土壤碳库动态平衡的影响因素

土壤碳库动态平衡的影响因素

土壤中的有机碳对土壤管理措施的反应最为明显，这与土壤内部的生产力有关。影响土壤CO2释放的因素主要有化肥施用、土壤含水量、土壤温度、pH值、土壤有机质含量、土壤孔隙度、植物本身、土壤耕作活动等。由于土壤碳循环过程受气候和生物多种因素的控制,如气温、水分、植被及土壤理化性质等的综合影响,所以土壤有机碳蓄积量的减少幅度也随着自然植被、气候、土壤类型、土地利用方法、以及其后的管理方式而变化。目前,土壤碳循环研究的热点是全球变化与土壤碳循环之间的反馈作用,即气候变化、大气CO2浓度上升和人为活动(森林砍伐、农业生产、土地利用/土地覆盖变化等)与土壤碳循环之间的相互影响关系。土壤碳蓄积量有多种估计方法,如生命地带类型、森林类型、土组、气候参数、土壤类型等。还可以通过分析土壤剖面有机碳蓄积量与采样点的各种环境变量、气候变量和土壤属性之间的相关关系,建立一定的数学统计关系,从而实现在有限数据基础上计算土壤有机碳蓄积量的目的。土壤有机碳蓄积量的地理格局和土壤形成因子之间的关系可以通过比较土壤碳和母质、土壤理化性质、地形、植被和气候的空间分布,从而得到土壤有机碳蓄积量与形成影响因素之间的空间相关关系。1土壤理化性质与有机碳含量的关系土壤理化性质是影响土壤有机碳稳定性的重要因素,包括土壤质地、母岩、有机质组成等。气候和植被在较大范围内影响土壤有机碳的分解和积累,而土壤质地在局部范围内影响有机质含量,并且粘质土和粉质土壤通常比砂质土壤含有更多的有机质,因而通过质地来估算土壤有机碳含量也是减少碳蓄积量估算不确定性的一个方法。在一般情况下,土壤有机碳含量与粘土含量呈现显著的正相关,而且粘粒对有机碳的保护作用得到较多的实验验证。例如在一些地区,50%左右的土壤有机质由粘土颗粒以有机—矿物复合体形式吸附保持,以免被快速地分解。还有研究表明,在中温带地区土壤质地与碳含量有着明显的相关关系。然而,Sims等通过对美国蒙大拿州土壤土体数据库中130个土壤A层数据分析,土壤粘粒含量和土壤碳量之间没有明显的关系,粘土含量对寒冷地区比更温暖地区在土壤有机碳蓄积上面没有多少影响力。因此,土壤质地对土壤碳蓄积量的影响在不同地区有相当大的差异,需要根据局地具体环境来进行影响力的分析。土壤有机质存储的平均深度在计算土壤碳库总量中是非常重要的,因为,一些土壤深度低于1m,一些大于1m,甚至达到2m,所以有科学家专门研究土层厚度与有机碳含量之间的关系。在自然草地采样点,有机碳含量与海拔高度之间的相关关系很显著,但在耕地则不存在。在蒙大拿,海拔高度和平均年降水量可以很好地预测有机碳含量,使用这些变量的多元线性回归公式的相关关系系数r值为0.88,表现出较好的正相关。因而建立土壤有机碳蓄积量与降水、温度、质地、土壤厚度、地形之间的相关关系并非普遍适用,往往在不同的地方主要控制因素也是不同的,各种相关程度表现不一。由于强酸性的土壤环境抑制了微生物的活动而使有机碳分解速率减少,而土壤结构以及土壤空气与水的运动对有机质的分解速率也有较大影响。土壤微生物的活性对于土壤有机碳的分解非常重要,其中土壤微生物量碳与土壤有机碳、全氮及有效氮含量是显著相关的。土壤C/N比的高低也对土壤微生物的活动能力有一定促进或限制作用,当增加土壤氮素时,可以促进微生物的活动,提高土壤有机质的分解速率。同时,气温高的地区土壤微生物的活动也很强,导致土壤有机质积累速率较低。土壤有机碳蓄积量与气候、地形、质地、土层深度、耕作、理化特性、微生物活性等变量之间的相关关系,具有一定的空间局限性,需要得到一定的检验和验证,并相应调整参数才能应用到本区域上。相关统计法虽然较容易地估算土壤有机碳蓄积量,但却不能解释土壤有机碳蓄积量积累或释放的过程、机理、形成与影响因素,也使应用面受到了限制。2年度表的变化气候变化对土壤碳循环的影响主要在于土壤有机质分解释放出CO2的变化上。气候变化在两个方面影响土壤碳蓄积过程:一是温度、降水变化影响植物生产力速率和凋落速率;二是气候变化影响微生物活性从而改变地表凋落物和土壤有机碳分解速率。2.1气候变化与碳循环气候变化尤其是气温的增加将可能导致较高纬度地带的植被在物候和生产力上更加接近较低纬度带上的植被,其结果是使大气CO2季节振幅增大,同时季节谷值出现的时间提前,这一推论与大气CO2观测数据相吻合。温度的变化,会导致土壤有机碳分解速率的变化。例如,温度每升高1℃,全球陆地土壤将分解释放以1.1×1010～3.4×1010t碳计的CO2到大气中。全球变暖有可能加速土壤有机质的分解而促进生境条件较好的北方森林净初级生产力(NetPrimaryProduction,NPP)的提高,但NPP的提高并不意味着森林碳净储量的增加,因为气温升高也将提高凋落物和土壤有机碳的分解速率。尽管在气温升高的初期(几年内)土壤呼吸会迅速上升,但由于土壤有机碳的分解对气候变暖具有适应性,随着温度的持续上升,土壤呼吸对温度的敏感性下降,如果土壤有机物得不到充分的补充,土壤呼吸速率会保持平衡或回落,但这方面的野外长期实验依然很缺乏,还不足以说明全球变暖的长期影响。降水变化也能影响土壤水分含量和土壤有机物的分解速率,但除常年淹水的湿地土壤外,一般情况下没有温度的影响大。然而实验室研究却表明,土壤排放出的温室气体(CO2、CH4、N2O)组成及总量显著地受土壤水分类型和施用秸杆的影响,在连续淹水条件下,土壤排放出大量的CH4。有关温度和降水变化对土壤碳循环影响的研究目前在野外开展得还比较少,大多是在室内或封闭环境中完成的,其中的控制因素和过程机理尚未完全得到认识。气候变化的主要趋势和变化速率都是很重要的,因为温度、降水变化对土壤碳储存的影响不是很快就能反应出来,需要通过多种情景模拟实验和实地测量来分析研究。分析生态系统碳循环模型的差异和气候变化与碳平衡变化的相互关系是重要的研究方向,例如,Raich等提出土壤有机碳蓄积量和气候变化相互作用的模型表明土壤碳的动态变化依靠温度上升的速率,目前寒冷地区的土壤更可能是大气碳的源而不是汇,相反热带地区的土壤能吸收和积累一部分数量的碳。就目前而言,气候变化对土壤碳库和碳通量的影响还不是很精确和完善,有待于进一步深入研究。2.2影响生物活性及生物碳化的因素由于大气CO2浓度升高,致使土壤对于碳的长期缓冲作用取决于碳的输入及分解之间的平衡,而且土壤微生物对腐殖质的分解过程还会受到土壤C/N比的限制。大气CO2浓度升高主要通过影响植物生长而间接影响土壤碳蓄积量,因为CO2浓度升高对植物光合作用效率和干物质积累都有一定的促进作用。大气CO2浓度的升高可以通过影响植物体中碳的数量及组成而影响土壤及生态系统中碳的分布。同时,还将通过影响凋落物的化学组分及生态系统种类组成而影响凋落物的分解,而且凋落物中C/N比的增加可能会影响微生物组成及活性,由于C/N比的改变可能会促进异养微生物对氮的固定,从而减少硝化及反硝化作用,同样影响到了土壤微生物分解速率,可能导致植物—土壤系统中碳通量的变化,使输入土壤的碳量增加。当然,C/N比的变化对生物活性的影响是多方面的,也存在正反馈或负反馈效应。汪杏芬等采用开顶式CO2倍增培养室研究发现,CO2浓度的升高有利于低氮土壤有机质质量的改善。同时,CO2浓度的升高普遍促进根系生长,造成地下部分生物量及凋落物的归还增加,从而更多的碳贮存在土壤中,使之有可能成为大气CO2的一个潜在碳库,甚至有可能缓解大气中CO2浓度的升高。目前人们对大气CO2浓度升高下土壤潜在碳汇的容量及碳在土体中循环过程的变化还知之甚少。由于土壤CO2释放通量具有广泛的时空变化和田间通量测量的复杂性,目前还无法对区域碳循环模型进行全面有效的验证。同时大气CO2浓度的升高意味着资源利用及循环速率的改变,这些改变对人类可持续发展是利是弊,而且是否改变植物与土壤相互作用的强度和方向,还不完全清楚,对这些问题需要深入研究以便对人类协调和利用土壤资源提供新的依据和机遇。3土地使用和农业活动的影响3.1覆盖变化等因素人类活动对土壤碳蓄积量和碳通量的影响远远超过自然变化影响的速率和程度,主要包括农业活动、城市和道路建设、砍伐森林以及土地利用/土地覆盖变化等。土地利用变化导致碳素从陆地生态系统的释放是大气CO2浓度不断升高的主要原因之一,土地利用方式的变化不仅直接影响土壤有机碳的含量和分布,而且通过影响与土壤有机碳形成和转化的因子而间接影响土壤有机碳的含量和分布,土地利用变化可通过改变土壤有机质的分解速率来影响土壤有机碳蓄积量,所以,精确估计土地利用变化对陆地生态系统碳平衡的影响是当前全球变化和陆地表层碳循环研究的重点内容。3.1.1对土壤有机碳的影响许多研究表明,砍伐森林后立即进行农业垦殖会使土壤有机碳含量迅速减少。Mann根据统计得出,森林砍伐后的农业垦殖使得在头20年内土壤有机碳平均减少20%。Detwiler指出,如果森林转化为农地则有大量的土壤有机碳损失,如果森林转化为牧场,那么5年内土壤碳含量将减少20%,如果种农作物可在5年内使土壤有机碳减少40%。砍伐森林或改变林地利用现状都会造成20～30年内多至20%～50%的有机碳损失,大部分损失来自于地表有机质的侵蚀。森林的植被生物量占全球植被的86%,而森林土壤中的碳占全球土壤碳的73%,砍伐森林不仅导致从植物残体释放碳素,而且导致土壤没有植被保护,进入土壤的腐殖质减少,土壤有机质积累量减少,土壤碳蓄积量随之降低。因为森林采伐本身对土壤有机碳含量的影响并不大,而接下去的土地利用方式对土壤有机碳含量的影响很大,所以应把单纯的采伐和采伐以后的垦殖过程区别开。由此可见,森林破坏和随后的土地利用方式实际上对土壤有机碳影响最大,而森林土壤碳蓄积量的微小变化将导致大量CO2释放到大气中,加剧温室效应,导致气候变化,危及人类生存发展。目前,我国正在加强对热带和亚热带、温带森林的保护,同时不断扩大人工林的面积,采取种种工业和经济、技术措施,改变消费观念和用材量,以减缓森林植被和土壤温室气体的释放。3.1.2土壤有机碳储量为农业目的而清理自然植被(例如森林、草地、湿地)会导致土壤有机碳的减少,这是因为土壤有机碳输入的减少和土壤扰动引起的土壤碳分解的增加,例如土壤表面植被覆盖减少会导致土壤有机碳分解加速,而且水土流失也带走一部分土壤有机碳[35,36,37,38,39,40,41,42]。一般来说,热带土壤碳的大部分损失发生在头几年(10年)内;如果在有机质丰富的土壤中,温带土壤有机碳的缓慢减少可以持续好几十年。将自然土壤转为农业和牧业用地之后,土壤有机质碳迅速下降,有机碳含量会在40～50年内将降低20%～50%。耕地活动可导致土壤有机碳储量损失20%～40%或更多。Davidson等通过浓度和容重变化的成对比较分析了未开垦地转变为耕地前后的土壤有机碳储量变化,其结果是:地表(A)层土壤碳储量平均约减少40%,顶部30cm土层的土壤有机碳储量平均约减少30%。全球每年因耕作损失的碳为0.8×109t,由此可见,大面积清理自然植被开垦耕地实际上会导致土壤有机碳蓄积量的减少和土壤CO2释放量的增加。自然植被直接转变为牧场所导致的土壤碳损失要比转变为耕地所导致的碳损失少。森林转变为牧场的最初时期土壤有机碳呈减少态势,但其后10年内土壤有机碳甚至可能增加到清理前的碳储量水平。由于管理方式的改进(施肥和适度放牧),可能长期保持土壤有机碳的高水平。但在未加管理和过度放牧的牧场,其生产力很可能下降,侵蚀和土壤退化也可能发生,从而导致土壤有机碳的减少。在保证目前粮食供给充足的条件下,应禁止自然植被向农牧业用地的转变,加强土地利用的管理,保护森林、湿地、草甸和牧场的生态环境。3.2农业生产活动的影响3.2.1碳的氧化稳定性施用肥料对土壤碳、氮的可矿化量,以及微生物碳、氮、磷含量及微生物活性具有重要影响。有的定位试验表明,长期施用有机肥能显著提高土壤活性有机碳的含量。有机肥配施无机肥,可提高作物产量,使土壤活性有机碳含量上升快,长期施用化学肥料,能提高难氧化有机质含量,增加土壤有机碳的氧化稳定性。马成泽等研究表明,连续4年不施肥,土壤有机碳亏缺,主要是松结合态有机无机复合体及缩合程度较低的腐殖质。施肥水平和植物物料供给状况显著影响土壤活性、粗腐殖质碳的含量,它们分别可占据土壤20%、61%的土壤有机碳。连续耕种、不施肥会导致土壤有机碳分解转化速率快,碳素损失大,而长期施用化学肥料,特别是氮肥的大量使用,导致土壤活性碳消耗太快。其他一些研究也表明:施用无机、有机肥料可使土壤微生物量碳开始大量增加,但随着时间的推移,土壤微生物量碳又有所降低。尽管一些定位试验研究说明了使用无机、有机肥、绿肥在一定程度能促进土壤有机碳储量的增加,然而另外一些试验并不能得到相同的结论。这表明:我们应深入研究土壤施肥对土壤有机碳蓄积量的影响,开展多种生态系统的长期定位试验,分析化学肥料大量施用产生的土壤板结、土壤污染等环境问题,并考虑如何将有机肥和绿肥综合施用,促进土壤有机碳的积累。3.2.2土地碳增加速率低,碳积量少,碳库多湿地多耕地转变为多年生植被——或是通过土地撂荒和自然演替或是作为一种有效的管理决定(例如转变为牧场,保护性闲置),土壤有机碳水平一般会增加[45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58]。近年来,农业土地的闲置计划已在北美和欧洲实施。1950—1959年,美国西部有2.7×105km2土地闲置,土壤有机碳密度增长率为30g/m2·a,总增长率为8×106t/a。在这些土地上,土壤有机碳的增加速率和最终达到的稳定水平将取决于生产力水平和土壤条件。美国和加拿大半干旱地区撂荒地的碳增加速率较低,在25～50年时段内的增加速率为0.05～0.15tC/hm2·a。最近的研究资料表明,在热带草地中采用引进的深扎根牧草可增加碳吸收潜力。免耕是非常有效的提高农田土壤有机碳的方法,研究发现免耕土壤比传统耕作措施管理的土壤有机碳平均水平高。土壤免耕减缓了土壤中碳、氮的矿化速率和有机质分解作用速率,减少了反硝化作用所需的碳、氮基质供应量,同时,长期免耕能增加表土层土壤微生物生物量碳、氮含量,通过陆地生物及落叶的转化,有机碳蓄积量能够增加。从农地转化为森林的过程是一个土壤有机碳的累积过程,其累积速度依气候带而异,在潮湿地区速度快一些,而在干旱地区慢一些。根据我国亚热带杉木林地力严重衰退的情况,估计杉木林地可能有大量土壤有机质流失,可改用免耕免烧的方法,这样有可能大幅度提高杉木林和热带、亚热带其它森林的生产力,并有效地减少CO2的排放。3.2.3石灰对土壤co农业土壤中CO2-C的排放总量(单位为Tg=1012g)由以下3部分合计而得。它们是:①矿质土壤中碳蓄积量的净变化;②施用化肥所致的CO2-C排放;③施用石灰所致的CO2-C