专题2 土壤有机碳(10.22)

2.农业管理措施的影响
耕作破坏了土壤有机碳稳定性，加速了土壤有机碳分解。采取免耕或保
护性耕作，有利于更多的作物残茬转化为土壤有机碳、微生物量碳和可矿 化碳，从而促进表层土壤有机碳的快速积累，显著提高土壤有机碳的含量 （赵鑫等，2006）。相关研究表明：多年的保护性耕作使北美地区农田土 壤有机质含量明显增加，持续10年以上可使农田耕层SOC含量增加7%-10%。 施肥对于农田土壤的有机碳含量也具有重要影响。长期定位试验表明： 长期施用有机肥能显著提高土壤活性有机碳的含量；有机肥和无机肥配合
地利用的变化导致124 PgC释放到大气中，约相当于同时期化石燃料燃烧碳
释放量的一半。 土地利用变化已经成为仅次于化石燃料燃烧排放引起温室气体浓度增加 的主要原因。
（1）森林砍伐转变为农田后：会引起土壤有机碳（SOC）含量快速下降， 其主要原因是地表凋落物的输入减少，同时耕作破坏了土壤团聚体结构， 使有机质暴露，加快了其分解速度；
3.相关关系统计法 相关关系统计法是通过分析一定剖面数据SOC的蓄积量与样点的各种 环境因子、气候因子和土壤属性之间的相关关系，建立一定的数学统计 关系，来计算SOC的蓄积量。 不足：但由于各区域的SOC的主要控制因素可能不同，相关性表现不 一，因此所确定的统计关系需要得到验证后方可应用，由此影响了该方 法的推广和应用。
（二）人类活动对于土壤有机碳储量的影响
1.土地利用变化对土壤碳库的影响 土地利用变化不仅直接改变了地表植被类型从而影响土壤有机碳的输入， 而且还引起了土壤理化性质的变化，从而对土壤的固碳能力产生影响（周 涛，史培军，2006）。 据IPCC（2007）估算，20世纪90年代土地利用变化引起的CO2排放量相 当于人类活动引起的总排放量的1/4。 而Houghton(1995)对土地利用变化影响结果的估计表明, 1850-1990年，土
中国国家尺度的土壤有机碳库的估算结果表
研究者 时间 SOC的估算结果 SOC密度（kg/m2） （1m)
3.气候条件及其变化的影响 气候变化对于土壤有机碳的蓄积具有重要影响。气候变化通过温度、 降水变化影响植物生产力速率和凋落速率，从而控制和影响输入土壤的 有机碳量；但同时也影响微生物活性从而改变地表凋落物和土壤有机碳 分解速率。 温室气体浓度上升引起的全球变暖虽然可以使植被的生长期延长，光 合作用效率提高，从而增加陆地植被的净初级生产力（NPP）和土壤有 机碳的输入量，但气温的升高也加速了土壤有机碳的分解（王绍强，刘
强酸性的土壤环境可以抑制微生物的活动而降低有机碳分解速率
（Ayanaba and Jenkinson，1990）。 土壤的物理结构则通过调节土壤中空气和水的运动，影响微生物的活动。
土壤C/ N 的高低也对土壤微生物的活动能力有一定促进或限制作用，当土
壤氮素增加时,可以促进微生物的活动,提高土壤有机质的分解速率（廖利 平等，2000）。
施用，能促进土壤活性有机碳含量积累。
提高对作物残留物的管理，促进秸秆还田可以增加SOC含量，改善土壤 微环境，能够进一步提高土壤的固碳能力。但残茬管理对SOC的影响需要 与一定的耕作方式相结合，在不同的耕作措施下，残茬还田对于SOC的作 用也具有一定的差异。Lal等（1999）研究显示，保护性耕作和残茬管理相 结合的碳固存潜力是0.15 Pg/a-0.175 Pg/a。
四、土壤碳库的研究方法
土壤碳库的研究方法
土壤类型法
植被类型、生态系统类型和生命地带法
相关关系统计法
模型方法
（一）土壤类型法
是在土壤剖面数据基础上，以土壤类型作为分类单元来估算SOC的蓄积 量。
根据土壤各种分类层次聚合土壤剖面数据计算各类土壤的碳密度，再和
区域或国家尺度土壤图上的相应土壤类型的面积相乘，就可以得到SOC蓄 积总量。同时，根据土壤类型图，将计算所得的土壤碳密度与土壤类型单 元相匹配，可以表现土壤碳密度的空间分布格局和规律。 优点：由于同类土壤往往会具有相似的影响土壤碳蓄积的调控因素，因 此该方法容易识别土壤有机碳的空间格局，减少估算的不确定性，是目前 进行土壤有机碳储量研究较为常用的方法。
不足：但土壤类型法的应用是以大量实测剖面数据以及对土壤类型准确
划分为前提的，且仅考虑土壤类型的因素。实测数据的缺乏和对植被、土 地利用方式以及人类活动等影响因素的忽略，都会在一定程度上对估算结
果产生影响。
2.植被类型、生态系统类型和生命地带法 该方法是以植被、生命地带或生态系统类型作为分类单元，在确定各 种单元类型的土壤有机碳密度与该类型分布面积的基础上，计算出SOC 蓄积量。 优点：使用该方法不仅能较容易了解不同植被、生态系统和生命地带 类型的土壤有机碳库蓄积总量，而且能更好地反映温度、降水等气候因 素、植被以及生态系统类型的分布对SOC蓄积的影响。
通过土地撂荒和自然演替或是作为一种有效的管理决定（例如转变为
牧场，保护性闲置)，土壤有机碳水平一般会增加[Schleisinger W H et al.]。近 年来，农业土地的闲置计划已在北美和欧洲实施。1950—1959年，美国西
部有2.7×105km2土地闲置，土壤有机碳密度增长率为30 g/m2· a，总增长
研究者 Rubey and William Bohn Post Eswaran et al Batjes
时间 1951 1982 1982 1993 1996
SOC的估算值(1m) 710 Pg 2200 Pg 1395 Pg 1576 Pg 1500 Pg
2.国家尺度的土壤碳库研究 随着碳循环研究的深入开展，为了提高全球尺度的土壤碳库的估算精 度，同时也为了在国际谈判中能够提供更为有效的数据依据，各国学者 纷纷加强了国家尺度上的土壤碳库研究。 Lacelle（1997）根据加拿大数字土壤地图和1500个土壤剖面数据，计算 出加拿大0-30 cm和0-100 cm深度的土壤有机碳储量分别为72.8 Pg和262.3 Pg。 Scott et al.（2002）根据土壤类型、气候和土地利用将新西兰分为39类 景观单元，并利用近2000个剖面数据库估算出新西兰0-10 cm、10-30 cm和 30-100 cm深度的土壤有机碳储量分别为1.15 Pg、1.43 Pg和1.60 Pg。 Bernoux（2002）估算了巴西0-30 cm土层的SOC储量为36.4±3.4 Pg。
专题2 土壤有机碳库研究
主讲人：史利江
报告提纲
土壤碳库在全球变化中的作用和意义
土壤有机碳的影响因素
土壤碳库的研究方法
土壤有机碳的国内外研究进展
相关的国家研究计划
一、土壤碳库在全球变化中的作用和意义
土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库, 其有机碳总贮量约在1400-1500
Pg 之间（耿元波等，2000）（1Pg=1015g），是陆地植被碳库的2-3倍，大 气碳库（750 PgC）的2倍多，其较小幅度的变动也可能对大气中温室气体 的浓度以及全球变化产生重要影响，因此在调控地球表层生态系统的碳 平衡和减缓温室气体方面具有重要的作用（汪业勖等，1999）。 在气候变化和人类活动等条件的综合影响下, 将导致土壤有机碳蓄积量 及动态平衡的变化，从而导致土壤有机碳库既可能成为碳汇也可能成为 碳源，由此反过来对全球变化产生影响。
2.植被的影响
地表植被类型的不同直接影响着输入土壤有机物数量的差异。草原植被
光合作用的有机产物中的92%以上分布在地下，同时草百度文库植物每年均有大 量的根系死亡进入土壤碳循环过程； 森林植被光合产物分配到地下土壤中的比例较低，其土壤有机碳的主要 来源多为枯枝落叶，输入量的差异决定了不同植被类型的土壤碳库存在明 显的差异。 在相同的气候条件下，草原土壤有机碳约为森林土壤有机碳的2倍（周莉 等，2005）。 对于农田土壤，由于收割时农作物的残茬常被移除，导致地表有机物的 淋溶损失较大，同时存留的作物残体的分解能力较弱，因此其有机碳密度 常常低于森林土壤（Bouwman，1990）。 在缺乏地表植被覆盖的沙漠和荒漠地区，植被和土壤的碳密度几乎为0 （李克让等，2003）。
1. 土壤理化性质的影响
土壤理化性质（包括土壤质地、母质、有机质组成、pH以及土壤C/N、 土壤养分等）会影响对土壤有机碳的稳定性及其变化产生一定的影响。
一些研究表明,土壤有机碳含量与粘土含量呈现显著的正相关
（Spackman and Munn，1984），但也有研究表明二者之间并未存在明显 的相关关系（Sims and Nielsen，1986）。
（2）森林转变为草地：其土壤有机碳的下降幅度比农田少甚至可能有所增 加。 （3）草地被开垦成农田后：土壤呼吸作用加强，土壤有机碳的分解速度加 快，由此也导致了土壤有机碳的损失。草地开垦为农田后，土壤中的有机 碳损失量大约在30%-50%。据Houghton估计，1850-1980年期间，由于开垦 导致的草原生态系统碳素净损失量约为10 Pg（周广胜，2003）。 （4）通过采取减少森林砍伐、弃耕农田还林还草，或者草地恢复为森林等 保护性的土地利用变化, 可以减少陆地生态系统向大气的CO2净排放，稳定 甚至增加土壤碳储量。 （5）土地利用变化对土壤碳储量的影响取决土地利用方式发生了什么样的 变化（杨景成等，2003）。
因此，关于土壤有机碳库的研究日益成为全球碳循环研究的热点，同
时也成为全球变化问题研究的核心内容之一（陈泮勤，孙成权，1992， 1994）。
二、土壤有机碳的影响因素
土壤有机碳的影响因素 自然因素 土壤理化性质 植被 气候条件及其变化 人类活动的影响
土地利用变化
农业管理措施
（一）自然因素对土壤有机碳储量的影响
4.模型方法 运用模型方法估算土壤碳库及固碳潜力成为目前研究SOC一种重要的 方法和途径， 原理：是在认识和掌握土壤碳循环过程与机理的基础上，建立SOC的 表征、评估或预测模型，然后通过输入大量实测数据，来对区域的SOC 储量进行估算；在此基础上还可以根据SOC的影响因素或管理措施的变 化来做情景分析，从而估计、评估和预测区域或国家尺度的土壤固碳潜 力。 目前，国际上比较有代表性的土壤碳循环模型包括Century和DNDC模 型等， 不足： 但由于模型的正确运用与否，有赖于进一步对土壤碳循环过 程的认识和把握，且模型参数化过程较为复杂，对数据的完善有很高的 要求，如果模型参数和构建机理与研究区的实际情况存在较大差异，就 会使模拟结果出现较大的偏差。
四、土壤有机碳的国内外研究进展
不同空间尺度的土壤碳库研究
碳循环模型在土壤有机碳研究中的运用
土地利用方式及其变化对土壤有机碳的影响
（一）不同空间尺度的土壤碳库研究
不同空间尺度的土壤碳库研究
全球尺度的土壤碳库研究
国家尺度的土壤碳库研究
区域尺度的土壤碳库研究
不同生态系统的土壤有机碳储量研究
1. 全球尺度的土壤碳库研究
纪远，2002）。研究表明，在全球范围内温度升高0.5℃会使处于稳定状
态的土壤碳库下降约6%（Trumbore et al.，1996）； 全球变暖还将导致永久冻土中大量的有机碳以CO2、CH4和其它痕量气
体释放到大气中，进一步增强温室效应（Bockheim et al.，1997）。已有
研究证实，在20世纪70-80年代，由于气候变暖已使美国阿拉斯加北坡冻 原由碳汇变为碳源（Oechel et al.，1993）。
率为8×106t/a。在这些土地上，土壤有机碳的增加速率和最终达到的稳 定水平将取决于生产力水平和土壤条件。 免耕是非常有效的提高农田土壤有机碳的方法，研究发现免耕土壤比 传统耕作措施管理的土壤有机碳平均水平高[Jin Feng et al.]。土壤免耕减缓 了土壤中碳、氮的矿化速率和有机质分解作用速率,减少了反硝化作用所 需的碳、氮基质供应量,同时,长期免耕能增加表土层土壤微生物生物量碳、 氮含量[Xu Yangchun et al.，2002]，通过陆地生物及落叶的转化，有机碳蓄积 量能够增加。