土壤呼吸作用和全球碳循环
概论
• 地球的碳库：地球在下列库中共含有108Pg碳。 （1）地壳中地质生成物(9.0X107Pg)； （2）溶解的海洋碳酸盐(3.8X104Pg)； （3）气体水合物，主要是甲烷水合物(1.0X104Pg) ；
(4) 化石燃料(4.0X103); (5) 陆地生物圈(5.6X102Pg); (6) 土壤圈(1.6X103Pg); (7) 大气圈(7.5102Pg); • 在过去很长时间内"自然系统和生物地球化学循环一直使
• 全球土壤呼吸作用的碳的估计量为68Pg/a至100Pg/a约是 输入土壤表层新鲜岩屑数量的2.3-3.3倍!仅次于全球陆地 总初级生产(GPP)的估算值100-120Pg/a,而高于净初级生 产力(NPP)的量值50-60Pg/a是全球碳循环中一个主要流 通途径.
• 土壤呼吸作用与全球变化： 土壤呼吸即使发生较小的变 化也会等于或超过由于土地利用改变和(或)化石燃料燃烧 而进人大气的CO2年输入量,所以土壤呼吸的变化能显著 地减缓或加剧大气中CO2的增加,进而影响气候变化,全球 变暖将有利于增强土壤呼吸,释放出更多的CO2又进一步 加剧了全球变暖的趋势,我们应该认识到土壤呼吸作用的 全球通量是大的,也应当明白,在人类干预之前陆地植物和 土壤吸入与呼出的碳是接近平衡的,然而正是由于包括土 壤破坏在内的人类活动所产生CO2对大气CO2浓度的上升 和可能的全球变暖起着重要的作用.因此,更好地理解土壤 呼吸作用和它的各个环节,特别是控制土壤有机质分解作 用的因素极为关键,这样才有助于我们作出有关土壤碳变 化速率和变化方向的正确评估,这对于制定和执行缓和气 候变化方面的政策措施是必不可少的.
60g/m2/a.
• 在活根系呼吸占总呼吸比例已知的情况下,可根据 土壤有机碳存贮量和土壤呼吸速率计算出土壤中 碳的平均滞留时间,假设活根系呼吸量占30%,各种 生态系统中土壤有机质的平均滞留时间介于 10a(热带草原)和500a(苔原,沼泽和湿地)之间,全 球陆地土壤有机质碳的总平均滞留时间为32a.
土壤呼吸作用
• 碳 壤以呼C吸O作2的用形的式结从果土.土壤壤向呼大吸气作圈用的,严流格动意是义土 上 有讲代是谢指作未用受.包扰括动3个的生土物壤学中过产程生（CO植2物的根所呼 吸、土壤微生物呼吸及土壤动物呼吸）和 一个非生物学过程，含碳物质的化学氧化 作用。研究表明土壤呼吸释放的CO2 中约 30％－50％来自根系的活动或自养呼吸作 用，其余部分主要源于土壤微生物对有机 质的分解作用，即异养呼吸作用。
• 土壤碳库的重要性：这种由人类活动引起的碳循环的紊乱 导的致全大球气变中暖的CO关2浓注度.也的许日更趋严升重高的,也是引引起起了我世们界对各全国球对变潜暖在 和CO2从陆地碳库特别是土壤中进一步释放出来之间的可 能的正反馈效应的担忧.这是21世纪全人类所面临的严重 环境问题,全球土壤仅在表层就含有大约1.5X103Pg碳,是 大气中的2倍.全世界土壤中碳贮存量的增加将有助于缓和 CO2进一步的人为释放,而土壤CO2 的释放则会显著加剧 大气中CO2浓度的增高.
• 影响土壤呼吸作用速率的重要因素:
– 温度; – 土壤湿度; – 植被和基层质量; – 净生态系统生产力; – 净初级生产力在地上地下的相对分配; – 地上植被和地下动植物区系的种群和群落动力
学; – 土地利用和(或)扰动方式(如火)
• 土壤的CO2通量与植物生长的关系.植物生长为分 解者提供有机残留物,当有机碳加入到土壤中时,土 壤呼吸速率增大.对全球主要生物群落的研究表明, 土壤呼吸速率和净初级生产力之间存在正相关关 系.土壤呼吸速率在热带潮湿森林地区最高,碳可达 1260g/m2/a,那儿植物生长茂盛,条件非常有利于分 解者,而在寒冷和干旱气候地带则最低,例如苔原
•量保持不变,大气中CO2的增高(增强植
物生长)将会导致更多的植物碎片进入土壤,其中小 部分未被分解使土壤成为大气CO2的一个汇,CO2 对植物生长的促进，可以解释大气CO2去向不明 汇的约一半。这是由于土壤中碳存储量增大的缘 故。一些野外实验也表明，当植物生长于高浓度 的条件下，土壤的有机质也增加。
• 土壤碳动力学研究的大多数模型发现,可将土壤有 机质区分为两个具有不同更新时间的碳库:1,靠近 土壤表层由新鲜残留物组成的“小”碳库,更新速 度快,流通量大.2.贯穿整个土壤深层剖面的由难以
分解的腐殖质复合物组成的“大”碳库，更新十 分缓慢，许多学者根据放射性C14含量的测定,获
得了不同深度土壤有机质的平均滞留时间或更新 时间,测得的数值在10a到1万a之间,甚至几万a,随 深度而增加,因此,在研究土壤CO2通量变化时,必 须特别注意土壤表层附近的不稳定碳库的变化,显 然,人为扰动或全球变暖引起的土壤CO2通量释放 的增大主要源于具有最短更新时间的不稳定碳库, 例如温带森林土壤的CO2年生产量中有83%是仅 为15cm的表层土壤提供的.
• 另一方面，大部分土壤中的微生物群落是受有机 物的可利用量所控制的。这就是说，高的CO2浓 度下的植物生长可以增加土壤中额外的碳,但是其 中的大部分很可能通过微生物的分解作用(异养呼 吸)又以CO2返回到大气圈.然而,在寒冷地带,例如 北方森林,低温大大抑制了分解作用,有利于大量的 有机碎片聚积在土壤.
这些碳库处于动态平衡中"但近代特别自工业革命以来的 人类活动,像森林毁坏"农业活动"化石燃料的燃烧等,导致了 碳库之间的极大改变.
• 碳的转化路径：对当前全球碳预算的估计表明:大气中CO2 的来源包括化石燃料燃烧释放碳5.4Pg/a,森林破坏和其他 土地利用所引起的释放碳量1.6Pg/a,但这些释放到大气中 的PgC/aO(22 9只%有)被约海3.洋3P吸g收/a(,4其7余%)1的.7碳P滞g/a留(2在4%大)气则中去,向2.0不明.有 证据指出这部分丢失的碳很可能是被北温带地区陆地生态 系统中的碳汇接纳.