土壤有機(jī)碳庫及其模型研究進(jìn)展

1、收稿日期:2008-10-18基金項(xiàng)目:中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(20070420225和浙江省哲學(xué)社會科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目(07CGGL013YBQ 資助作者簡介:苑韶峰(1975-,男,山西繁峙人,博士后,副教授。主要從事環(huán)境、生態(tài)、水土資源等方面的研究。E-mail:shaofengyuan1975 ;Tel:137*土壤有機(jī)碳庫及其模型研究進(jìn)展苑韶峰1,楊麗霞2(1.浙江工商大學(xué)土地資源管理系,浙江杭州310018;2.浙江財經(jīng)學(xué)院資源環(huán)境管理系,浙江杭州310018摘要:土壤有機(jī)碳庫是陸地碳庫的主要組成部分,并受氣候變化和人類活動的影響而發(fā)生動態(tài)變化。據(jù)估計,全球陸地土壤碳庫量約為130020

2、00Pg C ,是陸地植被碳庫500600Pg C 的23倍,是全球大氣碳庫750Pg C 的2倍多,因此土壤碳庫在全球碳平衡中具有重要作用,尤其是土壤有機(jī)碳庫。圍繞土壤有機(jī)碳庫,闡述了土壤有機(jī)碳庫的組成部分、計算方法及其影響因素。并從經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c機(jī)理模型的角度,綜述了國內(nèi)外土壤有機(jī)碳庫模型研究進(jìn)展。關(guān)鍵詞:土壤有機(jī)碳庫;碳循環(huán);模型中圖分類號:S153.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:0564-3945(201002-0738-06土壤通報Chinese Journal of Soil Science第41卷第3期2010年6月近幾十年來,大氣CO 2濃度增加引起的全球變化是目前人們共同關(guān)注的一個全

3、球問題。據(jù)IPCC 預(yù)測到2040年,CO 2濃度將從現(xiàn)在的354ppm 升至500ppm 1。土壤作為大氣CO 2的源和匯,是控制大氣CO 2濃度增加的一個重要因素,與陸地碳循環(huán)之間存在復(fù)雜的相互反饋機(jī)制。陸地碳循環(huán)已成為生態(tài)學(xué)、氣候?qū)W、土壤學(xué)、生理學(xué)及地質(zhì)學(xué)等眾多學(xué)科研究的共同目標(biāo)2。然而由于陸地生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和復(fù)雜性,目前在陸地碳循環(huán)研究中仍存在很大的不確定性,尤其是在陸地碳循環(huán)平衡中,已知的碳匯不能平衡已知的碳源,出現(xiàn)了一個很大的“漏失匯”(missing sink 3,4。這一問題的出現(xiàn)對正確預(yù)測未來氣候變化提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。一些科學(xué)家認(rèn)為,“漏失匯”很可能存在于陸地生態(tài)系統(tǒng)中,故

4、對陸地碳循環(huán)的研究尤顯重要。目前陸地碳循環(huán)的研究已經(jīng)從理論分析和文獻(xiàn)研究發(fā)展到建立全球性監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)研究5。土壤碳庫作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳儲庫,對溫室效應(yīng)與全球氣候變化同樣有著重要的控制作用。全球土壤有機(jī)碳庫(SOC POOL 達(dá)到1.5×1032×103Pg ,是大氣碳庫的3倍,約是陸地生物量的2.5倍;無機(jī)碳庫(SIC POOL 也達(dá)0.7×1031×103Pg 6。但由于土壤無機(jī)碳的更新周期在1ka (有資料表明8500多年以上7,即在土壤中的滯留時間很長,因此土壤有機(jī)碳庫在全球變化研究中顯得更為重要。土壤有機(jī)碳通過呼吸釋放CO 2是決定陸地

5、生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的主要因子8,是土壤與大氣快速交換CO 2的主要形式9。土壤有機(jī)碳庫儲量較小幅度的變動,皆可能影響大氣中的CO 2水平。對土壤有機(jī)碳庫的庫容及其動態(tài)變化進(jìn)行研究,有助于探討減少碳排放、增加土壤碳貯存、延長土壤碳的固定時間等問題。1土壤有機(jī)碳庫1.1土壤有機(jī)碳庫及其組成部分土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大且周轉(zhuǎn)時間最長的碳庫。它由有機(jī)碳庫和無機(jī)碳庫兩大部分組成,且土壤無機(jī)碳庫占的比例較小10,并且周轉(zhuǎn)時間更長,因此對目前碳循環(huán)具有顯著影響的則是有機(jī)碳部分。土壤有機(jī)碳庫分為兩部分:活潑碳和不活潑碳。其中不活潑碳約占土壤總有機(jī)碳庫的25%甚至更高11,這部分不活潑的碳具有較長的周轉(zhuǎn)時間(千年以

6、上。國外好多文獻(xiàn)把土壤有機(jī)碳庫分為三部分:活躍碳庫(active carbon pool ,緩效性碳庫(slow carbon pool 和惰性碳庫(passive carbon pool ,其中,土壤活性有機(jī)碳指在一定的時空條件下,受植物、微生物影響強(qiáng)烈、具有一定溶解性、在土壤中移動比較快、不穩(wěn)定、易氧化、分解、易礦化,其形態(tài)、空間位置對植物、微生物來說活性比較高的那一部分土壤碳素,大約是土壤活生物量的23倍;緩效性碳庫包含難分解的植物和較穩(wěn)定的微生物,而惰性碳庫是那些化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)都穩(wěn)定的部分12。1.2土壤有機(jī)碳庫的計算方法當(dāng)前土壤碳循環(huán)的研究仍是陸地碳循環(huán)研究中最不充分的部分,對土

7、壤碳庫的估計誤差也很大。這是因?yàn)橥寥朗且粋€不均勻的三維結(jié)構(gòu)體,在空間上呈現(xiàn)復(fù)雜的鑲嵌性,且與氣候以及陸地植被和生物發(fā)生復(fù)雜的相互作用。因此,在研究土壤碳循環(huán),特別是在Vol.41,No.3Jun.,20103期土壤碳庫的計算公式如下:C j =ni =1C i ×H iHi(1C =ni =1C j ×10÷1.724××S ×20003×H i ×10-2(2式(1中,C i 為統(tǒng)計剖面第i 層土壤的有機(jī)質(zhì)含量(%從第二次全國土壤普查資料2473個土種剖面資料中,分別讀取每個剖面每層深度土壤的理化性質(zhì)。碳含量由有

8、機(jī)質(zhì)含量乘以Bemmelen 換算系數(shù)(即0.58gC/gSOC 求得14。各類土壤的總碳量由下列公式求得:C j =0.58×S j ×H j ×O j ×W j式中j 為土壤類型,C j 為第j 種土壤類型的碳儲量(t ,S j 為第j 種土壤類型分布面積(hm 2,H j 為第j 種土壤類型的平均厚度(cm ,O j 為第j 種土壤類型的平均有機(jī)質(zhì)含量(%,W j 為j 種土壤類型的平均容重(g cm -315。域尺度上已經(jīng)有不少國家開展了這樣的研究。例如加拿大建立了1100萬的數(shù)字化土壤分布圖及土壤碳數(shù)據(jù)庫,其中屬性數(shù)據(jù)中還包括了環(huán)境數(shù)據(jù)和其它土

9、壤特性數(shù)據(jù)。計算出加拿大土壤在030cm 土層和0100cm 土層中的碳庫量分別為70.1Pg C 和249Pg C ,俄羅斯在1250萬土壤分布圖上建立了土壤碳的空間數(shù)據(jù)庫,共劃分了33個土壤地帶,包括了不同土壤層次的腐殖質(zhì)含量,土層容重以及石質(zhì)含量等16。計算并繪制了俄羅斯全國020cm ,050cm ,0100cm 等不同土壤層厚度的有機(jī)碳庫、0100cm 土壤深度的無機(jī)碳庫分布圖,估計出俄羅斯土壤有機(jī)碳庫總量為342.1Pg C ,無機(jī)碳庫為111.3Pg C ,因此土壤總碳庫量為453.4Pg C 。我國已完成了1400萬的土壤分布圖和1100萬的土地利用圖的數(shù)字化工作,但所包含的土

10、壤碳屬性數(shù)據(jù)較少,不能直接用于我國土壤碳庫的估計。以地理信息系統(tǒng)為支撐建立的土壤空間數(shù)據(jù)庫可以包含豐富的土壤屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)信息,為土壤碳庫的各種估計和計算提供了可能,也是未來在區(qū)域尺度上研究土壤碳庫的重要手段17。它與全球氣候和植被數(shù)據(jù)庫相結(jié)合,是深入研究全球碳循環(huán)和碳循環(huán)動態(tài)模擬必要的數(shù)據(jù)支撐。1.3影響土壤有機(jī)碳庫的因素土壤有機(jī)碳庫中碳循環(huán)的過程受到多種物理因素、化學(xué)因素、生物因素的影響,如氣候、植被、土壤的理化性質(zhì)、土地利用方式、土壤管理措施等。但最直接、氣候變化的作用氣候變化與土壤CO 2排放之間存在密切關(guān)系,有研究表明氣候變暖將極大提高土壤有機(jī)碳的釋放,從而土壤此時是一個相當(dāng)大的

11、“源”1,18;也有研究顯示土壤有機(jī)碳對氣候變暖具有相土地利用與土地覆蓋變化土地利用/土地覆被變化(Land Use/Cover Change ,簡稱LUCC 是造成全球變化和碳循環(huán)不平衡的重要原因之一,是全球變化研究的重點(diǎn)22。土地利用/土地覆被變化包括生物多樣性、現(xiàn)實(shí)和潛在的植被及土地生產(chǎn)力、土壤質(zhì)量、地表徑流和侵蝕沉積等方面的變化,將會影響到地球表層四大圈的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換過程,包括溫室氣體CO 2的凈釋放效應(yīng)23。土地利用/土地覆被變化特別是森林的破壞、林地開墾為耕地,減少了植被生產(chǎn)力和土壤有機(jī)質(zhì)的輸入,破壞了土壤有機(jī)質(zhì)的物理保護(hù),土壤有機(jī)質(zhì)分解速率增加,土壤有機(jī)碳儲量隨之降低,致使

12、碳元素大量釋放到大氣中,導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)不平衡,可導(dǎo)致土壤上層的有機(jī)碳減少量達(dá)20%50%2426。不合理的土地利用,會導(dǎo)致土壤儲存的碳和植被生物量減少,使更多的碳素釋放到大氣中,從而導(dǎo)致大氣CO 2濃度的增加,又進(jìn)一步增加了全球變暖的趨勢和與之有關(guān)的氣候變化,長期非持續(xù)性土地利用導(dǎo)致的碳素從陸地生態(tài)系統(tǒng)的釋放是大氣中CO 2濃度不斷升高的主要原因之一。苑韶峰等:土壤有機(jī)碳庫及其模型研究進(jìn)展739第41卷土壤通報2土壤有機(jī)碳庫模型研究進(jìn)展建立一個綜合氣候、土壤、生物和人類活動影響因素的生態(tài)系統(tǒng)模型并用以研究陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)尤為重要,這也是客觀估計中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程中CO2源匯強(qiáng)

13、度的時空分布特征及對全球碳循環(huán)作用的一條有效途徑,但關(guān)于完整的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的模型尚未問世27。了解土壤碳循環(huán)是研究陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要前提。土壤有機(jī)質(zhì)模型是研究生態(tài)系統(tǒng)尺度土壤碳循環(huán)的唯一可用工具,目前已開發(fā)出多種。土壤有機(jī)質(zhì)的一些變化是在幾十年內(nèi)緩慢發(fā)生的,長期野外試驗(yàn)是檢測土壤有機(jī)質(zhì)及其他土壤性質(zhì)緩慢變化的理想手段,但不可能在整個氣候范圍及所有對它產(chǎn)生影響的條件下實(shí)施;另外,土地使用者及決策者在短期內(nèi)需要了解耕作及氣候變化對農(nóng)業(yè)或環(huán)境的影響28。盡管長期試驗(yàn)對未來極其重要,但并不能解決當(dāng)前問題。大量研究表明,土壤有機(jī)碳庫始終處于動態(tài)變化之中。因此,基于土壤有機(jī)碳庫靜態(tài)基礎(chǔ)上的研究

14、不能反映其動態(tài)變化,模型將是唯一可能的方法。根據(jù)目前已掌握的試驗(yàn)站點(diǎn)觀測資料,對試驗(yàn)站點(diǎn)之外的地區(qū)做預(yù)測。試驗(yàn)站點(diǎn)的數(shù)目畢竟有限,所得的觀測資料在時間和空間上都是離散的,必需用模型加以綜合,才能得出對觀測變量的規(guī)律性認(rèn)識,進(jìn)而做合理外推。對于時間跨度大(幾十年至千年、涉及范圍廣(區(qū)域至全球的研究計劃,最終也只有通過模型來進(jìn)行,如全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)計劃(GCTE29。2.1國外土壤有機(jī)碳庫模型研究情況國外有關(guān)土壤碳循環(huán)方面的模型開發(fā)較多,針對不同研究目的和內(nèi)容、要求,模型的類型從相關(guān)關(guān)系模型到機(jī)理過程模型,有基于實(shí)測數(shù)據(jù)的,也有基于遙感數(shù)據(jù)的。模型方法最大的特點(diǎn)是能夠根據(jù)大量的實(shí)測數(shù)據(jù)和氣候

15、變化模擬數(shù)據(jù),預(yù)測和反推土壤碳蓄積量的大小及變化,給出不同情境下的土壤碳蓄積量動態(tài)變化趨勢,探討土壤有機(jī)碳蓄積和固定潛力,分析氣候變化對土壤碳蓄積的不同綜合影響。系。建立土壤有機(jī)碳含量與降水、溫度、土壤厚度、地形之間的相關(guān)關(guān)系。研究表明,在中溫帶地區(qū)土壤質(zhì)地與碳含量有著明顯的相關(guān)關(guān)系32。在自然草地采樣點(diǎn),有機(jī)碳含量與高度之間的相關(guān)關(guān)系很顯著,但在耕地則不存在相關(guān)性33。年均降水量也表現(xiàn)出與有機(jī)碳含量之間顯著的相關(guān)關(guān)系,多元回歸線性關(guān)系: SOC=0.039(elev+0.3(precip-31.1。土壤有機(jī)碳蓄積量與氣候、質(zhì)地、耕作等變量之間的相關(guān)關(guān)系,具有一定的空間局限性,需要得到一定的檢

16、驗(yàn)和驗(yàn)證,并相應(yīng)調(diào)整參數(shù)才能應(yīng)用到本區(qū)域上。土壤有機(jī)質(zhì)模型代表土壤植被系統(tǒng)碳和氮的轉(zhuǎn)變,以土壤有機(jī)組分的數(shù)量作為狀態(tài)變量34。早在20世紀(jì)40年代就已提出土壤有機(jī)質(zhì)變化模型,Jenny用d X/d t=-k X+A,描述土壤碳的聚積與損失,其中,d X為狀態(tài)變量(如土壤碳或氮的變化,k是初級速率常數(shù)(t-1;A是獨(dú)立于損失量與現(xiàn)存量的添加速率(mass t-135。2.2國內(nèi)土壤有機(jī)碳庫模型研究情況國內(nèi)土壤有機(jī)碳循環(huán)模型研究始于80年代,但7403期主要是靜態(tài)模型,關(guān)于動態(tài)模型的研究國內(nèi)進(jìn)展緩慢,目前國內(nèi)用于全球變化研究的動態(tài)模型大多是根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)對國外有關(guān)模型的改進(jìn)48。靜態(tài)模型主要是

17、有關(guān)土壤有機(jī)碳庫估算的模型。例如,方精云等49先后估算了全國土壤有機(jī)碳儲量,由于土壤分類系統(tǒng)不統(tǒng)一,加上土壤各類型剖面數(shù)據(jù)和面積統(tǒng)計資料來源不同,因而估計的土壤有機(jī)碳庫儲量存在一定差異。但是模型大部分是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系和實(shí)測數(shù)據(jù),建立的區(qū)域統(tǒng)計相關(guān)模型,沒有研究全球變化和植被之間的響應(yīng)關(guān)系,不能解釋其中的反饋關(guān)系和植物的生理反應(yīng)機(jī)制。李忠佩和王效舉51采用雙組分模型模擬土地利用方式變更后土壤有機(jī)碳儲量的變化,并用一些調(diào)查和監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步驗(yàn)證。此雙組分模型將土壤有機(jī)碳分為新形成有機(jī)碳和原有有機(jī)碳兩個組分,每個組分有機(jī)碳的形成轉(zhuǎn)化為用一級動力學(xué)方程描述,此方法適用于模擬不同土壤類型下土地利用系統(tǒng)變

18、更初期的土壤有機(jī)碳動態(tài)變化過程。但實(shí)際上該模型是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系建立的相關(guān)模型,沒有考慮溫度、水分在土壤有機(jī)碳動態(tài)變化過程中的反應(yīng),也未解釋土地利用和土地覆蓋變化中各個過程的反饋響應(yīng)和相互作用50。由于我國在土壤碳循環(huán)方面的研究起步較晚,數(shù)據(jù)積累很少,基本上還主要以靜態(tài)模型為主,大多是估算中國土壤有機(jī)碳儲量,動態(tài)模型相對較少21。目前,我國的有機(jī)碳庫模型研究在許多方面有了一定的發(fā)展,比如與GIS等技術(shù)的結(jié)合以及與環(huán)境污染模型的結(jié)合等52,53。3結(jié)語土壤有機(jī)碳庫作為陸地碳庫中主要的組成部分,對溫室效應(yīng)與全球氣候變化有著重要的控制作用:即土壤是氣候變化的記錄者,全球變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響導(dǎo)致土壤有

19、機(jī)質(zhì)儲量及動態(tài)的變化,所以土壤有機(jī)碳庫的動態(tài)變化研究是確定陸地碳循環(huán)對全球變化響應(yīng)時間、方式及規(guī)模的有效方法,是認(rèn)識全球碳循環(huán)的重要手段?？偟膩碚f,我國土壤有機(jī)碳庫的研究處于發(fā)展階段,對碳循環(huán)過程以及與生態(tài)系統(tǒng)、氣候變化相互作用的研究正在不斷深入,由于實(shí)驗(yàn)方法的局限性,即不能針對不同空間尺度和時間尺度進(jìn)行土壤有機(jī)碳庫的動態(tài)變化研究,這就需要用模型來模擬土壤有機(jī)碳庫的動態(tài)變化,進(jìn)行尺度化研究。尤其在我國這個較大區(qū)域尺度上的模擬,并且要結(jié)合全球大氣環(huán)流模型來考慮多種生態(tài)類型和氣候變化的反饋。目前,盡管模擬土壤有機(jī)碳庫的模型很多,但大部分模型受到數(shù)據(jù)的限制和簡化假設(shè)的影響,不能表征出土壤有機(jī)碳變化的

20、過程與機(jī)理。隨著模型的逐步完善,將會借助于GIS和RS等先進(jìn)技術(shù),使得模擬結(jié)果得以面狀展開、以便充分認(rèn)識碳循環(huán)過程中CO2源匯強(qiáng)度的時空分布特征及對全球碳循環(huán)影響。參考文獻(xiàn)1JENKINSON D S,ADAMS D E,WildA.Modeles timates of CO2emissions from soil in response to global warmingJ.Nature,1991,(351:304-306.2FELLER C,BERNOUX M.Historical advances in the study of globalterrestrial soil organi

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