土地利用对土壤有机碳储量及土壤呼吸的影响

易香 段建军 焦克强 莫仁超

（贵州大学农学院 贵州贵阳 550025）

土地利用对土壤有机碳储量及土壤呼吸的影响

易香 段建军 焦克强 莫仁超

（贵州大学农学院 贵州贵阳 550025）

陆地碳库的重要组成部分之一就是土壤有机碳，土壤有机碳目前是全球碳循环研究的重点工作之一。而土地利用的变化会对土壤有机碳的储量以及分布产生影响。做好土地利用对土壤有机碳储量影响的研究，对土加深理解全球气候变化与土地利用变化之间的关系有着重要的促进作用。本文主要阐述了土地利用对土壤有机碳储量及土壤呼吸的影响。

土地利用；土壤；有机碳；储量；土壤呼吸

引言

不同的土地利用方式对土壤环境的影响也是不同的。土地利用方式的不同会对土壤有机碳的含量以及分布产生重要的影响。土地利用会对土壤有机碳的分解速度产生改变，从而影响到土壤有机碳的储蓄含量，最终对全球碳平衡格局进行改变。因而土地利用变化对土壤碳储量的影响具有非常重要的现实意义。

1 土壤有机碳在全球变化中的作用和意义

土壤有机碳库（SOCP）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，一部分以有机质的形式贮存于土壤中。土壤有机碳是陆地生态系统中最大的碳库，其有机碳总贮量约在1400～1500Pg之间（1Pg=1015g），是陆地植被碳库的2～3倍，大气碳库（750PgC）的2倍多，陆地生态系统和海洋与大气的CO2交换量各占整个CO2循环总量的50%。陆地生态系统中的土壤碳库，以森林土壤中的碳为最多，占全球土壤有机碳的73%；其次是草原土壤的碳，占全球土壤有机碳的20%左右。粗略地估计我国的SOCP为185.7Pg碳，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见表1。

表1 不同生态系统土壤中的有机碳贮量

土壤在水循环过程中的作用决定了陆地河流向海洋输出碳的形式和通量。土壤中各种有机化合物影响黏粒矿物的组合、土壤的聚集状态、离子的移动、土壤持水性、通气量和盐基交换等各种性质土壤碳循环是土壤氮、硫和磷循环的驱动因子，只有在适宜于土壤有机碳积累的条件下，才会使其增多。另外，土壤有机碳的矿化将伴随着有机氮和碳键硫的矿化。

土壤碳库在全球碳平衡及碳循环中起着举足轻重的作用，在温室气体中除了一氧化二氮之外，均与之有关。土壤碳库在生物地球化学碳循环中周转速度最慢。公元900～1200年，大气中CO2浓度为 250μL·L-1，公元 1700～1800 年为 280μL·L-1，1994 年的浓度达 358μL·L-1近 150 年大气中 CO2浓度增加了 80μL·L-1，增幅达35%，工业革命前的1800年大气二氧化碳的浓度为280ml/m3[IPCC（国际气候变化委员会），1990]，而1959年在美国夏威夷的Mauna Loa长期检测站发现大气二氧化碳的浓度为315ml/m3，此后二氧化碳的浓度持续增加，平均每年升高1.5ml/m3（IPCC，1995）。大气二氧化碳的浓度持续增加导致全球气候变化，最终可能威胁到人类的生存。

土壤每年向大气释放的CO2为50～76PgC，占陆地生态系统与大气间碳交换总量的2/3，约为大气碳库的1/10，比陆地生态系统初级生产净吸收的碳量大30～60%，也远远超过化石燃料燃烧每年向大气排放的5PgC。如果没有土壤呼吸（包括土壤生物呼吸和植物根系及菌根的呼吸）产生CO2补充大气，大气中的CO215年将被耗尽。所以SOCP对ACP的CO2浓度的影响很大。其较小幅度的变动也可能对大气中温室气体的浓度以及全球变化产生重要影响，因此在调控地球表层生态系统的碳平衡和减缓温室气体方面具有重要的作用。在气候变化和人类活动等条件的综合影响下，将导致土壤有机碳蓄积量及动态平衡的变化，从而导致土壤有机碳库既可能成为碳汇也可能成为碳源，由此反过来对全球变化产生影响。

因此，关于土壤有机碳库的研究日益成为全球碳循环研究的热点，同时也成为全球变化问题研究的核心内容之一。

2 土壤有机碳的研究方法

2.1 土壤类型法

是在土壤剖面数据基础上，以土壤类型作为分类单元来估算SOC的蓄积量。根据土壤各种分类层次聚合土壤剖面数据计算各类土壤的碳密度，再和区域或国家尺度土壤图上的相应土壤类型的面积相乘，就可以得到SOC蓄积总量。同时，根据土壤类型图，将计算所得的土壤碳密度与土壤类型单元相匹配，可以表现土壤碳密度的空间分布格局和规律。由于同类土壤往往会具有相似的影响土壤碳蓄积的调控因素，因此该方法容易识别土壤有机碳的空间格局，减少估算的不确定性，是目前进行土壤有机碳储量研究较为常用的方法。但土壤类型法的应用是以大量实测剖面数据以及对土壤类型准确划分为前提的，且仅考虑土壤类型的因素。实测数据的缺乏和对植被、土地利用方式以及人类活动等影响因素的忽略，都会在一定程度上对估算结果产生影响。

2.2 植被类型、生态系统类型和生命地带法

该方法是以植被、生命地带或生态系统类型作为分类单元，在确定各种单元类型的土壤有机碳密度与该类型分布面积的基础上，计算出SOC蓄积量。使用该方法不仅能较容易了解不同植被、生态系统和生命地带类型的土壤有机碳库蓄积总量，而且能更好地反映温度、降水等气候因素、植被以及生态系统类型的分布对SOC蓄积的影响。

2.3 相关关系统计法

相关关系统计法是通过分析一定剖面数据SOC的蓄积量与样点的各种环境因子、气候因子和土壤属性之间的相关关系，建立一定的数学统计关系，来计算SOC的蓄积量。但由于各区域的SOC的主要控制因素可能不同，相关性表现不一，因此所确定的统计关系需要得到验证后方可应用，由此影响了该方法的推广和应用。

2.4 模型方法

运用模型方法估算土壤碳库及固碳潜力成为目前研究SOC一种重要的方法和途径，是在认识和掌握土壤碳循环过程与机理的基础上，建立SOC的表征、评估或预测模型，然后通过输入大量实测数据，来对区域的SOC储量进行估算；在此基础上还可以根据SOC的影响因素或管理措施的变化来做情景分析，从而估计、评估和预测区域或国家尺度的土壤固碳潜力。国际上比较有代表性的土壤碳循环模型包括Century和DNDC模型等，但由于模型的正确运用与否，有赖于进一步对土壤碳循环过程的认识和把握，且模型参数化过程较为复杂，对数据的完善有很高的要求，如果模型参数和构建机理与研究区的实际情况存在较大差异，就会使模拟结果出现较大的偏差。

3 土地利用方式对土壤呼吸的影响

土地利用方式对于土壤呼吸的影响十分显著。不同的利用方式（如耕作、排灌条件的改变等）不仅改变了地表植被，而且改变了土壤透气性，从而使土壤有机质含量、微生物的组成和活性、根系生物量等发生改变，相应的土壤呼吸也大不相同。尤其在当前人类活动对自然界的影响越来越大的情况下，土地利用方式的改变对全球土壤CO2通量的影响是十分巨大的。例如，温带地区的湿地在自然状况下，原本是大气CO2的汇，但由于人类的影响，主要是排灌条件的改变，土壤呼吸作用大大加强，导致大气和湿地间碳转移的改变，乃至影响了全球的碳平衡。

4 土地利用变化对土壤碳库的影响

土壤有机质含量的变化是土壤质量与土壤持续能力的重要表征，土地利用和土壤管理对土壤有机质含量的变化起着非常重要的作用。土地利用变化不仅直接改变了地表植被类型从而影响土壤有机碳的输入，而且还引起了土壤理化性质的变化，从而对土壤的固碳能力产生影响。据IPCC（2007）估算，20世纪90年代土地利用变化引起的CO2排放量相当于人类活动引起的总排放量的1/4。而Houghton（1995）对土地利用变化影响结果的估计表明，1850～1990年，土地利用的变化导致124PgC释放到大气中，约相当于同时期化石燃料燃烧碳释放量的一半。土地利用变化已经成为仅次于化石燃料燃烧排放引起温室气体浓度增加的主要原因。

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。它减少了土壤有机质的输入，破坏了土壤有机质的物理保护，增强了腐殖物质的矿化作用，使土壤呼吸增加，土壤碳库储量降低。特别是在耕种的头50年，表土有机C损失30～50%。

（1）森林砍伐转变为农田后：会引起土壤有机碳（SOC）含量快速下降，其主要原因是地表凋落物的输入减少，同时耕作破坏了土壤团聚体结构，使有机质暴露，加快了其分解速度。

（2）森林转变为草地：其土壤有机碳的下降幅度比农田少甚至可能有所增加。

（3）草地被开垦成农田后：土壤呼吸作用加强，土壤有机碳的分解速度加快，由此也导致了土壤有机碳的损失。草地开垦为农田后，土壤中的有机碳损失量大约在30～50%。据Houghton估计，1850～1980年期间，由于开垦导致的草原生态系统碳素净损失量约为10Pg。

（4）通过采取减少森林砍伐、弃耕农田还林还草，或者草地恢复为森林等保护性的土地利用变化，可以减少陆地生态系统向大气的CO2净排放，稳定甚至增加土壤碳储量。

（5）土地利用变化对土壤碳储量的影响取决土地利用方式发生了什么样的变化。

土壤受耕作扰动时，土壤团聚体被破坏，分解条件被改变，引起土壤呼吸速率加快，从而导致土壤有机质下降.大量实践证明，实行免耕作将有利于延长碳的平均滞留时间。减少有机质流失，能有效缓和大气CO2的升高和温室效应。

5 结语

综上所述，人类活动对于土地的利用和覆盖的变化是最直接影响土壤碳库的因子。最严重的是森林退化成为草场或转变为耕地。它减少了土壤有机质的输入，破坏了土壤有机质的物理保护，增强了腐殖物质的矿化作用，使土壤呼吸增强，土壤碳库储量降低。土地利用的改变每年对ACP的贡献为（1.6+1.0）PgC。1950年以来，SOPC是大气CO2浓度增加的最大贡献者。所以我们应该积极探索优化和合理土地利用的方式等，稳定甚至增加土壤有机碳储量。

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[3]薛丽佳，卢茜，高人.不同类型土壤有机碳含量比较研究[J].安徽农业科学，2011（11）：54～56.

[4]黄亮亮.土地利用变化对土壤呼吸和微生物量碳的影响[D].南京林业大学，2010（05）：56～57.

S714

A

1005-7897（2016）04-0123-03

2016-2-9

易 香（1989-），女，苗族，贵州人，在读硕士。

段建军（1976-），男，汉族，贵州人，副教授。

焦克强（1991-），男，汉族，甘肃人，在读硕士。

莫仁超（1993-），男，汉族，贵州人，在读本科。