陆地土壤碳循环的研究动态＊汪业勖　赵士洞　牛　栋(中国科学院自然资源综合考察委员会,北京100101)

ResearchStateofSoilCarbonCyclinginTerrestrialEcosystem.WangYexu,ZhaoShidong,NiuDong(CommissionforIntegratedSurveyofNaturalResources,AcademiaSinica,Beijing,100101).ChineseJournalofEcology,1999,18(5):29-35.Soilcarbonpoolsandrespirationplayanimportantroleintheglobalcarbonbudget,andtheyarealsoessentialtounderstandthesoilcarboncyclingforthepredictionoffutureatmosphericCO2concentra-tionandunderstandingthestructureandfunctionofsoilecosystem.Thekeyaspectsintheresearchofsoilcarboncyclingwerepresented,includingthedifferentwaysofestimateofsoilcarbonpools,therelationshipsbetweensoilcarboncyclingandglobalchange,andthebasicmethodsforthemod-elingofsoilcarboncycling.

Keywords:soilecosystem,carbonpools,carboncycling.

＊中国科学院“九五”重大项目(KZ95T-04-02-09)和国家自然科学基金资助项目(49571030)。作者简介:汪业勖,男,32岁,助研。1993年毕业于南京林业大学,获硕士学位。现于中科院自然资源综合考察委员会攻读生态学博士学位,从事森林生态系统研究,发表论文数篇。

1　引　言陆地碳循环不仅关系到陆地生态系统生产力的形成,同时也影响到整个地球系统的能量平衡,是陆地生态系统结构和功能的综合体现。近几十年来,由于人类活动引起大气CO2浓度的急剧上升,并可能导致全球气候变化,而且这种变化与陆地碳循环之间存在复杂的相互反馈机制,陆地碳循环已成为生态学、气候学、土壤学、生理学及地质学等众多学科研究的共同目标。在国际地圈-生物圈研究计划(IGBP)中,碳循环也是全球尺度模型化工作最初集中的主要目标[13]。然而由于陆地生态系统的多样性和复杂性,目前在陆地碳循环研究中仍存在很大的不确定性。例如80年代期间,在全球碳源与碳汇之间的不平衡为每年1.9±1.2PgC,这部分“失踪”的碳汇被认为是北方中纬度森林每年吸收的0.5±0.5PgC以及尚未观测到的陆地生态系统中每年贮存的1.4±1.5PgC[8]。应该指出这只是80年代期间的全球碳平衡的年平均值,而实际上碳循环中的生物地球化学过程是与环境变化相关的,如大气CO2浓度、温度和降水的变化都会影响到陆地植被的生理反应和土壤有机质的分解过程,因此气候变化等诸多因素的影响会导致陆地生态系统在碳源与碳汇之间出现年际波动,影响陆地生物圈的碳平衡。目前陆地碳循环的研究已经从理论分析和文献研究发展到建立全球性监测网络的系统研究[22]。

土壤是陆地生态系统中重要的组成部分。土壤不仅是陆地植物及土壤动物和微生物生存的养分库,同时也是在一定气候条件下生物物理和生物化学过程对母岩进行改造的产物。因此土壤在各种元素的生物地球化学循环中都发挥着重要的作用。在生物地球化学碳循环研究中,陆地土壤生态系统的意义和重要性体现在以下几个方面:

生态学杂志　1999,18(5)∶29-35ChineseJournalofEcology ①土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库,并受气候和人类活动的影响而发生动态变化。据大多数估计[5,17,18],全球陆地土壤碳库量约为1300～2000PgC,是陆地植被碳库500～600PgC的2～3倍,是全球大气碳库750PgC的2倍多,因此土壤碳库在全球碳平衡中具有重要作用。②土壤呼吸(包括土壤生物呼吸和植物根系及菌根的呼吸)释放的CO2大约为每年50～76PgC[20,21],占陆地生态系统与大气之间碳交换总量的2/3[18],约为大气碳库的1/10,比陆地生态系统净初级生产力吸收的碳量大30%～60%[21],也远远超过由于化石燃料燃烧每年向大气排放的5PgC[26]。可见土壤CO2排放对倍受人类关注的大气CO2浓度上升有巨大的影响,特别在北半球北部大面积的泥炭地是一个巨大的碳库,约为455PgC[17],而这一地区又是气候变暖影响最大的地区,温度升高将会加速泥炭地的碳排放,从而可能加剧大气CO2浓度的上升。③土壤是生物地球化学碳循环中周转最慢的碳库。由于植被和气候的不同,周转时间(turnovertime)从10年(热带草原土壤)到520年(泥炭沼泽土壤)不等[20],Post根据土壤碳库量和每年植被的凋落物量粗略地计算了全球土壤有机碳库的平均周转时间为22年[17],而进入地质碳循环的土壤碳的周转时间则可达几百万年甚至几亿年,周转时间远远大于大气碳库和陆地植被碳库。因此,土壤碳存贮对减缓大气CO2浓度上升具有重要意义。④土壤是大气圈、水圈、岩石圈和生物圈共同作用的界面,是陆地生态系统生物循环和生物地球化学循环过程的重要介质;同时土壤在水循环过程中的作用决定了陆地河流向海洋输出碳量的形式和通量[22]。⑤土壤中物质和能量的循环强度不仅影响到土壤的碳排放,同时也影响到陆地植被的养分供应。特别对于土壤养分为限制因子的陆地生态系统,由于土壤碳循环的变化以及伴随的大气CO2浓度上升和气候变化,将对陆地生态系统的分布、组成、结构和功能都产生深刻的影响。当前土壤碳循环的研究仍是陆地碳循环研究中最不充分的部分,对土壤碳库的估计误差也很大。这是因为土壤是一个不均匀的三维结构体,在空间上呈现复杂的镶嵌性,且与气候以及陆地植被和生物发生复杂的相互作用,因此在研究土壤碳循环,特别是在区域尺度上的研究仍面临着大量需要解决的问题,甚至在某些测定上,如土壤呼吸以及土壤内植物细根的周转速率等,至今仍没有统一和准确的观测方法。方精云等曾粗略地估计出我国土壤有机碳库为185.7PgC,约占全球土壤总碳量的12.5%,并指出了我国土壤在维持全球碳平衡以及在影响全球气候变化中的重要作用[1]。本文试图对土壤碳循环研究中的

热点问题进行简要的论述。

2　陆地土壤碳库的研究碳库是碳循环研究的一个基本组成部分。土壤作为生物-非生物自然体是由矿质基质和土壤有机质两大部分组成,因此土壤碳库也包括土壤有机质碳库和土壤矿质碳库两大部分。2.1　土壤有机碳库土壤有机碳库是土壤生物地球化学碳循环研究的主要内容,在组成上它包括植物、动物及微生物的遗体、排泄物、分泌物及其部分分解产物和土壤腐殖质。现有的全球土壤碳库的估计值在700～2946PgC之间。可见,碳库估计中的不确定性很大。其原因包括土壤调查数据不充分,土壤取

30生态学杂志　第18卷　第5期样和分析方法的差异,计算方法的差异,土壤参数估计的差别(如土壤容重,质地,植物根量等等)[22],还包括在土壤分类方法、土壤厚度和面积估算上的差异等等。早期对土壤有机碳库的估计是根据少数几个土壤剖面资料进行推算的。如Rubey根据不同研究者发表的美国9个土壤剖面的碳含量,推算全球土壤有机碳库为710PgC。70年代,Bohn利用土壤分布图及相关土组(soilassociation)的有机碳含量,估计出全球土壤有机碳库为2946PgC[4]。这两个估计值成为当前对全球土壤碳库估计的上下限。Bohn是综合联合国粮农组织和教科文组织(FAO-UNESCO)发表的南美土壤分布图及相应的土壤剖面资料、北美土壤分布图及Ganssent和Hadrich的世界土壤分布图的资料,并假设矿质土纲的容重为1.2,有机土纲(即泥炭土、沼泽土和某些半沼泽土)的容重为0.25,计算了全球1m深土壤的碳库量[4]。在计算中也采用了土组的合并、相互引用以及插值等方法。80年代,为了研究全球碳循环与气候、植被及人类活动等因素之间的相互关系,统计方法开始应用于土壤碳库的估计。如Post等在Holdridge生命带模型的基础上估计全球土壤碳密度的地理分布与植被和气候因子之间的相互关系[18]。Post等收集2696个土壤剖面,建立了土壤碳密度与气候及植被分布之间的关系图。Post等首先对土壤进行了分层,并建立了两个回归关系:①土壤容重的估计:BD=b0+b1D+b2log10ct其中BD为土壤容重,D为土层中心的深度,ct为土层有机碳的含量;②土壤碳密度的估计:c=ctBD(1-δ2mm)V其中c为土壤碳密度,δ2mm为直径大于2mm的土粒含量,V为该土层的体积。最后根据土壤碳密度及其相关面积估计出全球1m厚度的土壤有机碳库为1395PgC,这一数据被广泛引用。但是该研究是在基于陆地主要植被类型面积的基础上进行统计计算的,而不是依据不同土壤类型的面积和分布进行计算,并且所收集的数据在取样和分析方法上都存在差异,因此对估计结果的精度必然产生一定的影响。陆地土壤碳库研究的新进展是利用地理信息系统技术,描述土壤碳库不同层次的属性及其空间分布。在区域尺度上已经有不少国家开展了这样的研究。例如加拿大建立了1:100万的数字化土壤分布图及土壤碳数据库,其中属性数据中还包括了环境数据和其它土壤特性数据。计算出加拿大土壤在0～30cm土层和0～100cm土层中的碳库量分别为70.1PgC和249PgC;俄罗斯在1:250万土壤分布图上建立了土壤碳的空间数据库,共划分了33个土壤地带,包括了不同土壤层次的腐殖质含量,土层容重以及石质含量等。计算并绘制了俄罗斯全国0～20cm,0～50cm,0～100cm等不同土壤层厚度的有机碳库、0～100cm土壤深度的无机碳库的分布图,估计出俄罗斯土壤有机碳库总量为342.1PgC,无机碳库为111.3PgC,因此土壤总碳库量为453.4PgC[22]。我国也已完成了1:400万

的土壤分布图和1:100万的土地利用图的数字化工作,但所包含的土壤碳属性数据较少,不能直接用于我国土壤碳库的估计。以地理信息系统为支撑而建立的土壤空间数据库可以包含丰富的土壤属性数据和空间数据信息,为土壤碳库的各种估计和计算提供了可能,也是未来在区域尺度上研究土壤碳库的重要手段。它与全球气