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。
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。
例如，在北极地区，由于常年低温寒冷， 土壤有机质分解缓慢，使北极土壤成为巨 大的碳库；同样，由于低温，从这个巨大 碳库中释放到大气中的CO2量相对较少，使 北极地区成为稳定大气CO2浓度急剧变化的 重要因素之一.
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
在低温、嫌气条件下,有机酸变为CO2和H2O的过程受到阻 碍,产生有机酸的累积,从而造成植物根系萎缩、腐烂。
含氮化合物
Protein Amino acid NH4＋ NO3N素
N素生物固定与有效化过程与有机物C/N比密切相关。
C/N＞25时，产生N素生物固定
C/N＜25时，产生N素有效化。
脂肪、树脂、蜡质、单宁等
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
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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。
这类有机物的矿质化过程与碳水化合物基本相同，不同之 点是在嫌气条件下产生多酚化合物，这是形成腐殖质的基本材 料。
木质素
木质素是芳香性聚合物，含碳量高，在土壤中真菌和放线 菌作用下缓慢的转化，最终产物是CO2和H2O，但往往只有50%可 形成最终产物，其余仅为降解产物，作为形成腐殖质的原始材 料。
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
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。
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。
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
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。
土壤对全球碳平衡的影响

土壤有机质是全球碳平衡过程中非常重要的碳 库。 全球土壤有机质的总碳量在14~15 × 1017g， 大约是陆地生物总碳量（5.6 × 1017 g）的2.5~3 倍。每年因土壤有机物质生物分解释放到大气 的总碳量为68 × 1015g，全球每年因焚烧燃料释 放到大气的碳仅为6 × 1015g，是土壤呼吸作用 释放碳量的8~9%。
（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
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。
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。
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。
水域碳库
HCP
750~1050
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）
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。
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
近150年大气CO2浓度增加幅度达到35%，其 中土壤有机碳库是大气CO2浓度增加的最大 贡献者。
如果土壤停止向大气提供碳，大气中的CO2 将在15年内全部耗尽。

土壤有机质的损失对地球自然环境具有重大影响。 从全球来看，土壤有机C水平的不断下降，对全球气 候变化的影响不亚于人类活动向大气排放的影响。
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
土壤碳循环模式 最简单的陆地土壤碳循环模 式：植物枯死后凋落于土壤 表面，形成凋落物层，然后 经腐殖质化作用，形成土壤 有机碳，土壤有机碳经微生 物分解产生二氧化碳，重新 释放到大气中。 在干或湿环境下沉积的各种地 上及地下掉落物参与碳循环的 三个途径 A．直接成矿 B．根系的腐殖质过腐殖化作 用成矿 C．厌氧环境中释放出CH4，排 至大气，植物呼吸释放CO2， 淋溶其实作用固定在土壤中
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。
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)
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，