土壤呼吸作用和全球碳循环

• 碳的转化路径：对当前全球碳预算的估计表明:大气中CO2 的来源包括化石燃料燃烧释放碳5.4Pg/a,森林破坏和其他 土地利用所引起的释放碳量1.6Pg/a,但这些释放到大气中 的CO2 只有约3.3Pg/a(47%)的碳滞留在大气中,2.0 Pg/a(29%)被海洋吸收,其余1.7 Pg/a(24%)则去向不明.有 证据指出这部分丢失的碳很可能是被北温带地区陆地生态 系统中的碳汇接纳. • 土壤碳库的重要性：这种由人类活动引起的碳循环的紊乱 导致大气中CO2浓度的日趋升高,也引起了世界各国对潜在 的全球变暖的关注.也许更严重的是引起我们对全球变暖 和CO2从陆地碳库特别是土壤中进一步释放出来之间的可 能的正反馈效应的担忧.这是21世纪全人类所面临的严重 环境问题,全球土壤仅在表层就含有大约1.5X103Pg碳,是 大气中的2倍.全世界土壤中碳贮存量的增加将有助于缓和 CO2进一步的人为释放,而土壤CO2 的释放则会显著加剧 大气中CO2浓度的增高.
• 中国土壤碳库研究现状和前景：国内土壤有机碳的研究主 要是针对特定的地区和生态群落进行的，虽然也研究 了 土壤的呼吸作用及碳素向大气的释放，但是对中国陆地土 壤有机碳库的估算仍然是很少的，还没有充分认识到中国 土壤对全球陆地碳循环的贡献。目前中国由于多种原因造 成的土地侵蚀和退化、砍伐森林、水土流失、沙漠化、过 度放牧，使得土壤储存的碳和生物量减少，从而导致更多 的碳释放到大气中，导致大气CO2浓度的增加，又进一步 增加了全球变暖的趋势和与之有关的气候变化。中国国土 面积占全球陆地面积的6.4%，其陆地生态系统在全球碳 循环及全球气候变化中起着相当重要的作用。因而研究中 国土壤碳库和气候变化、人类活动的关系，对正确认识中 国土壤有机碳库在陆地碳循环中的作用是非常重要的。
• 如果地球温度因温室效应而上升,全球土壤 也随之变得更热.特别是高纬度地区.除了一 些沙漠地区外!土壤呼吸随温度升高而增强, 根呼吸对温度升高尤其敏感,几乎所有全球 气候变化模型都预示全球变暖将会导致土 壤中碳的下降.
• 大气CO2浓度变化、全球温度上升和陆地生态系统 • 大自然本身已经告诉我们：热带雨林有高的净初级生产力 (也就是较高的CO2)和湿热条件(大多数全球变暖模型认为 的情况).但是热带地区土壤的碳含量却比北方地区土壤的 碳含量少得多. 研究表明，全球生物群落的土壤有机质贮 库与净初级生产力之间的关系极其微弱。植物碎片的大量 输入未必导致土壤有机质的大量聚积。事实上，在分解者 受到其他因素(例如温度)限制的地方，土壤有机质才会聚 积起来，随着地球不断变暖，分解作用受温度限制的地区 将逐渐减少，土壤将日益成CO2进入大气的一个重要的源. 研究证实，在全球温度为＋1oC和大气含量650ppm的条件 下,土壤作为一个汇能接纳28pg的碳的有机质,在今后的 50a里,这个汇(碳0.56pg/a)与化石燃料的释放量(那时碳将 达到15pg/a)相比,仅占3.7%.同时暴露于高CO2浓度和较 温暖条件下的苔原土壤是一个小的汇.干旱的灌丛带和旱 生林地将会发生最大的绝对变化,在那些地区由于土壤中 的分解作用受到温度和湿度的联合限制,初级生产力越高, 就有可能将越多数量的有机质留在土壤中.联合国防止荒 漠化委员会也确认,只要做到正确合理的管理,干旱地带土 壤就能对2CO2起一个汇的作用.
土壤呼吸是全球碳循环中重要的流通途径!土壤呼吸的变化将 显著影响大气CO2的浓度,控制土壤呼吸将能有效缓和大 气CO2的升高和温室效应. 大气CO2升高本身使土壤有机质增加!但其中的大部分又通过 微生物分解作用返回到大气圈,只有在分解作用受温度限 制的地区碳才能被截留和得以聚集,使土壤成为CO2的汇 全球温度升高使分解作用受温度限制的地区(比如北方森林和 苔原地区)减少,扩大了全球土壤呼吸的范围,加快了CO2从 土壤中的释放,使土壤日益成为CO2进入大气的源. 大气CO2和全球温度升高的联合作用使土壤呼吸加剧,加快了 碳从土壤中的释放. 土壤受耕作扰动时,土壤团聚体被破坏,分解条件被改变,引起 土壤呼吸速率加快,从而导致土壤有机质下降.大量实践证 明,实行免耕作将有利于延长碳的平均滞留时间.减少有机 质流失,能有效缓和大气CO2的升高和温室效应.
土壤呼吸作用
• 碳以CO2的形式从土壤向大气圈的流动是土 壤呼吸作用的结果.土壤呼吸作用,严格意义 上讲是指未受扰动的土壤中产生CO2 的所 有代谢作用.包括3个生物学过程（植物根呼 吸、土壤微生物呼吸及土壤动物呼吸）和 一个非生物学过程，含碳物质的化学氧化 作用。研究表明土壤呼吸释放的CO2 中约 30％－50％来自根系的活动或自养呼吸作 用，其余部分主要源于土壤微生物对有机 质的分解作用，即异养呼吸作用。
• 国际研究现状： 国外对土壤有机碳的研究 工作开展较早，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，储量大和驻留时间长使土壤成 为一个巨大的碳库，所以土壤圈既可以成 为碳汇，也可以成为碳源。目前对于全球 陆地碳循环认识的不确定性，大部分是关 于土壤有机碳库的分布和动力学，全球变 暖的一个反应就是将加速土壤有机质的分 解，向大气释放碳素，这将进一步加强全 球变暖的趋势。
• 碳截留（carbon interception) • 地球土壤含有大约1500Pg的碳,是地表陆地上最 大的碳库,比地球植被中贮存的碳含量560pg约大 1.7倍.全球的作物农业(即,不包括放牧地)面积约为 17亿公顷，其土壤碳储量为170pg,约占世界土壤 碳总储量的11%,全球土地利用变化资料表明,在过 去2个世纪里,陆地生态系统排放的碳量占人类活 动释放CO2总量的一半. • 全世界在1850-1980年期间因土地利用变化而导 致的CO2释放总量为120Pg碳,年释放量由1850年 的0.4pg/a增加到1990年的1.7pg/a,其中大约1/3释 放量来自开垦所致的土壤有机质流失,其余2/3则 来自于植物生物量氧化(燃烧或分解).
源自文库
• 全球土壤呼吸作用的碳的估计量为68Pg/a至100Pg/a约是 输入土壤表层新鲜岩屑数量的2.3-3.3倍!仅次于全球陆地 总初级生产(GPP)的估算值100-120Pg/a,而高于净初级生 产力(NPP)的量值50-60Pg/a是全球碳循环中一个主要流 通途径. • 土壤呼吸作用与全球变化： 土壤呼吸即使发生较小的变 土壤呼吸作用与全球变化： 化也会等于或超过由于土地利用改变和(或)化石燃料燃烧 而进人大气的CO2年输入量,所以土壤呼吸的变化能显著 地减缓或加剧大气中CO2的增加,进而影响气候变化,全球 变暖将有利于增强土壤呼吸,释放出更多的CO2又进一步 加剧了全球变暖的趋势,我们应该认识到土壤呼吸作用的 全球通量是大的,也应当明白,在人类干预之前陆地植物和 土壤吸入与呼出的碳是接近平衡的,然而正是由于包括土 壤破坏在内的人类活动所产生CO2对大气CO2浓度的上升 和可能的全球变暖起着重要的作用.因此,更好地理解土壤 呼吸作用和它的各个环节,特别是控制土壤有机质分解作 用的因素极为关键,这样才有助于我们作出有关土壤碳变 化速率和变化方向的正确评估,这对于制定和执行缓和气 候变化方面的政策措施是必不可少的.
• 大气 大气CO2和全球温度升高对土壤呼吸的影响 和全球温度升高对土壤呼吸的影响 • 若其他变量保持不变,大气中CO2的增高(增强植 物生长)将会导致更多的植物碎片进入土壤,其中小 部分未被分解使土壤成为大气CO2的一个汇,CO2 对植物生长的促进，可以解释大气CO2去向不明 汇的约一半。这是由于土壤中碳存储量增大的缘 故。一些野外实验也表明，当植物生长于高浓度 的条件下，土壤的有机质也增加。 • 另一方面，大部分土壤中的微生物群落是受有机 物的可利用量所控制的。这就是说，高的CO2浓 度下的植物生长可以增加土壤中额外的碳,但是其 中的大部分很可能通过微生物的分解作用(异养呼 吸)又以CO2返回到大气圈.然而,在寒冷地带,例如 北方森林,低温大大抑制了分解作用,有利于大量的 有机碎片聚积在土壤.
• 控制碳截留的因素： 在农业土壤中,减少CO2净释 放和增加土壤碳贮存是同等意义的,这一过程称作 碳截留.增加土壤的碳贮存意味着要增加碳输入量 和(或)减少土壤异养呼吸作用,要增加土壤中有机 残留物的输入量,应当做到在提高净初级生产力 NPP的同时,还需维持或增加返回到土壤中的NPP 比例.通常,大多数农业活动所考虑的提高NPP,重 点是放在增加收获量(食物,饲料或燃料)而不是作 物残留物之上.我们已认识到能使农业土壤中碳含 量增高的机制,土壤碳含量的高低受植物残留体的 碳输入与主要由分解作用引起的碳流失之间的平 衡关系的控制.这样,有关碳截留(增加碳)的土壤管 理过程就可直接理解为增加残留物输入量和(或) 减少分解速率.
土壤呼吸作用和全球碳循环
概论
• 地球的碳库：地球在下列库中共含有108Pg碳。 （1）地壳中地质生成物(9.0X107Pg)； （2）溶解的海洋碳酸盐(3.8X104Pg)； （3）气体水合物，主要是甲烷水合物(1.0X104Pg) ； (4) 化石燃料(4.0X103); (5) 陆地生物圈(5.6X102Pg); (6) 土壤圈(1.6X103Pg); (7) 大气圈(7.5102Pg); • 在过去很长时间内"自然系统和生物地球化学循环一直使 这些碳库处于动态平衡中"但近代特别自工业革命以来的 人类活动,像森林毁坏"农业活动"化石燃料的燃烧等,导致了 碳库之间的极大改变.
• 土壤碳动力学研究的大多数模型发现,可将土壤有 机质区分为两个具有不同更新时间的碳库:1,靠近 土壤表层由新鲜残留物组成的“小”碳库,更新速 度快,流通量大.2.贯穿整个土壤深层剖面的由难以 分解的腐殖质复合物组成的“大”碳库，更新十 分缓慢，许多学者根据放射性C14含量的测定,获 得了不同深度土壤有机质的平均滞留时间或更新 时间,测得的数值在10a到1万a之间,甚至几万a,随 , 10a 1 a , a, 深度而增加,因此,在研究土壤CO2通量变化时,必 须特别注意土壤表层附近的不稳定碳库的变化,显 然,人为扰动或全球变暖引起的土壤CO2通量释放 的增大主要源于具有最短更新时间的不稳定碳库, 例如温带森林土壤的CO2年生产量中有83%是仅 为15cm的表层土壤提供的.
• 影响土壤呼吸作用速率的重要因素:
– 温度; – 土壤湿度; – 植被和基层质量; – 净生态系统生产力; – 净初级生产力在地上地下的相对分配; – 地上植被和地下动植物区系的种群和群落动力 学; – 土地利用和(或)扰动方式(如火)
• 土壤的CO2通量与植物生长的关系.植物生长为分 解者提供有机残留物,当有机碳加入到土壤中时,土 壤呼吸速率增大.对全球主要生物群落的研究表明, 土壤呼吸速率和净初级生产力之间存在正相关关 系.土壤呼吸速率在热带潮湿森林地区最高,碳可达 1260g/m2/a,那儿植物生长茂盛,条件非常有利于分 解者,而在寒冷和干旱气候地带则最低,例如苔原 60g/m2/a. • 在活根系呼吸占总呼吸比例已知的情况下,可根据 土壤有机碳存贮量和土壤呼吸速率计算出土壤中 碳的平均滞留时间,假设活根系呼吸量占30%,各种 生态系统中土壤有机质的平均滞留时间介于 10a(热带草原)和500a(苔原,沼泽和湿地)之间,全 球陆地土壤有机质碳的总平均滞留时间为32a.
中国陆地土壤有机碳 库
• 土壤圈是陆地表层系统的重要组成部分，不仅是 大气圈、水圈、岩石圈和生物圈交汇的地带，而 且是各圈层相互作用的产物，也是人类赖以生存 的物质基础。80年代开始实施的国际地圈-生物圈 计划(IGBP)使各国日益重视全球环境变化问题， 全球变化研究引起了许多科学家对陆地生态系统 中碳平衡以及碳存储和分布的关注，由于土壤中 所存储的碳大约是植被中的2.5～3倍，而且是全 球生物地球化学循环中极其重要的生态因子，因 而受到环境学、生态学、土壤学、地理学等多个 学科的关注，因而土壤有机碳的分布及其转化日 益成为全球有机碳研究的热点，也是国际全球变 化问题研究的核心内容之一。