG Zhiguo, HU Youbiao, ZHENG Yonghong, CHEN Xiaoyang

(SchoolofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan，Anhui232001,China)

[Objective] The research progress of carbon cycling in domestic and abroad was reviewed to provide bases for the ecological restoration of degraded land and the environmental protection. [Methods] The paper summarized the main approaches of soil organic carbon cycling, including laboratory culture method, isotope tracer technique, modeling and computer simulation, etc., and their characteristics and existing problems were elucidated from several aspects. The mechanism of soil organic carbon cycle and the main factors affecting soil organic carbon cycle were analyzed. [Results] There are big differences between the estimation method, data base, results of soil organic carbon pool and model of soil organic carbon cycle, which often bring certain difficulties to study soil organic carbon cycle research. Changes in land use and land cover are the immediate anthropogenic factor, which affect terrestrial soil organic carbon changes and recycling. [Conclusion] In the future, we should pay attention to role of land use and land cover in soil carbon cycle and the status. And we need to set up model of soil carbon cycle for China’s national conditions. The future soil carbon cycle research should explore the standard, high precision of organic carbon storage estimation method.

soil oganic carbon; carbon cycle; carbon isotope; model of carbon cycle

2016-02-04

2016-04-07

國家自然科學基金項目“基于黃鐵礦氧化的煤矸石充填復墾土壤CO2運移機理研究”(51274013); 安徽省自然科學基金項目(1508085SMD218); 安徽省高校省級優(yōu)秀人才基金重點項目(2013SQRL028ZD)

張治國(1978—),男(漢族),陜西省咸陽市人,博士研究生,實驗師,主要從事土壤污染防治與生態(tài)修復方面的工作。E-mail:zzgaust@163.com。

A

1000-288X(2016)04-0339-07

S153