土壤碳循环在全球碳循环中的地位与作用

1、土壤碳循环在全球碳循环中的地位与作用,-梁健彬梁小燕宋冬菊黄健聪徐嘉欣潘嘉敏,1,1.全球碳循环,1.1全球碳循环,2,1.2全球碳循环模式示意图,自然界碳循环的基本过程如下：大气中的二氧化碳（CO2）被陆地和海洋中的植物吸收,然后通过生物或地质过程以及人类活动，又以二氧化碳的形式返回大气中。,3,1.3全球碳循环主要源和汇,4,2.土壤碳,2.1土壤碳的分布及含量一些主要的热带土壤,如变性土、铁铝土和淋溶土上层1m内的有机碳含量,分别占2m深度范围总有机碳量的53%、69%和82%。,各类土壤中有机碳和无机碳含量比较,5,2.2土壤有机碳稳定性分类根据土壤有机碳的稳定性，我们把它分为三类：快

2、，慢和顽固。“快”的稳定性最差，碳循环的速度最快，一般不到一年的时间，参与这类循环的主要有部分分解有机物和微生物。“慢”的循环速度处于中间，一般需要10到100年的时间，参与这部分循环的主要有腐殖质。“顽固”循环的时间最慢，一般需要几千年或以上，参与这部分循环的主要是木炭，它可以在土壤中停留非常长的一段时间。,6,3.1土壤碳的储存,A.植物及其根系的凋落，通过同化作用使碳储存在土壤有机碳中；B.土壤吸收大气中的CO2，主要有两种形式：,3.土壤中碳循环过程,a、土壤地球化学系统对CO2的吸收（高pH值、富钙化地球化学环境下，SOCCO2HCO3；干旱、半干旱地区碱性、富钙化地球化学环境下，S

3、OCCO2HCO3CaCO3）；b、土壤有机碳积累，即土壤碳饱和容量的实现。,7,A.土壤有机碳中的部分分解有机物和土壤微生物在短时间内通过分解作用释放出CO2；B.土壤中的腐殖质经过10到100年得时间分解释放出CO2；C.土壤中的木炭经过上千年的时间被侵蚀溶解，释放出CO2；D.以上三个过程释放出的CO2将会通过土壤的呼吸作用释放到大气中。E.在湿润气候条件下，通过土壤水系统的移动以DOC形式和HCO3形式向海洋沉积系统迁移；在干旱、半干旱条件下沉淀成为土壤无机碳酸盐（SIC）；F.植物根系生长过程中吸收土壤中的碳。,3.2土壤碳的输出,8,3.3土壤碳循环途径图解在干或湿环境下沉积的各种

4、地上及地下掉落物，通过三种途径参与土壤碳循环：a、直接成矿；b、植物根系的腐殖质通过腐殖化作用成矿（这个过程比上一个成矿过程要缓慢得多）；上述两个过程形成的矿物释放出的CO2，通过土壤的呼吸作用释放到大气中；c、在厌氧环境中通过分解作用释放出CH4，排放到大气中。植物的根系呼吸释放的CO2，也属于土壤碳循环的一部分。通过淋溶侵蚀作用，碳被固定在土壤中。植物吸收土壤中的碳，通过呼吸作用释放CO2到大气中。另外，森林火灾也能把土壤中的碳带到大气中去。,9,4.土壤碳循环在全球碳循环中与各圈层联系及其地位,4.1土壤碳循环与大气圈,4.2土壤碳循环与生物圈,4.3土壤碳循环与水圈,4.4土壤碳循环与

5、岩石圈,4.5土壤碳循环与人类圈,土壤是陆地表层系统参与全球碳循环和影响全球变化的主要碳储库，土壤有机碳问题在全球变化研究中具有重要战略意义。,4.6土壤碳循环在全球碳循环中的地位和意义,10,a.土壤活性有机碳是微生物生长的速效基质，其含量高低直接影响土壤微生物的活性。从而影响温室气体的排放。例如，土壤甲烷细菌、甲氧化菌、氨化细菌、硝化、反硝化细菌的迅速生长直接影响CO、CH4、N2O的产生、排放。b.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。,4.1土壤碳循环与大气圈,土壤碳循环与各圈层,由上图可以看

6、出,土壤呼吸即使发生较小的变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。,11,4.2土壤碳循环与生物圈,土壤碳循环与各圈层,a.植物通过光合作用吸收和固定大气中的碳素,通过根系吸收土壤中的养分,动物通过生物链把碳素从植物身上吸收，这时碳素进入生物圈成为植物生命活动的基础。,b.植物以凋落物形式和动物尸体分解每年向土壤归还大量的养分和有机质。凋落物和枯枝落叶层不但是土壤碳的主要来源,而且覆盖地表,有效地阻滞土壤碳流失。,两个过程构成了土壤圈与生物圈之间的碳素循环。,12,4.3土壤碳循

7、环与水圈（土壤溶液）,土壤碳循环与各圈层,a.陆地表面的岩石、土壤与生物等经过各种自然营力,产生大量的有机与无机碳,以及河流自生的有机碳,经由河流进入海洋。大量土壤有机质被淋溶、冲刷进入河湖、汇入海洋,工业废物排放、富营养化和酸雨等现代环境问题都会影响河流碳通量,并且在很大程度上是加强了河流碳通量,使得淡水和近海成为附加的碳汇,b.土壤可溶性有机碳对污染物起着迁移载体的作用，是促进许多污染物向地表水体或地下水体迁移的重要因素。在含水多孔介质和地下含水层中，对重金属淋溶的促进作用尤其明显。c.碳可以转换为有机碳和无机的碳酸盐类(CaCO3),沉积在岩层中,而海洋中的海水化学性质,酸碱值和碱度则控

8、制著海底碳酸盐类的埋积与溶解。,13,4.4土壤碳循环与岩石圈（土壤矿物）,土壤碳循环与各圈层,a.在岩石圈中，全球碳酸盐岩分布面积2200万km，约占陆地面积的15%，土壤层是比较关键和特殊的环节,土壤库中CO2含量的高低直接影响表层岩溶带岩溶作用的发生。,b.非晶质矿物对碳的固定影响营养元素的可利用性以及表层土中易变土壤底质的分解,从而直接影响土壤植被碳循环。在景观以及长时间尺度上,土壤有机质的数量与更新的最大变化可归因于土壤深部惰性碳的变化,而惰性碳库受土壤矿物控制。土壤矿物作为气候、母质以及土壤发育阶段的函数而变化,是可预测的,因此,对矿物如何影响土壤碳动态的研究可大大提高我们对土壤在

9、全球碳循环中作用的理解。,14,4.5土壤碳循环与人类圈,土壤碳循环与各圈层,a.土壤碳循环研究是确定陆地生态系统对全球变化响应时间、方式及规模的有效方法,是认识农、林生态系统生产潜力的重要手段。,b.人类活动引起的碳循环紊乱导致大气中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。,c.日益加强的土地利用加速了土壤的碳呼吸,动植物残体和有机质分解增强,土壤贮存的碳大幅度减少,通过水土、大气输出而成为重要的碳源。,15,4.6土壤碳循环在全球碳循环中的地位和意义,a.土壤有机

10、碳储量大。研究者估算陆地土壤碳储量约为1200-2500Pg，是大气碳库2倍，陆地生物量2-3倍。b.土壤碳库活跃度大。有学者研究认为土壤有机碳库变化0.1%将导致大气圈二氧化碳浓度1mg/L（毫克/升）的变化，全球土壤有机碳10%转化为二氧化碳，其数量将超过30年来人类二氧化碳总量排放。c.土壤固碳潜力大。研究表明，土壤存在巨大碳容量和天然固碳作用是减缓碳释放可选择的最为经济有效途径之一。可以说，土壤碳库是地球系统处于活跃状态的最大碳汇，也是温室气体的主要碳源。,16,5.总结,土壤碳循环在全球碳循环中担当主要角色，其与地球上各圈层的联系也密不可分，与其他圈层的碳循环过程构成一个有机统一的整体，共同形成全球碳循环的复杂模式。由于土壤有机碳贮量的巨大库容，其较小幅度的变化就可能影响到碳向大气的排放，以温室效应影响全球气候变化，同时也影响到陆地植被的养分