（环境科学专业论文）黄渤海地区土壤有机碳对主要物理性状的影响.pdf

大连交通大学理学硕士学位论文 a b s t r a c t g l o b a lw a r m i n gw i t hi t si m p a c t so ne a r t hc o n d i t i o ni so n eo ft h eg r e a t e s th u m a n e n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s ；m a n ye n v i r o n m e n t a lp r o b l e m so ft h es u i t a b l el i t t o r a lc a u s e db yt h e r a p i di n c r e a s eo ft h ea t m o s p h e r i cc 0 2c o n c e n t r a t i o na r eb e c o m i n gm o r ea n dw o r s e s o i l o r g a n i cc a r b o np l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n t e r r e s t r i a le c o s y s t e mc a r b o np o o l ，a n di t st i n y c h a n g e sw i l lh a v ed i r e c te f f e c t so nt h ec o n c e n t r a t i o no ft h eg r e e n h o u s eg a s i n v e s t i g a t i n gt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e ns o i l o r g a n i cc a r b o na n ds o i lp h y s i c a lp r o p e r t i e s i si nf a v o ro f u n d e r s t a n d i n gt h eo c c u r r i n ga n dc h a n g i n gm e c h a n i s mo fs o i lo r g a n i cc a r b o n ，e v a l u a t i n gt h e s o u r c ea n ds i n km e c h a n i s mo ft e r r e s t r i a le c o s y s t e ms o i lc a r b o n ，a n di ti sg r e a tp u r p o r to n f o r e c a s t i n gt h ec l i m a t ec h a n g et r u l ya n dc o n s t i t u t i n gt h ep o l i c yt of a c et h ec l i m a t ec h a n g e t h ep a p e rc h o s et h ep a i r e dp l o t sw i t hs a m ea l t i t u d e ，s l o p ed i r e c t i o na n ds o i lt y p e s ( d o m i n a t e db yp i n ea n dc h e s t n u t ) a n df a r m l a n d ( d o m i n a t e db yc o r n ) i nt h es u i t a b l el i t t o r a l a r e ao ft h eh u a n g h a ia n db o h a ia st h eo b j e c t sf o rs t u d y i tr e s e a r c h e dt h ee f f e c to fs o i l o r g a n i cc a r b o no nt h em a i np h y s i c a lp r o p e r t i e so fs o i lu n d e rt h ed i f f e r e n to c e a n i cc l i m a t eb y e x p e r i m e n tm e n s u r a t i n ga n da n a l y z i n gt h es o i lo r g a n i cc a r b o ni ns h a l l o ws o i lp r o f i l e ，s o i l p a r t i c l e - s i z ec o m p o s i t i o n ，a n ds o i lp r o p o r t i o na n dw a t e rr a t i oo ft h es o i lo nt h ed i f f e r e n t l a n d - u s et y p e s t h er e s u l t sw e r es h o w na sf o l l o w s - t h es o i l p a r t i c l e - s i z ec o m p o s i t i o nh a s a ni m p o r t a n te f f e c to nt h es e c t i o np l a n e d i s t r i b u t i o no fs o i lo r g a n i cc a r b o n t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es i l tc o n t e n to fs o i la n ds o i l o r g a n i cc a r b o ni st h em o s ts i g n i f i c a n tw h i c hi n d i c a t e st h ec o n t e n to fs i l tc o u l db ea ni m p o r t a n t i n d e xo ff i g u r i n gt h el e v e lo fs o i lo r g a n i cc a r b o n t h ea v e r a g ec o n t e n to fs o i lo r g a n i cc a r b o na n dw a t e ri nb o t l lf o r e s ta n dc r o p l a n di nt h e h u a n g h a ir e g i o na r eh i g h e rt h a nt h a to fb o h a ia r e aw h i l et h em e a ns o i lp r o p o r t i o nh a sa c o n t r a r yp h e n o m e n o n t h ed i s c r e p a n c yo ff o r e s ts o i lo r g a n i cc a r b o n ，s o i lw a t e rc o n t e n ta n d s o i lp r o p o r t i o ni nd if f e r e n tp l o t sa n dl a y e r sa r em o r eo b v i o u st h a nt h a to fc r o p l a n d t h e r ei sac o n s a n g u i n e o u sc o n n e c t i o nb e t w e e ns o i lo r g a n i cc a r b o na n ds o i lp r o p o r t i o n a n ds o i lw a t e rc o n t e n t s o i lo r g a n i cc a r b o na n dw a t e rc o n t e n td e c r e a s e d 、i t l ls o i ld e p t h i n c r e a s i n gw h i l et h es o i lp r o p o r t i o ni n c r e a s e d t h e r ei sn os i g n i f i c a n td i f f e r e n c ef o rt h i ss t u d yr e s u l t sc o m p a r e dt ot h a to fr e p r e s e n t a t i v e a r e a b u ti nt h et m r e p r e s e n t a t i v ea n ds u i t a b l el i t t o r a la r e a , s o i lo r g a n i cc a r b o ni ss y n t h e t i c a l l y i n f l u e n c e db yl o t so ff a c t o r s f u r t h e rs t u d yo nt h ei n f l u e n c i n gm e c h a n i s mo fs o i lo r g a n i c c a r b o no nt h em a i np h y s i c a lp r o p e r t i e si ss u g g e s t e d k e y w o r d s ：s o f to r g a n i cc a r b o n ；s o i lp a r t i c l e s i z ef r a c t i o n ；s o f tp r o p o r t i o n 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 1 1 1 研究背景 1 9 9 7 年通过的京都议定书将一个国家或地区的c 0 2 排放与其经济发展联系了 起来，并强调准确评估温室气体的排放和寻找减少c 0 2 排放或增汇的陆地生态系统管理 对策的重要性与紧迫性。它不但规定了工业化国家的温室气体减排指标，还引入了联合 履约、排放贸易和清洁发展机制( 统称为京都机制) ，允许各国造林、再造林、森林和农 田管理等不同植物过程引起的碳增汇用于抵消本国承诺的温室气体减排指标。为此，各 发达国家政府为了最大限度地争取国家利益，都在加大本国陆地生态系统碳汇源特征与 碳收支平衡的研究力度，探讨灵活运用京都议定书相应条款的国家政策和策略，寻 求各自的c 0 2 减排与增汇对策技术。所以，对陆地生态系统的碳汇源作用与评价是多 年来联合国气候变化框架公约和京都议定书谈判争论的焦点问题，也是少数发 达国家政府在谈判中保护本国利益的“科学武器”和推销“抵消排放或换取排放”的“科 学基础 ，谈判过程不仅是各国或各利益集团之间政治力量的较量，更是各自在陆地生 态系统碳循环、碳汇源格局与增汇减排等方面科学知识储备和技术实力的抗争i l j 。 作为发展中国家，中国不是京都全球气候变化大会上承诺控制c 0 2 排放的国家。但 面对波恩联合国气候变化框架公约第五次缔约方大会1 2 j 中只有少数发达国家表示出 愿意在本世纪末将温室效应气体排放量恢复到1 9 9 0 年水平的承诺，多数发达国家的温 室气体排放还在增加的现状，加上中国国民经济的快速持续发展，能源的大量消耗，中 国必将参与全球温室效应气体排放的国际谈判。在准备参加谈判时，中国土壤的固碳作 用不能忽视。因此，非常有必要总结国内外有关陆地生态系统类型转变与碳循环的研究 进展，探讨未来陆地生态系统碳循环，特别是中国陆地生态系统碳循环研究所面临的关 键及迫切需要解决的科学问题，为科学地管理陆地生态系统以减少c 0 2 排放、增加碳汇， 保证本国经济的持续发展及履行联合国气候变化框架公约提供思路与方法。 全球的碳储量大约为1 0 1 0 8 飚，其中约1 5 0 0p g 是以有机质形态储存于土壤中，全 球土壤有机碳库储量约为大气碳库( 7 5 0 p g ) 的2 倍。k a r l e n 研究表明p j ，土壤有机碳不仅 为植被生长提供碳源，而且在很大程度上影响着土壤结构的形成、土壤稳定性、土壤持 水性、土壤缓冲性和土壤生物多样性等。此外，由于土壤有机碳的库容巨大，其较小的 变幅即能导致大气c 0 2 浓度有较大的波动，因而其对大气质量的影响较大。据 i p c c ( i n t e r g o v e r n m e n t a lp a n e l0 1 1c l i m a t ec h a n g ) 报告表吲4 j ：c 0 2 浓度对全球变暖贡献率 为6 3 7 。1 9 9 7 年1 2 月1 1 日，为使2 l 世纪地球免受气候变暖的威胁，1 4 9 个国家和 大连交通大学理学硕士学位论文 地区的代表在日本东京召开了联合国气候变化框架公约缔约方第3 次会议，通过了 限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的京都议定书，其规定至2 0 1 0 年， 所有发达国家c 0 2 等6 种温室气体的排放量较1 9 9 0 年应减少5 2 。由于土壤有机碳库 的巨大库容和在陆地生态系统碳循环中的重要作用，无论是从维护生态环境，还是保护 土地资源、维持农业的可持续性发展，均需要人们对土壤有机碳库的变化及其关键控制 因子进行深刻的认识。 1 1 2 理论意义 全球变暖和大气c 0 2 浓度升高是当今最令人关心的环境问题之一。全球气温陡增致 使自古以来一直在缓慢调节的生物圈生态平衡被迫在短时间内做出适应，这就不可避免 地造成各微循环机制的许多环节表现异常。目前对于全球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加速土壤有机碳分解 向大气释放碳素，必将加剧温室效应的趋势。土壤是陆地生态系统的核心之一，土壤有 机碳库在陆地碳循环研究中有着重要意义。土壤圈和大气圈之间的碳循环正在受到越来 越多的干扰，自然因素和人为因素都会影响到土壤有机碳的储量，如毁林、燃烧生物和 化石燃料、气候变化和土地利用方式的改变等等，这些过程大多会加速向大气中排放 c 0 2 等温室气体，土壤有机碳库储量较小幅度的变化也能通过释放c 0 2 来影响温室效应。 并且会使1 9 9 0 - , - 2 1 0 0 年期间的全球表面温度平均增加1 4 。c 5 8 ，将对人类生存的地 球系统带来巨大的影响。比如，使海平面升高，继而导致对沿海地区的灾难性破坏等。 气候变化还可能对个别地区产生影响，如中纬度地区温度升高，半干旱区降雨进一步减 少，热带潮湿地区将可能酷热干燥，热带风暴将频繁加剧等1 5 j 。 土壤碳库是陆地生态系统贮量最大的碳库( 有机碳1 5 0 0 p g ，无机碳7 5 0 p g ) 1 1 1 ，是受 自然因素和人类活动影响较大的部分。其中土壤有机碳库是陆地生态系统碳库中的重要 组成部分，在全球、陆地及不同类型的生态系统碳循环过程中发挥着重要的作用。由于 土壤有机碳在陆地生态系统中的重要作用及其巨大的库容，需要人们对碳在各库之间的 储量与流动通量有更加细致的认识。目前在全球气候变化的背景下，对土壤有机碳储量、 分布、转化、衰减机理进行研究，并揭示其影响因素和生态效应，将有助于减缓土壤中 温室气体的排放、增加土壤碳截存，提高土壤质量，对退化土地的生态恢复及环境治理 和保护都具有重要的意义。 土壤碳库的组成十分复杂，它的微小变化都可以导致大气c 0 2 浓度的显著变化。对 大气碳库有巨大的反馈作用，正反馈表现为土壤有机碳通过氧化释放出c 0 2 使大气中的 c 0 2 浓度增加，加速全球变暖；负反馈表现为增加土壤中的有机碳贮量，使大气的c 0 2 浓度降低而减缓气候变暖。因此，土壤有机碳对全球碳平衡起着重要作用，被认为是影 响全球“温室效应”的主要因素。 2 第一章绪论 随着全球气候变化研究的深入，碳循环研究受到人们的普遍关注，成为当前全球气 候变化研究的三大热点之一。据估计【6 ，7 】全球土壤呼吸作用的碳流量为6 8 - 7 7 g t a ，是全 球碳循环中的一个主要流通途径。土壤有机碳量( 1 5 0 0 p g ) 约为陆地生物量碳( 6 2 0p g ) 的 2 4 倍。它的动态平衡不仅直接影响土壤肥力和作物产量，而且其固存与排放量对大气 中温室气体的含量和全球气候变化也有重要的影响。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。不合理的土地利用，会导致土壤有机碳释放到 大气中，从而导致大气c 0 2 浓度的增加，加剧全球变暖的趋势和与之有关的气候变化。 因此，土壤有机碳的动态及其控制过程的研究不仅是土地资源可持续利用的重要基础， 而且可以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。陆地生态系统碳 循环是全球碳循环的重要组成部分，在全球碳收支中占有十分重要的地位。而土壤是陆 地生态系统的核心，是连接大气圈、水圈、生物圈以及岩石圈的纽带，了解土壤碳循环 是研究陆地生态系统碳循环的重要前提。土壤碳库是陆地生态系统碳库中最大的贮库， 而且是其中非常活跃的部分。因土壤碳库比大气碳库有较大的贮藏量，在水分、温度和 人类活动等条件的综合影响下，土壤有机碳库既可能成为汇而贮藏碳，也可能成为源而 排放碳。土壤有机碳库储量的较小幅度变动，会以温室效应的加强或削弱来强烈地影响 地球气候系统。因此，对土壤有机碳含量的研究有助于正确评估土壤有机碳的变化方向 和速率，确切地预测气候变化以及制定应对气候变化的策略和措施具有重要意义。 1 1 3 现实意义 全球气候变化及其影响是当前人类面临的一个最大环境问题，大气c 0 2 浓度急剧增 加是这个问题的核心之一。追源和解决这个问题，准确确定陆地生态系统碳源、汇及土 地利用变化对陆地生态系统碳库的影响是关键环节。深入研究不同海洋气候条件下土壤 有机碳的变化特征和影响因素，对认识气候变化问题有现实意义。 鉴于土壤有机碳的巨大库容，其较小的变幅即能导致大气c 0 2 浓度有较大的波动， 因而其对气候变化影响巨大。适合人类居住的沿海丘陵地区，土壤有机碳受人类活动的 直接干扰，影响因素复杂，土壤有机碳的微小变化将直接影响大气温室气体的浓度，进 而对人类的生存环境构成威胁，因此对这一区域的土壤有机碳进行研究显得尤为迫切。 由于土壤有机碳的测定和分析工作比较繁琐，而土壤主要物理性状的测定工作相对简便 易行。在土壤的各种矿质元素中以氮、磷和钾对植物的生长发育影响最为显著，土壤中 氮、磷、钾素的供应水平直接影响着植物的生长、发育与繁殖策略。而土壤中氮、磷、 钾的供给能力取决于含氮、磷、钾的矿物在土壤中的形态以及土壤颗粒的大小，土壤有 机质含量是土壤肥力大小的一个重要标志，因此分析和研究土壤机械组成与土壤有机碳 大连交通大学理学硕士学位论文 之间的关系是十分必要的。本文选择适合人类居住的黄渤海丘陵地带具有较强可比性的 松树林、玉米田为研究对象，通过研究土壤有机碳与主要物理性状之间的关系，探讨不 同地域、不同海洋气候条件下土壤有机碳含量的特征，寻求和确定c 0 2 的“源”和“汇 ， 找到土壤有机碳的理想预测因子，简化土壤有机碳的测定分析工作，有助于深入理解土 壤有机碳的发生变化机制，正确评估全球碳循环，对准确预测气候变化以及制定应对气 候变化的策略和措施具有重要意义。 1 2 国内外研究现状与进展 1 2 1 国内研究现状与进展 国内土壤有机碳的研究，两次全国性的土壤普查，积累了大量土壤属性数据，对我 国土壤有机碳的含量及其空间分布和不同植物过程下各土类及不同农区主要土类的有 机碳储量都进行了统计。植物过程影响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，还没有充分认识到植物过程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c 0 2 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。 我国对土壤有机质的系统研究始于5 0 年代后，就有机矿质复合体【引、微团聚体【9 】和 有机质分解i lo j 等方面做了不同程度的研究。另外对有机质影响因素也有许多研究，如火 烧对不同林分土壤腐殖质和土壤肥力影响j 等。国内对温室效应方面的研究已经做了不 少工作，对植物过程变化影响土壤有机碳的研究也引起了关注，如土地植物利用变化对 草原生态系统土壤碳贮量的影响2 1 ，人类活动对锡林郭勒地区主要草原土壤有机碳分布 的影响i b j ，红壤丘陵区土地利用方式变更后土壤有机碳动态变化的模拟1 1 4 】，施肥对不同 碳形态及碳库管理指数的影响【l5 1 ，尖峰岭热带山地雨林碳素库及砍伐影响的初步研究 1 6 l ，卧龙自然保护区土地利用变化对土壤性质的影响1 1 7 j 等。同时许多学者对不同植物过 程影响土壤有机碳含量的程度进行研究。如：赵荣钦等l l 副研究发现，林地转化为草地， 表层土壤碳每年损失5 ，林地转化为耕地使最初的s o c 水平下降了5 0 , - - 7 0 。同时指 出森林转化为农业及随后的耕作活动是导致s o c 丧失的主要原因，这与吴建国等1 1 9 】人 的研究结果一致。田昆等1 2 0 j 研究发现阔叶林转化为耕地后，土壤有机质平均含量下降 8 7 1 2 。此外李家永、袁小华1 2 l j 也指出，受人类活动干扰强烈的农田土壤的有机碳远低 于林地系统，这与杨景成掣2 2 j 人观点一致。石培礼、于贵瑞1 2 3 1 在拉萨下游河谷研究发现 农田中营造人工林1 7 年后，0 1 0 c m 土壤有机碳增加了5 1 1 ，平均每年增加3 0 ；土 4 第一章绪论 壤剖面碳密度增加1 2 4k g m 五。贾松伟【2 4 j 指出，草地开垦为农田通常会导致土壤中有机 碳的大量释放。就全球碳平均而言，草地开垦成农田导致l m 深度土层的土壤碳损失 2 0 3 0 ，与森林被用作农田后l m 深度土层内的土壤碳损失相当，可见草地开垦成农 田与毁林一样对全球碳循环有着重要的影响。我国学者非常关注土壤碳循环的研究，并 在土壤有机碳库存量的研究方面取得了许多引人注目的成果。如陈庆强等1 25 。、汪业勖等 【2 6 1 、杨昕等2 7 1 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。金峰等【2 8 2 9 1 对土壤有机碳库存量进行了统计，张东辉掣3 0 】对土壤有机碳的转化与迁移进行了研究。 王淑平等对包括东北草甸草原、内蒙古高原草甸草原、典型草原、荒漠草原在内的i g b p 中国东北样带( n e c t ) 的研究表明p l j ：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，适宜的温度有利于土壤有机碳的积累，否则对有机碳的积累 具有负效应：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着重要 的影响，陈佐忠、王艳芬等【3 2 j 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 与土壤有机质含量的关系作了详细的分析。 1 2 2 国外研究现状与进展 国外对土壤有机碳的研究开始较早，土地利用及土地利用变化对土壤有机碳的影响 在2 0 世纪初引起了土壤学家和农学家的注意。s t e w a r t 和h i r s t ! 驯首先注意到耕作对土壤有 机碳影响；之后，s a l t e r 和g r e e n 圳也发现耕作将引起土壤有机质含量的下降；这些早期 的研究主要围绕土壤肥力方面展开的。至l j 2 0 世纪5 0 年代，随着对陆地生态系统研究的深 入，p l a s s 、r e v e l l e 和s u e s ( 3 5 , 3 6 j 注意到土地利用及土地利用变化对大气碳库的影响。 在2 0 世纪6 0 年代，国际上就有学者开始进行全球土壤有机碳的总库存量的研究。但 早期对土壤有机碳的估算大都是根据少数几个土壤剖面资料进行的。如1 9 5 1 年r u b e y i j ，j 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，推算全球土壤有机碳库存 量为7 1 0 p g 。1 9 7 6 年b o h n l 3 8 j 利用土壤分布图及相关- i - 组( s o i la s s o c i a t i o n ) 的有机碳含量， 估计出全球土壤有机碳库存量为2 9 4 6 p g 。这两个估计值成为当前对全球土壤有机碳库 估计的上下限。2 0 世纪8 0 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 间的相互关系的需要，统计方法开始被应用于土壤有机碳库的估算。如p o s t l 3 9 1 等在 h o l d r i d g e 生命带模型的基础上，估计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。p o s t 等根据2 6 9 6 个土壤剖面，建立了土壤碳密度与气候及植被分布之间 的关系图，并估计出全球l m 厚度的土壤有机碳库存量为1 3 9 5 p g 。 大连交通大学理学硕十学位论文 土地利用方式是影响陆地生态系统碳循环与碳蓄积最重要的因素。d e t 埘l e r 【4 0 】指出， 在森林采伐后开垦成牧场，土壤碳将减少2 0 ，种植农作物5 年使土壤碳减少4 0 。 s c h l e s i n g e r 发现森林采伐后实行农业垦殖，土壤碳减少2 1 。b r o w n 4 1 】等人的研究则表 明，森林采伐后转化为牧场，其土壤碳基本不变或有所增加。t u m e r 并f l k e l l y l 4 2 】比较了澳 大利亚辐射松和天然桉树林，发现针叶林有机碳含量比天然桉树林中高，而在有些情况 恰好相反或没有差异。 许多土壤学家应用化学方法不断研究提高土壤肥力和探索土壤形成及肥力本质的 同时，一些研究者又展开对土壤有机质周转的研究。部分学者 4 3 , 4 4 】认为老的、稳定的有 机质倾向于与粉粒部分结合，快速的部分倾向于在细的和粗的部分中结合。周转过程短 的新合成有机质和细沙砾、有机矿化离子结合【4 5 1 ，微生物起源的有机物大部分存在于细 粉粒中【删，稳定的草地中有机碳可能与铁和锰结合【4 7 1 。许多研究者认为土壤中有机碳组 分的稳定性与土壤中矿化颗粒和土壤结构有密切关系，这些颗粒包括了粉粒、粘粒和沙 砾部分，有机碳组分与这些颗粒部分结合程度不同及有机碳在土壤结构体中位置不同会 导致它们稳定性不同。 1 3 土壤有机碳概述 1 3 1 土壤有机碳 土壤有机质( s o i lo r g a n i cm a t t e r ，s o m ) 由一系列存在于土壤中、组成和结构不均一、 主要成分为碳和氮的有机化合物组成。土壤有机质的成分中既有化学结构单一、存在时 间只有几分钟的单糖或多糖，也有结构复杂、存在时间可达几百到几千年的腐殖质类物 质( h u m i cs u b s t a n c e ) ，既包括主要成分为纤维素、半纤维素的正在腐解的植物残体，也 包括与土壤矿质颗粒和团聚体结合的植物残体降解产物、根系分泌物和菌丝体【4 引。有机 质是土壤的重要组成部分，一方面土壤有机质含有植物生长所需要的各种营养元素，是 土壤微生物生命活动的能源，对土壤物理、化学和生物学性质有着深刻的影响；另一方 面，土壤有机质对重金属、农药等各种有机、无机污染物的行为都有显著的影响，而且 土壤有机质对全球碳平衡起着重要作用，被认为是全球“温室效应的主要因素。土壤 有机质中所含的碳为土壤有机碳( s o i lo r g a n i cc a r b o n ，s o c ) ，土壤有机碳不是一种单纯 的化合物，它包括植物、动物及微生物的遗体、排泄物、分泌物及其部分分解产物和土 壤腐殖质【4 9 1 。在通常的自然植被条件下，土壤有机碳【5 0 j 绝大部分直接来源于土壤中的植 物残体和根系分泌物，存在于土壤有机质中( 大约占5 2 5 8 ) ，决定着土壤有机质的各种 性质。有机质是土壤的重要组成部分，尽管只占土壤总重量的- - 4 , 部分，但由于它含有 植物生长所需要的各种营养元素，是土壤微生物生命活动的能源，也是最具活性的组分， 6 第一章绪论 所以对土壤物理、化学和生物学性质都有深刻的影响。土壤有机碳在很大程度上影响着 土壤结构的形成和稳定性、土壤的持水性能和植物营养的生物有效性以及土壤的缓冲性 能和土壤生物多样性，起着缓解和调节与土壤退化及土壤生产力有关的一系列土壤过 程，是反映土壤质量或土壤健康的一个重要指标，直接影响土壤肥力和作物产量的高低。 土壤有机碳不仅能稳定和改善土壤结构、减少土壤侵蚀、提高土壤生产力及农产品 质量，而且能为土壤生产力、土壤水文特性及以碳为基础的温室气体收支研究提供非常 重要的信息。土壤有机碳蓄积量是个动态平衡，是输入土壤的光合固碳速率与土壤有 机碳分解速率之间平衡的一个数学函数1 5 1 1 。不同的土地利用方式、土壤管理措施、土壤 自身的条件以及地表植被的光合利用率等均影响土壤有机碳库的动态平衡。土壤有机碳 动态平衡直接影响着土壤肥力的大小，进而影响土壤质量的优劣和作物产量的高低，土 壤有机碳的变化最终会影响土壤乃至整个陆地生态系统的可持续性。土壤理化性质、土 壤管理措施、土地利用方式等均影响土壤碳库的动态平衡。其中，土壤利用方式的转变 对大气碳库起着重要的调节作用，已经成为当前碳循环及气候变化问题研究的热点和难 点。对于整个地球生态系统而言，土壤有机碳循环是一个大而重要的系统，对土壤生产 力、农业生态的发展、全球气候变化均有较大的影响。因此，加强土壤有机碳的积累， 减少土壤有机碳损失及其在空气的滞留量，对提高土壤生产力、维护大气碳平衡、净化 空气有重要意义。 s o c 对土壤质量的效应表现在：s o c 影响土壤结构、根系深度、土层特性、有效水 分保持能力、土壤生物多样性等相互作用的土壤学特征【5 2 。e l l i o t l 5 3 】认为，土壤结构的退 化与土壤有机碳和氮的损失紧密相关，而有机无机复合体的形成使得土壤结构改善又是 土壤碳截存的重要机制1 5 2 1 。l a l 等1 5 2 j 认为，团聚体及其稳定性是土壤质量的敏感性物理 指标，大团聚体能合理调节土壤的通气与持水以及养分的释放与保持之间的矛盾，是植 物良好生产的物质基础，微团聚体的含量与组成又影响土壤的养分供应及酶活性 5 4 j 。研 究表明，团聚体的形成和稳定过程与根系残体的分解和土壤中的颗粒有机碳动态直接相 关【5 5 】；植物碎屑是大团聚体的核1 5 6 1 ，微团聚体中的无机物质和胶粒与s o c 紧密结合使团 聚体稳定性提高，又使s o c 得以保护：s o c 损失会破坏土壤团聚体形成及其稳定性，使 土壤易受水蚀和风蚀【57 。s o c 维持在适宜的水平可以降低土壤结壳和土壤容重，有助于 保持稳定的土壤p h 【5 8 1 。k a y t 5 9 1 定位研究表明，土壤总孔隙度随s o c 含量的增加而增加， 容重随s o c 含量增加而降低；s o c 含量与土壤有效水分保持能力也存在显著的正相关 1 6 0 l 。s o c 对环境的调节效应主要是由于其对水质量和大气气体组成的影响1 5 引。地下水和 地表水的质量与土壤结构、土壤对气候侵蚀力的抵抗能力以及通过土体的水分和溶质运 移高度相关1 5 引。s o m 提供了污染物被截获和吸收的表面，提高活性微生物群落对污染物 7 大连交通大学理学硕士学位论文 修复的能力，降低地下水污染；s o c 含量的提高对土壤结构的改善又能降低径流和侵蚀， 因而可以降低污染物在地表水中的运移；而s o c 含量很低的粗质地土壤，最易使地下水 受到污染1 6 。 土壤有机碳库是陆地生态系统碳库中的重要组成部分，在全球、陆地及不同类型的 生态系统碳循环过程中都发挥着重要的作用。土壤碳库是陆地生态系统贮量最大的碳库 部分，这些碳大部分分布在北半球冻原和北方森林生态系统中。以2 m 深的土层计，土 壤有机碳的贮量约为2 3 7 6 , - - 2 4 5 6 p g ，无机碳( 大部分是碳酸钙) 约为7 5 0 p g 6 2 1 。这个碳库 的组成十分复杂，它的微小变化都可以导致大气c 0 2 浓度的显著变化。土壤有机碳的含 量及其动态平衡也是反映土壤质量或土壤健康的一个重要指标，直接影响土壤肥力和作 物产量的高低【6 3 】。l a l 等【6 7 】研究表明，土壤有机碳在很大程度上影响着土壤结构的形 成和稳定性、土壤的持水性能和植物营养的生物有效性以及土壤的缓冲性能和土壤生物 多样性等，缓解和调节与土壤退化及土壤生产力有关的一系列土壤过程。由于土壤有机 碳在陆地生态系统中的重要作用及其巨大的库容，无论是研究地球各圈层物质循环以维 持生态环境，还是为保护珍贵的土壤资源以维持农业经济的可持续发展，都需要人们对 碳在各库之间的储量与流动通量有清晰的认识。目前在全球变化的背景下，对土壤有机 碳储量、分布、转化和衰减机理进行研究，并揭示其影响因素和生态效应，将有助于探 求如何科学地利用和保护有限的土壤资源，减缓土壤中温室气体排放、增加土壤碳截存， 提高土壤质量，对退化土地的生态恢复及环境治理和保护等都有重要的意义。因此，自 2 0 世纪8 0 年代以来土壤有机碳的储量、分布及其转化日益成为全球陆地碳循环研究的 热点。 1 3 2 土壤有机碳的动态影响因素 ( 1 ) 自然因素 自然因素在不同程度上影响着土壤有机碳的贮量、动态和分布。主要有两方面：一 是自然干扰对土壤有机碳的影响，包括火及土地退化、气候变化等，另一方面是碳和其 它土壤因子之间的相互关系，包括湿度、温度、氧气及营养元素、植被、海拔和经纬度 世 亍o a 土壤和土壤有机碳储量是在长期气候条件下形成的，土壤有机碳储量的空间分 布的差异本身就反映了气候因子的空间差异。因此，气候因子与土壤有机碳储量之间的 相关性的研究可以辅助评价气候变化后土壤有机碳储量的长期变化趋势及其区域差异。 气候控制着土壤的形成方向及土壤表层的有机碳含量，制约着土壤的形成过程。气候通 过影响植物活体、淋溶速率等改变土壤有机碳的性质和分布。空气温度和湿度是气候要 第一章绪论 素中对土壤有机碳影响的主要因素，对土壤呼吸和残体分解有较大的影响。在气候要素 中，大气c 0 2 浓度通过影响植物生长对土壤有机碳产生效应。b 土壤质地对土壤有机碳 的影响主要表现在对有机碳的稳定性，周转过程和分解过程的影响，也通过影响其它的 环境要素影响有机碳的性质，如对土壤结构、土壤养分的影响而影响植物生长和凋落物 化学组成，进一步影响土壤有机碳组分和贮量。c 地形和地貌通过改变其环境因素而改 变土壤碳的变化，如不同坡向中土壤有机碳的贮量及影响分解的温度和湿度的差异较 大，植被组成及土壤层次的厚度也随着土壤剖面而存在一定的差异。地形也通过影响侵 蚀及沉积以及改变小气候而影响土壤有机碳的动态和分布。d 植被是影响土壤碳贮量和 性质的重要因素，不同的植被组成和植被性质影响土壤有机碳的组成和贮量。森林、草 地和农田作物是影响土壤碳分布的主要因素，植被通过改变凋落物数量、质量及环境条 件影响土壤有机碳的组成、质量和稳定性。e 土壤本身的化学性质、地质灾害、地震、 洪水、农作物灾害、森林及草地的灾害、气象灾害、海洋灾害以及生物入侵对土壤有机 碳贮量、组分和动态都产生一定的影响，既有直接的效应，也有间接的效应。 ( 2 ) 植物过程 不同植物过程主要包括森林与草地、森林与农田、草地与农田这些植物生长方式之 间的互相转变。植物过程不同，有机物进入土壤的量不同，进入的方式也各异，从而土 壤有机碳的分布状况也有很大差异。森林植被下，进入土壤的有机物质主要是地表的凋 落物，一般在地表就已分解；而草原土壤有机碳的主要来源是残根，在土中较深，分解 速率较小；对于耕作土壤，由于作物秸秆在收获时移出，碳密度较森林和草原土壤都低。 土壤有机碳在植物过程的影响下，可以作为大气c 0 2 的“源”或“汇 。植物过程影响 有机碳的机理之一就是对有机碳动态的改变。目前对这种影响的过程已经有一些认识， 如j a n z e n 等【6 8 】认为植物过程影响有机碳主要是改变了进入到土壤中的碳的数量，土壤 中有机碳的分解率，有机碳库的大小及组分中碳的分配。j a n z e n 等【6 9 】指出植物过程变化 后土壤有机碳最终会达到一种新平衡状态，这种平衡使有机碳含量不会积累很高，也不 会无限的降低。这些机理过程的提出一定程度加深了对植物过程影响有机碳的本质认 识，但是这些解释还是一些定性和半假设的，还需要通过广泛的实验来确定和量化。同 时这些研究和评论肯定了植物过程对土壤有机碳的巨大影响，并指出了植物过程影响有 机碳的复杂性。由于植物过程变化往往包括大规模毁林、燃烧和大面积开垦等活动，其 结果是植被覆盖景观的巨大变化。就植物过程影响土壤有机碳的问题，国外已有许多学 者在全球或区域尺度上进行了植物过程对土壤有机碳影响的量化评价。如b r o w n 等1 7 u j 对热带森林植物过程影响土壤有机碳做了评述；j o h n s o n 掣7 1 】分析了森林管理和c 0 2 升 9 大连交通大学理学硕士学位论文 高对土壤有机碳影响；l a l 等1 7 2 j 综述了植物过程对土壤碳库的影响，并根据不同生物区植 物过程引起的土壤有机碳排放量估计在4 7 1 0 4 p g 碳( 平均在7 5p g 碳) 【7 3 】等。 ( 3 ) 环境因子 环境因素制约着微生物对土壤有机碳分解的影响。温度和水分等因子影响着微生物 的活性，进而影响土壤有机碳的分解，是影响土壤碳汇的两个重要因子。土壤有机碳的 汇集存在一定趋势，即从温带地区到热带地区其汇集速度加快。热带地区森林恢复以后， 土壤碳很快达到砍伐前的水平。温度和湿度的增加使土壤有机质的输入量增加，是产生 这一趋势的主要原因之一。其中，土壤水分是影响土壤空气c 0 2 浓度的重要环境因素 1 7 4 , 7 5 ，它一方面通过影响作物生长和微生物活性而影响土壤c 0 2 产生，另一方面也影响 c 0 2 在土壤中扩散及其向大气排放。土壤水分是有机质分解主要影响因素。有研究指出 土壤湿度是生态系统中最重要的、决定碳平衡与固定的影响因子i 7 6 1 ，是影响有机碳分解 周转的主要因素，湿度的升高显著促进有机碳损失。土壤质地对土壤有机碳的影响，是 通过土壤结构的变化表现出来，土壤结构影响土壤孔隙从而影响有机物分解者保持土壤 水分的能力。李明峰等【77 j 通过对内蒙古草原的土壤碳研究发现，降水量和干燥度是影响 土壤有机碳分布的重要因子。另外，升高温度会促进土壤c 0 2 的释放。水分和温度在土 壤有机质转化过程中起着多方面的作用，作为主要的气候因子，它们共同影响植被特征， 影响作为土壤有机质主要来源的植物残体的数量和性质，同时水热条件在很大程度上也 决定着微生物的生物量及其活动。其中，温度特别是地温对有机物分解影响更大，一般 与之呈显著正相关。而水分的影响则比较复杂，往往不如温度直接、明显1 7 引。 ( 4 ) 土地利用变化 土地利用变化包括森林与农田、森林与草地、草地与农田、原始林与次生林互变、 其它土地利用变化等不同土地利用方式之间的互相转变。土地利用变化对土壤有机碳的 影响包括对土壤有机碳的贮量、组分、动态、影响因素和残留物的影响等。 土地利用变化影响有机碳的机理之一是对有机碳动态的改变。土地利用变化影响有 机碳主要是改变了进入到土壤中有机碳的数量、土壤中有机碳的分解率、有机碳库大小 及组分中碳的分配。土地利用变化影响土壤有机碳的机制还包括土壤有机碳输入、组分 的改变和环境条件改变，体现在土壤有机碳数量和质量、生物多样性和环境条件、残留 过程及有机碳稳定过程的影响方面。 森林采伐或破坏后进行耕作变成农田对土壤有机碳有较大的影响【_ 7 9 j 。l a l 等总结森 林变成农田通常导致4 0 - - 5 0 有机碳流失；j o l i v e t 等研究发现温带森林变成麦田后表 层3 0 c m 的土壤中有机碳少于森林；d e t w i l e r 总结发现森林变成草地之后有机碳平均降 低2 0 ；g r e g o r o c h 等研究发现在耕作土壤中有机碳含量通常比邻近的森林土壤中低， l o 第一章绪论 但在采用管理措施后土壤有机碳又会增加。b a t j e s 总结农田耕作减少有机碳含量的原因 是由于机械清除导致表层土壤有机碳的输入减少、团聚体破坏、有机碳的氧化增加和同 土壤生物的接触增加。 农田造林后对土壤有机碳的贮量、组分、动态和残留等方面都有显著的影响l m 。 j e n k i n s o n 研究发现在农田中造林土壤有机碳含量显著增加：r i c h t e r 等发现在美国卡罗 林纳农田中造林后，土壤有机碳增加只有1 ，主要是积累了生物量和林褥中碳，认为 尽管有机碳输入量比较高，但土壤碳吸收却比较低。 施用有机肥和矿质肥料，由于促进了植物的生长和生物量的积累，因此通过凋落物 和根系活动归还到土壤的有机碳数量增大，有利于土壤有机碳含量的增加；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加快。施用无机和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施无 机肥、有机肥和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。所以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，分析大量施用化肥产生的土壤板结和环境污染等问题，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。 草地中造林后土壤有机碳贮量总体呈下降趋势。p o l g l a s e 等总结发现草地中造林有 机碳下降，而且在造林后1 0 年之内变化的速度比l o 年之后大。w a n g 和a m u n d s o n 研 究发现天然草地变成农田以后，主要流失有机碳是表层的3 0 c m 部分，在3 0 c m 以下草 地和农田没有差异，在2 2 年农田中有机碳降低2 2