青藏高原草地土壤有机碳库及其全球意义

n
biFi
b=
i= 1 n
( 2)
Fi
i= 1
式中: Fi 为某类土壤在第 i 分区的面积, 对应该分
区的有机质平均含量为 b, 对应 Fi 的土壤 厚度取
其平均值; 该类土壤在所研究的地区有 n 个分区.
依据各类 土壤平 均深度 和容 重, 利用 式( 1) 和 式
( 2) , 计算各类土壤的总有机碳量 C 为[ 8] :
6期
王根绪等: 青藏高原草地土壤有机碳库及其全球意义
6 95
表 1 青海省辖区草地土壤分类及面积 T able 1 T he classification and area of soils of g rasslands in Q ing hai Pr ovince
土壤类型
分布面积 / 104 hm2
王根绪1, 2, 程国栋1, 沈永平1
( 1. 中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室, 甘肃 兰州 2. 兰州大学 资源环境学院, 甘肃 兰州 730000)
730000;
摘 要: 定量分析了青藏高原各类草地 0~ 0 65 m 深 度范围内有机碳储量, 结果表明: 青藏高原总面积 为 1 6027 108 hm2 的草地有机碳量达到 335 1973 108 t C, 其 中以高原草 甸土和 高原草原 土有机 碳 积累量为 主, 两者之 和达 到 232 36 108 t C, 占全 国土 壤 有机 碳量 的 23 44% , 是 全 球土 壤 碳库 的 2 4% . 在有机碳储量分析的 基础上, 按土壤碳释放的两 种主要途 径: 土壤 呼吸作用 和土地利 用方式 变 化与草地退化, 对草地土壤碳排放进行了估算, 揭示出青藏高原草地 土壤通过呼 吸每年排放 的 CO2 达 到 11 78 108 t C a- 1 , 约占中国土壤呼吸总量的 28 3% , 明显高于全国乃至全球平 均值; 近 30 a 来, 青藏高原 草地土壤由于土地利用变化和草地退化所 释放的 CO2 估计约 有 30 23 108 t C. 保 护青藏 高 原草地对于全球变化意义重大. 关键词: 青藏高原; 草地; 土壤; 有机碳 中图分类号: S153. 6+ 1 文献标识码: A
类型数; j 为根系呼吸所占的比例( % ) . 土地利用变化使土壤碳通量呈源或汇, 是一个
有争议的问题, 一般来讲, 森林砍伐将造成净碳排 放, 草地向耕地转变, 可以形成土壤碳排放, 也可 能导致土壤碳积累, 草地向牧地转变或草地退化, 则必然造成土壤碳排放[ 13, 14] . 有证据表明[ 13] , 土 壤活动层( 上层 1 m 左右) 可能有 50% 的碳在大约 50 a 的时间内损失掉, 其中大多数集中于前 25 a, 排放过程近似于指数型. 因此, 计算土地利用变化 造成的碳排放通量的时间尺度一般取 25 a, 采用下 式计算[ 15] :
E c = ( C 0- Ct)
( 5)
2
式中: Ec 为土地利用变化引起的碳排放量( t C a- 1) ; 2 为过去 25 a 平均土地利用转化( 退化) 率; C0 - Ct
分别为原有土地与转化 25 a 后土壤碳的差值. 1. 3 数据来源
分析数据主要是各类土壤有机质含量、容重、
草地利用变化( 包括草地退化) 过程与速率等, 其采 用数据来源于以下 3 方面:
n
C = P c Fi
( 3)
i= 1
1. 2 土壤碳释放量的测算
土壤碳释 放途径 主要有两 方面, 一 是土壤 呼
吸, 包括土壤中植物根系呼吸、微生物分解作用和
菌根呼吸等[ 8] ; 二是由于土壤利用方式的变化引起 有机质分解所释放的碳量[ 9] . 在计算土壤有机碳因
土壤呼吸释放到大气中的 CO2 量时, 应将土壤呼吸
( 1) 依据 1999 年沿贵德 同德 甘德 玛沁 达日 玛多, 以及五道梁 楚玛尔河 沱沱河 温泉 安多 那曲两条样带所采集的 124 组土壤样 品的测试分析数据.
( 2) 1992 年完成的青海土壤普查及其 1997 年 出版的 青海土壤 [ 16] , 1984 1991 年开展的西藏 土地资源调查成果 [, 17等] 所刊列的有关数据.
环境方面的研究工作. E- mail: gxw ang@ ns. lzb. ac. cn
6 94
冰
川
冻
土
24 卷
用特征, 采取土样测定其有机质含量与土壤容重, 计算其平均值作为各分析单元 的有机质含量 和容 重; 单位面积土壤有机碳量按下式计算[ 6, 8, 9] :
Pc = Hb
( 1)
式中: 为土壤容重( t m- 3) ; b 为土壤平均有机质 含量( % ) ; H 为土壤平均分析厚度( m ) ; 为有机 碳换算系数, 采用 Blemmelen 系数( 0 58) . 在已知 土壤容重与有机质含量的情况下, 利用式( 1) 就可 测算出不同类型土壤在一定深度范围内单位面积的 有机碳量, Pc( kg C m- 2) .
101. 8
5. 6
1567. 689
23. 94
60
31. 2
92. 7
其中 中度 严 重退化 的面 积: 3. 435
357. 087
5. 45
110
67. 4
63. 3
104 hm2; 耕地: 4 073 104 hm2
63. 965
0. 98
60
65. 3
7. 6
71. 396
1. 09
70
全球约有1 500 Gt 碳是以有机质形态储存于地 球土壤中, 土壤碳库储量约是大气碳库的 2 倍[ 1] , 因此土壤有机碳库及其排放, 对大气层二氧化碳浓 度影响巨大, 从而以温室效应影响全球气候变化. 土地利用变化与土地退化, 对碳在地球各圈层特别 是气 圈 与土 圈 之间 的 平衡 机制 有 相 当显 著 的 影 响[ 2] , 温室气体变化和碳、氮等元素的循还是生物 地球化学循环中的重要内容, 特别是在当前人类活 动影响加剧和大气中重要温室气体浓度不断增加的 情况下, 温室气体源汇以及碳、氮等元素的循环问 题就显得尤为重要, 其中碳循环又是核心. 许多研 究表明与大气交换的土壤有机碳大约占陆地表层生 态系统碳储量的 2/ 3, 全球变暖的一个反应就是加 速土壤有机碳的分解, 并加大对大气的碳释放, 这 将进一步加强全球变暖的趋势[ 3] . 全球范围内对土 壤有机碳库储量及其影响因素的研究不断深入, 以 期揭示土壤碳循环在全球变化中的作用.
青藏高原是地球陆地生态系统的重要 组成部 分, 是世界上低纬度冻土集中分布区, 作为欧亚大 陆最高最大的地貌单元, 不仅对全球气候变化十分
敏感, 而且在亚洲气候乃至全球气候变化中扮演重 要角色[ 4] . 青藏高原广泛分布的高寒草甸、高寒草 原与高寒沼泽草甸草地等均属自然控制类型, 并占 据青藏高原的绝大部分面积, 这类地表在欧亚大陆 具有相当的区域代表性[ 5] , 同时, 青藏高原草地发 育的高山草甸土、亚高山草甸土以及高山草原草甸 土等高山土壤富含有机质, 土壤碳密度明显高于其 它地域土壤[ 6] . 近年来, 诸多研究表明[ 7] , 青藏高 原气温不断升高, 由于冻土热力敏感性大, 因此高 原冻土具有很大的碳、氮等温室效应气体的排放潜 力. 正是由于青藏高原这种特殊的地理和生态单元 及其对全球变化的重要作用, 研究青藏高原草地土 壤温室气体和碳、氮等元素循环特征对于评价青藏 高原生物地球化学循环对全球变化的响应和反馈作 用就具有重要科学和实际意义.
固定风沙土面积: 31 34 104 hm2
表 2 西藏地区辖区草地土壤分类及面积 T able 2 Classification and area of soils of gr asslands in T ibet Autonomous Region
分布面积 / 104 hm2
所占比例 /%
平均深度 / cm
有机质 / ( g kg- 1)
考虑到青藏高原土壤发育比较年轻、土壤剖面
分化相对微弱和土层较薄的特点, 20~ 100 cm 厚度 土层土壤分布面积占据区域总草地面积的 80% 以 上, 因此, 土壤分析厚度按各类土壤的特点, 以 30 ~ 100 cm 为主. 同一类土壤在高原的不同区域, 其 有机质含量差异较大, 为消除这种地域性差异, 采 用区域面积加权平均法, 同一类土壤的平均有机质 含量, 用下式来计算:
51. 0
99. 4
其中耕地面积: 33 334 104 hm2
249. 254
3. 81
105
24. 7
167. 0
耕地面积: 60 227 104 hm2
19. 239
0. 293
110
10. 6
130. 0
耕地面积: 7 49 104 hm2
137. 032
2. 09
105
8. 3
103. 0
第 24 卷 第 6 期 2 0 0 2 年 12 月
冰川冻 土
JOU R NAL OF GL ACIOL OGY A ND G EOCRYO LOG Y
V ol. 24 No. 6 Dec. 2002
文章编号: 1000- 0240( 2002) 06- 0693- 08
青藏高原草地土壤有机碳库及其全球意义
所占比例 /%
平均深度 / cm
有机质 / ( g kg- 1)
Ca CO3 / ( g kg- 1)
备
注
高山寒漠土
495. 037
7. 56
22
11. 1
123
高山漠土
13. 51
0. 21
45
3. 1
107
其中中度 严 重退 化的 高山 草 甸土
高山草甸土
2034. 783
31. 07
70
121. 2
耕地面积: 6 018 104 hm2
400. 2Βιβλιοθήκη Baidu7
6. 112
50
3. 6
74. 6
耕地面积: 1 51 104 hm2
307. 79
4. 7
60
173. 9
117. 0
耕地面积: 0 118 104 hm2
138. 0
2. 11
105
13. 4
89. 5
197. 07
3. 01
60
7. 6
56. 8
1 研究方法与数据来源
1. 1 土壤有机碳量测算方法 根据国家土壤普查分类体系, 以土类或亚类为
基本单元, 针对各类土壤的空间分布、植被及其利
收稿日期: 2002-03-10; 修订日期: 2002-06-05 基金项目: 中国科学院知识创新工程项目( K ZCX 1-10-06) ; 国家自然科学基金项目( 90102006. ) ; 中国科学院 西部之光 项目资助 作者简介: 王根绪( 1965 ) , 男, 甘肃天水人, 研究员, 1999 年在中国科学院兰州冰川冻土研究所获博士学 位, 主要 从事寒旱区生态 与
18. 4
面积: 337 187 104 hm2
亚高山草甸土 高山草原土
山地草甸土
草甸土 黑钙土 粟钙土 灰钙土 棕钙土 灰棕漠土 沼泽土 草甸盐土 风沙土
土壤类型
高山寒漠土 高山漠土
高山草甸土 亚高山草甸土
高山草原土 山地草甸土
草甸土 亚高山草原土
沼泽土 草甸盐土
风沙土
48. 562
0. 74
50
( 3) 据长江与黄河源区约 21 104 km2 范围内 1980 1990 年代两 期遥感数据, 分析得出 的有关 草地变化数据; 近年来相关区域生态与环境调查结 果[ 17~ 19] .
2 草地土壤有机碳库储量及其分布特征
研究区域在行政管辖上分属于青海省( 不包括 其东部黄土农业区) 和西藏自治区, 草地土地类型 以高山草 甸土、高山 草原土、亚 高山与山 地草甸 土、亚高山 草原土、高 山漠土以 及非地带 性草甸 土、风沙土和沼泽土等为主. 由于土壤类型及其亚 类分布存 在差异, 加 之温度、水 分和植被 状况不 同, 同类土壤在青海与西藏的平均有机质含量表现 出一定的差异性, 如表 1 和 2 所示, 两大区域分布 的草地土壤类型及其平均有机质含量都有所不同. 为此, 在分析计算草地土壤碳储量时, 将分开两大 区域进行.
量减去根系呼吸消耗量. 根据方精云等[ 10~ 12] 人的
观点, 土壤呼吸排放碳量由下式计算:
m
E c1 = j = 1 jFj ( 1- j ) j = 1, 2,
, m ( 4)
式中: E c 为扣除植物根系呼吸作用的土壤呼吸排放 1
碳量( t C a- 1 ) ; j 为土壤呼吸速 率( t C ( hm- 2 a- 1) ) ; Fj 为第j 类植被的总面积( hm2) ; m 为植被