1、第一节第一节 土壤中的碳与环境质量土壤中的碳与环境质量一、土壤有机碳库一、土壤有机碳库二、土壤碳的形态与活性二、土壤碳的形态与活性三、土壤有机碳的分解与转化三、土壤有机碳的分解与转化四、土壤碳库与甲烷四、土壤碳库与甲烷五、全球气候变化对土壤碳循环的影响五、全球气候变化对土壤碳循环的影响一、土壤有机碳库一、土壤有机碳库 土壤有机碳库土壤有机碳库(SOCP)是指全球土壤中有机碳的总量。植是指全球土壤中有机碳的总量。植物通过光合作用固定的大气中的碳素物通过光合作用固定的大气中的碳素,一部分以有机质的形一部分以有机质的形式贮存于土壤中。式贮存于土壤中。不同学者选用的数据和取的不同学者选用的数据和取的土
2、层深度土层深度不同不同,对对SOCP的估的估算值不同算值不同,有的估算值为有的估算值为30005000Pg,有的估算值为有的估算值为2500Pg或或7003000Pg、12001600Pg;有的对有的对1m土层内的估算值土层内的估算值为为1555Pg。但其范围可能是。但其范围可能是12001600Pg,为陆地植物碳库为陆地植物碳库的的23倍、全球大气碳库的倍、全球大气碳库的2倍。倍。陆地生态系统中的土壤碳库陆地生态系统中的土壤碳库,以森林土壤中的碳为最多以森林土壤中的碳为最多,占全球土壤有机碳的占全球土壤有机碳的73%;其次是草原土壤的碳其次是草原土壤的碳,占全球土壤占全球土壤有机碳的有机碳的
3、20%左右。粗略地估计我国的左右。粗略地估计我国的SOCP为为185.7Pg碳碳,约占全球土壤总碳量的约占全球土壤总碳量的12.5%。不同生态系统土壤中的有机碳贮量不同生态系统土壤中的有机碳贮量植被类型植被类型面积面积有机碳贮量有机碳贮量106hm2%Gt C%热带森林154012.7184.513.2温带森林12009.9104.37.5极地森林11109.1181.913.0热带疏林及稀树草原240019.8129.69.3温带疏林草原4804.0149.310.7沙漠214017.6846.0冻土苔原8807.2191.813.8耕地212017.4167.512.0湿地2802.320
4、2.414.5总计121501395.3（一）土壤有机碳库（一）土壤有机碳库（SOCP）的重要性）的重要性1对环境的影响对环境的影响 全球碳平衡及碳循环全球碳平衡及碳循环 （温室气体除一氧化二氮外均与之有关）（温室气体除一氧化二氮外均与之有关）生物地球化学碳循环中周转速度最慢生物地球化学碳循环中周转速度最慢 甲烷甲烷和和二氧化碳二氧化碳增加而使气候变暖增加而使气候变暖 在水循环过程中作用决定陆地河流向海洋输出在水循环过程中作用决定陆地河流向海洋输出碳的形式和通量碳的形式和通量1800年大气年大气CO2为为280ml/m3（IPCC，1990）；）；1959年年在美国夏威夷在美国夏威夷Mauna
5、 Loa长长期检测站大气期检测站大气CO2为为315ml/m3，此后持续增加，此后持续增加，平均每年升高平均每年升高1.5ml/m3（IPCC，1995）。）。2对土壤性质的影响对土壤性质的影响 土壤中各种有机化合物影响黏粒矿物组合土壤中各种有机化合物影响黏粒矿物组合土壤土壤 聚集状态聚集状态离子移动离子移动土壤持水性土壤持水性通气量和盐基通气量和盐基 交换等各种性质交换等各种性质3对土壤氮对土壤氮 硫和磷循环的影响硫和磷循环的影响 土壤碳循环是土壤氮土壤碳循环是土壤氮硫和磷循环的驱动因子，硫和磷循环的驱动因子，只有在适于土壤有机碳积累条件下才会增多。另外，只有在适于土壤有机碳积累条件下才会增
6、多。另外，土壤有机碳的矿化将伴随着有机氮和碳键硫的矿化。土壤有机碳的矿化将伴随着有机氮和碳键硫的矿化。（二）（二）土壤有机碳储存及分布土壤有机碳储存及分布1、土壤有机碳储量及分布、土壤有机碳储量及分布 碳库名称碳库名称代号代号碳贮量碳贮量/Pg说明说明土壤碳库土壤碳库SCP33001米土层米土层大气碳库大气碳库ACP740生物碳库生物碳库BCP420830陆地植物陆地植物岩石碳库岩石碳库LCP210*107煤、石油、沉积物）煤、石油、沉积物）至至16公里深公里深水域碳库水域碳库HCP7501050不含深海溶质碳不含深海溶质碳全球土壤中有机碳贮量全球土壤中有机碳贮量土纲土纲面积面积有机碳贮量有机
7、碳贮量103hm2%GtC%有机土有机土17451.335722.7始成土始成土2158016.035222.3新成土新成土1492111.01489.4淋溶土淋溶土1828313.51278.1氧化土氧化土117728.71197.6干旱土干旱土3174323.51107.0老成土老成土113308.41056.7火山灰土火山灰土25521.9784.9软土软土54804.1724.6灰土灰土48783.6714.5变性土变性土32872.4191.2其他土壤其他土壤76445.7181.1总计总计13521515762、土壤有机碳密度、土壤有机碳密度 土壤有机碳密度是指单位面积（土壤有机碳
8、密度是指单位面积（1m2或或1hm2）中一定厚度的）中一定厚度的土层中有机碳数量。一般情况下，指的是上部土层中有机碳数量。一般情况下，指的是上部1米的土层，米的土层，因此，有机碳密度的单位常用因此，有机碳密度的单位常用kg C/m2或或kg C/hm2表示表示 土壤的有机碳量是以植物残体形式进入土壤中有机物质的量土壤的有机碳量是以植物残体形式进入土壤中有机物质的量与通过异氧呼吸为主要途径的有机物质损失量之间平衡结果。与通过异氧呼吸为主要途径的有机物质损失量之间平衡结果。在一定地区，植物生物量和残落物量在很大程度上受植被类在一定地区，植物生物量和残落物量在很大程度上受植被类型及其生产力的制约，土
9、壤有机碳密度或浓度大小与型及其生产力的制约，土壤有机碳密度或浓度大小与气候条气候条件件如温度和水分密切相关，而在全球尺度上的土壤碳密度分如温度和水分密切相关，而在全球尺度上的土壤碳密度分布也应与各地区的气候特征密切关联。布也应与各地区的气候特征密切关联。全球的一些植被带碳密度全球的一些植被带碳密度中国一些土壤有机碳估算中国一些土壤有机碳估算二、土壤碳的形态与活性二、土壤碳的形态与活性（一）土壤碳的形态（一）土壤碳的形态（1）土壤有机碳的固体形态）土壤有机碳的固体形态 以以粗有机质粗有机质和和有机质有机质-土壤矿物质土壤矿物质结合的细颗粒态两类。不同土壤中有机碳结合的细颗粒态两类。不同土壤中有机
10、碳的存在形态及比例不同。一般以国际制土壤颗粒分类区分土壤微团聚体，并以的存在形态及比例不同。一般以国际制土壤颗粒分类区分土壤微团聚体，并以重液来区分出与细土土壤紧密结合的重组结合态有机碳和团聚与较粗颗粒的轻重液来区分出与细土土壤紧密结合的重组结合态有机碳和团聚与较粗颗粒的轻组有机碳。组有机碳。轻组有机碳认为是土壤中未和矿物结合的游离有机物质，是土壤中易分解的轻组有机碳认为是土壤中未和矿物结合的游离有机物质，是土壤中易分解的碳库。碳库。重组有机碳是与矿物结合形成有机无机复合体的有机碳，由于受土壤矿物的重组有机碳是与矿物结合形成有机无机复合体的有机碳，由于受土壤矿物的保护，所以是土壤中分解较慢的碳
11、库。保护，所以是土壤中分解较慢的碳库。轻组有机碳对种植制度耕作方式轻组有机碳对种植制度耕作方式 施肥措施和土地利用以及气候变化的影响施肥措施和土地利用以及气候变化的影响比土壤总有机碳更为敏感，是反映土壤质量变化的一个敏感指标。比土壤总有机碳更为敏感，是反映土壤质量变化的一个敏感指标。而重组有机碳具有转化慢，而重组有机碳具有转化慢，C/N值低等特点，该组分对土壤肥力的保持以及值低等特点，该组分对土壤肥力的保持以及土壤碳的固持具有重要意义。土壤碳的固持具有重要意义。（2）微生物碳（C mic)是活跃的移动性碳库，通常用氯仿-K2SO4分散提取法测得。土壤微生物碳不仅因土壤类型不同而异，而且土壤微生
12、物碳量明显的随着生物生长季节和耕作制度的变化而变化。如单种 复种 套种 轮作等等。（3）土壤有机碳的溶解态 DOC是指能溶解于水中的有机碳，它是陆地水系统中的重要要物质。一般采用野外土壤溶液样品直接经TOC仪测定而得到，亦可用热水浸提测定。因植物生长期以及季节变化而异。（二）土壤碳的活性（二）土壤碳的活性定义：土壤碳有效性的高低，为微生物分解与土壤碳有效性的高低，为微生物分解与利用的难易程度和可为植物直接利用的营养利用的难易程度和可为植物直接利用的营养元素的多寡。元素的多寡。通常所说的土壤活性有机碳是在一定时空条通常所说的土壤活性有机碳是在一定时空条件下受植物微生物影响强烈，具有一定溶解性，件
13、下受植物微生物影响强烈，具有一定溶解性，且在土壤中移动较快且在土壤中移动较快 不稳定易氧化易分解和易矿不稳定易氧化易分解和易矿化，其形态空间位置对植物和微生物有较高活性化，其形态空间位置对植物和微生物有较高活性的那部分土壤碳素。的那部分土壤碳素。三、土壤有机碳的分解转化三、土壤有机碳的分解转化 （一）土壤有机质各组分的转化（一）土壤有机质各组分的转化（1）动植物残体的转化（2）微生物生物量（3）腐殖质组分（胡敏素 胡敏酸 富啡酸）碳循环碳循环地球表层系统碳库与碳循环地球表层系统碳库与碳循环(1Pg=1015g)(二）影响土壤有机碳分解的因素二）影响土壤有机碳分解的因素1、外源有机物的化学组成
14、进入土壤中的有机物的化学成分不同，其分解速率也各异。一般而言，幼嫩的和木质素含量低的植物残体分解快。Herman等认为：稻草的多种化学组成都会影响其分解，CO2释放量=碳水化合物%/（稻草C/N*木质素%）林心雄等研究了13种植物残体在苏南地区的分解速率与植物化学组成的关系，结果表明植物残体分解后的残留C量与其木质素百分含量、木质素百分含量与（苯醇溶解物+水溶性物+碳水化合物）百分含量的比值呈显著正相关，但与C/N比及水溶性物含量无关。2、土壤水热条件土壤水热条件 土壤微生物的最佳土壤水分张力范围在-20-50Pa之间。Pal等发现实验期间保持60%的田间持水量时稻草的分解最快。降雨影响了土壤
15、水分条件。Amato等发现豆科植物的地上部的分解速率与降雨量呈显著正相关，而根的相关性不显著；小麦秆在前10周的分解中其分解速率与降雨量呈显著的正相关，10周后，正相关性下降。3、土壤温度土壤温度 土壤微生物的最佳温度是35摄氏度，Ladd等研究澳大利亚南部豆科植物的分解与英国南部和尼日利亚黑麦草的分解，发现每增加89摄氏度，土壤中植物物质的分解速率提高1倍。在封丘、无锡和莆田3地,随着年均温(13.9,15.4,20.2)和降雨量(616,1070,1286)的提高,水田条件下稻草和稻根分解3年后的残留碳量均降低,在旱地条件下稻草的残留碳量降低,而稻根的残留碳量反而增加。在分解的前2年中,气
16、候条件对有机物质分解的影响并没有显现出来,说明土壤条件和有机物质的组成对有机物质分解的影响可以掩盖气候条件的影响。4、土壤质地土壤质地 粘粒可以固定有机物质的微生物分解产物和催化腐殖质的形成,因此土壤中粘粒矿物类型和粘粒含量都影响有机物质的分解。田间试验结果表明田间试验结果表明,在粘粒含量分别为在粘粒含量分别为10.4%,26.5%和和41.8%的红壤中的红壤中,随随着粘粒着粘粒(0.002)含量的增加含量的增加,14-稻草分解速率降低稻草分解速率降低,1年后的残留年后的残留14量分量分别为别为18.0%,25.2%和和28.1%;2年后的分别为年后的分别为12.0%,19.7%和和22.6%
17、。这说明土壤中粘粒对有机质也有较大保护作用,质地越粘,粘粒及粉砂粒表面有机碳的饱和程度越低,剩余的能为微生物代谢产物结合位置也越少,粘粒及粉砂粒所起的保护作用就越弱。另一方面也说明,土壤的粘粒部分在有机质的中期转化过程中起着重要的作用,而粉砂粒则在有机质的长期转化过程中起着重要作用。5、土壤土壤pH和碳酸钙含量和碳酸钙含量 土壤pH影响了微生物的生长,在酸性土壤中微生物种类受到限制,以真菌为主,从而减慢了有机物质的分解。在广州的红壤性水稻土和无锡的水稻土中,8种植物残体中除了水葫芦外分解1年后的残留碳量并没有明显差异,其残留碳量分别为(30.43.4)%和(30.13.9)%.但是两地的年均温
18、相差6.4,因此红壤性水稻土中较低的pH是导致分解减慢的原因。土壤中的游离碳酸钙影响了土壤团聚体状况及土壤,通常促进了植物物质的分解。含有大量游离CaCO3的潮土,实验室恒温培育试验结果没有显示出土壤质地对有机物质分解的影响。这可能是由于潮土中大量CaCO3的存在改变了土壤的结构,同时掩蔽了部分粘粒表面的吸附位,从而掩盖了土壤质地的影响。但是在利用盐酸除去潮土中CaCO3后,土壤质地对有机物质分解的影响显现出来,随着土壤粘粒含量的提高,14-黄花苜蓿分解1年后的残留碳量增加,而分解速率降低。四、土壤碳库与甲烷四、土壤碳库与甲烷（一）温室效应与土壤中的甲烷（一）温室效应与土壤中的甲烷 自然温室效
19、应的增强：人类活动特别是燃烧化石燃料自然温室效应的增强：人类活动特别是燃烧化石燃料和毁坏森林，导致大气中温室气体含量不断增多，从而使和毁坏森林，导致大气中温室气体含量不断增多，从而使温室效应加剧，引起全球气候变暖，其中以甲烷最为突出。温室效应加剧，引起全球气候变暖，其中以甲烷最为突出。土壤中甲烷产生主要取决与：一是厌氧条件，即丰的土壤中甲烷产生主要取决与：一是厌氧条件，即丰的水源；二是碳源，即丰富有机质。淹水土壤中甲烷的产生水源；二是碳源，即丰富有机质。淹水土壤中甲烷的产生是一个生物化学过程。主要有两条途径：一是在专性矿质是一个生物化学过程。主要有两条途径：一是在专性矿质化学营养产甲烷菌的参与
20、下，以氢气或有机分子作氢供体化学营养产甲烷菌的参与下，以氢气或有机分子作氢供体还原二氧化碳或直接利用甲酸和一氧化碳形成甲烷。二是还原二氧化碳或直接利用甲酸和一氧化碳形成甲烷。二是在甲基营养产甲烷菌的参与下，对含甲基化合物（主要是在甲基营养产甲烷菌的参与下，对含甲基化合物（主要是乙酸）的脱甲基作用。乙酸）的脱甲基作用。五、全球气候变化对土壤碳循环影响五、全球气候变化对土壤碳循环影响气候变化与土壤二氧化碳释放气候变化与土壤二氧化碳释放 人类活动对土地利用和覆盖的变化是最直接影响土壤碳人类活动对土地利用和覆盖的变化是最直接影响土壤碳库的因子：影响最严重的是将自然植被转变为耕地。减少有机库的因子：影响
21、最严重的是将自然植被转变为耕地。减少有机质的输入，破坏有机质物理保护，增强腐殖物质矿化作用，土质的输入，破坏有机质物理保护，增强腐殖物质矿化作用，土壤呼吸增加，土壤碳库储量降低。壤呼吸增加，土壤碳库储量降低。森林生态系统中土壤的平均碳密度为森林生态系统中土壤的平均碳密度为189Pgha-1,而草地和而草地和农田的土壤碳密度分别只有农田的土壤碳密度分别只有116Pgha-1和和95Pgha-1。土地利用。土地利用的改变每年对的改变每年对ACP贡献为贡献为(1.61.0)PgC,1950年以来年以来,SOCP是是大气大气CO2浓度增加的最大贡献者。浓度增加的最大贡献者。控制气体交换的因素有温度、湿
22、度、控制气体交换的因素有温度、湿度、Eh和基质的有效性和基质的有效性(C数量和质量数量和质量)。对。对CO2的控制主要通过对微生物活动的控制。的控制主要通过对微生物活动的控制。冷和淹水可减少冷和淹水可减少CO2排放排放,但会形成但会形成CO2潜在来源的泥炭潜在来源的泥炭(占占SOCP的的24%)。温带湿润条件下。温带湿润条件下CO2产生的多产生的多;温带干旱条件下温带干旱条件下,植物量少植物量少,土壤有机质含量低土壤有机质含量低,CO2排放量小。热带土壤有机质排放量小。热带土壤有机质分解快分解快,是是CO2短期内增加的主要原因短期内增加的主要原因。（二）气候变化与土壤甲烷释放（二）气候变化与土
23、壤甲烷释放 陆地生态系统与大气的气体交换除陆地生态系统与大气的气体交换除CO2外外,还有还有CH4、N2O、NO、CO、H2S和和S等痕量气体的交换。大气中甲烷排等痕量气体的交换。大气中甲烷排放总量约放总量约70%是土壤生态系统产生的微生物活动引起和反刍是土壤生态系统产生的微生物活动引起和反刍动物排放，其余来自化石燃料和生物的燃烧。动物排放，其余来自化石燃料和生物的燃烧。除自然生态系统外，大面积的农田生态系统，尤其是稻除自然生态系统外，大面积的农田生态系统，尤其是稻田也是甲烷的来源。田也是甲烷的来源。CH4的代谢比的代谢比CO2复杂复杂,土壤中既产生土壤中既产生CH4,又消耗又消耗CH4。全球
24、每年进入大气全球每年进入大气CH4的排放量约的排放量约0.41PgC。湿地土壤的。湿地土壤的CH4每年排放量约每年排放量约0.131PgC,占总排放量的占总排放量的32%。如果包括。如果包括白蚁和归还土壤的动物粪便白蚁和归还土壤的动物粪便,“土壤土壤”的贡献可达的贡献可达44%。大气中每年有大气中每年有386TgC的的CH4被氧化为被氧化为CO2。所以每年土。所以每年土壤净损失和大气净积累的壤净损失和大气净积累的CH4可能为可能为2328TgC。湿地中。湿地中90%的的CH4在回到大气之前被氧化成在回到大气之前被氧化成CO2。水分未饱和的旱。水分未饱和的旱地土壤每年从大气中消耗掉地土壤每年从大
25、气中消耗掉(氧化氧化)的的CH4为为1134TgC,占大占大气气CH4总量的总量的3%9%。温度的影响温度的影响：气候变暖会引起CH4排放的增加。控制控制CH4的氧化会影响的氧化会影响CH4的排放的排放：甲烷氧化细菌将CH4作为惟一的碳源和能源(Lidstrom,1992)氧化。施用NH4-N肥会减少甲烷氧化细菌对CH4的消耗(大小和形状相似引起竞争),提高大气中NH3浓度,增大温室效应。甲烷细菌可位于好气和厌气界面,将CO2氧化成CH4,使之占到溶解气体的10%。植被对植被对CH4的影响的影响；是通过提供易分解有机C(根,新近的死根,根系分泌物)及植物本身(湿地植物)气体通道产生的O2-CH
26、4交换来实现(约有90%的CH4是由这一通道排向大气的。水分对水分对CH4的影响：的影响：一般是旱田CH4排放为负值,长期淹水CH4排放较高。六、目前在本领域研究中，急需解六、目前在本领域研究中，急需解决的若干问题决的若干问题1、我国农业土壤碳库演变的新近趋势如何？2、如何进行尺度转换，合理估计我国农业土壤碳库及其区 域与演变动态？3、土壤碳库演变中的人地相互作用特点（如管理机制、农 作制以及农户行为如何影响土壤碳过程）；4、农田尺度上生命耦合系统与土壤碳过程的关系；这些问题的认识将有助于阐明我国农业土壤碳库及其最这些问题的认识将有助于阐明我国农业土壤碳库及其最近近20年来的变化态势，探讨我国农业土壤碳管理的战略对策年来的变化态势，探讨我国农业土壤碳管理的战略对策与技术途径，为我国未来农业的可持续发展与产业碳排放的与技术途径，为我国未来农业的可持续发展与产业碳排放的环境外交提出参考依据。环境外交提出参考依据。
