土壤有机碳研究进展

中国土壤与肥料 2009 (6)
计算全球 表层 土壤 有机 碳为 455 Pg[ 44 - 46 ] 。因 此 , 我国土壤有机碳表聚性较突出 。我国表层土壤有机 碳库从地区分布上看 , 东北地区和西北地区库量较 大 , 在占总量 817%和 3215%的土壤面积中 , 土壤 总有机碳库分别占总量的 2813%和 3213% , 表层 土壤有机碳库占总量的 3819%和 3015% [ 41 ] 。
中国土壤与源自文库料 2009 (6)
土壤有机碳研究进展
任 军 1, 2 , 郭金瑞 2 , 边秀芝 2 , 闫孝贡 2 , 刘钊剑 2 , 吴景贵 13
(11吉林农业大学 , 吉林 长春 130118; 21吉林省农业科学院 , 吉林 长春 130124)
摘 要 : 回顾了国内外土壤有机碳研究进展及趋势 , 阐述了全球土壤有机碳库存量及分布 、我国土壤有机碳库储 量概况 、农田土壤有机碳组成及其影响因素 、农田土壤有机碳转化规律及影响因素 , 指出了我国在土壤有机碳研 究方面存在的问题及今后的发展方向 。 关键词 : 土壤有机碳 ; 土壤有机碳库 ; 土壤有机碳循环 中图分类号 : S15316 文献标识码 : A 文章编号 : 1673 - 6257 (2009) 06 - 0001 - 08
近年来 , 我国学者也将遥感技术和地理信息系 统技术应用于土壤有机碳研究 。我国已完成了 1 ∶
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400万土壤分布图和 1 ∶100万土地利用图数字化工 作 , 但所包含的土壤碳属性数据较少 , 不能直接用 于我国土壤碳库估计 [ 21 ] 。潘根兴等对中国土壤有 机碳库进行了估算 [ 21, 34 - 36 ] 。一些学者还对我国陆 地土壤有机碳库存量以及特定区域和生态群落土壤 有机碳库存量进行了探索 , 但由于计算方法和数据 来源不同 , 不同研究者之间的估算结果存在较大 差异 [ 35 - 39 ] 。
国外对土壤有机碳的研究开始较早 , 在 20世 纪 60年代 , 就有学者开始进行全球土壤有机碳总 库存量研究 。但早期对土壤有机碳库存量的估算 大都是根据少数土壤剖面资料进行的 。如 1951 年 Rubey根据不同研究者发表的关于美国 9 个土壤 剖面的有机碳含量 , 推算出全球土壤有机碳库存 量为 710 Pg[ 21 ] 。 1976 年 Bohn 利用 土壤 分布 图及 相关土组 ( so il association) 的有机碳含量 , 估计 出全球土壤有机碳库存量为 2 946 Pg[ 22 ] 。这两个 估计值成为当前对全球土壤有机碳库存量的上下限 值 [ 21 ] 。20世纪 80年代 , 由于研究全球碳循环与气 候 、植被及人类活动等因素之间相互关系的需要 , 统计方法开始被应用于土壤有机碳库存量的估算 。 如 Post等在 Hold ridge生命带模型基础上 , 估算了 全球土壤碳密度的地理分布与植被及气候因子之间 的相互关系 , 提出全球 1 m 厚度土壤有机碳库存量
收稿日期 : 2009 - 04 - 05; 最后修订日期 : 2009 - 07 - 08 基金项目 : 科技支撑项目 (2006BAD02A10和 2006BAD02A15) 及 973项目 ( 2009CB118601) 。 作者简介 : 任军 ( 1960 - ) , 男 , 吉林省公主岭人 , 学士 , 研究 员 , 主要从事土壤肥料研究 。通讯作者为吴景贵 。
成 、土壤水热状况及物理化学特性等因素 [ 16 ] 。现 有土壤有机碳含量是土壤有机碳分解速率 、作物残 余物数量与组成 、植物根系及其它返还至土壤中有 机物的函数 。土壤有机碳库存量与进入土壤的植物 凋落物和地上生物量呈线性正相关关系 [ 17 - 19 ] 。
土壤有机碳主要分布于土壤上层 1 m 深度以 内 。 Sombroek等人的研究结果表明 , 一些主要的热 带土壤 , 如变性土 、富铝土和淋溶土上层 1 m 内的 有机 碳 含 量 分 别 占 2 m 深 度 土 壤 总 有 机 碳 量 的 53%、69%和 82% [ 20 ] , 全球土壤上层 1 m 内的有 机碳含量为 1 220 Gt, 相当于总现存生物量 (自然 植被和作物 ) 的 115倍 ; 在热带广泛分布的厚层土 壤中 , 1 m 以下有机碳储量达 50 Gt, 故全球土壤有 机碳总量可达 1 270 Gt[ 20 ] 。 111 国外研究进展
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中国土壤与肥料 2009 (6)
为 1 395 Pg[ 23 ] 。 20世纪 90年代以来 , 随着遥感 ( RS) 、地理
信息系统 ( GIS) 和全球定位系统 ( GPS) 技术的 发展 , 为土壤有机碳研究提供了新的方法和手段 。 “3 S”技术被应用于区 域 或 全 球 土 壤 有机 碳 库 存 量 大小 、有机碳密度的空间分布差异等方面的研究 。 发达国家已在区域尺度上开展了相关研究工作 。如 俄罗斯在 1∶250万土壤分布图上建立了土壤碳空间 数据库 , 计算出俄罗斯 0～20 cm、0～50 cm 和 0～ 100 cm等不同土层有机碳库存量 , 估计出俄罗斯土 壤有机碳库存总量为 34211 Pg, 无机碳库存总量为 11113 Pg, 土壤总碳库存量为 45314 Pg[ 24 ] , 并绘制 了俄罗斯 0～100 cm 土层无机碳库存量分布图 。加 拿大建立了 1∶100万的数字化土壤分布图及土壤碳 数据库 , 并 计 算 出 加 拿 大 0 ～30 cm 土 层 和 0 ～ 100 cm 土层 土 壤 有 机 碳 库 存 量 分 别 为 7011 Pg和 249 Pg[ 21 ] 。
我国学者非常关注土壤碳循环研究 , 并在土壤 有机碳库 存 量 研 究 方 面 取 得 了 许 多 引 人 注 目 的 成 果 。如陈庆强等分别对陆地生态系统 , 特别是土壤 碳循环进行了研究和评述 [ 21, 26 - 28 ] , 金峰等对土壤 有机碳库存量进行了统计 [ 29, 30 ] , 张东辉等对土壤有 机碳的转化与迁移进行了研究 [ 31 ] 。王淑平等人的 研究表明 , 土壤有机碳含量与降水量之间呈显著正 相关 , 温度对有机碳的影响较复杂 , 适宜温度有利 于土壤有机碳积累 , 否则 , 对有机碳积累具有负效 应 [ 32 ] ; 此外 , 由气候等因素影响的植物种类组成 对土壤有机碳库存量也有重要影响 。陈佐忠等在研 究中发现 , 植物种类组成可通过影响植物残体分解 速率进而影响土壤有机碳的含量及分布 , 并对草甸 草原 、典型草原 、荒漠草原植物种类组成与土壤有 机质含量关系作了详细分析 [ 33 ] 。
1 土壤有机碳库存量及分布
土壤有机碳含量是进入土壤的生物残体等有机 物质的输入与以土壤微生物分解作用为主的有机物 质的损失之间的平衡 。其中 , 有机物质输入量在很 大程度上取决于气候条件 、土壤水分状态 、养分有 效性 、植被生长以及人类的耕种管理等因素 , 而土 壤有机物 质 的 分 解 速 率 则 受 制 于 有 机 物 的 化 学 组
表层土壤有机碳直接与陆地生态系统碳循环相 动态耦合 , 其储量 、分布 、循环等与环境变化休戚 相关 。潘根兴 [ 24 ]分别采用 《中国土种志 》和 《中 国土壤普查数据 》的资料 , 估算出我国表层土壤有 机碳含量均为 20 Pg (采样深度为 20 cm ) , 占全球 的 414% , Potter等在 1993 年根据 CENTURY模型
2 我国土壤有机碳储量概况
土壤有机碳 ( SOC) 包括植物 、动物及微生物 遗体 、排泄物 、分泌物及其部分分解产物和土壤腐 殖质 。土壤有机碳量是进入土壤的植物残体量以及 在土壤微生物作用下分解损失的平衡结果 。 211 土壤总有机碳库
土壤是一个不均匀的三维结构体 , 在空间上呈 现复杂的镶嵌性 , 且与陆地植被和生物发生复杂的 相互作用 , 土壤碳密度存在极大的空间变异性 。基 于不同研究者所采用的资料来源和统计样本容量不 同 , 所得结果存在一定的差异性 。王绍强等根据我 国第二次土壤普查数据 , 估算出中国陆地土壤有机 碳蓄积量大致在 615119 ×1014 ～1 211137 ×1014 g之 间 , 平均碳密度为 10149～10153 kg·m - 3 (土壤厚 度为 100 cm ) 或 11152 ～12104 kg·m - 3 (土壤厚 度为 88 cm ) , 土 壤 平 均 碳 蓄 积 量 为 ( 913128 ± 298109) ×1014 g[ 40 ] 。我国国土面积约占全球陆地 面积的 1 /15, 而土壤总有机碳库仅占全球的 1 /25～ 2 /25, 故我国是低土壤有机碳密度国家 , 这与我国 一半以上国土为低或贫有机碳土壤所覆盖的国情相 符 [ 41 ] 。我国耕地有机碳含量普遍很低 , 南方约为 018% ～112% , 华北约为 015% ～018% , 东北约为 110% ～115% , 西北绝大多数在 015%以下 。而欧 洲农业土壤大多在 115%以上 。我国耕地平均有机 碳含量低于世界平均值 30%以上 , 低于欧洲 50% 以上 [ 42 ] 。方精云等把土壤均一化为 1 m 厚度 , 从 而估算出我国土壤总有机碳库高达 185 Pg[ 43 ] 。 212 表层土壤有机碳库
世界各国不同研究者对全球土壤有机碳库存量 的估算方法并无本质区别 , 但由于所用资料来源与 土壤分类方式不同 , 土壤有机碳库存量的估计值有 较大差异 。全球土壤 1 m 内土壤有机碳库大约是植 被碳库的 115～3倍 [ 25 ] , 如此巨大的土壤有机碳库 , 即使其发生很轻微变动 , 都会引起大气中 CO2浓度 变化 , 进而影响全球气候变化 。因此 , 土壤有机碳 库存量研究成为全球变化的研究热点之一 。 112 国内研究进展
3 农田土壤有机碳组成及其影响因素
在农业生态系统中 , 土壤有机碳来源于原始 植被残留碳 、农作物残体及人为施入的有机物料 。 土壤有机碳库包括动物 、植物 、微生物遗体 , 排 泄物 , 分泌物及部分分解产物和土壤腐殖质 。土 壤有机碳不同粒级和密度组分在有机碳周转和营 养元素循环中具有不同特征 。根据研究需要 , Pat2 ton将土壤有机碳分为活性库 ( active pool) 、缓性 库 ( slow poo l) 、钝 性库 ( passive poo l) [ 46 ] 。邵 月 红的研究结果表明 , 农田土壤活性碳一般占土壤 有机碳的 016% ～317% , 缓效性碳一般占土壤有 机碳的 3717% ～8112% , 惰效性碳一般占土壤有 机碳的 1711 % ～4811 % [ 47 ] 。
近年来 , 土壤有机碳研究受到人们普遍关注 , 已成为全球变化研究的三大热点之一 [1 - 11 ] 。据估计 , 全球土壤呼吸作用的碳流量为 68～77 Gt·年 - 1[12 ] , 是全球碳循环中的一个主要流通途径 。土壤有机碳 量 (1 500 Pg) 约为陆地生物量碳 (620 Pg) 的 214 倍 [13] , 其动态平衡不仅直接影响土壤肥力和作物产 量 , 而且 , 其固存与排放对温室气体含量、全球气 候变化也有重要影响 。土壤有机碳是土壤质量评价 和土地可持续利用管理中必须考虑的重要指标 [ 14 ] 。 不合理的土地利用会导致大气 CO2浓度增加 , 加剧 全球变暖的趋势和与之有关的气候变化 。全球土壤 有机碳每年分 解释 放到 大气 中的 CO2达到 011 ～ 514 Pg·年 - 1 , 土壤有机碳库 011%的变化将导致 大气圈 CO2浓度 1 m g·L - 1的变化 [ 15 ] 。因此 , 土壤 有机碳的动态及其控制过程研究 , 不仅是土地资源 可持续利用的重要基础 , 而且对土壤碳循环与全球 气候变化的相互作用研究具有重要意义 。