土壤碳储量及其碳固定研究

武曼曼，马友华，王 强，杨书运，徐小牛，张贵友

（安徽农业大学，安徽 合肥230036）

全球气候变化的主要原因是CO2浓度的增加，根据1850～2000年的数据显示，当前CO2浓度已达到370ul／l，达到了最高值，比1985年工业化之前最少增加30%［1-2］。据IPCC预测，到2100年大气CO2浓度将升高到500～1 000ul／l。CO2浓度升高的后果使得人们把控制CO2浓度的剧烈变化变成了重中之重，并且成为许多国际会议的中心议题。中国也在京都议定书上签了字，被要求建立碳库清单及评估碳库的变化［3］，与地面有关的碳源与碳汇，都成为土壤碳库统计的一个主要部分。

在陆地碳循环研究中，土壤碳扮演着重要的角色。全球0～100m深度的土壤有机与无机碳库储量约为2 400Pg（1Gt C＝109tC，1Pg C＝1 015g C），约是陆地植被碳库的2～3倍，大气系统的3～4倍［4］。土壤碳库是陆地生态系统中最大的贮存库，受水分、温度等条件的影响，土壤碳库可变成贮藏碳的汇，也可变成排放碳的源。土壤碳库较小的变化，都可通过向大气排放温室气体而影响全球气候变化，进而对陆地系统产生深刻影响。

1 土壤碳储量

1.1 土壤有机碳储量

在全球碳循环中，CO2在大气、海洋和陆地生物圈3大系统之间进行着交换。大气碳含量与海洋碳含量都是一个相当准确的值，而陆地则因为受到地形、气候、植被状况等诸多因素的影响，碳含量的测定就相对困难并且准确度也不高（表1）。研究表明，随着降水的增多，土壤有机碳储量随之增加［5-6］。

表1 地球各圈层碳储量分布 单位：Gt C

联合国气候变化框架公约各公约国规定了各个国家的温室气体净排放通量，而估算土壤有机碳蓄积量的统计则是其中一部分工作，研究土壤有机碳的总蓄积量和空间格局的数据来源则是来自土壤水文特征、土壤生产力和以碳为主的温室气体的研究［7］。从研究数据看，国内外对土壤有机碳储量的研究，早期的估算方法是根据土壤剖面资料进行推算的（表2、表3）。

从上述数据中看出，由于全球土壤剖面数据较少，使得土壤碳库的估算具有很大的不确定性，但是，Rubey推算出的全球土壤有机碳库719Pg与Bohn估算出的2 946Pg，这两个值已经成为当前估算全球土壤碳储量数值的上下限。我国对于土壤有机碳库的估算结果相差较大，这是因为使用的方法及数据指数不同，因此不确定性也较大。

表2 全球土壤碳储量估算

表3 中国土壤碳储量估算

1.2 土壤有机碳储量的估计方法

土壤碳储量的研究一般为有机质的研究，其中被广泛使用的是土壤类型法、模型方法、生命地带法和遥感法。

土壤类型法通过土壤剖面数据来计算分类单元的土壤碳含量，根据各种分类层次总结土壤剖面数据，再按照区域尺度土壤图上的面积得到土壤碳蓄积总量。同类土壤影响土壤碳蓄积的因素往往是相似的，因此，此方法更深一步地介绍了碳蓄积与土壤发生学相关的关系，有利于分析估计中不确定性的原因和识别土壤碳的空间格局。

模型方法是通过各种土壤碳循环模型来估算土壤碳的蓄积量的，包括相关关系模型、机理过程模型、基于实测数据和遥感数据的模型等。研究大尺度陆地生态系统碳循环的必要手段之一为模型方法。如果一个地区处在一个特别理想的条件下，想要估算碳储量和碳通量，那么模型方法就特别适合。GIS估算方法是一种有效的土壤碳储量估算新方法，模型与GIS估算方法的结合有着很好的应用前景，可解决土壤碳储量由点尺度推算到区域尺度所带来的尺度扩展问题，也便于和其他技术结合。

生命地带法计算土壤碳蓄积量是按照生态系统类型的土壤有机碳密度与该类型土壤的分布面积的。但这个方法不能推广，这是因为目前全球植被类型及面积统计不够准确，容易产生估算误差所致，其估算结果只是在一定程度上具有一定意义。

遥感作为一种技术手段可以用来提供土壤表面状况及其性质的空间信息，可用来评价土壤碳储量的动态变化。基于遥感影像估算土壤碳储量的方法有遥感影像直接估算方法和植被指数估算方法。

在制作土壤图、土壤特性解译和进行农业水肥过程中，土壤表层有机碳含量是一个重要土壤属性，因此目前研究的热点是如何利用遥感影像直接获取土壤有机质含量。国外专家利用裸露地表的高分辨率遥感影像来定量化分析土壤表层有机碳含量的空间变异性。这个方法简单、准确，在农业生产管理过程中可以广泛使用。

利用遥感技术来确定和推导植被冠层覆盖下的土壤特性是遥感估算土壤有机碳研究的长期目标。未来的研究中，需要改善土壤有机碳和遥感数据之间的模拟关系（土地管理历史的信息、立地年龄或干扰历史）作为控制因素来确定他们的影响。

2 土壤碳固定研究

2.1 土壤碳固定

碳源是指向大气中排放二氧化碳的过程或活动。碳汇具体定义为从大气中清除CO2的过程、活动和机制。因此只要能够从大气中去除CO2都可以作为固碳增汇的主要技术措施。中国农田土壤碳素匮乏已经成为影响农业发展的制约因素，而且，国家现在也在大力提倡温室气体减排，压力巨大。因此，增加农田中土壤碳含量来缓解温室气体排放的压力，是未来经济发展的一个重要选择［18］。

化石燃料的使用增加，使得CO2浓度升高，而另外一个原因则是土地利用方式变化导致的土壤碳平衡遭到破坏。自1850年开始工业化进程，土地利用方式的转变，使得CO2排放量持续增加。到了20世纪初，土地利用方式改变而导致的年排放量为0.5～0.7Pg，20世纪90年代，CO2年排放量超过2Pg［1］。工业化进程以来释放到大气碳库中的CO2，相当于人类活动引起的总排放量的1／3［19］。

土壤碳库的亏损大，意味着土壤固定CO2的潜力也很大，土壤成为存储CO2的潜在场所［20-21］。土壤碳库里面补充CO2，一方面可以减少CO2浓度的增加，另一方面有助于恢复土壤肥力、增加生物多样性、整治土壤退化、维护生态功能［22］。潘跟兴等［23］指出，自20世纪80年代中期以来，南方水稻土碳汇显著增长；李忠佩［24］计算出20a间中国亚热带地区水稻土固碳量约等同于固定大气中CO2555.1±88.7 Tg，在预测在未来还有进一步固定CO2更多量的可能。

农田土壤碳汇通过采用保护性耕作措施、扩大水田种植面积、增加秸秆还田、增加有机肥施用和采用轮作制度等，导致土壤有机碳库产生显著差别，使农田土壤由碳源转化为碳汇。以保护性耕作为例，Lal和Bruce估算出全球应用保护性耕作措施的适应面积大约为400Mha，农田土壤总固碳能力为80Tg·a-1；Simth等研究认为欧洲应用保护性耕作措施的适宜面积为117.26Mha，农田土壤的固碳能力为40.4Tg·a-1；韩冰等研究表明：采用免耕我国农田土壤固碳潜力为3.58Tg·a-1。

综上所述，农田土壤具有巨大的固碳潜力，但是由于中国农田缺乏长期的农田尺度的实验数据的支持，因此还不能准确有效地反映农田的固碳潜力。保护性耕作土壤固碳的估算虽然不稳定，但可以说明的是土壤固碳是非常重要的固碳措施，可以纳入全球的减排措施行列。

2.2 土壤碳固定的影响因素

2.2.1 气候变化的影响

气候变化对土壤有机碳的影响主要表现在温度和水分两个方面。土壤中的微生物活性由于温度的升高而增加，从而提高土壤有机质分解速度。据相关研究表明，只要温度上升10℃就会导致植物残渣的分解速度成倍增加，使得土壤有机碳（Soil Organic Carbon，SOC）含量下降［25］，但也有学者指出，在年平均气温为10℃～20℃的地区，温度上升会引起SOC储量的增加［26］，可见对于温度与有机碳固定之间还存在着争议。温度对有机碳固定的影响还会随着地域的变化而有所不同。在中国的北部地区，比如吉林、黑龙江等地区，SOC对于温度的变化相对比较敏感，而在南方地区，受影响的幅度则在变小。水分对于土壤有机碳固定的影响是通过改变土壤的通气性来实现的，在干湿交替条件下，土壤结构会发生变化，使得SOC暴露在空气中，从而加速分解［27］。目前，温度与水分对土壤固碳的共同作用研究还是比较少的，但是黄耀等［28］的研究表明，温度的升高与降雨对于微生物种群的增长具有良好的作用。

2.2.2 土壤理化特性的影响

土壤团聚体是土壤的基本结构，组成成分包括矿物颗粒和有机物等，在干湿冻融等自然物理过程作用下形成的不同尺度不同大小的多孔单元，其也是土壤养分的贮存库和各种微生物赖以生存的地方［29］。按照大小不同简单地分为微团聚体（直径小于250μm）和大团聚体（直径大于250μm）。大团聚体是土壤的基本结构单元，其特点为稳定，且不易受到农业耕作影响［30］。

团聚体在形成以后，内部孔隙会逐步降低使得有机碳与颗粒紧密接触。团聚体把其中的碳包裹住，减少其和有机物接触［31］。大团聚体中的有机碳分解需要足够的空气和水，如果孔隙变小势必阻碍分解进程；而微团聚体的孔隙如果小于细菌所能通过的限度（3μm）时，有机碳的分解只能依靠胞外酶向基质扩散，这对生物是个非常大的耗能过程，有机碳的分解因此而降低。

2.2.3 农业耕作措施的影响

土壤有机质含量的高低与自然植被覆盖下的土壤和草原土壤的开垦程度有关［32-33］。Six等［34］的研究发现林地土壤有机质总量，颗粒有机碳含量均比农田高。如果耕作方式长期不改变，被开垦的土壤有机质会维持在一个较低的水平，因为其相乘速率与分解速率是相等的［35］。因此，在植物残体等有机质归还量较高的情况下，土壤能够固定更多的有机碳。

不同的耕作措施会通过影响土壤团聚体的形成而对SOC固定产生影响。耕翻土壤导致SOC下降，土壤团聚体数量减少，稳定程度减弱。表层土壤易受外界因素的影响（如温度、水分等），不仅使土壤团聚体经常遭受干扰，同时也使团聚体稳定胶结剂的产生量减少，严重降低农田土壤稳定性［36］。采用秸秆还田、轮作、改变栽培作物的顺序可以在一定程度上影响土壤固碳效果［37］。增加土壤覆盖和作物残茬还可以降低土壤侵蚀，改善有机质和养分循环，最终为植物创造更有利的生长环境［38］。

综上所述，土壤有机碳固定受到气候因素、土壤理化性质和农业耕作措施等因素的影响、不同的农业措施会对土壤有机碳的固定产生影响，但影响有多大还有待于进一步的研究。因此，在不同的农业措施条件下分析土壤固碳潜力时要与温度、水分、土壤理化性质等诸多因素综合研究。

3 结论与展望

通过对国内外研究的分析后发现，土壤碳储量的估算结果不同，是由于使用的方法和数据指数不同，因此，土壤碳储量的具体含量存在很大的不确定性。土壤有机碳在整个大气圈中占据着重要地位，人类活动和气候的影响决定着土壤碳含量的高低，可造成土壤贫瘠化或者更加肥沃，因此，研究土壤与大气、植被碳库之间的碳交换过程，成为我们下一步工作的重点。

农田土壤的碳固定将成为今后研究的热点，在哥本哈根气候大会中，中国政府承诺，到了2020年，单位国内生产总值的CO2将比2005年下降40%～50%。如何使比例下降，从理论上说，中国的耕地具有较大的潜力，如果采取合理的农业管理措施，就可以增加农田碳储量，是降低百分比的好办法。但是中国农田的固碳潜力有多大，计算固碳潜力以什么作为标准、不同的环境对有机碳的影响有多少、在不同的农业管理措施下有什么差异，都是在下一步实现固碳潜力最大化问题上需要进一步研究的。

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