干旱土壤无机碳的碳汇研究

摘 要：阐述了旱地土壤无机碳的形成机理，分析了干旱和半干旱土壤无机碳含量与土壤有机碳含量的关系，以及气候变化和人为土壤管理对旱地土壤无机碳储量的影响。旱地土壤可能通过形成次生碳酸盐转化为有效碳汇，说明了深入研究干旱土壤碳循环的重要性。

关键词：无机碳；干旱；土壤；碳汇

中图分类号：X38文献标志码：A文章编号：1673-9655（2024）01-00-05

0 引言

气温升高、大气中二氧化碳浓度变化、土地利用类型改变、土壤管理措施变化等因素都会影响土壤中的总含碳量。土壤有机碳是陆地生态系统碳循环研究的热点，目的就是要减轻大气中二氧化碳水平上升带来的负面影响。土壤系统是大气中二氧化碳的主要“捕获者”和“存储库”，在碳循环中起着重要作用。地球上主要的碳库可分为5类：岩石圈、海洋、土壤（包括有机碳和无机碳）、大气和生物圈。土壤碳是陆地生态系统中最大的碳库，甚至比生物圈和大气的碳库总和还要大。

表1中展示了全世界不同地区旱地土壤的总碳储量[1]。尽管土地利用类型的变化对碳储量的影响很大，旱地碳储量仍然占全球碳储量的三分之一以上。值得注意的是，大量的碳集中在旱地生态系统中。非洲和中东等地区的旱地碳含量较高。尽管东南亚地区的潮湿森林含碳量较高，旱地碳储量仍然很大。在深度1 m以下的土壤中，有机碳和无机碳储量分别为1200～1600 Pg和695～940 Pg[2]。尽管全球无机碳的储量低于土壤有机碳储量，但是大部分无机碳储存在干旱和半干旱地区。旱地土壤可以通过形成碳酸盐的方式成为有效碳汇。当前，土壤无机碳在全球碳循环研究中还没有受到广泛关注。考虑到干旱和半干旱生态系统覆盖的人口面积较大，了解影响无机碳变化的因素对于理解气候和人为因素对旱地土壤无机碳储量的潜在影响至关重要。本文通过分析旱地土壤中无机碳的形成机制，说明碳酸盐的动态性质以及干旱土壤的固碳能力，强调深入研究干旱土壤碳循环的重要性。

1 旱地土壤无机碳

1.1 旱地土壤分布

根据干旱指数，可将干旱土地分为4类：超干旱、干旱、半干旱和干燥亚湿润。如表2所示，地球地表有大约41%的区域被干旱和半干旱地区所覆盖。半干旱地区面积最广，占地球表面的15.2%，其次是干旱地区（10.6%）、亚湿润干旱地区（8.7%）和超干旱地区（6.6%）[3]。干旱地区普遍存在缺水、缺粮和恶劣天气等问题。干旱区具有高干旱度（干旱指数高于70%）、极端温度、高太阳辐射、高风速、降雨量小且分布不均匀等特点。土壤为砂质，持水性差，有机碳含量低，速效氮磷缺乏。缺水及可利用水的不均匀分布进一步限制了干旱地区的作物生产和农业发展。

利用地统计学、RS和GIS相结合的方法，从流域尺度上研究了0～10 cm土壤可溶性无机碳的空间分布特征。0～10 cm土壤可溶性无机碳的平均含量为0.056 gC/kg，线性模型为土壤无机碳分布特征的最优拟合模型。从空间分布来看，土壤可溶性无机碳含量呈从南向北逐渐降低的趋势，南部含量最高，中部居中，北部最低。同期土地利用类型图叠加表明，整个土壤可溶性无机碳主要分布在0.05～0.06 gC/kg范围，耕地和沙地中的可溶性无机碳含量整体较高，而林地、草地和盐碱地中的可溶性无机碳含量则较低。土壤可溶性无机碳含量与HCOeq3呈极显著正相关，与其他土壤离子呈显著负相关，而与pH值呈弱的正相关。

在中国，旱地占农田面积的70%以上，在固定大气CO2方面可以发挥重要作用。实施少、免耕，提高秸秆还田比例和增加有机肥用量等推荐管理措施可以显著提高中国旱地土壤有机碳储量。其中，提高秸秆还田比例是最有效的固碳措施。未来20年，现实情景下中国旱地土壤固碳潜力在100.47～240.08 Tg；理想情景下中国旱地土壤固碳潜力在326.8～506.6 Tg。从中国旱地土壤固碳潜力空间分布格局看，东北区固碳潜力较小而黄淮海区具有较大的固碳潜力。

1.2 旱地无机碳形成机理

并非所有的干旱地区都有利于土壤碳酸盐的形成。例如，阿塔卡马沙漠最干燥的区域过于干燥，限制了土壤无机碳的形成[4]。

形成土壤无机碳的4个必要条件：

（1）土壤pH值较高，为碱性；

（2）土壤中含有大量活性二氧化碳来产生碳酸氢根离子；

（3）土壤含有大量有效的钙离子；

（4）土壤达到一定湿度水平。

在干旱地区，无机碳，特别是碳酸钙通过以下两种反应形成：

2CO2 + 2H2O → 2HCO3- + 2H+ （1）

Ca2+ + 2HCO3 → CaCO3- + H2O+ CO2 （2）

碳酸鈣的形成受土壤二氧化碳含量、土壤pH值、土壤含水量和土壤钙离子浓度的影响。土壤pH值升高将产生碳酸氢根离子。因为土壤氢离子的下降将导致反应公式（1）向右进行。同样，pH值降低或土壤二氧化碳含量增加会导致反应公式（2）向左进行。碳酸盐形成过程中消耗的二氧化碳主要来源于土壤呼吸，包括自养根呼吸和异养微生物呼吸。大多数干旱土壤为非冲洗土壤，水分较少，无法从土壤剖面中淋溶碳酸氢盐。因此，由于碳酸盐的溶解，酸性土壤中的无机碳储量可能会减少，而碱性环境可为碳酸盐的形成提供最佳环境。

土壤有机质在干旱土壤无机碳的形成过程中起到重要作用。土壤有机质来源于植物地上生物量、土壤微生物和大型生物以及植物根系。土壤有机质不仅影响土壤酶活性，而且影响土壤微生物活性。土壤酶如脱氢酶活性影响土壤有机质的分解和碳酸钙的释放。地上植物部分可直接影响土壤碳酸盐的形成，因为植物叶片中的碳酸钙含量为0.4～1.06 mg/cm2，

并且，碳酸钙可在植物根毛周围结晶[5]。

当土壤溶液中存在钙离子时，形成次生碳酸盐的合适pH值为7.3～8.5。土壤无机碳通过以下5种方式形成：

（1）逐层下沉模式：上部剖面的溶解碳酸盐通过土壤剖面向下渗透，并在底土中重新沉淀；

（2）逐层上升模式：钙离子通过毛细管从浅层水位上升运动和形成碳酸盐；

（3）原位模式：碳酸盐岩溶解后在基岩附近再次沉淀；

（4）生物成因模式：次生碳酸盐岩是通过土壤动植物活动形成的；

（5）复杂模式：根据主要环境条件，上述所有模式同时或顺序发生。

1.3 旱地土壤无机碳和有机碳的关系

在中国北部华北平原和西部黄土高原的表层土壤中，土壤有机碳与土壤无机碳呈负相关，在甘肃巴丹吉林沙漠和新疆焉耆盆地，土壤有机碳与土壤无机碳呈正相关。干旱条件下，土壤pH值对维持无机碳与有机碳的关系起着重要作用。有机碳的分解和根系的高呼吸释放更多的二氧化碳到土壤中，从而在土壤中形成酸性环境。低pH值有利于碳酸盐的溶解，导致表层有机碳与无机碳呈负相关。因此，在pH值较高且富含钙离子的土壤中，可以预测正相关关系。随着土壤含无机碳量的增加，土壤中碳酸盐的生成量显著减少，表明无机碳是一个动态的而非稳定的碳库。因此，土壤酸度值可以通过碳酸盐沉降或释放二氧化碳到大气中来影响固碳过程。

无机碳和有机碳之间的差异表明无机碳和有机碳对环境条件变化的响应不同，会出现两种关联情况。第一种情况，土壤有机碳含量越高，释放的二氧化碳浓度越高，产生的氢离子和碳酸氢根离子越多。高浓度的氢离子有助于碳酸盐的溶解，因此土壤有机碳与土壤无机碳之间存在负相关关系。第二种情况，较高的碳酸氢根离子生成量有利于土壤无机碳的析出，并产生正相关关系。

2 影响旱地土壤中无机碳形成的因素

2.1 气候因素

随着年平均降水量的增加，土壤无机碳的储量分别从干旱和半干旱条件下的3.75～6.28 kg/m2增加到干旱-亚湿润条件下的11.32 kg/m2。虽然干旱区土壤有机碳含量较低，但土壤中无机碳与有机碳的比值最高。与土壤有机碳相比，气候对土壤无机碳的储存的影响更大。降水促进了碳酸盐溶解和淋溶，使有效降水量很少的干旱地区产生石质和钙质地层堆积，并且潮湿的环境促进了碳酸盐的浸出过程。年降水量低于500 mm的地区无机碳池浓度较大，中国84%的无机碳库存储在年降雨量低于500 mm的地区，9%的无机碳储存在年平均降雨量500～800 mm的地区[6]。降水通过两种方式影响土壤碳酸盐的形成：直接通过改变碳酸钙的溶解度常数，间接通过将降水输入分配到淋溶和蒸散之间。由于季节性干旱期间土壤水分和根系活力均较低，因此季节性干旱期是碳酸盐沉淀的有利时间。

2.2 土地利用方式

从自然植被到农田的土地利用变化会导致无机碳的迅速流失。无机碳的分布格局和储量也受到不同土地覆被类型根系和有机碳含量垂直分布的影响。土地利用方式的改变会影响无机碳库的多种生物参数，包括植物地上和地下生物量生产力、土壤特征和微生物过程。沙漠的无机碳含量最高，其次是草地、农田、沼泽、灌丛、草甸和森林。通过碳分配的变化，植物功能类型可以影响无机碳在深层土壤中的分布。中国黄土高原中部退耕还林导致土壤中无机碳沿剖面重新分布，但未观察到无机碳的净增加。草原中土壤无机碳的δ13C值低于森林，表明草原次生碳酸盐的生成量大于森林。退耕还草过程中无机碳含量和贮量均呈下降趋势。在草地恢复的耕作过程中，无机碳是垂直混合的，碳酸盐进一步溶解和淋溶到更深的土层可能会降低草地恢复过程中无机碳的含量。另外，土壤含水量和根系生物量的增加促进了土壤微生物活性，增加了土壤中二氧化碳的产生，导致可溶性土壤无机碳的增加。与粘质土相比，砂质土中无机碳的形成更为敏感。

2.3 农业灌溉

深耕等集約化耕作措施会干扰土壤并分解土壤团聚体。农田土壤中植物碳源输入量普遍较少，从而影响无机碳的溶解和沉淀。碳酸盐的沉淀或溶解在很大程度上取决于土壤pH值和钙离子来源。在干旱和半干旱条件下，农业土壤中土壤有机碳和土壤无机碳的累积量大于非农业土壤，例如，在中国甘肃河西走廊中部和中国宁夏云雾山周围。从1980—2020年，中国51%的耕地土壤无机碳流失率为0.5～4.0 kg/m2，尤其是在水田、灌溉农田和旱地[7]。灌溉措施加上施用酸化肥料会增加土壤剖面中无机碳的流失。通过农业实践，将含钙层暴露于土壤表面，碳酸盐风化和侵蚀进一步加剧。灌溉干旱和半干旱土壤增加了植物生物量的产生，从而增加了植物呼吸作用和微生物对土壤有机质的分解，释放更多二氧化碳。此外，灌溉用水中含有钙离子，当这种灌溉水应用于地下水中含有高浓度碳酸氢盐的干旱非碱性土壤时，二氧化碳在碳酸盐沉淀过程中释放。

在对干旱和半干旱环境中土地利用变化对无机碳或有机碳动态影响研究过程中，需要考虑无机碳储量和土地利用系统之间的复杂相互作用。农田无机碳密度高于其他土地，由于灌溉和施肥导致钙镁离子增加。例如，中国兰州地区肥沃土壤中无机碳储量比低肥沃黄土中无机碳储量增加。密集的耕作实践将含钙层暴露在土壤表面，从而增加碳酸盐风化作用。无机碳的最终归宿是被淋滤到更深的土壤层，或转化为碳酸氢盐，进一步输送到地下水中，或加入河流，最终进入海洋。

2.4 化肥

尽管土壤酸化是一个自然过程，但长期过量施用氮肥等人为活动会加速土壤酸化。施用化肥会导致土壤酸化，土壤pH值下降会导致农田表层土壤中无机碳减少。土壤酸化是全球生态系统可持续发展的主要威胁之一，因为土壤pH的变化可以影响土壤无机碳和土壤有机碳的动态储量。以下化学式可描述施用氮肥对碳循环的影响。

NH4+ + 2O2 → NO3- + H2O + 2H+ （3）

Organic C → RCOOH → RCOO- + H+ （4）

CaCO3 + H2O + CO2 → Ca2+ + 2HCO3- （5）

HCO3- + H+ → H2O + CO2 （6）

施用氮肥可以降低土壤pH值，改变石灰性土壤的碳平衡，促进土壤酸化。由公式（3）可以看出，当产生1 mol硝酸盐时，在富氧条件下将产生2 mol的氢离子。这些氢离子在石灰性土壤中被无机碳中和。因此，较低的pH值会导致石灰性土壤中的无机碳含量下降。尽管在表层土壤中施用化肥，但它们仍然可以通过离子的运动导致深层土壤酸化，从而导致深层土壤中无机碳的流失[8]。

2.5 土壤母质

土壤母材及其风化行为同样影响着土壤无机碳的形成。例如，中国黄土高原的土壤无机碳含量高与富含碳酸钙的原生矿床风化有关。玄武岩风化在陆地碳循环中至关重要，它释放出氢离子和钙镁离子，这些离子与碳酸氢盐结合在土壤中形成碳酸盐。无机碳主要存在于无碳酸盐母岩的土壤中，在干旱和半干旱地区，土壤无机碳也可以通过钙离子与水（来自降雨）和二氧化碳（来自植物根系呼吸）的反应在非碳酸盐母质中累积。因为只有在有水的情况下，土壤母材的风化速率才随温度的升高而增大，因此在干旱地区土壤的风化速率较慢。

3 旱地土壤碳汇分析

碳汇主要是指吸收并储存二氧化碳的多少，或者说是吸收并储存二氧化碳的能力。碳源是指产生二氧化碳之源，它既来自自然界，也来自人类生产和生活过程。碳源与碳汇是两个相对的概念，即碳源是指自然界中向大气释放碳的母体，碳汇是指自然界中碳的寄存体。固碳的重点在于处理碳而不是阻止其释放。无机碳的固碳机制主要是生物固碳，将无机碳即大气中的二氧化碳转化为有机碳即碳水化合物，固定在植物体内或土壤中。以藻类固碳为例，地球上的光合作用90%是由海洋藻类完成的。海藻能够有效地利用太阳能，通过光合作用固定二氧化碳，将无机碳溶解转化为有机碳。

与土壤有机碳不同，土壤无机碳含量的增加不一定意味着大气中二氧化碳被固存。碳酸盐溶解是一种与无机碳相关的土壤过程，能够在一系列反应中消耗二氧化碳。要将碳酸盐溶解视为无机碳封存过程，必须了解碳酸氢根的来源和去向。二氧化碳必须来自土壤呼吸或土壤有机碳分解。碳酸氢根必须从土壤剖面中淋滤出来，并在土壤无机碳中储存数千年甚至更长时间。否则，土壤剖面中碳酸氢根的不完全淋溶会导致碳酸盐在土壤深层重新沉淀，同时释放二氧化碳，因此大气中的二氧化碳含量没有净变化。

由公式（2）可知，土壤无机碳的形成消耗2 mol碳酸氢根，产生1 mol碳酸钙沉淀并释放1 mol二氧化碳。干旱半干旱地区的蒸发量大，盐分淋失不完全，灌溉可以加速上述自然反应。准确了解土壤无机碳的分布，及其导致碳固存或以二氧化碳形式流失的控制因素，将有助于预测气候变化对干旱和半干旱地区碳循环的可能后果。

尽管干旱土壤分布广泛，但长期干旱条件下土壤和生态系统碳通量的估算却很少受到重视。根据对新墨西哥奇瓦瓦沙漠的长期二氧化碳通量测量结果，在夏季结合降雨时可以检测到大量的日均二氧化碳排放，非生物二氧化碳源（碳酸盐的溶解）可能是部分二氧化碳排放的原因。在碳酸盐地中海生态系统中，当土壤湿度较低时，土壤无机碳释放二氧化碳量占土壤二氧化碳释放总通量的40%[9]。

干旱生态系统可能是人们长期追求的潜在碳库。将土壤水分和生态系统光合总量纳入土壤二氧化碳通量模型，有助于减少半干旱生态系统碳动态的不确定性。干旱区土壤中存在一个较大的碳酸盐库，它可能通过碳酸盐溶解和出溶的昼夜循环促进地表大气二氧化碳交换。非生物过程在干旱土壤碳循环中起着重要作用，白天释放的部分二氧化碳来自碳酸盐，为夜间二氧化碳吸收提供了来源，尽可能使系统维持（或接近）碳平衡[10]。

4 结论

干旱和半干旱生态系统的土壤碳动态是了解全球碳循环和评估陆地生态系统对全球气温升高的响应的基础。本文着重介绍了干旱地区土壤无机碳的成因及对生态系统碳循环的影响，分析了干旱地区土壤无机碳的化学性质以及其与土壤有机碳之间的相互作用。通过研究干旱土壤无机碳在不同气候条件与不同土地利用方式下的固碳潜力，可以证明旱地土壤可以通过形成次生碳酸盐转化为有效碳汇，土壤无机碳的碳汇研究可以成为减缓气候变化战略的一部分。

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Carbon Sink of Inorganic Carbon in Arid Soil

YOU Wei

（State Forestry and Grassland Administration Industrial Development Planning Institute， Beijing 100010， China）

Abstract： This paper expounded the formation mechanism of inorganic carbon in dryland soils， analyzed the relationship between inorganic carbon content and soil organic carbon content in arid and semi-arid soils， and the impact of climate change and artificial soil management on the storage of inorganic carbon in dryland soils. The dryland soil may be transformed into effective carbon sink through the formation of secondary carbonates， which showed the importance of in-depth study on the carbon cycle of dryland soil.

Key words： inorganic carbon; drought; soil; carbon sink

收稿日期：2023-04-11

作者简介：尤炜（1983-），女，汉族，高级工程师，硕士，主要从事林草规划设计、林草资源保护、碳汇計量研究等工作。