第六章 土壤碳素转化与温室气体排放

其中碳占52%-58% 土壤C总量约占全球总碳量（除去地质圈中 的不活泼C）的6.9% 土壤碳贮量和碳通量对全球碳循环和碳平 衡及全球变化有重大影响。
3.碳循环
C是所有有集体内最普遍的元素， 土壤里动物群和植物群所获得的大部 分能量来自碳的氧化。因此，C的氧化 物在不停地、大量地演化着。C在土壤 之中及其外进行的各种各样、相互的 变化称为碳循环。
菌 4C2 H 5C O O H 2H2O 细 4C H3C O O H C O2 C H4 菌 C H3C O O H 细 C O2 C H4 菌 C O2 4H2 细 2H2O C H4
简单碳水化合物
Carbohydrate Organic acid CO2＋H2O
水域碳库Hale Waihona Puke HCP750~1050
不含深海溶质碳
不同学者认为的土壤碳库量
土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库。 土壤碳库包括土壤无机碳库（SICP）和土壤有机碳 库（SOCP） 有机碳库（1500Pg）、无机碳库（1000Pg）, 约是 大气碳和植被碳库的2.5倍（Schlesinger， 1996） 。有机碳库（1550Pg）、无机碳库 （1750Pg） （李学垣，土壤化学）
（2）有机碳的形态 新鲜的有机物 半分解的有机物 腐殖质
（二）土壤碳的组分与形态
2.土壤无机碳 （1）土壤无机碳的组分 • 主要为CO2、HCO-3、CO2-3、碳酸盐 （2）土壤无机碳存在的形态 气态无机碳 液态无机碳、固态无机碳
三、土壤碳素转化过程
三、土壤碳素转化过程
氧化 R (C,4H ) 2O2 酶、 CO2 2H 2O 能量 含碳碳和氢的化合
土壤有机质因矿质化作用每年损失的量占土壤有机质总 量的百分数称有机质的矿化率(mineralization percent)。
矿化率一般在1%～3%。
土壤中简单有机化合物分解的难易顺序 单糖、淀粉和简单蛋白质 粗蛋白质 半纤维素 纤维素 脂肪、蜡质等
二、 土壤碳的形态与组分
（一）土壤有机质中的碳
1. C元素

碳不是营养元素，但是有机体的重要组成 成分，与生命活动密切相关。

碳素是生态系统的生物圈、有机体中能量 传递的运载体。在陆地圈（包括土壤）、 生物圈、水圈和大气圈中有丰富的碳储量， 它们共同构成了地球上的碳循环。
2. 土壤有机质的碳
有机质：土壤中所含碳的有机物质 土壤有机质基本组成元素是C、H、O、N，
它与土壤中粘土矿物紧密结合，以有机— 无机复合体方式存在。
能存在与蒙脱石、蛭石等膨胀型矿物的层 间，不与微生物接触。 土壤腐殖质的年周转量为1.1%。
表 2-5 中国不同地区耕地土壤中有机物质的腐殖化系数 东北地区 作物秸杆 范围 平均 作物根 范围 平均 绿肥 范围 平均 厩肥 范围 平均 0.26-0.65 0.42 (9) 0.30-0.96 0.60 (5) 0.16-0.43 0.28(14) 0.28-0.72 0.46(11) 华北地区 0.17-0.37 0.26(33) 0.19-0.58 0.40(14) 0.13-0.37 0.21(46) 0.28-0.53 0.40(21) 江南地区 0.15-0.28 0.21(53) 0.31-0.51 0.40(54) 0.16-0.37 0.24(33) 0.30-0.63 0.40(38) 华南地区 0.19-0.43 0.34(18) 0.32-0.51 0.38(14) 0.16-0.33 0.23(31) 0.20-0.52 0.31(8)
第三阶段：脂肪酸(fatty acid)被分解，被
释放的芳香族化合物（如酚类）参与新腐殖质 的形成。
腐殖物质在土壤中很稳定，抗微生物分解 能力很强，主要与其本身的化学结构及其与金 属离子和粘土矿物之间的相互作用、团聚体内 部的夹杂有关。 它是一类以芳香化合物或其聚合物为核心， 符合了其他类型有机物质的有机复合体。
第六章
土壤碳素转化与温室气体排放
目录
一、引言 二、土壤碳的组分与形态 三、土壤碳素转化过程 四、土壤温室气体排放
一、引言
• 工业革命前的1800年大气二氧化碳的浓度 为280ml/m3（IPCC（国际气候变化委员会）， 1990），而1959年在美国夏威夷的Mauna Loa长期检测站发现大气二氧化碳的浓度为 315ml/m3，此后二氧化碳的浓度持续增加， 平均每年升高1.5ml/m3 （IPCC，1995） 2013年达到396.48ml/m3 。大气二氧化碳的 浓度持续增加导致全球气候变化，最终可 能威胁到人类的生存。
输出：
A.有机物和土壤微生物在短时间通过分解 作用释放CO2. B.腐殖质经过10到100年时间分解作用释放 CO2 C.土壤中的木炭经过上千年的时间被侵蚀 溶解，释放出CO2 D.通过土壤呼吸作用释放到大气 E.通过土壤—水系统的移动，以 DOC(Dissolved Organic Carbon)和HCO3—形式 自海洋沉积系统迁移，在干旱，半干旱条 件下沉淀为土壤无机碳酸盐； F.植物根系生长过程中吸收土壤中的碳。
CO2的释放速率通常是衡量土壤有机质分解率和微生 物活性的重要指标。
植物残体的分解和转化
植物残体主要包括植物根、茎、叶的死亡组织。其中 各类有机化合物的含量范围是：
可溶性有机化合物 （糖分、氨基酸等）
5~10%
纤维素 半纤维素 蛋白质 木质素
15~60% 10~30% 2~15% 5~30%
植物残体碳分为两个组分： 易分解组分；难分解组分
图4-1 有机质的分解与合成示意图
影响土壤有机质（SOM）分解和转化的因素
SOM 周转：有机物质进入土壤后由其一系列转化和
矿化过程所构成的物质流通。 Humification 腐殖化过程： 简单→复杂 Mineralization 矿质化过程： 复杂→简单
植物残体在土壤中的分解和转化过程： 第一阶段：可溶性有机化合物以及部分类似有机物进 入土壤后的头几个月很快矿化 。 第二阶段：残留在土壤中的木质素、蜡质以及第一阶 段未被矿化的植物残体碳相对缓慢分解。 有机残体进入土壤经1年降解后，有机质的2/3以CO2的 形式释放而损失，残留在土壤中的不足1/3。
碳循环
全球碳循环
地球表层系统碳库与碳循环
(1Pg=1015g)
土壤及相关圈层碳库（李学垣，土壤化学）
碳库名称 土壤碳库 大气碳库 代号 SCP ACP 碳贮量/Pg 3300 740 说明 1米土层
生物碳库
岩石碳库
BCP
LCP
420~830
2~10*107
陆地植物
煤、石油、沉积 物）至16公里深
土壤碳的储存与输出 储存：
A.植物及其根系的凋落，通过同 化作用使碳储存在土壤有机碳中； B.土壤吸收大气中的CO2，主要 有两种形式： 1、土壤地球化学系统对CO2的吸 收： 高pH值、富钙化地球化学环境下， SOC—CO2—HCO3-； 干旱、半干旱地区碱性、富钙化 地球化学环境下，SOC—CO2— HCO3——CaCO3； 2、土壤有机碳积累，即土壤碳 饱和容量的实现。
1.土壤有机碳的转化过程 （1）有机碳的好氧分解 碳水化合物 含氮化合物 脂类、木质素 土壤腐殖质
酶 R—（C，4H，养分）+ 2O2 CO2 + 2H2O + 能量+养分
氧化
简单有机化合物的分解和转化 Mineralization（矿质化)：指复杂的有机质在微生物的作 用下，转化为简单的无机物的过程。
土壤微生物生物量 3~8% 多糖、多糖醛酸苷、有机酸等非腐殖物质 3~8% 腐殖物质 10~30%
土壤腐殖物质的分解和转化
第一阶段：腐殖质经过物理化学作用和生物
降解，使其芳香结构核心与其复合的简单有机 物分离，或是整个复合体解体。
第二阶段：释放的简单有机物质被分解（矿
化）和转化，酚类聚合物被氧化。
自70年代开始，北极地区的气温显 著上升，土壤呼吸速率增加。通过计算 发现，北极土壤每年将向大气释放的 CO2为6.8×109t，这导致大气CO2浓度发 生4.5‰—6.2‰的变化。
温室气体是导致全球变暖的重要因素。 而温室气体一半来自土壤。据《土壤》最新 报道：第十六届国际土壤学会将土壤全球化 问题作为当前环境问题的研究重点，把土壤 作为温室气体源的主要方面进行研究，是土 壤全球变化研究的新趋向。
土壤碳库 土壤是陆地生态系统最大的碳库，其碳储量相当于大气碳库 和植物碳库的2-3倍。 有机碳库 土壤碳库的增加或减少取决于土壤有机碳 的输入 和输出速率。
土壤有机库分解释放CO2进入土壤溶液转化为无机 碳。
无机碳库 土壤无机碳库通过影响土壤团聚体的状况，微
生物活性，土壤ph，有机质的分解速率，并进 一步影响土壤有机碳库。
碳循环主要是通过CO2来进行。
生物（包括其他人和动物）吸入氧， 使食物中摄取的碳进一步氧化，变成 co2呼出。维持生命所需要的能量就是 以这种方式进行。燃烧、木材腐烂以 及土壤和其他有机物的分解，都与此 相同。
（二）土壤碳的组分与形态
1.土壤有机碳 （1）碳水化合物 单糖 纤维素 半纤维素 （2）木质素 （3）含氮化合物 （4）树脂、油脂、蜡质、单宁等疏水性有机物
容易
难
木质素
好氧条件下的分解 微生物活动旺盛，分解作用快，分解最终产物位CO2 和H2O，释放出矿质盐类（NH4+、NO3-、HPO42-、 H2PO4-、SO42-等）。 嫌氧条件下的分解 好氧微生物活动受到限制，分解作用慢又不彻底，土 壤中积累有机酸、乙醇等中间产物；极厌氧条件下会产生 CH4、H2等还原性气体。
土壤碳贮量多，释放在大气中的就少。 土壤碳库有机质输入的减少，破坏了土壤 有机质的物理保护，增强了腐殖质的矿化 作用，使土壤呼吸增加，土壤C库储量降低， 以CO2形式释放到大气中。