第29卷第1期2010年 2月四川环境S I CHUAN ENV I RONM ENTVol 129,No 11February 2010#综述#收稿日期:2009-08-26基金项目:国家科技部科技支撑重大项目(2006BAC 01A14;上海市科委重点科技攻关项目(072312032。
作者简介:席雪飞(1987-,女,河北石家庄人,同济大学环境工程专业2008级在读硕士研究生。
主要从事环境生态学和环境污染防治研究。
全球环境变化对土壤有机碳库影响的研究进展席雪飞,王磊,贾建伟,唐玉姝(同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海200092摘要:全球环境变化对土壤生态系统有机碳库的影响是当前研究的热点。
本文综述了大气C O 2浓度升高、温度上升、氮沉降等环境因素变化对土壤有机碳输入与土壤呼吸可能的影响,介绍了关于全球环境变化对土壤有机碳库影响的研究手段及其存在的问题,并就今后研究土壤有机碳对全球变化的响应提出了几点建议。
关键词:全球环境变化;土壤有机碳库;CO 2浓度升高;全球变暖;氮沉降中图分类号:X 53 文献标识码:A 文章编号:1001-3644(201001-0115-06Research Progress on Effect of G lobal Environ m entalChange on SoilO rganic Carbon PoolX I Xue -fe,i WANG Le,i JI A Ji a n-w e,i TANG Yu-shu(S t ate K ey Laboratory of P ollution Control&Resource Reuse ,School of Environ m entalScience &Eng ineering,T ongj i Universit y,Shanghai 200092,ChinaAbstract :T he eff ect o f g l oba l environ mental change on so il organic carbon poo l has became a research hot poi n.t In this paper ,the possi ble effects of env i ron m ental f actors such as e leva ted CO 2concentrati on i n at m osphere ,e l evated a ir temperature and nitrogen deposition on so il org an i c carbon i nput and soil resp i ration are rev i ewed .And t he m eans used f o r study i ng the effect o f g l oba l env i ron m enta l change on so il carbon poo,l as we ll as the i r ex i sti ng prob le m s are also i ntroduced .Sequenti a lly suggesti ons on furt her research on response of so il org an i c carbon to g loba l environmenta l change are propo sed .K eyw ords :G loba l env iron m enta l change ;so il org an i c carbon poo ;l e leva ted CO 2concentration ;g loba l w ar m i ng;nitrogen depos i tion土壤有机碳是全球碳循环中重要的碳库。
据统计土壤有机碳库是大气碳库的3倍,大约是植被的215~3倍左右[1],成为地球表层最大的有机碳库,是全球生物化学循环中极其重要的生态因子,因而土壤有机碳库的变化日益成为全球有机碳研究的热点[2]。
全球环境变化,如全球变暖、UV-B 辐射增强、氮沉降等可通过土壤地上部分的植被及其凋落物分解等途径影响土壤有机碳输入;同时也能通过影响土壤呼吸以改变土壤有机碳输出。
因此,在全球环境变化的条件下,土壤究竟成为/碳源0还是/碳汇0也取决于土壤有机碳输入与输出间的动态变化。
本文综述了大气CO 2浓度升高、温度上升、氮沉降等全球环境变化因素对土壤有机碳库可能产生的影响,并介绍了研究全球环境变化对土壤生态系统有机碳汇聚效应影响的方法的研究进展,以期为今后研究全球环境变化下土壤有机碳库的变化趋势以及在应对全球环境变化中的角色提供参考与借鉴。
1 大气CO 2浓度的增加对土壤有机碳库的影响近百年来,随着人类活动的日益增强,大气中温室气体浓度急剧增加。
I CPP [3]在第4次评估报告中指出:全球大气中CO 2在过去的250年中增加了大约36%(约100L m o l/m o l,从工业革命前(AD 1000~1750的275~285L m o l/m o l 增加了2005年的379L m o l/m ol。
据模型预测[4],到本世纪末,大气CO2浓度将达到700L m o l/m o l。
111CO2浓度升高对土壤碳输入的影响大气中CO2浓度升高主要通过植物地上和地下部分影响土壤有机碳库。
许多试验结果表明,植株生物量在CO2浓度升高的情况下增加[5,6],特别是C3植物[7],但这种响应在水分和营养物质不足的情况下会低一些[8]。
CO2升高也影响了植物的地下根系。
随着CO2浓度升高,C3植物分配到植物根部的有机物增加,以满足其生长对营养物质需求的增加,W ang等[9]对野生C3类杂草的研究表明,在CO2浓度增加190L m o l/m o l条件下,根际生物量平均增加31%。
根际生物量的变化并不能完全代表土壤地下部分碳流量及土壤有机碳库的变化,相比之下,根周转率变化更能提供碳库大小的改变和根数量的变化等信息,是有机碳进入土壤最主要的过程[10]。
有研究指出[11],草地和森林生态系统随着流入地下部分的有机质增加,其植被根际周转效率增加。
植物通过光合作用固定的同化产物,有20%~50%是通过根系死亡及根系分泌进入土壤[12]。
一般的,随着CO2浓度升高,植物光合作用产物增多,输入植物根系的有机质增多,根系分泌物又有所增强。
然而,有关根分泌物对C O2浓度的响应目前还存在争议[13]。
主要体现在,现今对根系分泌物占进入土壤生态系统有机碳的比例、组成和变化等的原因仍然不清楚[14]。
112CO2浓度升高对土壤呼吸的影响理论上,大气C O2浓度升高,植物光合作用增强,输送到根部的有机物增多,能提供给微生物更多的可降解底物,因此微生物活性增强,呼吸作用加强。
Goudriaan[15]等支持这一理论,认为大气CO2浓度升高增加了土壤微生物呼吸作用的底物含量,而土壤C/N增加,会刺激土壤微生物的代谢活动和有机质的分解,进而增强土壤呼吸。
现今已有一些研究证明了CO2浓度升高后,土壤呼吸确实有增加[16,17]。
但土壤呼吸速率在CO2浓度升高时会降低[18]和不发生明显变化[19]的情形也存在。
土壤呼吸对大气CO2浓度升高的响应存在很大的不确定性,目前还没有一致性的结论。
陈春梅等[2]对此的解释为:植物生长对CO2浓度上升的反应不同,影响了凋落物的数量和其中营养元素的含量,进而导致进入土壤的底物类型和数量有极大的变化。
而这些进入土壤的底物的有效性差异可以导致微生物的代谢活动发生变异,最终导致土壤呼吸产生很大变异性;贾夏等[20]解释到,土壤呼吸作用强度不仅取决于大气CO2浓度升高促进了植物向地下输入了更多的有机碳,而且也会受到土壤N 含量的影响。
如果土壤有机碳含量增加,而N 含量不足,会抑制微生物呼吸[21]。
综合当前的研究结果,还不能确定当大气中CO2浓度升高时是否会导致土壤有机碳库的增加。
Goudriaan和Ruiter[15]于1983年提出CO2浓度升高会减慢土壤原有有机质的分解,因此会导致土壤碳的积累。
相反,X ie等[22]研究发现大气CO2浓度升高对草地土壤的总碳没有显著影响。
不同的学者在其各自的研究尺度上存在着较大差异,从而也呈现出了结果的不统一性。
2全球变暖对土壤有机碳库的影响目前,人类活动导致了大气层中/温室气体0的不断累积,从而使得全球气温逐渐上升。
I PCC 第4次评估报告预测[3],从现在开始到2100年,全球平均气温将升高118e~410e。
图1为全球变暖对土壤有机碳库影响的过程。
图1全球变暖对土壤有机碳库的影响F i g11I m pact of g loba lw ar m i ng on so il organ i c carbon poo l211全球变暖对土壤有机碳输入的影响全球变暖可以通过直接影响光合作用改变植物生物量,还可以通过改变土壤氮素矿化速率、土壤水分含量,间接影响植物地上部分生物量[23]。
C ao[24]等的研究结果显示,在全球各大洲均表现为植物生物量随气候变暖而增加。
郝占庆等[25]应用116四川环境29卷LI N KAGES对长白山上主要树种对气候变暖的响应进行了模拟,结果表明不同树种的生物量都随气温上升而增加,变化趋势非常相似。
全球变暖引起植被生物量的增加,同时也增加了凋落物的产量。
凋落物分解受诸如凋落物质量和气候、土壤等非生物因素及土壤微生物和土壤动物等生物因素的制约。
全球变暖通过影响此类因素,从而直接或间接影响凋落物的分解速率。
全球变暖提升了土壤微生物活性,进而加速凋落物的分解。
212全球变暖对土壤呼吸的影响近十几年来,模拟土壤呼吸对气候变暖的响应的实验结果大都表明,土壤的呼吸速率通常随着温度的增加而升高[26,27]。
K ang等[27]研究了土壤微环境条件下气候变化对土壤呼吸的影响,发现气候变暖可以持续地增加土壤呼吸速率。
然而,还有一些研究结果表明,气候变暖尽管可以在短时间内刺激土壤呼吸产生大量的CO2,但是它并不能从根本上增加土壤呼吸[28]。
这集中体现在土壤呼吸对温度升高条件的适应机制。
即在微生物活性温度范围内,随着温度的逐步升高或持续的高温,土壤呼吸温度敏感性缓慢降低,呼吸速率逐步恢复到升温前水平的现象[29]。
自然温度变化下,尚未观测到土壤呼吸对升温的适应,但在人工控温实验中,发现土壤呼吸对升温产生了明显的适应[28]。
土壤呼吸对全球变暖的适应性的机制,现今仍未有定论,存在有几种解释,见表1。