气候变暖对湿地有机碳组分的影响研究

袁 杰，田 昆,2

(1.西南林业大学，云南 昆明 650224；2.国家高原湿地研究中心，云南 昆明 650224)



气候变暖对湿地有机碳组分的影响研究

袁 杰1，田 昆1,2

(1.西南林业大学，云南 昆明 650224；2.国家高原湿地研究中心，云南 昆明 650224)

摘要：指出了随着全球气候变暖的加剧，气候变化对碳循环的影响越来越深。湿地土壤碳库作为主要的碳源储存区，受气候变化的影响日益明显，而气候变暖对不同的有机碳组分影响并不同。通过综述有机碳组分的基本分类，分析了当前有机碳组分对气候变暖的影响，探讨了土壤有机碳组分的不同变化机制。

关键词：气候变暖；有机碳；活性有机碳

1引言

湿地是生态系统中十分重要的一种系统类型，其具有独特的水文环境，能够不断积累土壤有机碳。据统计，湿地蕴含有机碳总量约为550Pg碳(Bernal，2008)，占全球土壤碳库的15 %～30 %。土壤有机碳组分按不同的标准，可以分为化学分组、物理分组、生物分组。土壤有机碳化学分组是根据化学性质和化学组成进行分类，基于有机碳在不同提取剂中的溶解性，分为可溶性有机碳和非溶解性有机碳。其中可溶性有机碳分为水溶性有机碳和盐溶性有机碳。土壤有机碳物理分组是按有机碳的密度分类：可分为轻组有机碳和重组有机碳(张国，2011)。生物学分组主要是通过一些生物学测定方法对已经矿化的生物和被矿化的有机残体的微生物生物量，如微生物生物量碳等。

2有机碳分组方法

2.1化学分组

土壤有机碳组分是依照其化学组成和化学性质来进行分类。由于土壤有机碳组分在不同的化学提取剂中的溶解性性不同，将有机碳可分为可溶解性有机碳和非溶解性有机碳。其中可溶解性有机碳又可以依据溶解剂的不同可以分为水溶性有机碳和盐溶性有机碳。溶解性有机碳是生物可直接代谢的有机碳，包括有机酸、酚类和糖类等。水溶性有机碳(WOC)包括低分子葡萄糖、蔗糖、氨基酸等。其测定由于水温的不同可以分为冷水浸提和热水浸提两种方法。冷水浸提有机碳的测定通常采用Liang等的测定方法，即以过2 mm筛的新鲜土壤与蒸馏水按1∶2．5(或1∶2)的土水比混合，室温或25 ℃恒温下经振荡(30 min)、离心(10～30 min)、抽滤后，测定滤液中的有机碳即为土壤活性有机碳。酸水解方法可将有机碳分成惰性和活性成分。目前大多是利用KMnO4模拟酶氧化来分离出活性碳和非活性碳(霍莲杰，2012)。

2.2物理分组

物理学分组是依据有机碳的颗粒大小或密度来分类，密度分类是根据有机碳在重液中的溶解度不同来分类，分为轻组有机碳和重组有机碳。目前国内常用的测定方法，主要选择密度为1．6～2．0g/cm3的NaI为重液进行密度分组。颗粒大小分类是利用美国制土壤分级系统的标准，将土壤分成5个粒级：细粘粒(<0．2 μm)、粗粘粒(0．2～2 μm)、粉粒(2～53 μm)、细砂粒(53～250 μm)和粗砂粒(250～20001 μm)，通过不同孔隙的筛子可以分离出不同的粒级的土壤，然后对分离出的每一粒级土壤中有机碳含量进行测定。通过物理分组的方法对有机碳组分进行测定可以有效地避免测定过程中对有机碳结构的破坏，此方法能够较为客观的反映土壤有机碳的结构和功能(张国，2011)。

2.3生物学分组

生物学分组主要是通过一些生物方法测定已经矿化的生物和被矿化的有机残体的微生物生物量，或根据把有机碳作为一种底物的反应来推断出土壤中生物可利用的有机碳量(霍莲杰，2011)。土壤活性有机碳库的重要组成部分主要是微生物量碳，监测有机碳的动态变化就是用微生物生物量碳来指示土壤碳的平衡、积累或消耗，是比有机碳更为敏感的一种动态指示因子，能够准确预测出土壤有机碳的长期变化。目前对微生物量碳的测定多用氯仿薰蒸浸提法。

3气候变暖对有机碳储量的研究

3.1增温对有机碳储量的研究

温度与CO2浓度的升高是全球变暖的主要变化。温度升高，加速了土壤有机碳分解，减少了土壤有机碳含量。同时增温提高了植被的生物量，增加了植物对土壤碳库的碳输入，这两种作用的比重不同，是导致土壤碳库有机碳积累还是消耗的关键。因此，土壤碳库的变化在不同尺度上，随温度增加，变化不同。部分学者认为，温度的增加会减少土壤碳库中有机碳含量。Chen等研究表明温度升高，有机碳在土壤中的平均滞留时间减小。即碳在大气与土壤之间的周转速度加快，导致土壤碳库的减少。在气候变暖条件下，增加了土壤微生物的酶活性，促进了硝化作用，进而增强了土壤的碳通量。温度每升高1 ℃，土壤有机碳损失10%，而在碳储量丰富的地区或者气温低的高纬度地区，损失比例会更高。Niu等在中国内蒙古多伦针对草地系统观测结果表明增温降低了草地土壤中CO2的交换量。孔雨光等研究表明土壤中各种酶活性通过影响土壤中有机质的分解和转化速率，从而影响土壤CO2产生速率。周晓宇等通过模拟实验发现，在大兴安岭北部及南部、小兴安岭南部及吉林东部部分地区增温使土壤有机碳储量有所增加。

3.2CO2浓度对有机碳的影响

气候变暖的另一表征为CO2浓度，其施肥效应与抗蒸腾效应均使植物生物量提高，间接导致输入土壤碳库的有机质增加，进而影响土壤有机碳含量(周晓宇，2014)。龙凤玲等研究表明；在0～60 cm土壤层中，CO2浓度增加，促进了植物地上生物量增加，进而提高了对土壤的碳输入，且0～10 cm内变化最为明显。李晓佳等研究表明，在倍增CO2浓度和增温的交互作用下，藏北草原表层土壤有机碳含量呈现减少趋势(LI Xiaojia，2011)。这与刘瑜等研究结果类似。增加CO2浓度，减少表层土壤有机碳含量，下层有机碳呈先下降后增加的趋势。

4土壤活性有机碳变化的研究

土壤活性有机碳是土壤碳库中能被微生物快速利用的一部分有机碳。其含量在总有机碳中所占比例极小，但由于其对外界环境变化十分敏感，可以在全碳变化之前反映土壤碳含量的微小变化，因而可作为指示土壤对气候变化的响应指标。

4.1温度对活性有机碳的影响

土壤活性有机碳对温度等因子的变化具有极高的敏感性，因此土壤活性有机碳对季节变化存在明显的响应。研究表明：温度升高使土壤活性有机碳含量增加(刘艳，2007)。唐政等研究也表明，喀斯特退耕还林后，提高了土壤活性有机碳含量。然而部分研究表明增温并不能长久地增加土壤呼吸，因为土壤活性碳库的量是有限的，当这部分碳释放进入大气以后，增温就不能再刺激土壤呼吸作用了。徐侠等在武夷山的研究表明：不同林分的活性有机碳含量随海拔上升而递增。不同海拔下，温度差异明显，导致植被出现差异。因此，温度和植被类型在一定程度上影响着土壤活性有机碳的含量。董扬红等研究表明：同一地区，不同植被类型下的的土壤活性有机碳含量不同。

4.2CO2浓度对活性有机碳的影响

CO2浓度升高能促进地上生物量的增加，提高对土壤的碳输入；同时能够提高植物根系的CO2通量与微生物的碳供应，促进微生物活动加剧，加速有机碳的分解，使得土壤活性有机碳输出增加。因此CO2浓度对土壤活性有机碳影响的最终结果取决于两者的平衡结果。刘艳等研究表明，增温使土壤活性有机碳含量增加。近年来，由于气候变暖，CO2浓度变化对陆地生态系统的影响越来越明显。因此，有关环境对CO2浓度变化的响应得研究逐渐引起人们的关注。土壤中CO2浓度一般为大气CO2浓度的10～50倍，其对土壤生境的影响主要是由其影响的植物间接影响(Carrilloy，2012)。赵光影等人在三江平原利用开顶箱研究了不同CO2浓度下的土壤活性有机碳和微生物量碳的变化。实验表明；CO2浓度升高，能促进土壤活性有机碳和微生物量碳含量增加(赵光影，2011)。

5土壤可溶性有机碳(DOC)变化的研究

5.1温度对DOC的影响

土壤可溶性有机碳在土壤有机碳中所占比例很小(1 %～5 %)，具有一定的溶解性，在土壤中移动快、不稳定、易氧化、易分解(曹璐，2011)。由于其直接参与土壤生物化学转化过程，因此可以作为评价生态系统的指标之一。影响土壤可溶性有机碳的环境因素包括温度、土壤含水量、土壤pH值、降雨和氮沉降等(丘清燕，2013)，其中温度是影响土壤DOC的直接因子之一。研究表明，温度对可溶性有机碳的吸附具有一定的影响，温度上升，会导致土壤对DOC的结合能力降低，促进碳的释放。有研究表明，在9～28 ℃范围内，土壤可溶性有机碳含量变化呈先增加后降低的趋势(刘艳，2007)。刘芙蓉等研究发现，在森林土壤中，增温提高了土壤中可溶性有机碳含量。廖艳等研究发现，不同培养温度下，3种农田土壤的活性有机碳含量均表现为随温度增加而减少的趋势。增温环境下，土壤微生物酶活性增加，活性有机碳被大量分解，含量减少。

5.2CO2浓度对DOC的影响

DOC作为少数能被微生物直接利用的碳源，受植物和微生物直接影响；有研究指出，施肥对土壤可溶性有机碳含量有重要影响，施加有机肥能显著增加黑土可溶性有机碳(刘丽，2009)。赵光影等研究发现，CO2浓度升高，相应湿地土壤可溶性有机碳与微生物量碳含量增加。在高浓度CO2处理下，根际可溶性C含量提高了60 %。董扬红等研究发现，不同植被类型下土壤可溶性有机碳含量不同，表现为森林区>草原区>森林草原区。邓琦等人利用开顶箱人工控制的试验表明，倍增CO2浓度能使南亚热带人工森林土壤呼吸年通量提升28 %。

6土壤微生物量碳变化的研究

6.1增温对微生物量碳的影响

部分研究发现，增温能够改变微生物的群落结构。在4～36 ℃范围内，微生物量氮与温度变化呈显著相关。在增温环境下，微生物群落中真菌比例将会升高，细菌比例下降，但其微生物量碳总量不变，而真菌能够同化较多的碳，释放少量的碳，这促进了微生物量碳的增加。在土壤表层，微生物量碳与有机碳呈显著相关(杜满义，2013；侯翠翠，2013)。肖烨等发现，不同类型的湿地土壤的微生物量碳随深度增加呈减小趋势。增温对微生物及酶活性的影响直接决定土壤微生物量炭对增温的响应，这是由于增温影响了微生物及其分泌的个中有机碳含量。

6.2CO2浓度对微生物量碳的影响

土壤中CO2浓度一般为大气CO2浓度的10～50倍，其对土壤生境的影响主要是由其影响的植物间接影响(Carrilloy，2012)。有研究表明CO2浓度增高能为根际微生物提供更多的底物，有益于微生物活性的提高。赵光影等研究也表明，CO2浓度升高，能促进土壤活性有机碳和微生物量碳含量增加(赵光影，2011)。龙凤玲等研究表明：在5～60 cm土壤层中，CO2浓度增加，植物地上生物量增加，进而使输入土壤的碳增加，土壤微生物活动加剧，生物量碳增加。

7结语

在气候变化的大环境下，针对土壤有机碳组分变化已经做了大量的研究。这些研究多集中于单因素对其的影响，而环境变化往往是多个因素之间的共同变化、共同作用导致。而多个因素对有机碳组分的影响不是简单地叠加，这导致了研究的结果与事实存在一定的误差，因此在未来的研究中要加强对多因子影响的研究，探讨因子与因子之间的相互作用和联系，更深入的了解因子与因子、因子与有机碳组分之间的作用机制，为未来的环境保护和管理提供更全面的信息。

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Studyof theGlobal Warming Effects onOrganic Carbon Fractions

Yuan Jie1，Tian Kun1,2

(1.SouthwestForestryUniversity,Kunming650224,China2.NationalPlateauWetlandResearchCenter,Kunming650224,China)

Abstract:With the intensification of global warming, climate change impacts on the carbon cycle aredeeper and deeper. Wetland soil carbon pool as the main carbon source storage areas, suffersfrom the impact of climate change,which is increasingly evident.However,the impacts of climate warming on distinctorganic carbon fractionsare different. This paper reviewed the basic classification of organic carbon components, introducedthe response towardsclimate warmingby current organic carbon components,anddiscussed different components of soil organic carbon change mechanism.Finallywe put forward the need for further problems.

Key words:climate warming, organic carbon, active organic carbon, wetlands

收稿日期：2016-04-11

作者简介：袁杰(1989—)，男，西南林业大学硕士研究生。

通讯作者：田昆(1957—)，男，教授，博士，主要从事湿地生态、恢复生态、土壤生态的教学与科研工作。

中图分类号：P467

文献标识码：A

文章编号：1674-9944(2016)10-0133-03