土地利用方式改变对高寒草甸土壤有机碳及其组分的影响

土壤总有机碳 SOC t C.hm -2
40.0 30.0 20.0 10.0 0.0
高寒草甸
人工草地 土地利用方式 Landuse
农田
研究结论一
0～40 cm土体中,土壤总有机碳（SOC）含量依次是
人工草地 >高寒草甸>农田，其含量分别为113.13 、111.61 和93.54 t C.hm-2。 不同土层间SOC含量比较，在0～10cm土层农田SOC 含量最低，仅为21.02 t C.hm-2，与人工草地和农田间差 异显著（P < 0.05）；在10～40 cm土层，高寒草甸、人 工草地和农田间SOC含量无明显差异。 在0～40 cm土体，高寒草甸和人工草地随土层深度的 增加，SOC含量逐渐下降；农田SOC剖面分布则表现为 10～20 cm土层含量最高。
海洋 100-115 植物呼吸 40-60 残体分解 50-60 化石燃料 4 土地利用变化 2 (Berner, 1990, Science)
土壤是连接大气圈、水圈、生物圈以及岩石圈的纽带。
研究背景
地球各库中的碳分配（单位：103Pg ）
Sundquist ,1993,Science
地壳中 溶解的海 气 体 水 地质生 洋碳酸盐 合物 成物
QAAF
土地利用方式改变对高寒草甸 土壤有机碳及其组分的影响
本论文得到以下项目资助：
国家自然科学基金项目：人类活动干扰下高寒草 地碳库类型转化及其对气候变化的反馈40471133）
中国科学院知识创新工程重大项目:中国陆地和近
海生态系统碳收支研究(KZCX1-SW-01)01B项目 中国科学院资源环境领域野外台站研究基金项目 “高寒草地被动与主动退化阶段的动力学机制研究”
研究方法
数据计算
有机碳含量=测定值×采样深度×土壤容重
数据分析
文中数据均为平均值，图表用Excel软件进行 制作，用Spss11.5的ANOVA过程对实验数据 进行统计分析。
研究结果
不同土地利用方式土壤总有机碳含量
60.0 50.0 a a a a 0－10cm 20－30cm a a a a b 10－20cm 30－40cm a a a
高寒矮嵩草草甸--(对照) 人 工 农 草 地--(开垦20年,种植燕麦) 田 --(开垦20年,种植油菜)
样地景观
高寒矮蒿草草甸
农田 人工草地
研究方法
土壤样品的采集
各样地设3-5个采样点
采用剖面法采集土壤样品
采样深度为40cm
用环刀法测定土壤容重
研究方法
土壤样品的分析
用土壤有机碳密度分组法分离轻组有机碳 （LFOC）和重组有机碳（HFOC） 用日本岛津公司生产的TOC-5000A有机碳分 析仪进行有机碳测定 （TC、IC燃烧温度分别为9000C、2500C）
会导致土壤有机碳含量的下降，但也有研 究表明草甸土开垦为农田后土壤有机碳贮 量会有所增加。
随着人类活动的不断加剧，导致高寒
草甸的原有土地利用方式发生了变化，从 而影响了土壤碳库中有机碳的分布，但人 类活动强度不是影响土壤中有机碳含量的 唯一因素，作为土壤有机碳的主要补充来 源，每年进入周转的根系碳量也是一个值 得考虑的主要因素。
• LFOC具有较高的C/N比，周转时间短，具有很强的生 物学活性，是重要的活性碳库之一，对种植管理方式 较敏感，因此，轻组有机碳（LFOC）成为监测土地 利用和管理方式对土壤碳库影响评价的敏感性指标， 与之相关的研究也倍受重视。
科学问题
原生高寒草甸的土地利用方式发生变化后对土壤
碳库的影响如何?
90000 38 10
化石 燃料
陆地生 土壤 大气圈 物圈
4.0
0.56
1.6
0.75
研究背景
青藏高原
青藏高原是气候变化的敏感区域
Parton
土壤有机碳库
活性库
缓性库
钝性库
Six J
土壤有机碳库
游离态有机碳
闭蓄态有机碳
矿物结合态有机碳
可溶性有机碳
徐明岗
土壤有机碳库
水溶性有机碳
微生物量碳
易氧化活性有机碳
项 目 地上部分 根 系 土壤SOC年 增量 高寒草甸 1.33b 6.32a 人工草地 4.69a 2.55b 农 田 4.10a 0.52c
7.65
0.12 7.Leabharlann Baidu6
-0.93 3.69
合计
结论
人工草地和高寒草甸的植物-土壤系统的总固
定量高于农田(油菜地)。
讨论
诸多研究表明，自然植被开垦后一般
研究结果
不同土地利用方式土壤轻组有机碳含量
轻组有机碳 LFOC t C.hm-2
12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0
a
0－10cm 20－30cm a a b a ab
10－20cm 30－40cm
b ab a a a b
高寒草甸
人工草地 农田 土地利用方式 Landuse
农田土壤碳库中总有机碳和轻组有机碳量较高寒草甸明显降低，
这种差异的产生主要是由于输入土壤碳库的根系生物量骤然减小所 至，虽有少量根系补充，但在长期耕作条件下，作物收获后立即进 行秋季耕翻，风化、风蚀等因素加剧了土壤有机碳下降；导致土壤 碳库由碳汇逆转为碳源。此外，在农田收获后的作物秸秆多被作为 燃料燃烧，初级生产所固定的碳量绝大部分排放于大气中，极大的 降低了高寒草地作为碳汇的功能。
研究结果
不同土地利用方式轻组有机碳分配比例
30.00 a
轻组有机碳分配比例 LFOC/SOC(%)
25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 高寒草甸 a a a
a
0－10cm 20－30cm a a
10－20cm 30－40cm a
a
a a 农田 a
人工草地 土地利用 Land use
研究结论三
0～40
cm土体中，三种土地利用方式的LFOC分配比 例顺序为人工草地 >高寒草甸 >农田。这主要是由于不同 作物的根系分布不同以及土壤中有机碳本底含量差异造 成的。 三种土地利用方式下，LFOC分配比例在土壤剖面中 的分布规律相同，均表现为随着土层深度的增加，LFOC 的分配比例逐渐减小。
研究结论二
0～40 cm土体中,土壤轻组有机碳（LFOC）含量依次是人工草地 >高寒草甸>农田，其含量分别为10.36 、8.93 和5.83 t C.hm-2。 比较不同土层LFOC含量，在0～10 cm土层，高寒草甸和人工草
地LFOC含量较高，均与农田间存在显著差异（P <0.05）；在10～ 20cm土层，人工草地含量最高，高寒草甸最低，两种土地利用方式 间差异显著（P<0.05），农田与两者间均无明显差异；在20～30cm 土层，三种土地利用方式间LFOC含量相近，均无明显差异；在30～ 40cm土层，人工草地 >高寒草甸>农田，人工草地与农田间差异显著 （P <0.05），与高寒草甸间则无显著差异。 高寒草甸、人工草地和农田随土层深度的增加，LFOC含量均呈 下降趋势。人工草地、农田中下层土壤的LFOC较之高寒草甸有不同 程度的增加，这是由于耕作打乱了土壤剖面的天然分布层次，将原 本主要分布在表层土壤中的LFOC混合后，不均匀地分散到了耕作所 能触及的各个土层。
当土地利用方式变化后是否会影响高寒草甸的碳
汇功能？
研究目的
通过研究高寒草甸在不同土地利用
方式下土壤中有机碳及其组分的变化 趋势，探讨土壤碳库的变化规律，为 高寒草甸合理利用提供科学依据。
研究方法
实验地点
中科院海北高寒草甸生态系统定位站(海北站)地区
采样时间
2004年9月
研究方法
实验样地设置
报告内容
研究背景
科学问题 研究方法 研究结果 研究结论 讨论
研究背景
20世纪地球表面温度增 加了0.6±0.2℃,而最后 20年,这种气候变暖的 趋势更加明显，平均每 10年地球表面温度增加 0.15±0.05 ℃。
全球变暖 （IPCC，2001）
研究背景
大气碳通量来源
单位:Gt
30～40
1.089a
1.791a
1.124a
1.709a
1.184a
1.954a
结论
土壤容重的变化
不同土层土壤容重相比,农田均 为最高值，高寒草甸和人工草地相 对较低。 高寒草甸和人工草地土壤容重 均随着土层深度的增加而增大，农 田各土层间差异不明显。
研究结果
不同土地利用方式植物-土壤系统碳素年固定量
主要参考文献
• • • • • • • Aguilar R, Kelly EF, Heil RD. 1988. Effects of cultivation on soils in northern Great Plains rangeland. Soil Sci Soc A m J,52:1081～1085 Blair GJ, RDB Lefroy, L Lisle.1995.soil carbon fraction based on their degree of oxidation and the development of a carbon management index. Aust J Agr Res.46:1459～1466. Cao G-M(曹广民), Zhang J-X(张金霞), Zhao X-Q(赵新全),et al. 2002. Methods of extimation CO2 emission from mat cryo-sod soil. Acta Pedol sin (土壤学报), 39(2):261～ 267（in Chinese） Christensen BT. 1992. Physical fractionation of soil and organic matter in primary particle size and density separates. Adv Soil Sci. 20: 2～90. Dalal RC and Mayer RJ.1987.Long-term trends in fertility in southern queensland. VI. Loss of total N from different particle –size and density fraction. Aust J soil Res.25:83～93. Fu H(傅华),Chen Y-M(陈亚明),and Wang Y-R(王彦荣),et al.2004. Organic carbon content in major grassland types in Alex, Inner Mongolia. Acta ecol Sin (生态学报),24(3):469～ 476（in Chinese） Gregorich EG and Ellert BH. 1993. Light fraction and macroorganic matter in mineral soils. In: Li Y-M(李月梅), Wang Y-S(王跃思), Cao G-M(曹广民), et al. 2005. Preliminary research of effect of cultivation on soil organic carbon in alpine meadow. Progress in Geography (地理科学进展), 24(6):59～65（in Chinese） Whitbread AM, Lefroy RDB, Blair GJ.1998. A survey of the impact of cropping on soil physical and chemical properties in north-western New South Wales. Aust J Soil Res.36:669～681. Wu J-G(吴建国), Zhang X-Q(张小全),Xu D-Y(徐德应).2004. Changes in soil labile organic carbon under different land use in the Liupan mountain forest zone. Acta Phyto Sin (植 物生态学报),28(5)657～664（in Chinese） Zhang J-B(张金波),Song C-C(宋长春).2003. The sensitive evaluation indicators of effects of land use change on soil carbon pool. Ecology and Environment(生态环 境)12(4):500～504（in Chinese）
讨论
人类干扰相对较轻的高寒草甸土壤中有机碳含量较高，主要由于
其根系生物量高,按根系年周转率0.3193计算，每年向土壤中补充 有机碳2.02 t C.hm-2。
人工草地和农田是两种受人类活动影响较强的土地利用方式，人
工草地土壤中总有机碳和轻组有机碳则较高寒草甸略有增加，究其 原因在于虽然其根系输入量较之高寒草甸明显下降，但人工草地在 秋季收割后根系全部被遗留于土壤中长达数月(当年9月～次年5月)， 每年约有2.55 t C.hm-2被输入土壤，有效补充了土壤碳库，使土 壤碳库依然保持了碳汇功能。
轻组有机碳
吴建国
土壤有机碳库
重组有机碳
微生物量碳
轻组有机碳
相关概念介绍
• 轻组有机质（碳）是土壤中不稳定有机碳库的重要
组成，主要是游离态的有机质，包括不分解或部分分 解的动植物残体和微生物生物量。通常根据土壤在一 定比重（1.6～2.5 g .ml-1）溶液中的沉降将其分离为 轻组有机质和重组有机质。
研究结果
不同土地利用方式土壤容重变化
土层深 度 Depth (cm) 0～10 10～ 20 20～30 高寒草甸 Alpine meadow 容重 Bulk(g/cm3) 0.914b 1.072a 1.085a 有机碳 (%) 4.116a 2.808a 2.246a 人工草地 Artificial grassland 容重 Bulk(g/cm3) 0.893b 1.032a 1.088a 有机碳 (%) 3.790a 3.119a 2.224a 农田 Farmland 容重 Bulk(g/cm3) 1.155a 1.196a 1.195a 有机碳 (%) 1.790b 2.419a 1.952a