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1、第13卷第6期地球科学进展Vol.13No.61998年12月ADVANCEINEARTHSCIENCESDec.,1998土壤碳循环研究进展陈庆强沈承德易惟熙(中国科学院广州地球化学研究所广州510640)彭少麟李志安(中国科学院华南植物研究所广州510650)摘要土壤碳是陆地碳库的主要组成部分,全球土壤有机碳总量达1270Gt。气候变化影响植物生长、植物碎屑分解速率以及土壤—大气碳通量,这对大气CO2含量有重要影响。土壤有机质模型是研究生态系统尺度土壤碳循环的唯一可用工14具,目前已开发出多种。大量研究表明,C测试是研究土壤有机碳组成及驻留
2、时间的重要手段,土壤有机碳由一系列具不同更新时间的组分构成。土壤粒级组成、矿物特征及土体结构等内在因素制约土壤有机碳存量及状态,对于长时间尺度碳的更新具有重要意义。研究不同气候带土壤有机碳储量及动态变化特征,可为预测未来农、林生态系统变化提供理论依据。关键词土壤碳循环陆地生态系统全球变化土壤有机质模型分类号S153陆地是人类的主要生存环境,全球变化对陆地生态系统的影响直接关系到人类的生存与发展。陆地生态系统是全球温室气体的主要源和汇,人为排放到大气中的温室气体引起〔1〕辐射强迫的增加,其中约55%归因于CO2。人类在利用化石燃料以及改变森林、草
3、地成为〔2〕农田等过程中,使大量有机碳以CO2形式排放到大气中。化石燃料燃烧与毁林释放的CO2超过同期大气CO2的增量及海洋吸收量,从而导致碳的“未知汇”,1958～1978年间有3715〔1,3〕GtC(1GtC=10gC),80年代为平均1.8GtC/a的碳“未知汇”。这一“未知汇”可能存〔4,5〕〔6〕在于陆地生物圈,而土壤是“未知汇”的一个候选者。陆地生态系统碳循环是全球碳循环的重要组成部分,在全球碳收支中占主导地位。研究陆地生态系统碳循环机制及对全球变化的响应,是预测大气CO2含量及气候变化的重要基础,这已引起科学界的高度重视。土壤是
4、陆地生态系统的核心,是联接大气圈、水圈、生物圈以及岩石圈的纽带,因此,了解土壤碳循环是研究陆地生态系统碳循环的重要前提。国家自然科学基金重大项目“中国农业生态系统与全球变化相互作用的机理研究”(项目编号:39728102)与中国科学院鹤山丘陵综合试验站开放研究基金资助。第一作者简介:陈庆强,男,1969年12月出生,博士,沉积学与第四纪地球化学专业。收稿日期:1998-05-18;修改稿:1998-06-29。556地球科学进展第13卷1土壤碳循环与全球变化1.1土壤中碳的分布及含量土壤碳是陆地碳库的重要组成部分,包括土壤有机碳与无机碳。土壤有
5、机碳主要分布于上层1m深度以内,一些主要的热带土壤,如变性土、铁铝土和淋溶土上层1m内的有机碳〔7〕含量,分别占2m深度范围总有机碳量的53%、69%和82%,全球土壤上层1m内的有机碳含量为1220GtC,相当于总现存生物量(自然植被和作物)的1.5倍;在热带广泛分布的〔7〕厚层土壤中,1m以下有机碳的储量达50Gt,故全球土壤有机碳总量可达1270Gt。碳酸〔7〕盐碳很少变动,在碳循环研究中并不为人们所重视,发生碳酸盐累积的土壤主要在荒漠和〔8〕半荒漠区,全球土壤碳酸盐碳库为780～930GtC。〔9,10〕土壤有机碳的年龄随深度增加而增加
6、,说明深层土壤有机质(SOM)较稳定。在大〔7〕部分热带和亚热带土壤中,有机碳的短期变化多局限于上层30～50cm,在全球变化背景下,表层土壤有机碳受到气温、降水变化的直接影响,其含量变化将对全球大气CO2(740Gt〔11〕C)产生重要影响。气候变化对土壤有机质存量的影响有两种方式:影响植物生长,从而〔12〕改变每年回归土壤的植物碎屑量;改变植物碎屑的分解速率。前一过程中,大气CO2含〔7〕量增加,其施肥效应及抗蒸腾效应有利于植物生产量的提高,植物碎屑量增加,从而使土壤集聚更多碳,若大气CO2浓度加倍,这两种效应的提高可达30%或更多,而且温
7、度升高还〔4,13,14〕〔12〕会加强这两种效应;后一过程,则因气温升高,降水增加,加速植物碎屑分解,使土壤有机碳以CO2形式重新回到大气,假定每年回归土壤的植物碎屑量不变,未来60年中,〔1〕15全球气温升高(0.03℃/a)将使土壤有机质释放61×10gC的CO2,这相当于保持目前化〔12〕石燃料年利用量不变,未来60年化石燃料燃烧释放CO2量的19%。目前,这两种过程的净结果尚不清楚。对土壤有机碳贮存及其动态的详细研究,是深入了解土壤有机碳储量变化的关键,这有助于揭开全球碳“未知汇”之谜。1.2农、林生态系统土壤碳循环土壤有机质影响、制
8、约土壤性质,保持或提高土壤有机质含量可以促进团聚体的形成并〔15〕保持其稳定性,降低压实或其它物理损害的风险,以及改善持水能力等;此外,有机质可以提高
