易香 段建軍 焦克強(qiáng) 莫仁超

（貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院 貴州貴陽(yáng) 550025）

土地利用對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及土壤呼吸的影響

易香 段建軍 焦克強(qiáng) 莫仁超

（貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院 貴州貴陽(yáng) 550025）

陸地碳庫(kù)的重要組成部分之一就是土壤有機(jī)碳，土壤有機(jī)碳目前是全球碳循環(huán)研究的重點(diǎn)工作之一。而土地利用的變化會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量以及分布產(chǎn)生影響。做好土地利用對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量影響的研究，對(duì)土加深理解全球氣候變化與土地利用變化之間的關(guān)系有著重要的促進(jìn)作用。本文主要闡述了土地利用對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及土壤呼吸的影響。

土地利用；土壤；有機(jī)碳；儲(chǔ)量；土壤呼吸

引言

不同的土地利用方式對(duì)土壤環(huán)境的影響也是不同的。土地利用方式的不同會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳的含量以及分布產(chǎn)生重要的影響。土地利用會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳的分解速度產(chǎn)生改變，從而影響到土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)蓄含量，最終對(duì)全球碳平衡格局進(jìn)行改變。因而土地利用變化對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 土壤有機(jī)碳在全球變化中的作用和意義

土壤有機(jī)碳庫(kù)（SOCP）是指全球土壤中有機(jī)碳的總量。植物通過(guò)光合作用固定的大氣中的碳素，一部分以有機(jī)質(zhì)的形式貯存于土壤中。土壤有機(jī)碳是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，其有機(jī)碳總貯量約在1400～1500Pg之間（1Pg=1015g），是陸地植被碳庫(kù)的2～3倍，大氣碳庫(kù)（750PgC）的2倍多，陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋與大氣的CO2交換量各占整個(gè)CO2循環(huán)總量的50%。陸地生態(tài)系統(tǒng)中的土壤碳庫(kù)，以森林土壤中的碳為最多，占全球土壤有機(jī)碳的73%；其次是草原土壤的碳，占全球土壤有機(jī)碳的20%左右。粗略地估計(jì)我國(guó)的SOCP為185.7Pg碳，約占全球土壤總碳量的12.5%。不同生態(tài)系統(tǒng)土壤中的有機(jī)碳貯量見(jiàn)表1。

表1 不同生態(tài)系統(tǒng)土壤中的有機(jī)碳貯量

土壤在水循環(huán)過(guò)程中的作用決定了陸地河流向海洋輸出碳的形式和通量。土壤中各種有機(jī)化合物影響?zhàn)ち５V物的組合、土壤的聚集狀態(tài)、離子的移動(dòng)、土壤持水性、通氣量和鹽基交換等各種性質(zhì)土壤碳循環(huán)是土壤氮、硫和磷循環(huán)的驅(qū)動(dòng)因子，只有在適宜于土壤有機(jī)碳積累的條件下，才會(huì)使其增多。另外，土壤有機(jī)碳的礦化將伴隨著有機(jī)氮和碳鍵硫的礦化。

土壤碳庫(kù)在全球碳平衡及碳循環(huán)中起著舉足輕重的作用，在溫室氣體中除了一氧化二氮之外，均與之有關(guān)。土壤碳庫(kù)在生物地球化學(xué)碳循環(huán)中周轉(zhuǎn)速度最慢。公元900～1200年，大氣中CO2濃度為 250μL·L-1，公元 1700～1800 年為 280μL·L-1，1994 年的濃度達(dá) 358μL·L-1近 150 年大氣中 CO2濃度增加了 80μL·L-1，增幅達(dá)35%，工業(yè)革命前的1800年大氣二氧化碳的濃度為280ml/m3[IPCC（國(guó)際氣候變化委員會(huì)），1990]，而1959年在美國(guó)夏威夷的Mauna Loa長(zhǎng)期檢測(cè)站發(fā)現(xiàn)大氣二氧化碳的濃度為315ml/m3，此后二氧化碳的濃度持續(xù)增加，平均每年升高1.5ml/m3（IPCC，1995）。大氣二氧化碳的濃度持續(xù)增加導(dǎo)致全球氣候變化，最終可能威脅到人類(lèi)的生存。

土壤每年向大氣釋放的CO2為50～76PgC，占陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間碳交換總量的2/3，約為大氣碳庫(kù)的1/10，比陸地生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)凈吸收的碳量大30～60%，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)化石燃料燃燒每年向大氣排放的5PgC。如果沒(méi)有土壤呼吸（包括土壤生物呼吸和植物根系及菌根的呼吸）產(chǎn)生CO2補(bǔ)充大氣，大氣中的CO215年將被耗盡。所以SOCP對(duì)ACP的CO2濃度的影響很大。其較小幅度的變動(dòng)也可能對(duì)大氣中溫室氣體的濃度以及全球變化產(chǎn)生重要影響，因此在調(diào)控地球表層生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡和減緩溫室氣體方面具有重要的作用。在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)等條件的綜合影響下，將導(dǎo)致土壤有機(jī)碳蓄積量及動(dòng)態(tài)平衡的變化，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳庫(kù)既可能成為碳匯也可能成為碳源，由此反過(guò)來(lái)對(duì)全球變化產(chǎn)生影響。

因此，關(guān)于土壤有機(jī)碳庫(kù)的研究日益成為全球碳循環(huán)研究的熱點(diǎn)，同時(shí)也成為全球變化問(wèn)題研究的核心內(nèi)容之一。

2 土壤有機(jī)碳的研究方法

2.1 土壤類(lèi)型法

是在土壤剖面數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，以土壤類(lèi)型作為分類(lèi)單元來(lái)估算SOC的蓄積量。根據(jù)土壤各種分類(lèi)層次聚合土壤剖面數(shù)據(jù)計(jì)算各類(lèi)土壤的碳密度，再和區(qū)域或國(guó)家尺度土壤圖上的相應(yīng)土壤類(lèi)型的面積相乘，就可以得到SOC蓄積總量。同時(shí)，根據(jù)土壤類(lèi)型圖，將計(jì)算所得的土壤碳密度與土壤類(lèi)型單元相匹配，可以表現(xiàn)土壤碳密度的空間分布格局和規(guī)律。由于同類(lèi)土壤往往會(huì)具有相似的影響土壤碳蓄積的調(diào)控因素，因此該方法容易識(shí)別土壤有機(jī)碳的空間格局，減少估算的不確定性，是目前進(jìn)行土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量研究較為常用的方法。但土壤類(lèi)型法的應(yīng)用是以大量實(shí)測(cè)剖面數(shù)據(jù)以及對(duì)土壤類(lèi)型準(zhǔn)確劃分為前提的，且僅考慮土壤類(lèi)型的因素。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的缺乏和對(duì)植被、土地利用方式以及人類(lèi)活動(dòng)等影響因素的忽略，都會(huì)在一定程度上對(duì)估算結(jié)果產(chǎn)生影響。

2.2 植被類(lèi)型、生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型和生命地帶法

該方法是以植被、生命地帶或生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型作為分類(lèi)單元，在確定各種單元類(lèi)型的土壤有機(jī)碳密度與該類(lèi)型分布面積的基礎(chǔ)上，計(jì)算出SOC蓄積量。使用該方法不僅能較容易了解不同植被、生態(tài)系統(tǒng)和生命地帶類(lèi)型的土壤有機(jī)碳庫(kù)蓄積總量，而且能更好地反映溫度、降水等氣候因素、植被以及生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的分布對(duì)SOC蓄積的影響。

2.3 相關(guān)關(guān)系統(tǒng)計(jì)法

相關(guān)關(guān)系統(tǒng)計(jì)法是通過(guò)分析一定剖面數(shù)據(jù)SOC的蓄積量與樣點(diǎn)的各種環(huán)境因子、氣候因子和土壤屬性之間的相關(guān)關(guān)系，建立一定的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)關(guān)系，來(lái)計(jì)算SOC的蓄積量。但由于各區(qū)域的SOC的主要控制因素可能不同，相關(guān)性表現(xiàn)不一，因此所確定的統(tǒng)計(jì)關(guān)系需要得到驗(yàn)證后方可應(yīng)用，由此影響了該方法的推廣和應(yīng)用。

2.4 模型方法

運(yùn)用模型方法估算土壤碳庫(kù)及固碳潛力成為目前研究SOC一種重要的方法和途徑，是在認(rèn)識(shí)和掌握土壤碳循環(huán)過(guò)程與機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立SOC的表征、評(píng)估或預(yù)測(cè)模型，然后通過(guò)輸入大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)對(duì)區(qū)域的SOC儲(chǔ)量進(jìn)行估算；在此基礎(chǔ)上還可以根據(jù)SOC的影響因素或管理措施的變化來(lái)做情景分析，從而估計(jì)、評(píng)估和預(yù)測(cè)區(qū)域或國(guó)家尺度的土壤固碳潛力。國(guó)際上比較有代表性的土壤碳循環(huán)模型包括Century和DNDC模型等，但由于模型的正確運(yùn)用與否，有賴(lài)于進(jìn)一步對(duì)土壤碳循環(huán)過(guò)程的認(rèn)識(shí)和把握，且模型參數(shù)化過(guò)程較為復(fù)雜，對(duì)數(shù)據(jù)的完善有很高的要求，如果模型參數(shù)和構(gòu)建機(jī)理與研究區(qū)的實(shí)際情況存在較大差異，就會(huì)使模擬結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差。

3 土地利用方式對(duì)土壤呼吸的影響

土地利用方式對(duì)于土壤呼吸的影響十分顯著。不同的利用方式（如耕作、排灌條件的改變等）不僅改變了地表植被，而且改變了土壤透氣性，從而使土壤有機(jī)質(zhì)含量、微生物的組成和活性、根系生物量等發(fā)生改變，相應(yīng)的土壤呼吸也大不相同。尤其在當(dāng)前人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然界的影響越來(lái)越大的情況下，土地利用方式的改變對(duì)全球土壤CO2通量的影響是十分巨大的。例如，溫帶地區(qū)的濕地在自然狀況下，原本是大氣CO2的匯，但由于人類(lèi)的影響，主要是排灌條件的改變，土壤呼吸作用大大加強(qiáng)，導(dǎo)致大氣和濕地間碳轉(zhuǎn)移的改變，乃至影響了全球的碳平衡。

4 土地利用變化對(duì)土壤碳庫(kù)的影響

土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化是土壤質(zhì)量與土壤持續(xù)能力的重要表征，土地利用和土壤管理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化起著非常重要的作用。土地利用變化不僅直接改變了地表植被類(lèi)型從而影響土壤有機(jī)碳的輸入，而且還引起了土壤理化性質(zhì)的變化，從而對(duì)土壤的固碳能力產(chǎn)生影響。據(jù)IPCC（2007）估算，20世紀(jì)90年代土地利用變化引起的CO2排放量相當(dāng)于人類(lèi)活動(dòng)引起的總排放量的1/4。而Houghton（1995）對(duì)土地利用變化影響結(jié)果的估計(jì)表明，1850～1990年，土地利用的變化導(dǎo)致124PgC釋放到大氣中，約相當(dāng)于同時(shí)期化石燃料燃燒碳釋放量的一半。土地利用變化已經(jīng)成為僅次于化石燃料燃燒排放引起溫室氣體濃度增加的主要原因。

人類(lèi)活動(dòng)對(duì)土地利用和覆蓋的變化是最直接影響土壤碳庫(kù)的因子，影響最嚴(yán)重的是將自然植被轉(zhuǎn)變?yōu)楦?。它減少了土壤有機(jī)質(zhì)的輸入，破壞了土壤有機(jī)質(zhì)的物理保護(hù)，增強(qiáng)了腐殖物質(zhì)的礦化作用，使土壤呼吸增加，土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量降低。特別是在耕種的頭50年，表土有機(jī)C損失30～50%。

（1）森林砍伐轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后：會(huì)引起土壤有機(jī)碳（SOC）含量快速下降，其主要原因是地表凋落物的輸入減少，同時(shí)耕作破壞了土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，使有機(jī)質(zhì)暴露，加快了其分解速度。

（2）森林轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸兀浩渫寥烙袡C(jī)碳的下降幅度比農(nóng)田少甚至可能有所增加。

（3）草地被開(kāi)墾成農(nóng)田后：土壤呼吸作用加強(qiáng)，土壤有機(jī)碳的分解速度加快，由此也導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳的損失。草地開(kāi)墾為農(nóng)田后，土壤中的有機(jī)碳損失量大約在30～50%。據(jù)Houghton估計(jì)，1850～1980年期間，由于開(kāi)墾導(dǎo)致的草原生態(tài)系統(tǒng)碳素凈損失量約為10Pg。

（4）通過(guò)采取減少森林砍伐、棄耕農(nóng)田還林還草，或者草地恢復(fù)為森林等保護(hù)性的土地利用變化，可以減少陸地生態(tài)系統(tǒng)向大氣的CO2凈排放，穩(wěn)定甚至增加土壤碳儲(chǔ)量。

（5）土地利用變化對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響取決土地利用方式發(fā)生了什么樣的變化。

土壤受耕作擾動(dòng)時(shí)，土壤團(tuán)聚體被破壞，分解條件被改變，引起土壤呼吸速率加快，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)下降.大量實(shí)踐證明，實(shí)行免耕作將有利于延長(zhǎng)碳的平均滯留時(shí)間。減少有機(jī)質(zhì)流失，能有效緩和大氣CO2的升高和溫室效應(yīng)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)于土地的利用和覆蓋的變化是最直接影響土壤碳庫(kù)的因子。最嚴(yán)重的是森林退化成為草場(chǎng)或轉(zhuǎn)變?yōu)楦?。它減少了土壤有機(jī)質(zhì)的輸入，破壞了土壤有機(jī)質(zhì)的物理保護(hù)，增強(qiáng)了腐殖物質(zhì)的礦化作用，使土壤呼吸增強(qiáng)，土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量降低。土地利用的改變每年對(duì)ACP的貢獻(xiàn)為（1.6+1.0）PgC。1950年以來(lái)，SOPC是大氣CO2濃度增加的最大貢獻(xiàn)者。所以我們應(yīng)該積極探索優(yōu)化和合理土地利用的方式等，穩(wěn)定甚至增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。

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S714

A

1005-7897（2016）04-0123-03

2016-2-9

易 香（1989-），女，苗族，貴州人，在讀碩士。

段建軍（1976-），男，漢族，貴州人，副教授。

焦克強(qiáng)（1991-），男，漢族，甘肅人，在讀碩士。

莫仁超（1993-），男，漢族，貴州人，在讀本科。