水分运移对全球碳循环的影响

水分运移对全球碳循环的影响1

袁渭阳，李贤伟，荣丽，李德会

四川农业大学生态林业工程省级重点实验室，雅安 (625014)

E-mail：lxw@

摘要：水-碳耦合机制及其研究在国内外已是如火如荼，而且已不仅仅是研究葡萄糖。研究水分运移对碳循环的响应已经近乎专业化，如何将立场转变，反过来研究水分运移对碳循环的影响，我们生物地球化学及其分支的研究人士应当给以足够的重视。本文将SPAC体系及其分支的水分运移对碳循环的影响做为切入点，以期对我国此领域的研究起到抛砖引玉的作用。

关键词：水分运移，碳循环，影响

中图分类号：S715.7 文献标识码：A

1 前言

大自然能吸收有效范围内的太阳辐射，并将能量以稳定的形式储存下来(Mayer, 1842)。这种“稳定的形式”就是碳的化合态。很难定位这种化合态碳的利弊，因为无论是进化，还是自养或异养作用，这些化合态的碳都是不可或缺的。Pace(1997) 基于SSU rRNA序列的普遍的系统发生树，并通过修改和优化，以复合发生树形式形象地解释了生物进化史，将每个核苷酸0.1变化对应为一个比例条，揭示了碳的一种形态(核苷酸)在进化史中的重要性。自养生物从太阳(需氧生物，如植物、蓝细菌和真核藻类在有氧气和光照的环境里通过方程式

储存碳(Luria, 1975)；厌氧生物，如紫色硫磺细菌在无氧和光照的环

境里通过方程式储存碳)或还原态的无机化合物(化学合成作

用，如化能自养细菌在少氧或无氧、黑暗的环境里，通过方程式(硫磺氧化细

菌)、(甲烷细菌)、(硝化细菌)(Kaiser, 1995) )获取能量，它们从CO2获取碳，或库存碳。异养生物从还原态的有机物中获取能量和碳(有氧呼吸，如需氧的真核生物和原核生物通过方程式来释放碳(Stowe, 2003)；发酵，如真核生物

和原核生物通过方程式有机酸(或酒精)实现呼吸的第一部分，使葡萄糖破裂；无氧呼吸，如原核生物，通过方程式(铁还原菌)、和(或)(脱氮菌)、

(硫还原菌)或(产烷生物)释放碳、氮等)，产生ATP(三磷酸腺苷)和NADH

(烟酰胺腺嘌啉二核苷酸)可被其它地方的细胞使用(Stevens, et al., 1995; Newman, et al., 2002; Sarbu, S et al., 1996) 。他们通过转移(或释放)碳而获取能量。故碳的库存和转移对生物的生存、繁衍、活动等过程是不可或缺的。然而，1827年法国数学家J.B.Fourier发现大气中温室气体的增暖效应。直到20世纪80年代得到完善后，这种能造成全球性环境变化的物质开始激起了人们的兴趣。尤其是温室气体(Greenhouse Gas)(一些可吸收波长为10µm左右的红外光辐射且能使大气增温的气体，如二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、臭氧、水汽等)开始引起高度关注(RM Owen and DK Rea, 1985; BE Banks and CA Vernon, 1990; CP McKay, et al., 1991; Craig Bond Hatfield, 1993; Philip H. Abelson, 1997; G. Philip Robertson, et al., 2000; Laura Tangley, Foundation item: The National Key Technology P&D Program of China During the 10th

1本课题得到国家“十五”科技攻关项目（2004BA606A-06）和教育部重点学科博士点基金（20050626001）的资助。

Five-year Plan Period 2001; James Hansen, 2004; Robert Bailis, et al., 2005; Edie Sonne, 2006)。Houghton等(1996)编写的《气候变化科学》(The Science of Climate Change)中，列出了京都协议(Kyoto Protocol)中包括的温室气体，主要有CO2、CH4、N2O、氢氟碳化合物(Hydrofluorocarbons 或 HFCs. 如CHF3, CH2F2, CH3F, C5H2F10, C2HF5, C2H2F4, C2H4F2, C2H3F3, C3HF7, C3H2F6, C3H3F5, 等)、高氟碳化合物(Perflourocarbons 或PFCs. 如CF4, C2F6, C3F8, C4F10, c-C4F8, C5F12, C6F14)以及六氟化硫(SF6)，碳在其中的比例已经不言而喻了。CO2既能吸收太阳短波辐射，又能吸收和发射长波辐射，是大气中主要的温室气体，对全球气候变化的贡献率达60%，故而吸引了研究人员的眼球(RA Kerr, 1991; J. T. Kiehl and B. P. Briegleb, 1993; Theodore M. and Newcomb, Jr., 2001; John Bohannon, 2004; Erandathie Lokupitiya and Keith Paustian, 2006; Juhwan Lee, et al., 2006 )。温室效应(Greenhouse Effect)是地球上生命赖以生存的必要条件，大气中CO2所引起的温室效应早已存在。如果不存在温室效应，地球表

℃周广胜等, 2003)。但是如面的温度大约在-18℃左右，而地球表面的实际年平均气温为15(

今这种温室气体也在威胁着人们及其他生物的生存，如造成厄尔尼诺现象、全球变暖等(Thomas and Daniel, 1998; Chavez, et al., 1999; Dennis L. Hartmann, 2002; Michael, et al., 2005; Fedorov, et al., 2006; Rong Fu, et al., 2006)。因此，准确了解温室气体的影响因子，尤其是CO2循环的影响因素及影响程度，对减少其排放或通过增汇措施抵消或封存其在大气中的量，对长期性地调控全球气候或短期性地控制区域气温有重要战略意义。

目前为止，研究CO2对水分运移、植被及其生境、农作物产量及质量、气温变动、全球变化等方面的影响比研究CO2对这些因子的响应更为广泛。但是，研究全球变化或其某些重要因子变动对CO2的影响已经位居于全球变化研究前沿(Jackson, et al., 2005; Galvez, et al., 2005) 。水分运移有大小之分，区域水分的下渗与蒸发、地表水分径流、农田灌溉等可以视为水分的小尺度运移；全球地表水分下渗与蒸发、海洋水分蒸发、大规模降水，以及我国的南水北调工程等，皆是水分的大尺度运移。研究这些不同尺度水分运移对碳循环的影响，是研究碳循环及全球变化问题的深入，可以为“失汇碳”的探索增加一个选项。

2 土壤水分运移对碳循环的影响

土壤水运动很大程度上影响陆面水平衡，是多孔介质中液体流动的一个特殊研究内容。土壤水势、土壤导水率和土壤含水量是研究水分在土壤中运动的基本参数。尽管陈本华(1995)将土壤水的类型分为化学结合水、吸湿水和自由水，但水在土壤中并非自由，受到重力、压力、基模吸附力、植物根系吸引力、溶质渗透阻、温差效力等影响，这些力形成了土壤中土壤水的势能。正如此，水分才在土壤的上下与水平界面移动。抛开达西定律和水量守恒定律，仅从土壤包气带和土壤饱和带讲，入渗、蒸发、再分配、渗漏、毛管上升、植物吸收，以及地下水流动，都对碳的库存与转移产生不可轻视的影响。黄洪峰(1997)对水分运移进行了数量化推导。

水分入渗过程中，与CO2互相竞争土体空隙，使土壤呼吸相对减弱；而蒸发过程却较为复杂，水分与CO2同时从土体空隙中散出，既存在竞争，也有互利，即水分蒸发后为土壤呼吸作用腾挪了更大的空间。当水分再分配的时候，溶解在水中的CO2便以H2CO3、HCO3-、CO32-或其结合类物质也开始再分配。比如，包气带水分向饱和带渗漏的过程，可以理解为是将碳封存的过程。地下水上升到土壤包气带，是碳向上转移的过程。植物根系发生一系列的变化，最后转移出碳。

地下水运移涉及饱和与非饱和、单一均匀流体和多种流体(多种流体又可分为不同流体