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农田土壤固碳作用对温室气体减排的影响农田土壤固碳作用对温室气体减排的影响 -- 140 元

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实木地板亿牌地板白沙洲地板QQ2516685143烽火村青菱乡合富金生万科红霞地板翻新实木地板武汉南湖地板高性价比地板农田土壤固碳作用对温室气体减排的影响王树涛1,门明新1,刘微2,许皞11.河北农业大学资源与环境科学学院,河北保定0710012.浙江大学环境与资源学院环境工程系,浙江杭州310029摘要温室气体排放引起的全球气候变暖和平流层臭氧空洞已成为当前人们关注的环境问题之一。土壤碳库作为地表生态系统中最活跃的碳库之一,是甲烷、二氧化碳、一氧化二氮等温室气体的重要释放源,也是重要的吸收汇。因此,寻找农田土壤系统碳管理的有效方法已经成为缓解温室效应的重要科学问题。西方发达国家已将固碳农业作为环境管理的重要导向,应用颗粒分组13CNMR或CPMASNMR技术对土壤碳固定的机制研究指出微团聚体与矿物粘粒复合体的相互作用是土壤有机碳稳定存在的主要方式,揭示了土壤有机碳的腐殖质转化及其与土壤矿物、金属氧化物结合的微观水平,且从土壤物理结构、化学组成和生物学特性等多学科交叉研究土壤有机碳的固定机理及其稳定机制。长期传统的土地利用方式和管理措施所导致的土壤有机碳含量、密度及垂直分布的变化是造成土壤碳库损失的主要原因,为了增加农业生态系统土壤有机碳的含量,土地利用方式和农业管理措施应该从增加有机碳输入量和减少有机碳矿化两方面着手,加强对农业土壤固碳潜力和土壤碳库稳定性影响因素的多角度研究。关键词有机碳土壤CO2碳固定中图分类号X144文献标识码A文章编号16722175(2007)06177506工农业生产的发展,人类活动的加剧,促进了温室气体浓度升高,目前大气中CO2、CH4和N2O的浓度分别为365µmolmol1,1.745µmolmol1和0.314µmolmol1,比工业革命前分别增加了28.6、149和9.51,2。经UKMO(UKMeteorologicalOffice)模型、GISS(GoddarInstituteSpaceStudies)模型、NCAR(NationalCenterforAtmosphericReasearch)模型、GFDLGeophysicalFluidDynamicsLab模型、OSUOregenStateUniversity模型35等多种模型预测,到2030年大气中CO2的浓度将加倍。全球温室气体增加、气候变暖、平均降水量增加都会对生态系统的结构、功能和分布以及地球物理学过程、热力学过程和生物化学过程产生重要影响。从而也会对人类生产、生活产生重要作用6。对全球温室效应的关注,促使各国政府、科学界,从工业、农业等各领域,研究碳的数量、形态、分布,在不同系统中的行为及其减排或固定措施。土壤碳库是陆地生态系统中最大最活跃的碳库之一,2倍于大气碳库7,是全球碳循环的核心内容。研究土壤碳的固定、积累与周转及其对气候变化的反馈机制,对于正确评估土壤碳固定在温室气体减排中的作用,加强农业碳汇的研究具有重要意义。1土壤固碳土壤作为陆地生态系统持续稳定发展的物质基础,在大气圈、水圈、生物圈、岩石圈等物质和能量循环中发挥着桥梁和纽带作用。土壤碳分为土壤有机碳(soilorganiccarbon,SOC)和土壤无机碳(soilinorganiccarbon,SIC)。土壤无机碳相对稳定,而有机碳时刻与大气进行交换和平衡,因此土壤碳的研究主要是有机碳的研究。由于土壤具有巨大的有机碳库容,有机碳的微小变化将对全球温室效应和气候变化产生重要影响。同时,土壤碳库和地上部植物之间有密切关系,土壤有机碳的固定、积累和分解影响着全球碳循环,外界条件的变化也强烈影响着植物的生长和土壤中微生物对土壤沉积碳的分解过程。土壤能通过生物和非生物过程捕获大气中的碳素并将其稳定地存入碳库,这一过程被称为碳固存8。增加土壤有机碳固存不仅为植被生长及微生物活动提供碳源、维持土壤良好的物理结构,促进土壤中植物可利用态养分的释放与转化,同时也是减少大气中CO2等温室气体含量的一个有效、持续措施。因此,缓解碳汇饱和的土壤碳固定及其机制研究成为寻找陆地生态系统碳循环可持续发展的主要科学问题。2土壤碳固定的可能机制对土壤中有机碳的固定与稳定、转化作用研究主要集中在微团聚体及矿物粘粒复合体的相互作用水平。Huygen9等通过乔木(SGFOR)、草地(GRASS)和松林(PINUS)土壤中碳积累情况对比研究,得出无定形铝和粘土矿物间的静电吸附对金属腐殖质粘粒复合体形成和碳沉积起主要作用,土壤有机碳(SOC)和铝之间的配位体交换起次要作用。土壤碳矿化速率以乔木和松林土壤最高,草地次之。而大团聚体室内培养试验顺序为PINUSSGFORGRASS。因此,静电吸附和物理保护作用是影响土壤有机碳稳定的主要过程。土壤实木地板亿牌地板白沙洲地板QQ2516685143烽火村青菱乡合富金生万科红霞地板翻新实木地板武汉南湖地板高性价比地板pH通过作用于铝的有效性和静电荷间接影响土壤中碳的稳定。Hoosbeek10经过5a的FACE(freeairCO2enrichment)试验,结果表明CO2浓度升高可显著增加土壤全碳含量,但对增加的碳在地下分配尚不清楚。而土壤有机质稳定性由有机质的化学结构和粗微团聚体形成情况决定。CO2浓度升高不影响土壤中团聚体的形成,但增加了粗微团聚体形成的稳定性和碳保护功能,从而提高了土壤碳的稳定性。Denef11,12也提出粗微团聚体中碳固定作用可能是自然或农业系统中土壤有机碳(SOC)长期存在的机理。他研究了干湿交替情况下土壤粗、微团聚体形成及其在土壤有机碳稳定性中的作用。指出土壤有机碳在团聚体中的物理保护是影响其稳定性的重要机制,干湿培养44d后,大团聚体中水稳态微团聚体较对照明显降低,且微团聚体内的颗粒态有机碳也明显降低。44d后干湿交替不再促进大团聚体破碎,且在4474d培养过程中,干湿交替处理的微团聚体固定颗粒态有机碳含量显著升高,可能是颗粒态有机碳降解受到短期干湿交替促进大团聚体形成而造成的抑制作用。金属氧化物可吸附在粘土矿物和有机质表面形成矿物复合体从而对土壤固碳能力有一定影响。如铁氧化物可与高岭石作用促进团聚体的形成从而加强对有机碳的保护作用。已有研究证明矿物表面的吸附过程在有机碳保护中起重要作用13且金属氧化物在土壤中对有机碳稳定和吸附过程发挥特殊功能1417,粘土矿物或硅酸盐也可对有机碳的保护起辅助作用。而粘土矿物对有机碳的吸附潜力与金属氧化物不同,Kaiser17等研究矿物表面对可溶性有机碳的吸附作用发现,金属氧化物的吸附作用较层间硅酸盐强,Jardine18等发现在研究的两种土壤中晶格态和非晶格态铁氧化物和氢氧化物吸附了土壤中5070可溶态有机碳,以高岭石为主的其他粘土矿物吸附了剩余部分。Franzluebbers19指出巴西氧化土具有较高的碳固定效应,其固碳潜力达9.4Tga1,可能与该土壤中丰富的氧化物与有机碳的稳定结合有关。Wiseman20等研究了七种土壤中有机碳、粘粒含量、粘土矿物、亚硫酸盐提取态铁、草酸盐提取态铁(Feo)和草酸盐提取态铝(Alo)之间的关系,发现仅有两种土壤里粘粒含量与有机碳含量呈显著相关,Feo和Alo浓度在大部分土层中与有机碳含量呈正相关。一些粘土矿物如亚氯酸盐与有机碳和Feo、Alo间呈正相关。可见氧化物与粘土矿物作用形成复合物或团聚体对土壤中有机物的稳定起重要作用。而Giardina21指出矿化土壤有机质降解不随温度升高而加速,且有机碳降解速率与粘土矿物含量没有显著相关性。3土壤有机碳固定的影响因素农田生态系统中,农田管理措施、土壤性质是影响土壤有机碳固定、转化及释放的主要因素,同时还受土地利用方式、植物品种、气候变化等多种因素影响,因此对土壤碳固定潜力的评估及调整措施需全面考虑多种因素的交互作用。3.1农田管理措施不同的耕作制度、施肥、灌溉等农田管理措施对土壤碳的固定及温室气体排放有显著影响。由于农田耕作对土壤较大的扰动,团粒结构破坏严重,长期作业之后会导致土壤有机质含量急剧下降。Conant22指出农田耕作一年后土壤碳显著下降,长期耕作使土壤碳损失量增加。同常规耕作相比,免耕措施对土壤有机碳库增加和微生物量碳变化有显著影响,已有众多研究表明免耕可显著增加土壤有机碳含量。Metay23等研究指出,免耕加秸秆覆盖可提高表层土(010cm)有机碳含量,每年达C0.35mghm2。而且免耕秸秆覆盖有利于土壤活性有机质的产生和积累,有利于土壤理化性质的改良,能够给土壤微生物提供大量的能源物质,有利于土壤可持续健康发展24,25。周萍等研究了长期不同施肥处理化肥与秸秆配施、化肥与猪粪配施、单施化肥和不施肥下,水稻土总有机碳和颗粒态有机碳含量变化,指出不同的施肥处理主要影响耕层土壤的TOC(总有机碳)和POC(颗粒态有机碳)含量,化肥与猪粪配施处理,由于有机物质的输入TOC和POC含量显著高于其它3种处理,不施肥处理的POC含量显著高于单施化肥和秸秆配施化肥26。陈义27等对浙江省黄岩水稻土上开展的26a长期施肥定位试验表明,长期施用有机肥可以促使土壤有机质持续增长,增长幅度随有机肥用量增加而增加。张春霞28等也指出,耕作和长期单施化肥虽然可以维持土壤有机质水平,但加速了土壤腐殖质的老化,影响胡敏酸和富啡酸间的转化和土壤中有效养分的利用。均衡施用N、P和K肥料,可显著提高土壤有机碳储量,而养分缺乏的施肥,土壤有机碳大量损失。Kapkiyai29等的长期试验表明,土壤有机碳随耕作年限的延长而降低。其中以单施化肥处理土壤有机碳损失最多,施用有机肥和秸秆还田的损失量比单施化肥少49%,化肥和有机肥结合施用加上秸秆还田有机碳损失最少。相关分析表明,土壤固碳速率与作物根茬有机肥源碳的总碳输入量呈显著的对数关系,化肥配施有机肥是提高与促进土壤固碳和温室气体减排的双赢措施30。3.2土壤性质实木地板亿牌地板白沙洲地板QQ2516685143烽火村青菱乡合富金生万科红霞地板翻新实木地板武汉南湖地板高性价比地板土壤结构是影响土壤碳固定及其稳定性的重要因子。土壤粘土矿物和有机碳可以形成有机矿质复合体,把有机碳密封在微小的孔隙中阻碍微生物的分解3133。已有试验证明随着土壤中粘粒含量的增加土壤有机质的残留量不断提高,并且呈一定正相关关系34,35。同时,土壤性质不但影响土壤中有机碳的固定和储存,而且也会影响土壤有机碳组分的分配36,37。土壤pH影响着土壤中微生物的种类,酸性土壤中微生物以真菌为主,从而减缓了土壤中有机质和外源有机物质的降解,土壤的酸性越强,有机物质分解速率越慢。相反,强碱性条件下,有机物质的溶解和分散性显著提高,使得微生物与有机质间的接触增加,促进有机质的分解。Jenkison38把14C标记的黑麦草分别加入到不同pH的土壤中,一年后pH3.7的土壤中14C残留量明显高于pH4.9和pH8.1的土壤。李淑芬39等研究表明土壤中可溶性有机碳(DOC)随着土壤pH的下降而增加。含水量通过影响土壤中氧化还原电位及微生物活性间接作用于有机质的降解。一般好氧条件下一种微生物可直接把有机物转化为CO2,而厌氧条件下需要一系列微生物接力来完成。因此好氧环境中有机物的分解速率快于厌氧环境,水田中有机物的残留率高于旱地。GuoLP40等指出,在过去60a中,因旱地改水田使土壤储存的有机碳增加了120584Gt。4土壤碳固定对温室效应的响应温室效应引起的气候变化对土壤有机质存量的影响有两种方式一是影响植物生长,从而改变每年回归土壤的植物碎屑量二是改变植物碎屑的分解速率41。气候变化尤其是气温升高可能导致生态群落发生迁移,高纬度植被分布接近于低纬度带上的植被,从而使CO2季节振幅增大42。气候变化还通过影响植物生长而改变植物体内碳的数量及分布间接影响土壤碳的累积。温度升高和温室气体增加可提高光合效率和干物质积累,光合产物向根际输出量比例增大,从而将导致土壤有机碳输入量增加。众多研究表明CO2浓度升高,更多的C贮存于地下。李伏生43等研究表明在高氮和低氮水平,CO2浓度增高,地上部碳固定量和碳固定总量明显增加。黄艺44等研究了大气CO2浓度升高对莴苣生长和物质分配的影响,表明高体积分数CO2550106下莴苣具有高光合速率、高生长速度,其根和茎的干物质积累速度较快,叶面积增长快而且不积累过多的光合作用产物,高光合速率能够产生足够能量将光合作用产物从源转运到库,用于生长发育。马红亮45等也指出高二氧化碳浓度增加了光合产物在茎、穗和根中的分配。大气CO2浓度升高也将影响土壤有机碳的分解过程。大气CO2浓度升高,植被的群落结构发生变化,植物地上部分生物量增加,使进入土壤的凋落物数量增加。CO2浓度升高,植物的光合特性改变,叶片的化学成分也会发生一定变化,如非结构性碳水化合物含量增加,次生代谢物如酚类含量增加。这些将影响凋落物的成分及其在土壤中的降解速率。研究表明,在大气CO2浓度倍增时,植物的C/N可能上升20~40,甚至提高1倍。当植物残体的C/N超过一定数值时,土壤有机碳的矿化过程会因N素营养不足而受到抑制。植物残体中次生代谢物如酚类物质含量的上升也会降低植物残体的腐解速率46,使土壤碳储存增加4749。不过也有很多学者认为植物脱落物的腐解速率增加或不变。Hungate50,51等对种植了四季作物的土壤含碳量进行研究发现二氧化碳浓度增加对土壤碳无显著性贡献,并且指出,由于监测方法的局限性和土壤碳库巨大的缓冲性能,短期内二氧化碳浓度升高不能引起土壤碳的变化,还需要试验方法和技术的改进和长期定位试验的开展。另外,温室气体增加,全球变暖,土壤温度上升,将促进土壤有机质的分解52,因此有学者认为土壤总有机质含量保持恒定不变53。而Goudriaan54等研究认为CO2浓度升高后,易分解水溶性碳输入土壤量增大,抑制了植物残体和原有土壤有机质的降解,从而促进土壤有机物的累积。Matamala55指出CO2浓度升高使活根干物质量增加86,两年后平均每平方米增加干物重37g,而死根生物量并没有如此显著的增加,但第二年夏季有显著的干物质累积,每年碳的输入量为C21.7gm2a1,较对照显著增加。并且二氧化碳浓度增加没有提高根系呼吸,根系C/N、降解速率及磷酸酶活性也没有发生显著变化。就土壤有机碳分解周转的主要驱动力微生物而言,大气CO2浓度的增加使得根系CO2的通量增加,微生物活动所需的底物增加,进而促进微生物的种群增长、生物活性提高,土壤有机碳及植物脱落物分解加速。通过FACE研究平台下稻麦轮作研究表明,在水稻拔节期、小麦越冬期与成熟期的05cm和510cm土层中,FACE处理能显著增加土壤细菌的数量,CO2浓度升高显著增加水稻成熟期05cm真菌数量56。Williams57经过8a的长期定位试验得出,CO2浓度升高的情况下,515cm深度土壤中微生物量碳、氮较对照增加,且微生物学活性有增加的趋势。8a的试验结果表明CO2浓实木地板亿牌地板白沙洲地板QQ2516685143烽火村青菱乡合富金生万科红霞地板翻新实木地板武汉南湖地板高性价比地板度升高加速土壤有机碳的降解,但C的输入高于碳的输出。而在裸地条件下,CO2浓度升高对土壤有机质及其他组分影响研究表明,高浓度CO2处理增加了土壤微生物量碳,抑制土壤微生物活性,降低了土壤有机质的分解速度58。当植物凋落物C/N增加造成微生物生长受到土壤N含量限制时,其分解速率可能会降低。Gorissen59研究不同CO2浓度下植物根系的降解率,发现700µmolmol1浓度下生长的植物根系降解率较350µmolmol1下的低得多,其原因可能是由于CO2浓度升高造成植株C/N比增加。5展望土壤有机碳储量与环境变化、生态系统中物质能量循环和人类生产生活密切相关。随着研究的发展和温室效应的增加,各国学者越来越认识到土壤固定循环在全球碳循环中的重要作用,从土壤碳固定的影响因素到有机碳在土壤中的转化及温室气体向大气释放都进行了大量研究,但仍有些问题需深入研究。(1)对土壤有机碳固定的影响因素研究多侧重于单因素的影响,今后应侧重于多因素对土壤碳循环的综合效应研究。(2)当前研究多侧重于加强各种措施促进土壤有机碳储量,而对有机碳进入土壤后地下的转化及稳定过程尚不清楚,加强这方面的研究对于正确认识土壤碳蓄积及关键影响因素有重要贡献。(3)随着农田土壤固碳对温室效应的作用的认识愈加明显,应加强农田土壤尤其是稻田土壤的固碳潜力研究,为大气CO2减排做出贡献。(4)温室效应增加对土壤有机碳固定的影响是当前最有争议的问题之一,应加强气温升高、大气CO2浓度增加对土壤有机质输入及稳定性的影响的研究。参考文献1IPCC.ClimateChange2001TheScientificBasis.ContributionofWorkingGroupItotheThirdAssessmentReportoftheIntergovernmentalPanelonClimateChangeM.Houghton,JT,Y.Ding,D.G.Griggs,etal.CambridgeUKCambridgeUniversityPress,2001881.2孙谷畴,赵平,曾小平等.大气CO2浓度升高对香蕉光合作用及光合碳循环过程中叶氮分配的影响J.应用生态学报,2001,123429434.SUNGuchou,ZHAOPing,ZENGXixaoping,etal.InfluenceofelevatedatmosphericCO2concentrationonphotosynthesisandleafnitrogenpartitioninprocessofphotosyntheticcarboncycleinMusaparadisiacalJ.ChineseJournalofAppliedEcology,2001,123429434.3张金屯.全球气候变化对自然土壤碳、氮循环的影响J.地理科学,1998,185463471.ZHANGJintun.EffectsofglobalclimatechangeonCandNcirculationinnaturalsoilsJ.ScientiaGeographicaSinica,1998,185463471.4汪业勖,赵士洞.陆地碳循环研究中的模型方法J.应用生态学报,1998,96658664.WANGYexun,ZHAOShidong.ModelingsofterrestrialcarboncyclingJ.ChineseJournalofAppliedEcology,1998,96658664.5毛留喜,孙艳玲,延晓冬.陆地生态系统碳循环模型研究概述J.应用生态学报,2006,171121892195.MAOLiuxi,SUNYanling,YANXiaodong.ModelingofcarboncyclinginterrestrialecosystemAreviewJ.ChineseJournalofAppliedEcology,2006,171121892195.6李伏生,康绍忠,张富仓.大气CO2浓度和温度升高对作物生理生态的影响J.应用生态学报,2002,13911691173.LIFusheng,KANGShaozhong,ZHANGFucang.EffectofatmosphericCO2andtemperatureincrementoncropphysiologyandecologyJ.ChineseJournalofAppliedEcology,2002,13911691173.7杨林章,徐琪.土壤生态系统M.北京科学出版社,20056066.YANGLinzhang,XUQi.ThesoilecosystemM.BeijingSciencePress,20056066.8张君,宫渊波,王巧红.土壤碳现状及其对全球气候变化的响应J.四川林业科技,2005,2655661.ZHANGJun,GONGYuanbo,WANGQiaohong.ThestatusofsoilcarbonanditsrespondencetoglobalclimaticchangesJ.JournalofSichuanForestryScienceandTechnology,2005,2655661.9HUYGENSD,BOECKXP,VANCLEEMPUTO,etal.AggregateandsoilorganiccarbondynamicsinSouthChileanAndisolsJ.BiogeosciencesDiscussions,2005,2159174.10HOOSBEEKMR,VOSJM,BAKKEREJ,etal.EffectsoffreeatmosphericCO2enrichmentFACE,NfertilizationandpoplargenotypeonthephysicalprotectionofcarboninthemineralsoilofapolarplantationafterfiveyearsJ.Biogeosciences,2006,3479487.11DENEFK,SIXJ,PAUSTIANK,etal.ImportanceofmacroaggregatedynamicsincontrollingsoilcarbonstabilizationshorttermeffectofphysicaldisturbanceinducedbydrywetcyclesJ.SoilBiologyandBiochemistry,2001,3321452153.12DENEFK,ZOTARELLIAL,BODDEYRM,etal.MicroaggregateassociatedcarbonasadiagnosticfractionformanagementinducedchangesinsoilorganiccarbonintwoOxisolsJ.SoilBiologyandBiochemistry,2007,3911651172.13MAYERLM,XINGBaoshan.Organicmatter–surfacearearelationshipsinacidsoilsJ.SoilScienceSocietyofAmericaJournal,.2001,65250258.14BOUDOTJP,BELHADIBA,CHONET.DependenceofcarbonandnitrogenmineralizationratesuponamorphousmetallicconstituentsandallophanesinhighlandsoilsJ.Geoderma1988,42245260.15WISEMANCLS,PUTTMANNW.SoilorganiccarbonanditssorptivepreservationincentralGermanyJ.EuropeanJournalofSoilScience,2005,566576.16KAISERK,EUSTERHUESK.,RUMPELC,etal.StabilizationoforganicmatterbysoilmineralsinvestigationsofdensityandparticlesizefractionsfromtwoacidforestsoilsJ.JournalofPlantNutritionandSoilScience,2002,165451459.17KAISERK,ZECHW.ReleaseofnaturalorganicmattersorbedtooxidesandasubsoilJ.SoilScienceSocietyofAmericaJournal,1999,6311571166.18JARDINEPM,WEBERNL,MCCARTHYJF.MechanismsofdissolvedorganiccarbonadsorptiononsoilJ.SoilScienceSocietyofAmericaJ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