碳同位素技术在土壤碳循环研究中的应用

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1、第20卷第5期地球科学进展Vol.20No.52005年5月ADVANCESINEARTHSCIENCEMay.，2005文章编号：1001-8166（2005）05-0568-10*碳同位素技术在土壤碳循环研究中的应用1121于贵瑞，王绍强，陈泮勤，李庆康（1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101；2.中国科学院资源与环境科学技术局，北京100864）摘要：碳在土壤中的储量和存储时间是陆地生态系统碳库中最大和最长的，而土地利用方式会影响到土壤碳储量及其循环周期，因此有效的土地利用管理可使土壤成为一个碳汇。土壤储存碳的过程就是土壤有机碳动态平衡的变化，因此认识土壤有

2、机碳的动态变化是揭示土壤碳循环过程及其调控机制的重要方面。首先介绍了碳的一种稳定性同位素（13C）和放射性同位素（14C）在生态系统长期动态过程的重建（如C3/C4植被的历史格局）、土壤有机碳周转周期等方面的应用，探讨了同位素示踪技术在土壤有机碳来源、周转周期、土壤CO2通量的变化和组分区分、同位素富集等研究领域的应用，归纳了土壤碳循环研究中的基本问题，提出了未来土壤碳循环同位素示踪的主要研究方向。关键词：土壤有机碳；碳循环；稳定性同位素；放射性同位素中图分类号：S15文献标识码：A《京都议定书》引入了联合履约（JI）、排放贸易存储的关键就是土壤有机碳动态平衡的变化，而自然（E

3、T）和清洁发展机制（CDM）（统称为京都机制），和人工系统的土壤碳库及其周转周期的估计是分析［8］允许各国通过造林、再造林、森林和农田管理等人为土壤和大气之间碳交换的基础，这就要求科学地认［9］活动引起的碳增汇用于抵消本国承诺的温室气体减识土壤碳动态变化过程和调控机制。因此，研究陆排指标。因此陆地生态系统对减缓温室气体排放的地生态系统中土壤有机碳的动态变化和循环特征，探潜力，已成为世界各国研究和国际外交谈判的焦点，讨土壤固碳能力、周转规律以及影响因素，成为当今［10］但国际谈判需要精确定量化地阐述碳汇的强度和寿生态学、生物地球化学和地理学研究的共同热点，［1］命。土壤碳库是陆地

4、生态系统碳库中最大的分其研究结果可以为土壤碳循环动力学模型和土壤碳量，而且土壤碳在陆地中存储的时间最长，它包括了管理提供理论基础和数据储备。周转周期从月、年到数十年，甚至几百年、千年的各土壤有机质的组分具有不同的物理化学属性和［2～4］类碳库。同时，土壤与大气之间每年的碳交换周转时间，所以传统的土壤普查方法很难精确地探量达到60～80PgC，是每年石油和煤等燃料燃烧释测到几十年之内气候变化或土地利用变化对土壤碳［5］［3，4］放的12～16倍。而且，土壤有机质对农业活动、气储量的影响。研究还发现传统方法测量的不确［1，6］候和土地利用变化的反应也是极其敏感的，当全定性比土壤碳储

5、量的差异还要大，但同位素测量方球气温上升1℃时，土壤将增加分解释放11～30PgC法却比土壤普查方法更加敏感地揭示了土壤碳循环［7］［11］到大气中。所以土壤在全球碳平衡中的作用和土的干扰和恢复过程。其中，碳的稳定性同位素壤碳固定增汇能力受到了广泛关注。实际上土壤碳（13C）示踪技术适合研究从年到百年尺度的土壤碳*收稿日期：2004-06-16；修回日期：2004-12-01.*基金项目：国家重点基础研究发展规划项目“中国陆地生态系统碳循环及其驱动机制研究”（编号：2002CB412501）；中国科学院地理科学与资源研究所主干科学计划“中国陆地生态系统土壤碳估算”（编号：CXI

6、OG-E02-02-02）；中国科学院知识创新工程重大项目“中国陆地和近海生态系统碳收支研究”（KZCX1-SW-01-19）资助.作者简介：于贵瑞（1959-），男，辽宁大连人，研究员，主要从事全球变化生态学与陆地水碳循环研究.E-mail：yugr＠igsnrr.ac.cn第5期于贵瑞等：碳同位素技术在土壤碳循环研究中的应用56913循环过程，能有效地阐明地下碳动态变化和土壤碳述了生态系统CO2通量的C特征，并综合了生态系储量的微小迁移与转换，以及定量化评价新老土壤统与对流层CO交换的13C特征，可以定量化描述生2［4，8］有机碳对碳储量的相对贡献。同时，土壤有机态系统尺度

7、上的生物圈碳的同位素特征［20，21］。由于碳和土壤呼吸CO的放射性同位素（14C）数据可用13C2凋落物的混合与土壤有机碳较慢的周转速度，δER来确定碳动态变化以及全球变化对土壤碳的影响，［22］和Δe值也可以反映土地利用历史。因此，植被、凋并能用于检验土壤碳动力学模型的预测效果。由于落物和土壤不同组分的δ13C值、δ13C和Δ成为定ERe土壤有机碳库综合了年到数十年尺度植被的同位素量化表述大气碳汇或源的一种重要参数。信息，因而土壤碳库是对区域生物量碳同位素组成自从1970年以来，国外在生