孫毅兵

(黑龍江省林業(yè)和草原第三調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，黑龍江 哈爾濱 150008)

土壤是人類賴以生存的自然資源，是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫。土壤有機(jī)碳含量的變化可直接導(dǎo)致大氣排放溫室氣體濃度的變化，從而影響全球氣候變化。研究碳循環(huán)的重要前提就要了解土壤碳，森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳影響因素研究對正確評(píng)價(jià)森林生態(tài)土壤在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)、全球碳循環(huán)以及全球氣候變化中的作用具有重要意義。

1 森林土壤碳庫

1.1 森林土壤碳儲(chǔ)量

全球植被碳儲(chǔ)量大約4.2～8.3×1011t，土壤碳儲(chǔ)量大約1.2～2.0×1012t；全球土壤深度0～30cm的土壤有機(jī)碳庫儲(chǔ)量6.84～7.24×1011tC，無機(jī)碳庫儲(chǔ)量為 2.22～2.45×1011tC；土壤深度為0～100cm的土壤有機(jī)碳庫儲(chǔ)量為1.46～1.55×1012tC，無機(jī)碳庫儲(chǔ)量為4.95～7.48×1011tC 。中國森林土壤碳儲(chǔ)量的變化范圍在44～264t/hm2，平均為107.8t/hm2，其中，天然林平均土壤碳儲(chǔ)量109.1t/hm2，人工林平均土壤碳儲(chǔ)量107.1t/hm2。

1.2 森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳組成及分布

1)土壤碳包括有機(jī)碳和無機(jī)碳兩部分。土壤有機(jī)碳由一系列易分解活性有機(jī)碳和難分解惰性有機(jī)碳組成，土壤無機(jī)碳包括二氧化碳,碳酸氫鈉等含碳的無機(jī)物。

2)土壤有機(jī)碳主要分布于上層1m深度以內(nèi)，在熱帶廣泛分布的厚層土壤中，1m以下有機(jī)碳的儲(chǔ)量達(dá)5.0×1010t。研究發(fā)現(xiàn)林地土壤剖面有機(jī)碳含量垂直分布呈先陡降然后逐漸降低的模式，0～20cm土層中土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳密度均占比較大。

1.3 森林土壤碳動(dòng)態(tài)變化

1)土壤碳以有機(jī)碳為主，具有不同的更新速率和周轉(zhuǎn)速率，其碳轉(zhuǎn)移方向與強(qiáng)度在不同時(shí)間尺度上決定著大氣二氧化碳的濃度。森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及其動(dòng)態(tài)平衡直接影響森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力水平，對森林生態(tài)系統(tǒng)的功能與服務(wù)具有重要影響。

2)據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)統(tǒng)計(jì)，2001-2010年期間土地利用變化和森林砍伐造成的溫室氣體凈排放減少近10%，十年的平均數(shù)約為40億t二氧化碳當(dāng)量/年，這主要?dú)w功于森林砍伐減少，許多國家大氣碳封存量增加。

3)研究發(fā)現(xiàn)華北落葉松白樺混交林土壤有機(jī)碳含量隨著土層深度的加深逐漸減少，隨著林木林齡的增加，森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳含量和碳儲(chǔ)量與齡林增加呈正相關(guān)的線性關(guān)系；

4)森林土壤活性有機(jī)碳含量受植被類型的影響，并與季節(jié)變化、氣溫、降水等氣候因素有關(guān)；東北森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化規(guī)律為從增長到飽和然后逐漸降低，在空間上也有不同程度增加或降低；

5)研究發(fā)現(xiàn)土壤碳在溫度帶間差異顯著，在暖溫帶最低，在北亞熱帶最高；年均溫、年降水量、土壤含水量和植物物種多樣性間的交互作用對土壤碳有顯著正影響。

6)相關(guān)研究表明，隨著海拔升高，大氣及土壤溫度逐漸降低，導(dǎo)致土壤動(dòng)物及微生物的活性降低，造成微生物分解枯落物的速率下降，從而使得高海拔地區(qū)土壤有機(jī)碳含量明顯高于低海拔地區(qū)[1]。

2 森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳影響因素

影響土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的因素主要是氣溫、降水、土壤通氣狀況、凋落物及土壤特性等。人類活動(dòng)引起的有機(jī)物質(zhì)輸入、輸出也可以增強(qiáng)或降低土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化速率，能夠在短期內(nèi)改變土壤碳和碳循環(huán)。

2.1 氮沉降

由于森林生態(tài)系統(tǒng)中各種因子間的復(fù)雜性關(guān)系，大氣中的氮沉降變化影響土壤碳變化。近些年，氮沉降處理下土壤有機(jī)碳分解的研究一直存在許多的不確定性，氮沉降能促進(jìn)固碳作用，增加森林生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的含量及碳儲(chǔ)量；對于森林土壤微生物生物量碳的研究，有關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)高量氮素添加會(huì)降低微生物生物量碳，而低量氮素添加則明顯提高其含量，氮沉降的增加能夠減少腐殖質(zhì)層和上層礦質(zhì)土壤二氧化碳的產(chǎn)生。

2.2 外加碳源

1)在森林生態(tài)系統(tǒng)中，通過添加和去除凋落物以及去除根系的方法(DIRT Detritus Input and Removal Treatments)人為地改變土壤碳的輸入，依此來研究土壤碳和碳循環(huán)。人為改變土壤外源碳的輸入方式可促進(jìn)或降低土壤有機(jī)碳降解速率，在短時(shí)間內(nèi)可觀察到土壤碳和碳循環(huán)的變化。

2)通過外源有機(jī)物進(jìn)入土壤使土壤原有有機(jī)碳分解速率發(fā)生改變的一種現(xiàn)象，被稱為激發(fā)效應(yīng)。凋落物作為土壤有機(jī)碳的主要來源，添加或去除凋落物會(huì)改變土壤微生物數(shù)量、活性及群落結(jié)構(gòu)，從而影響土壤呼吸，引起土壤碳循環(huán)的短期變化。凋落物輸入增加可能引起“激發(fā)效應(yīng)”，從而加速土壤中固有有機(jī)碳的礦化，致使土壤碳釋放增強(qiáng)，影響土壤有機(jī)碳的積累和分解，對土壤碳平衡的輸入、輸出起到至關(guān)重要的作用。

3)凋落物多的幼齡林土壤呼吸值較低。研究發(fā)現(xiàn)，增加凋落物有利于穩(wěn)定土壤中有機(jī)碳含量，促進(jìn)土壤微生物的量與活性；減少凋落物可能引起土壤微生物量的減少。

2.3 土地利用方式變化

在過去的一個(gè)多世紀(jì)里，人類活動(dòng)越來越劇烈，導(dǎo)致全球土地利用/土地覆被發(fā)生了巨大的變化。1850-1990年，全球土地利用變化導(dǎo)致1.24×1011tC排放到大氣中，其中1.08×1011tC來自森林生態(tài)系統(tǒng)(熱帶森林占2/3，溫帶和北方森林約占1/3)。

有些土地利用方式變化破壞了土壤團(tuán)聚體，影響了土壤中動(dòng)植物微生物殘?bào)w、排泄物、分泌物及土壤腐殖質(zhì)的分解，從而使土壤成為大氣碳庫的重要來源。從區(qū)域來看，植樹造林使土地利用方式發(fā)生變化，促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的持續(xù)增長，碳匯作用正在加強(qiáng)。造林和森林恢復(fù)對于森林土地利用/覆被變化具有積極作用，通過造林和森林恢復(fù)，中國森林減緩了全球大氣二氧化碳體積分?jǐn)?shù)的上升趨勢。

3 森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳研究展望

土壤碳儲(chǔ)量超過了植被碳庫與大氣碳庫的總和，因此正確認(rèn)識(shí)土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性是應(yīng)對全球氣候變化的關(guān)鍵所在；由于氣候帶分布、森林植被類型、影響因素等不同原因的存在，國內(nèi)外對土壤有機(jī)碳的各種形態(tài)、動(dòng)態(tài)過程及其調(diào)控機(jī)理等研究仍十分薄弱；森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地碳匯形成的主要原因之一，陸地生態(tài)系統(tǒng)由“碳源”轉(zhuǎn)為“碳匯”，其主要原因是退耕還林和森林防火，特別是森林面積擴(kuò)大和林木再生；特別是關(guān)于土地利用變化，外加氮源、碳源等人為干擾條件下對土壤有機(jī)碳過程與狀態(tài)影響的定量研究較少。尤其是在預(yù)測不同空間尺度土壤有機(jī)碳的分布特征、組分、轉(zhuǎn)換過程和機(jī)理以及有機(jī)碳儲(chǔ)量準(zhǔn)確估算等方面，將成為新的研究熱點(diǎn)，其理論和技術(shù)將會(huì)得到更大的發(fā)展。

4 結(jié)語

森林土壤碳儲(chǔ)量在不同氣候帶分布存在差異，從熱帶至溫帶呈增加的趨勢，熱帶與亞熱帶地區(qū)相近；人工林與天然林土壤碳儲(chǔ)量差異并不明顯[2]。不同森林類型之間土壤碳儲(chǔ)量、碳含量的差異主要表現(xiàn)在土壤表層。

土壤碳含量隨海拔的升高而增加，森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳在不同林型間的差異很大；不同土壤類型之間，山地棕壤的碳儲(chǔ)量極顯著高于山地黃棕壤和山地褐土。研究表明，色季拉山森林土壤有機(jī)碳主要儲(chǔ)存于表層土壤和高海拔區(qū)域土壤中, 在未來氣候變暖的背景下, 高海拔區(qū)域表層土壤將成為大氣二氧化碳濃度升高的潛在碳源。