森林土壤碳過程及其調(diào)控

森林土壤碳過程及其調(diào)控董玉紅

土壤碳循環(huán)

土壤有機碳儲量的研究方法

土壤有機碳的穩(wěn)定性

土壤有機碳周轉(zhuǎn)過程

全球氣候變化對土壤碳過程的影響

人為經(jīng)營措施對土壤碳過程的影響主要內(nèi)容土壤碳循環(huán)全球碳循環(huán)自然界碳循環(huán)的基本過程：碳元素(主要是二氧化碳)在大氣、海洋及生物圈之間轉(zhuǎn)移和交換的過程。大氣中的二氧化碳（CO2）被陸地和海洋中的植物吸收，然后通過生物或地質(zhì)過程以及人類活動，又以二氧化碳的形式返回大氣中。碳的存在形式碳在巖石圈中主要以碳酸鹽的形式存在在大氣圈中以二氧化碳和一氧化碳的形式存在在水圈中以多種形式存在在生物庫中則存在著幾百種被生物合成的有機物。這些物質(zhì)的存在形式受到各種因素的調(diào)節(jié)。

地球上最大的兩個碳庫是巖石圈和化石燃料，含碳量約占地球上碳總量的99.9%。這兩個庫中的碳活動緩慢，實際上起著貯存庫的作用。地球上還有三個碳庫大氣圈庫、水圈庫和生物庫。這三個庫中的碳在生物和無機環(huán)境之間迅速交換,容量小而活躍，實際上起著交換庫的作用。土壤碳的儲存A.植物及其根系的凋落，通過同化作用使碳儲存在土壤有機碳中；B.土壤吸收大氣中的CO2，主要有兩種形式：a、土壤地球化學系統(tǒng)對CO2的吸收（高pH值、富鈣化地球化學環(huán)境下，SOC—CO2—HCO3—；干旱、半干旱地區(qū)堿性、富鈣化地球化學環(huán)境下，SOC—CO2—HCO3——CaCO3）；b、土壤有機碳積累，即土壤碳飽和容量的實現(xiàn)。A.土壤有機碳中的部分分解有機物和土壤微生物在短時間內(nèi)通過分解作用釋放出CO2；B.土壤中的腐殖質(zhì)經(jīng)過10到100年得時間分解釋放出CO2；C.土壤中的木炭經(jīng)過上千年的時間被侵蝕溶解，釋放出CO2；D.以上三個過程釋放出的CO2將會通過土壤的呼吸作用釋放到大氣中。E.在濕潤氣候條件下，通過土壤—水系統(tǒng)的移動以DOC形式和HCO3—形式向海洋沉積系統(tǒng)遷移；在干旱、半干旱條件下沉淀成為土壤無機碳酸鹽（SIC）；F.植物根系生長過程中吸收土壤中的碳。土壤碳的輸出土壤碳循環(huán)途徑圖解在干或濕環(huán)境下沉積的各種地上及地下凋落物，通過三種途徑參與土壤碳循環(huán)：a、直接成礦；b、植物根系的腐殖質(zhì)通過腐殖化作用成礦（這個過程比上一個成礦過程要緩慢得多）；上述兩個過程形成的礦物釋放出的CO2，通過土壤的呼吸作用釋放到大氣中；c、在厭氧環(huán)境中通過分解作用釋放出CH4，排放到大氣中。植物的根系呼吸釋放的CO2，也屬于土壤碳循環(huán)的一部分。通過淋溶侵蝕作用，碳被固定在土壤中。植物吸收土壤中的碳，通過呼吸作用釋放CO2到大氣中。另外，森林火災(zāi)也能把土壤中的碳帶到大氣中去。a.土壤活性有機碳是微生物生長的速效基質(zhì)，其含量高低直接影響土壤微生物的活性。從而影響溫室氣體的排放。例如，土壤甲烷細菌、甲氧化菌、氨化細菌、硝化、反硝化細菌的迅速生長直接影響CO、CH4、N2O的產(chǎn)生、排放。b.土壤呼吸是全球碳循環(huán)中重要的流通途徑,土壤呼吸的變化將顯著影響大氣CO2的濃度?？刂仆寥篮粑鼘⒛苡行Ь徍痛髿釩O2的升高和溫室效應(yīng)。土壤碳循環(huán)與大氣圈由上圖可以看出,土壤呼吸即使發(fā)生較小的變化也會等于或超過由于土地利用改變和(或)化石燃料燃燒而進人大氣的CO2年輸入量。所以土壤呼吸的變化能顯著地減緩或加劇大氣中CO2的增加,進而影響氣候變化。土壤碳循環(huán)與生物圈a.植物通過光合作用吸收和固定大氣中的碳素，通過根系吸收土壤中的養(yǎng)分，動物通過生物鏈把碳素從植物身上吸收，這時碳素進入生物圈成為植物生命活動的基礎(chǔ)。b.植物以凋落物形式和動物尸體分解每年向土壤歸還大量的養(yǎng)分和有機質(zhì)。凋落物和枯枝落葉層不但是土壤碳的主要來源，而且覆蓋地表，有效地阻滯土壤碳流失。兩個過程構(gòu)成了土壤圈與生物圈之間的碳素循環(huán)。土壤碳循環(huán)與水圈a.陸地表面的巖石、土壤與生物等經(jīng)過各種自然營力,產(chǎn)生大量的有機與無機碳,以及河流自生的有機碳,經(jīng)由河流進入海洋。大量土壤有機質(zhì)被淋溶、沖刷進入河湖、匯入海洋,工業(yè)廢物排放、富營養(yǎng)化和酸雨等現(xiàn)代環(huán)境問題都會影響河流碳通量,并且在很大程度上是加強了河流碳通量,使得淡水和近海成為附加的碳匯。b.土壤可溶性有機碳對污染物起著遷移載體的作用，是促進許多污染物向地表水體或地下水體遷移的重要因素。在含水多孔介質(zhì)和地下含水層中，對重金屬淋溶的促進作用尤其明顯。c.碳可以轉(zhuǎn)換為有機碳和無機的碳酸鹽類(CaCO3),沉積在巖層中,而海洋中的海水化學性質(zhì),酸堿值和堿度則控制著海底碳酸鹽類的埋積與溶解。土壤碳循環(huán)與巖石圈（土壤礦物）在巖石圈中，全球碳酸鹽巖分布面積2200萬km，約占陸地面積的15%，土壤層是比較關(guān)鍵和特殊的環(huán)節(jié),土壤庫中CO2含量的高低直接影響表層巖溶帶巖溶作用的發(fā)生。非晶質(zhì)礦物對碳的固定影響營養(yǎng)元素的可利用性以及表層土中易變土壤底質(zhì)的分解,從而直接影響土壤—植被碳循環(huán)。在景觀以及長時間尺度上,土壤有機質(zhì)的數(shù)量與更新的最大變化可歸因于土壤深部惰性碳的變化,而惰性碳庫受土壤礦物控制。土壤礦物作為氣候、母質(zhì)以及土壤發(fā)育階段的函數(shù)而變化,是可預(yù)測的,因此,對礦物如何影響土壤碳動態(tài)的研究可大大提高我們對土壤在全球碳循環(huán)中作用的理解。土壤碳循環(huán)與人類圈a.土壤碳循環(huán)研究是確定陸地生態(tài)系統(tǒng)對全球變化響應(yīng)時間、方式及規(guī)模的有效方法,是認識農(nóng)、林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)潛力的重要手段。b.人類活動引起的碳循環(huán)紊亂導致大氣中CO2濃度的日趨升高,也引起了世界各國對潛在的全球變暖的關(guān)注,也許更嚴重的是引起我們對全球變暖和CO2從陸地碳庫特別是土壤中進一步釋放出來之間的可能的正反饋效應(yīng)的擔憂。c.日益加強的土地利用加速了土壤的碳呼吸,動植物殘體和有機質(zhì)分解增強,土壤貯存的碳大幅度減少,通過水土、大氣輸出而成為重要的碳源。土壤碳庫在全球變化中的作用和意義土壤有機碳儲量大，土壤碳庫較小幅度的變動也可能對大氣中溫室氣體的濃度以及全球變化產(chǎn)生重要影響，因此在調(diào)控地球表層生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡和減緩溫室氣體方面具有重要的作用。在氣候變化和人類活動等條件的綜合影響下,將導致土壤有機碳蓄積量及動態(tài)平衡的變化，從而導致土壤有機碳庫既可能成為碳匯也可能成為碳源，由此反過來對全球變化產(chǎn)生影響。因此，關(guān)于土壤有機碳庫的研究日益成為全球碳循環(huán)研究的熱點，同時也成為全球變化問題研究的核心內(nèi)容之一。土壤有機碳儲量的研究方法土壤有機碳庫土壤有機碳庫(SOCP)是指土壤中有機碳的總量。植物通過光合作用固定的大氣中的碳素,一部分以有機質(zhì)的形式貯存于土壤中。不同學者選用的數(shù)據(jù)和取的土層深度不同，對SOCP的估算值不同，有的估算值為3000～5000Pg，有的估算值為2500Pg或700～3000Pg、1200～1600Pg；有的對1m土層內(nèi)的估算值為1555Pg。但其范圍可能是1200～1600Pg，為陸地植物碳庫的2～3倍、全球大氣碳庫的2倍。陸地生態(tài)系統(tǒng)中的土壤碳庫，以森林土壤中的碳為最多，占全球土壤有機碳的73%；其次是草原土壤的碳，占全球土壤有機碳的20%左右。粗略地估計我國的SOCP為185.7Pg碳，約占全球土壤總碳量的12.5%。土壤有機碳密度土壤有機碳密度是指單位面積（1m2或1hm2）中一定厚度的土層中有機碳數(shù)量。一般情況下，指的是上部1米的土層，因此，有機碳密度的單位常用kgC/m2或kgC/hm2表示。土壤的有機碳量是以植物殘體形式進入土壤中有機物質(zhì)的量與通過異氧呼吸為主要途徑的有機物質(zhì)損失量之間平衡的結(jié)果。在一定地區(qū)，植物生物量和殘落物量在很大程度上受植被類型及其生產(chǎn)力的制約，土壤有機碳密度或濃度大小與氣候條件如溫度和水分密切相關(guān)，而在全球尺度上的土壤碳密度分布也應(yīng)與各地區(qū)的氣候特征密切關(guān)聯(lián)。土壤碳儲量的研究方法土壤碳庫的研究方法土壤類型法植被類型、生態(tài)系統(tǒng)類型和生命地帶法相關(guān)關(guān)系統(tǒng)計法模型方法土壤類型法

是在土壤剖面數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，以土壤類型作為分類單元來估算SOC的蓄積量。根據(jù)土壤各種分類層次聚合土壤剖面數(shù)據(jù)計算各類土壤的碳密度，再和區(qū)域或國家尺度土壤圖上的相應(yīng)土壤類型的面積相乘，就可以得到SOC蓄積總量。同時，根據(jù)土壤類型圖，將計算所得的土壤碳密度與土壤類型單元相匹配，可以表現(xiàn)土壤碳密度的空間分布格局和規(guī)律。優(yōu)點：由于同類土壤往往會具有相似的影響土壤碳蓄積的調(diào)控因素，因此該方法容易識別土壤有機碳的空間格局，減少估算的不確定性，是目前進行土壤有機碳儲量研究較為常用的方法。不足：土壤類型法的應(yīng)用是以大量實測剖面數(shù)據(jù)以及對土壤類型準確劃分為前提的，且僅考慮土壤類型的因素。實測數(shù)據(jù)的缺乏和對植被、土地利用方式以及人類活動等影響因素的忽略，都會在一定程度上對估算結(jié)果產(chǎn)生影響。植被類型、生態(tài)系統(tǒng)類型和生命地帶法

該方法是以植被、生命地帶或生態(tài)系統(tǒng)類型作為分類單元，在確定各種單元類型的土壤有機碳密度與該類型分布面積的基礎(chǔ)上，計算出SOC蓄積量。優(yōu)點：使用該方法不僅能較容易了解不同植被、生態(tài)系統(tǒng)和生命地帶類型的土壤有機碳庫蓄積總量，而且能更好地反映溫度、降水等氣候因素、植被以及生態(tài)系統(tǒng)類型的分布對SOC蓄積的影響。相關(guān)關(guān)系統(tǒng)計法相關(guān)關(guān)系統(tǒng)計法是通過分析一定剖面數(shù)據(jù)SOC的蓄積量與樣點的各種環(huán)境因子、氣候因子和土壤屬性之間的相關(guān)關(guān)系，建立一定的數(shù)學統(tǒng)計關(guān)系，來計算SOC的蓄積量。建立土壤有機碳含量與降水、溫度、土壤厚度、土壤質(zhì)地、海拔高度和容重之間的相關(guān)關(guān)系是普遍采用的一種方式。不足：但由于各區(qū)域的SOC的主要控制因素可能不同，相關(guān)性表現(xiàn)不一，因此所確定的統(tǒng)計關(guān)系需要得到驗證后方可應(yīng)用，由此影響了該方法的推廣和應(yīng)用。模型方法運用模型方法估算土壤碳庫及固碳潛力成為目前研究SOC一種重要的方法和途徑，原理：是在認識和掌握土壤碳循環(huán)過程與機理的基礎(chǔ)上，建立SOC的表征、評估或預(yù)測模型，然后通過輸入大量實測數(shù)據(jù)，來對區(qū)域的SOC儲量進行估算；在此基礎(chǔ)上還可以根據(jù)SOC的影響因素或管理措施的變化來做情景分析，從而估計、評估和預(yù)測區(qū)域或國家尺度的土壤固碳潛力。不足：但由于模型的正確運用與否，有賴于進一步對土壤碳循環(huán)過程的認識和把握，且模型參數(shù)化過程較為復雜，對數(shù)據(jù)的完善有很高的要求，如果模型參數(shù)和構(gòu)建機理與研究區(qū)的實際情況存在較大差異，就會使模擬結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差。遙感估算土壤碳儲量的可行性

遙感(RemoteSensing)幻作為一門新興的綜合性探測技術(shù)科學,建立在現(xiàn)代物理學、空間科學、電子計算機技術(shù)、數(shù)學和地球科學理論的基礎(chǔ)上,己在地理學、地質(zhì)學、生態(tài)學、環(huán)境科學、大氣科學和海洋學等學科領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

在地球上進行資源和環(huán)境調(diào)查時,依靠傳統(tǒng)的地面調(diào)查非常困難;而遙感可以在短時間內(nèi)對同一地區(qū)進行重復探測,獲取大面積同步觀測數(shù)據(jù),并且不受地形阻隔等限制,因而能夠研究地球表面不同周期的動態(tài)變化。

此外,遙感獲得的地物電磁波特性數(shù)據(jù)綜合反映了地球上許多自然和人文信息。例如,地球資源衛(wèi)星Landsat和CBERS(中巴地球資源衛(wèi)星(ChinaBrazilEarthResourceSatellite)可以綜合反映地質(zhì)、地貌、土壤、植被、水文等特征。

因而從20世紀70年代早期Landsat一MSS數(shù)據(jù)的使用開始,各種傳感器的衛(wèi)星多光譜測量,即TM(ThematicMappe)、SPOT多線列(MLA)、全色線列(PLA)、印度遙感衛(wèi)星(IRS)線性成像自掃描傳感器(LISS-l,-II和-III)、廣域傳感器(WiFS)和全色PAN)傳感器開始廣泛應(yīng)用于土壤調(diào)查中。常用遙感方法:遙感影像直接估算法植被指數(shù)法光譜測定分析法遙感影像直接估算方法表層土壤有機碳含量不同其光譜反射率不同，即反映在遙感影像上的象素值存在差異。因而利用遙感影像如何直接獲得表層土壤有機碳儲量及其空間分布格局已經(jīng)成為當前土壤學研究的一個熱點。Chen等在美國南部喬治亞洲CrisP縣115公頃的試驗田中選擇了28個采樣點,分析地表土壤有機碳含量與紅、綠、藍波段的圖像亮度值之間的統(tǒng)計關(guān)系,建立了一個對數(shù)方程預(yù)測地表有機碳含量:

公式(l)中R、G、B分別表示紅、綠、藍波段的圖像亮度值。

研究結(jié)果顯示,裸露地表的高分辨率遙感影像能夠定量化分析土壤表層有機碳含量的空間變異性。

該方法由于簡便、準確,也可以應(yīng)用于實際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理。當然,該方法也存在兩點局限性:其一,由于其它土壤特性(例如鐵含量的存在)產(chǎn)生一些“噪音”;其二,該方法只能應(yīng)用于地表裸露的土壤,進一步的研究需要考慮更多的非可見光波段的使用。

同時,還有利用彩色航空、航天影像和光譜值來估算土壤有機質(zhì)的研究。例如,Frazier和Cheng使用Landsat-TM波段率制作有機質(zhì)含量圖,發(fā)現(xiàn)TM1、3、4和5波段是最重要的。Frazier和Jarvis評價了測量的土壤屬性與觀測的TM反射數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。利用Landsat-TM測量而估計的土壤表面反射性對于估算裸露土壤表層有機碳是潛在的精確和有效的方法

。李欣宇利用影像結(jié)合地面采樣數(shù)據(jù)分析黑龍江省黑土分布區(qū)表層土壤有機碳空間分布格局，發(fā)現(xiàn)表層土壤有機碳濃度與TM5波段呈顯著正相關(guān)，與TM4、TM5波段影像像素值之間滿足二次多項式回歸關(guān)系，回歸模型對表層土壤有機碳空間分布格局具有較好的預(yù)測效果。以上研究說明,利用高分辨率遙感影像信息直接或間接地估算裸地土壤有機碳儲量的空間變異在土壤碳循環(huán)研究中具有相當大的潛力,如何優(yōu)化兩者之間的關(guān)系,建立土壤有機碳光譜模型將是未來土壤有機碳儲量估算中的一個行之有效的方法。然而,遙感影像估算土壤有機碳含量方法仍存在許多困難,例如對森林覆蓋下的森林土壤調(diào)查以及土壤性質(zhì)分析就很困難。植被指數(shù)估算方法植被覆蓋下的土壤有機碳不能直接使用衛(wèi)星或航空影像數(shù)據(jù)來觀測和計算。然而大多數(shù)傳感器可以提供與土壤有機碳模型相關(guān)的大部分參數(shù)（如植被狀態(tài)、土壤含水量等）。因此，必須依靠替代指數(shù)，如植被指數(shù)、土壤含水量、植被生物量等與模型相結(jié)合來從遙感數(shù)據(jù)中獲得土壤有機碳信息基于植被指數(shù)建立土壤有機碳光譜模型的第一步，

就是揭示不同土壤對植被所產(chǎn)生的不同光譜響應(yīng)。遙感技術(shù)在這個方面的應(yīng)用是推導歸一化差異植被指數(shù)Smith等、Levine等在美國緬因州國際紙業(yè)集團的北方森林實驗站開展了類似研究，

進建立了NDBVI與土壤有機碳之間的關(guān)系。Otta用Person瞬間相關(guān)檢驗了土壤表層土壤碳與NDVI中位值之間的相關(guān)關(guān)系。其他控制土壤碳累積的因素也能通過一定的遙感技術(shù)間接預(yù)測碳狀況土壤濕度代表排水類型,顯示了與NDVI中位值有著顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.75p=0.025,n=10)。Conover使用Spear’srank相關(guān)系數(shù)檢驗解釋排水類型的排列,發(fā)現(xiàn),NDVI最高值與排水情況較好的土壤相聯(lián)系,而,NDVI最低值與有機碳大量積累但排水條件很差的土壤有一定關(guān)系。Mattikalli等研究了美國俄克拉荷馬州沃希托河流域的微波遙感影像與剖面土壤特性之間的關(guān)系團。通過多時段的微波遙感影像獲取亮度溫度(BrightnessTemperatureTB)來計算土壤含水量的變化,并對土壤的剖面特性(土壤水壓傳導率Ksat)進行了估算。結(jié)果顯示,土壤含水量及其變化與土壤質(zhì)地之間有著直接的關(guān)系,沙質(zhì)土和壤質(zhì)土具有明顯的土壤含水量和排水量特性,由微波遙感獲得的表層土壤含水量可以用來估算土壤剖面的水壓特性。該結(jié)果對于土壤的水壓特性研究具有重要意義。目前這些研究還集中在小區(qū)域,尚未擴展到更大的空間尺度,需要開展更多的不同區(qū)域或國家尺度的研究,來有效地驗證NDVI與土壤有機碳以及土壤含水量之間的關(guān)系。未來的研究中,需要改善土壤有機碳和遙感數(shù)據(jù)之間的模擬關(guān)系，比如土地管理歷史的信息(例如樹木砍伐、殺蟲劑使用、植樹、干擾時間)等。立地年齡或干擾歷史應(yīng)作為控制因素來確定它們對NDVI的影響。此外,可以將NDVI考慮為景觀水平上的單一變量，這種作法優(yōu)于在土壤制圖單元中靠植被群落類型來隔離NDVI。同時土壤碳的遙感估算還需要一定數(shù)量的采樣數(shù)據(jù)，否則很難從統(tǒng)計角度上解決土壤對NDVI或其他植被屬性的影響。其他方法例如使用模型預(yù)測土壤屬性，

是未來研究獲取足夠地面驗證數(shù)據(jù)的一個選擇。光譜分析技術(shù)測定土壤碳含量光譜分析方法能獲取掃描樣品的平均組成,時間以分鐘或秒計算,儀器購買后分析費用大大降低。這樣,一個土壤樣品的平均構(gòu)成可能靠對樣品從頂部到底部的掃描得到。例如經(jīng)過試管的旋轉(zhuǎn),能夠掃描完整的土壤樣品表面,獲得平均碳含量。在實驗室對測量的土壤光譜數(shù)據(jù)進行微分光譜處理后,可以用逐步回歸的方法篩選一些對預(yù)測土壤有機碳含量重要的波段。通過光譜測定方法獲取的土壤信息是對航空遙感影像方法的寶貴補充,因為它能夠提供與影像不同的地面客觀輻射能信息

。研究發(fā)現(xiàn),在實驗室測定0.4-2.4μm范圍內(nèi)有機質(zhì)含量變化的土壤光譜時,近紅外波長范圍0.8-2.4μm

沒有因土壤有機質(zhì)存在而引起的吸收峰。預(yù)測土壤有機質(zhì)含量時,可見光區(qū)域比近紅外區(qū)域更有用。此外,研究還發(fā)現(xiàn)土壤有機質(zhì)在0.5–1.1μm波長區(qū)域內(nèi)的反射存在顯著的差異側(cè)。當土壤有機質(zhì)含量增加時,整個短波區(qū)域光譜反射一般是減少的。當土壤有機質(zhì)含量高于2%時,由于有機質(zhì)光譜反射的降低可能會掩蓋土壤光譜其他特征的吸收。含量在0.5~5%時,估測精度較高。由于土壤質(zhì)地與土壤有機質(zhì)含量有重要的關(guān)系,通過遙感手段獲取土壤質(zhì)地,也可以從側(cè)面反映土壤有機碳儲量的情。

Coleman等使用手持式輻射計建立光譜與有機質(zhì)之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)TM1、2、3和7波段是淤泥含量(siltContent)關(guān)鍵性識別波段,TM2、6波段是識別粘土含量的關(guān)鍵性波段

。預(yù)測土壤有機質(zhì)含量(%)的最佳波段為0.62μm和0.56μm,其預(yù)測模型：公式中O為土壤有機質(zhì)含量(%),K為待定系數(shù)。研究結(jié)果表明,土壤光譜的實驗室控制測量對于描述土壤性質(zhì)、光譜特征、土壤分類、發(fā)生學和土壤調(diào)查是有意義的。近紅外反射(NIR,750~250nm)光譜是一項重要的分析技術(shù),具有快速、簡便的優(yōu)點,并且能夠同時對多種土壤成分進行分析。土壤值的標定由吸收光譜和實驗室分析而建立的回歸方程實現(xiàn)。研究結(jié)果表明,NIRS在測量植物和調(diào)落物成分以及調(diào)落物分解方面是一項很有潛力的技術(shù)。此外,NIRS還可以快速測量大量樣本的”12C/13C”

同位素比。雖然和標準的化學方法相比,NIRS方法在準確度上有所降低,但由于其提供了一種簡單快捷的測量方法,因而在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟碳儲量的估測中已得到了良好的應(yīng)用。因此作者認為,雖然在土壤標定方面NIRS還存在一些偏差,但由于其具有使用快速、操作簡便和儀器可靠等優(yōu)點,使得該技術(shù)可以合理地應(yīng)用于大景觀尺度的土壤制圖以進行土壤碳監(jiān)測。研究還顯示,中紅外光譜段(2500--2500nm或400-4oocm-1)的分辨率可能比近紅外光譜的分辨率高。近紅外和中紅外光譜的確定需要相關(guān)土壤碳量光譜信息的標準化,可以通過使用多變量統(tǒng)計程序或過程例如逐步回歸、主成分回歸和最小二乘法(PLS)來實現(xiàn)。在確定土壤碳含量特別是樣品的多樣性增加時,中紅外則表現(xiàn)出更大的分辨率。土壤反射光譜特性是土壤的基本特性之一,它與土壤的物理性質(zhì)有著密切的關(guān)系,研究不同土壤的反射光譜特性是土壤遙感的一項基礎(chǔ)工作,在土壤遙感波段的選擇和圖像解譯上具有重要意義。關(guān)于土壤反射光譜特性的諸多研究,從不同側(cè)面論證了土壤反射光譜特性與影像特征的相關(guān)性、最佳波段的選擇、影響光譜的因素等。這些研究成果為應(yīng)用遙感信息進行土壤調(diào)查及理化性質(zhì)的分析提供了依據(jù)。復雜的土壤光譜特征需要發(fā)展各種光譜分析技術(shù)和土壤遙感信息提取方法,并且根據(jù)實際應(yīng)用目的及精度要求來確定所使用的遙感處理和分析手段。隨著進一步地改善和補充,光譜測定法會更加廣泛地應(yīng)用于土壤科學中。土壤碳循環(huán)研究是確定陸地生態(tài)系統(tǒng)對全球變化響應(yīng)時間、方式及規(guī)模的有效方法,是認識農(nóng)、林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)潛力的重要手段。遙感提供了一種估算土壤有機碳儲量的有效方法,并且遙感技術(shù)和數(shù)據(jù)還可以部分地解決土壤碳儲量由點尺度上推到區(qū)域尺度所帶來的尺度擴展問題。(1)在估算土壤有機碳含量的研究中,采用航空航天衛(wèi)星影像與實驗室光譜分析相結(jié)合的方法是行之有效的。兩種方法的有效結(jié)合,可更合理地進行土地資源的清查和利用,進行土壤肥力的評價和作物估產(chǎn),更有效地進行土壤改良和防止土壤侵蝕等。同時,在應(yīng)用遙感技術(shù)方法時為便于比較和計算,土壤剖面的采樣應(yīng)考慮土壤等間隔厚度而不是土層。(2)土壤光譜特征極其復雜,土壤質(zhì)地、濕度、有機質(zhì)、氧化鐵含量及土壤結(jié)殼等因素對土壤光譜特征都有影響。復雜的土壤光譜特征需要發(fā)展各種光譜分析技術(shù)和土壤遙感信息提取方法,并且根據(jù)實際應(yīng)用目的及精度要求來確定所使用的遙感處理和分析手段。(3)高光譜傳感器能夠以極高的光譜分辨率探測土壤有機質(zhì)的精細光譜特征,使得從衛(wèi)星上進行土壤地球化學填圖成為可能。多角度遙感技術(shù)和雷達遙感技術(shù)的發(fā)展也為土壤研究和相關(guān)應(yīng)用提供了新的技術(shù)途徑。隨著遙感、地理信息系統(tǒng)和計算機技術(shù)的發(fā)展,利用碳循環(huán)模型與遙感、GIS技術(shù)相結(jié)合,模擬大規(guī)模尺度的碳循環(huán)過程將是今后研究的主要方向不同空間尺度的土壤碳庫研究不同空間尺度的土壤碳庫研究

全球尺度的土壤碳庫研究

區(qū)域尺度的土壤碳庫研究不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機碳儲量研究國家尺度的土壤碳庫研究

全球尺度的土壤碳庫研究國家尺度的土壤碳庫研究隨著碳循環(huán)研究的深入開展，為了提高全球尺度的土壤碳庫的估算精度，同時也為了在國際談判中能夠提供更為有效的數(shù)據(jù)依據(jù)，各國學者紛紛加強了國家尺度上的土壤碳庫研究。

Lacelle（1997）根據(jù)加拿大數(shù)字土壤地圖和1500個土壤剖面數(shù)據(jù)，計算出加拿大0-30cm和0-100cm深度的土壤有機碳儲量分別為72.8Pg和262.3Pg。

Scottetal.（2002）根據(jù)土壤類型、氣候和土地利用將新西蘭分為39類景觀單元，并利用近2000個剖面數(shù)據(jù)庫估算出新西蘭0-10cm、10-30cm和30-100cm深度的土壤有機碳儲量分別為1.15Pg、1.43Pg和1.60Pg。

Bernoux（2002）估算了巴西0-30cm土層的SOC儲量為36.4±3.4Pg。由于氣候、土壤等自然地理因子的地帶性變化，森林碳循環(huán)和碳蓄積呈現(xiàn)出相應(yīng)的空間變化規(guī)律。Dixon等人在查閱大量文獻的基礎(chǔ)上總結(jié)了全球森林生態(tài)系統(tǒng)1987-1990年間土壤和植被的碳蓄積和碳通量，得出如下規(guī)律:①當空間位置由低緯度向高緯度變化時，森林生態(tài)系統(tǒng)生物量碳密度有降低的趨勢，而土壤碳密度有升高的趨勢；②全球森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳蓄積約為生物量碳蓄積的2.2倍；③森林生態(tài)系統(tǒng)在高緯度地區(qū)表現(xiàn)為碳匯，而在低緯度地區(qū)表現(xiàn)為碳源。Dixon沒能區(qū)分森林枯落物碳庫在森林固碳過程中的應(yīng)有地位，事實上，在中高緯度地區(qū)，森林枯落物是一個相當重要的碳庫。

中國國家尺度的土壤有機碳庫的估算結(jié)果表區(qū)域尺度的土壤碳庫研究（1）國外

Singhetal.（2007）對印度半干旱Rajasthan地區(qū)的土壤有機碳進行了估算，結(jié)果表明，該地區(qū)和0–100cm的土壤有機碳儲量為1.23Pg。

Meersmansetal.（2008）根據(jù)比利時國家土壤普查數(shù)據(jù)的6900多個數(shù)據(jù)以及結(jié)合Flanders的土地利用矢量圖和土壤數(shù)字地圖，研究了該區(qū)域的土壤有機碳儲量及其影響因素。（2）國內(nèi)：大區(qū)SuperDistrict?。ㄖ陛犑校㏄rovince碳密度SOCD(t/ha)碳儲量SOCS(Pg,109t)華北地區(qū)北京,天津,河北,山西,內(nèi)蒙古91.213.79東北地區(qū)遼寧,吉林,黑龍江181.9

14.25華東地區(qū)上海,江蘇,安徽,浙江,江西,福建,山東83.06.31中南地區(qū)湖北,湖南,河南,廣東,廣西,海南98.29.72西南地區(qū)重慶,四川,貴州,云南,西藏103.823.60

西北地區(qū)陜西,甘肅,寧夏,青海,新疆72.3

21.10港澳臺地區(qū)香港,澳門,臺灣102.80.37

流域Watersheds碳密度SOCD(tC/ha)碳儲量SOCS(Pg,1015g)黑龍江流域211.014.06遼河流域79.42.06海灤河流域84.22.69黃河流域104.38.46淮河流域67.11.75長江流域120.021.05東南沿海諸河流域93.62.64珠江流域115.46.03云南、西藏、新疆國際河流諸河流域107.79.26內(nèi)流河流域59.621.14不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳庫研究（1）國外：

Dixonetal.（1994）研究得出了全球森林土壤碳庫為787Pg，占全球土壤碳的73%。Birdetal.（2002）通過對加拿大和西伯利亞的緯度樣帶上的森林SOC調(diào)查，明確了該地區(qū)森林SOC的儲量及其空間分布。（2）國內(nèi)森林生態(tài)系統(tǒng)SOC：方運霆等（2004）通過對鼎湖山自然保護區(qū)自然植被和次生植被的土壤有機碳貯量及其分配特征分析，發(fā)現(xiàn)混交林碳貯量貢獻最大張城等（2006）對中國東部地區(qū)7個典型森林的土壤樣區(qū)碳儲量進行了野外調(diào)查與對比研究，分析了6種土壤類型和28種植被類型的SOC儲量及其隨深度的變化。不同的研究對于我國森林碳儲量的估算值存在較大差異,這些差異主要來自于各研究所建立的森林生物量模型、土壤厚度估計的差異,以及研究方法各有偏重和一定的局限性所致。

不同氣候帶的天然林土壤碳儲量的空間變化規(guī)律是，從熱帶至溫帶森林土壤碳儲量總體上呈增加的趨勢，其中熱帶與亞熱帶地區(qū)相近似，略低于溫帶地區(qū)土壤碳儲量。但是，不同氣候帶人工林土壤碳儲量之間和天然林與人工林土壤碳儲量之間的差異并不十分明顯。

森林土壤碳含量的變化規(guī)律是溫帶地區(qū)天然林和人工林表層土壤碳含量均相對高于熱帶、亞熱帶地區(qū)。

我國森林生態(tài)系統(tǒng)的平均碳密度基本趨勢是隨緯度的增加而增加，其中植被的平均碳密度隨緯度的增加而減小，土壤碳密度約是植被碳密度的3.4倍,其區(qū)域特點與植被碳密度呈相反趨勢,隨緯度升高而增加。凋落物層平均碳密度是隨水熱因子的改善而減小。

土綱土綱OrdersST-Orders碳密度SOCD(tC/ha)碳儲量SOCS(Pg,1015g)淋溶土Alfisols134.116.41火山灰土Andisols146.30.04干旱土Aridisols36.346.26新成土Entisols28.123.84有機土Histosols994.76.26始成土Inceptisols102.834.39軟土Mollisols2.911.65氧化土Oxisols86.150.46灰土Spodosols588.50.08老成土Ultisols119.49.54變性土Vertisols72.830.20Altitude（m）SOCD(tC/ha)SOCS(Pg,1015g)Altitude（m）SOCD(tC/ha)SOCS(Pg,1015g)<25084.52.342500-3000119.62.71250-500108.821.723000-3500124.53.78500-1000105.418.253500-4000171.05.821000-150059.57.834000-5000126.111.581500-200074.17.225000-600049.54.112000-2500103.63.72>600032.00.04碳儲量估算不確定性土壤碳蓄積量的不確定性土壤分類系統(tǒng)的不統(tǒng)一，采樣方法的差異，以及選用不同的土壤碳蓄積量計算方法和參數(shù)估計方法使目前的土壤碳蓄積量的估算存在極大的不一致，土壤實測數(shù)據(jù)不充分和缺乏連續(xù)、可靠、完整、統(tǒng)一的土壤剖面數(shù)據(jù)也使碳密度量測的可行性大打折扣

。土壤碳含量、質(zhì)地、容重等理化性質(zhì)存在很大的空間差異，氣候、母巖、植被和土地利用對土壤碳庫容量的綜合影響也很難確定，各地區(qū)土壤厚度和面積統(tǒng)計資料來源不同也是蓄積估算不確定性存在的重要原因之一。不同尺度上的影響因子及主要控制因子也存在很大差異，所以由此得到的土壤碳蓄積機理過程模擬及其潛在分解、固定和儲存能力分析都會有所不同。

黃土高原不同土壤類型有機碳密度與儲量特征

數(shù)據(jù)來源于第二次土壤普查成果《中國土種志》，相關(guān)土壤類型共30種，剖面數(shù)據(jù)1504個。基于柵格土壤碳庫空間格局模擬與估測抽樣設(shè)計收集2010年美國陸地衛(wèi)星遙感圖像，采集1∶5萬基礎(chǔ)地理底圖，目視勾繪出思茅松林分布圖斑。以此為基礎(chǔ)，建立300m×300m的地圖格網(wǎng)，求算格網(wǎng)點的經(jīng)緯度，對格網(wǎng)編號，建立隨機抽樣的抽樣框，抽取隨機樣本點27個。野外調(diào)查與試驗測：設(shè)立樣地進行調(diào)查和土壤采樣分析。關(guān)聯(lián)因子的選?。簹庀笠蜃樱昃鶜鉁睾湍杲邓浚⒅脖恢笖?shù)、地形因子（坡度、坡向和坡位）精細化評估模型研建林分因子的連續(xù)模擬與表達：將30m的陸地衛(wèi)星遙感圖像進行柵格計算，得到景谷地區(qū)的NDVI，構(gòu)建和表達思茅松林在像元尺度上覆蓋度的變化。立地生態(tài)因子的連續(xù)模擬與表達：利用30m的數(shù)字高程模型DEM，生成思茅松林區(qū)30m×30m的坡度、坡向指數(shù)、海拔、坡位的柵格地圖，實現(xiàn)生態(tài)因子的連續(xù)化表達。齡級的推斷和解譯：對遙感圖像解譯的圖斑，結(jié)合地面調(diào)查數(shù)據(jù)和2005年完成的森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，推斷和解譯出每個圖斑的齡級。統(tǒng)計建模的樣本數(shù)據(jù)的準備：將野外抽樣的GPS樣地文件生成點狀地圖，將該地圖與年均溫、年平均降水量、坡度、坡向指數(shù)、海拔、坡位、NDVI、齡級進行疊加，進行重采，獲得建模的樣本數(shù)據(jù)?；貧w分析“利用SPSS軟件，將上述數(shù)據(jù)導入進行逐步回歸，獲得精細化評估模型:通過統(tǒng)計可以得出，景谷縣思茅松林下土壤有機碳密度集中在9～12kg/m2，研究區(qū)的土壤總平均碳密度為11.39kg/m2，景谷縣思茅松的土壤有機碳儲量為78239046.7。思茅松林土壤碳庫空間格局的連續(xù)化模擬：以坡度、坡向指數(shù)、海拔、坡位、NDVI、齡級等30m的柵格地圖為自變量，代入上述回歸模型，得到土壤碳庫連續(xù)化碳密度分布圖。對土壤有機碳密度圖進行重分類，并與思茅松林分圖進行疊加，生成思茅松林下土壤有機碳密度圖。土壤有機碳的穩(wěn)定性土壤有機碳穩(wěn)定機制土壤有機碳的穩(wěn)定機制決定著土壤固定和儲備有機碳的能力，對有機碳穩(wěn)定機制的研究，將為政府制定有效的溫室氣體減排措施提供依據(jù)。土壤有機碳的穩(wěn)定機制主要包括:(1)有機碳的難降解性;(2)金屬氧化物和粘土礦物與有機碳的相互作用;(3)土壤團聚體的物理保護導致的生物與有機碳空間隔離;(4)土壤生物學機制，主要指土壤生物自身對有機碳穩(wěn)定性的直接貢獻。(Lützowetal.,2006)進入土壤的有機物，除了物理破碎和淋洗過程外，在微生物和酶的選擇作用下，碳水化合物和蛋白類物質(zhì)(包括水提取的、酸解的糖類如單糖，多糖和多肽、氨基酸等)最先分解，有機物的顆粒減小，碳氮比也下降，導致較難降解的復雜化學結(jié)構(gòu)物質(zhì)(如具有芳香環(huán)結(jié)構(gòu)的木質(zhì)素和烷基結(jié)構(gòu)的碳)富集。某些活性有機物(如纖維素、多肽、蛋白質(zhì))可以與難降解的有機化合物(如木質(zhì)素、多酚等)形成復合構(gòu)造，導致微生物很難利用。微生物和土壤動物的代謝產(chǎn)物也是難降解有機碳的重要組成，一般來說細胞壁比細胞內(nèi)容物難降解，真菌和放線菌的合成產(chǎn)物比細菌的難降解。某些微生物，特別是放線菌還能形成類似腐殖質(zhì)的多聚物，而微生物的某些胞外酶(過氧化物酶，酚氧化酶)可以將酚氧化成醌，與其他物質(zhì)反應(yīng)生成芳香多聚物?？梢姡寥烙袡C碳自身的難降解性可以來自物理、化學及生物學過程。腐殖質(zhì)和黑碳。難降解有機碳的來源(Lützowetal.,2006)土壤有機碳是由復雜多變的有機分子單體和化合物組成，土壤不同組分間化學結(jié)構(gòu)的差異表現(xiàn)為土壤有機碳穩(wěn)定性的差別。土壤中的糖類物質(zhì)(氧烷基碳)多為不穩(wěn)定、易分解的碳組分，而富含脂肪類物質(zhì)(烷基碳)或木質(zhì)素(芳香族碳)的土壤有機碳由于內(nèi)在的分子特性而表現(xiàn)為相對穩(wěn)定且不易分解。因此，土壤碳是否能夠穩(wěn)定的固持，更取決于土壤碳的化學組成和結(jié)構(gòu)。使用氫氧化鈉或焦磷酸鈉分離出腐殖酸、富里酸和胡敏素。6MHCl酸解法，它與經(jīng)典的堿液連續(xù)提取法(分離腐殖物質(zhì))最大的缺點均是不能區(qū)分均質(zhì)的有機碳功能組分，然而，新的研究不斷驗證了酸解殘余碳(Non2hydrolyzableresidue，NHC)比土壤總有機碳年代久得多。Tan等用6MHCl酸解得到NHC，證明難降解性保護機制對土壤有機碳的穩(wěn)定性具有最重要的作用。采用可見/紅外光譜和傅立葉變換紅外光譜研究土壤有機質(zhì)的光譜學特性發(fā)現(xiàn)，西雙版納次生林轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z園后，胡敏酸中羧基和酚基結(jié)構(gòu)比例降低，而脂肪族、芳香族和多聚糖比例增加。利用13C核磁共振波譜分析方法研究土壤有機質(zhì)的化學結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，與馬尾松人工林比較，南亞熱帶3種闊葉人工林的土壤表層具有較低的烷基碳、較高的氧烷基碳和較低的烷基碳/氧烷基碳比值，說明了馬尾松人工林土壤比3種闊葉人工林土壤具有較高的化學穩(wěn)定性。有機碳難降解性的評價

土壤金屬氧化物(以鐵鋁氧化物為代表)，粘粒含量及其表面性質(zhì)(比表面積和表面電荷)、粘土礦物組成會強烈影響土壤有機碳的穩(wěn)定性，尤其是高價鐵鋁氧化物和粘土礦物通過配位體置換、高價離子鍵橋、范德華力和絡(luò)合作用等會導致有機碳的生物有效性明顯下降，即土壤有機碳穩(wěn)定性提高。

鐵鋁氧化物土壤有機碳的積累和穩(wěn)定性很大程度上取決于鐵鋁氧化物的巨大比表面積對可溶性有機物的吸附能力。Wiseman和Puttmann分析了德國中部的6種土壤后認為，鐵鋁氧化物決定了該地區(qū)土壤有機碳的穩(wěn)定。越來越多的研究開始關(guān)注鐵鋁氧化物在土壤有機碳穩(wěn)定上的巨大作用。特別在火山灰土、氧化土或酸性土壤中，非晶形鐵鋁氧化物與有機碳之間的相互作用可能是最主要的有機碳穩(wěn)定機制。金屬氧化物和粘土礦物與有機碳的相互作用(Lützowetal.,2006)土壤團聚體的物理保護導致的生物與有機碳的空間隔離是土壤有機碳主要的穩(wěn)定機制之一。團聚體形成后內(nèi)部孔隙降低，有機碳與礦物顆粒的接觸更緊密。一般認為，有機碳被團聚體包裹后或者以顆粒形式存在于孔隙中，或者直接與組成微團聚體的礦物顆粒密切聯(lián)系，所以可以用“隔離”和“吸附”過程描述不同級別(或尺度)上團聚體對有機碳的保護。較大的團聚體(如>250μm)中有機碳的分解需要足夠的空氣和水，孔隙度的減少直接阻礙分解進程，而微團聚體內(nèi)(如20~250μm)的孔隙如小于細菌所能通過的限度(3μm)時，有機碳的降解只能依靠胞外酶向基質(zhì)擴散，對生物來說這是極大的耗能過程，有機碳的分解因而降低;在粘砂?；蛭F聚體級別(如<20μm)，有機碳與金屬氧化物和粘土礦物的相互作用將占主導。物理穩(wěn)定性(Lützowetal.,2006)(Sixetal.,2000)Garten等對森林下礦質(zhì)土壤的有機質(zhì)密度分組和團聚體顆粒分組的研究顯示，礦質(zhì)土壤中70%以上的有機碳是存在于粉砂和黏粒級的團聚體顆粒組中，是物理保護的，而未保護部分與溫度的變異有顯著的統(tǒng)計負相關(guān)，提示團聚體物理保護對有機碳固定的重要作用目前比較普遍接受的認識是:植物、微生物的碎屑形成微團聚體的核，高碳的新有機物質(zhì)形成和穩(wěn)定粗團聚體，而老有機碳閉封于細團聚體中。但仍認為粘粒物與高碳的腐殖物質(zhì)的相互作用(依礦物類型而定)與SOC的保護及其容量的大小密切有關(guān)。有機質(zhì)化學與同位素化學的結(jié)合研究的發(fā)展，特別是同位素加速質(zhì)譜儀和13C、15N核磁共振質(zhì)譜儀的應(yīng)用為進一步認識土壤(團聚體)中有機碳的化學穩(wěn)定作用提供了可能。最近，Mikutta等認為，土壤團聚體中存在有機碳的物理保護和化學穩(wěn)定的雙重作用，被保護的有機碳在土壤中經(jīng)受固有的化學轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定作用。生物穩(wěn)定性微生物對有機碳的利用和轉(zhuǎn)化主要包括真菌和細菌分別主導的途徑，前者對有機碳的穩(wěn)定性貢獻更大，主要原因可能是微生物對基質(zhì)的選擇利用及代謝產(chǎn)物有差異。傳統(tǒng)上真菌和細菌的生活史分別屬于K2和r2策略，對不同質(zhì)量的有機碳具有不同的偏好，當活性的有機碳被r2型生物所消耗，K2型生物可獲得競爭優(yōu)勢，由于需要分配更多的能量來生產(chǎn)次生產(chǎn)物，真菌對有機碳的利用緩慢但利用效率更高。即使土壤中大量存在活性有機碳，K2型生物也無法充分利用，所以不同有機碳的分解過程并非耦合。此外，K2型生物(如真菌)自身生物體比r2型生物(如細菌)更難降解，因此真菌主導的微生物群落可導致土壤有機碳的積累及有機碳穩(wěn)定性的提高。Sorensen等將磨細和未磨細的、經(jīng)14C標記的有機物質(zhì)分別與一種壤質(zhì)砂土和一種黏土在25℃下培養(yǎng)6周。結(jié)果是磨細的處理(小于50μm)微團聚體中微生物14C明顯大于未磨細的處理，

即增加的微生物碳量是黏粒和粉砂粒構(gòu)成微團聚體保護的。由于細微植物有機質(zhì)加入土壤后與土壤顆粒的緊密結(jié)合，

增殖的分解者微生物被保護，

而使植物有機碳比未磨細的更新慢，

而后者更容易被大分解者利用而以CO2

釋放損失掉。(GrandyandNeff,2008)(Sixetal.,2002)BiocharTheseresultssuggestthatbiocharproducedfrombioenergyproductioncouldbereturnedtoforestsoilstoreplenishsoilnutrientstocksandenhanceCstorage,withlittletonoaffectontreegrowthintheshort-term.土壤有機碳周轉(zhuǎn)過程土壤碳的轉(zhuǎn)化過程

土壤有碳周轉(zhuǎn)是指由輸入、分解、轉(zhuǎn)化、輸出(以CO2、CH4等輸出到大氣中)過程構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程。

土壤有機碳的的動態(tài)變化主要取決于有機物質(zhì)的輸入量和輸出量的相對大小，尤其與有機物質(zhì)在土壤中的分解轉(zhuǎn)化有密切關(guān)系。凋落物輸入凋落物分解是森林土壤最主要的碳氮來源，凋落物和細根分解是過去幾十年生態(tài)學領(lǐng)域的科研工作者始終關(guān)注的重要內(nèi)容。雖然凋落物的分解受氣候的影響很大，但在環(huán)境條件一致的條件下凋落物分解主要受凋落物初始化學組成調(diào)控(Klopatek,2008;FujiiandTakeda,2010)。凋落物輸入影響土壤有機碳氮含量和C/N比(Kimetal.,2010)、活性有機質(zhì)組分(Uselmanetal.，

2012)以及團聚體碳氮的分布(Chivengeetal.,2011)。凋落物分解實驗方法：室內(nèi)培養(yǎng)、盆栽、野外分解袋、凋落物添加和去除處理（DIRT）。

正常碳輸入CT添加凋落物DL去除凋落物NL去除根系NR無碳輸入NI雙倍粗木質(zhì)DWDIRT實驗：Detritusinputandremovaltreatments

實驗處理1956年美國FrancisHole博士：養(yǎng)分、有機質(zhì)國外：美國、匈牙利，溫帶地區(qū)森林；國內(nèi)：處理比較少，3個其他碳庫組分：輕組有機碳、顆粒有機碳、高錳酸鉀氧化碳、酸水解碳、碳穩(wěn)定性等有影響無影響SOCTóthetal.，2007;Crowetal.，2009Nadelhofferetal.2004;Yanoetal.2005MBCHooker，2008;Fengetal.，2011Brantetal.，2006;Wangetal.，2010DOCCrowetal.，2009;Dannenmannetal.，2009Yano，etal.，2005土壤碳庫：DIRT結(jié)果——影響不一致凋落物處理對凋落物層碳、氮貯量有顯著影響，但對礦質(zhì)土壤的影響很小Nadelhoffer等發(fā)現(xiàn)在Harvard森林DIRT實驗的5年內(nèi)，森林枯枝落葉層碳和氮含量均表現(xiàn)為隨著地上凋落物和根輸入的增加(減少)而增加(減少)的趨勢。但是，礦質(zhì)土壤沒有表現(xiàn)出相似的趨勢．Yano等在Andrews森林DIRT處理4年后研究發(fā)現(xiàn)，相對于對照CT和添加凋落物(DL)小區(qū)，雙倍粗木質(zhì)(DW)小區(qū)的O層的碳含量最高，而氮含量最低，因此，在O層DW小區(qū)的C∶N大約是CT和DL小區(qū)的兩倍;而在A層DW、CT和DL處理對土壤總碳和總氮的影響不顯著。

Park和Matzner在德國的Bavaria的一個落葉林研究發(fā)現(xiàn)凋落物處理2年后，去凋落物(NL)處理的Oi層基本消失，而添加凋落物(DL)的Oi層的碳、氮貯量則是對照的2倍，同時DL處理導致枯枝落葉層的C/N顯著增加．而Oe層和Oa層的碳、氮貯量在各處理間則沒有顯著差異。Crow等在Bousson落葉林DIRT實驗開始后12年(2003)發(fā)現(xiàn)，DIRT處理沒有顯著改變?nèi)劣袡C碳含量、C/N及有機碳在不同密度組分中的分配。礦質(zhì)土壤對植物輸入的處理反應(yīng)不明顯可能是因為大多數(shù)的植物輸入都在枯枝落葉層，另外也可能是因為礦質(zhì)土壤有機質(zhì)比枯枝落葉層有機質(zhì)更穩(wěn)定。凋落物處理對礦質(zhì)土壤碳、氮貯量和組成有顯著影響。如Tóth等發(fā)現(xiàn)在SIK森林DIRT實驗的前5年，去凋落物NL、去根系NR和無碳輸入NI處理的(0～15cm)土壤有機碳、氮含量隨著凋落物輸入的減少而減少。

Kotroczó則發(fā)現(xiàn)早在SIK森林DIRT實驗處理的第1年和第2年，在NL、NR和NI小區(qū)的土壤有機碳、有機氮含量和C/N開始下降；而添加凋落物DL和雙倍粗木質(zhì)DW小區(qū)，一開始增加的凋落物輸入并沒有增加有機質(zhì)的含量，有機碳含量的增加則是在2年或3年之后，在對照、DL和DW處理的樣地中，4年期間土壤有機氮的含量幾乎仍然沒有變化。

Crow等在針葉林DIRT實驗開始后第5年)發(fā)現(xiàn)，DIRT處理雖然沒有顯著影響全土的有機碳含量和C/N，但改變了土壤輕組的有機碳含量，DW處理的輕組有機碳比例顯著高于NI處理．

Wilson研究了Andrews森林DIRT處理10年后對土壤不同密度組分的影響，發(fā)現(xiàn)增加木質(zhì)凋落物的輸入(DW)使輕組中碳和氮含量具有增加的趨勢，但重組中是否會有相似的變化則還需要進行長期的研究．除了NI小區(qū)難分解碳庫減少外，其他小區(qū)難分解碳庫仍然沒有受到影響．DIRT實驗10年后發(fā)現(xiàn)DL小區(qū)的輕組碳含量減少，表明土壤有機質(zhì)分解出現(xiàn)明顯的激發(fā)現(xiàn)象，為激發(fā)效應(yīng)提供了進一步的證據(jù)。Aconceptualmodelofthresholdsandrangesofinfluenceoffactorsthatinfluencerateandcompletenessofdecomposition.Boxesontheleftrepresentsuggestedthresholds,beyondwhichdecompositionwillbeconstrainedregardlessofthelevelsofotherfactors.Boxesinthecenteraresuggestedideal(non-limiting)levelsfordecomposition.Boxesontherightarethesuggestedrangeswithinwhichthefactorislikelytoinfluencedecompositionrate.Notethatthisistherangeinwhichfactorswillbecorrelatedwithdecompositionrate;suchanalysesmaynotcapturetheover-ridinginfluenceoffactorswhicharebeyondthethreshold(leftcolumn)acid-unhydrolyzableresiduePathanalysisshowsdirectinfluenceoflitterchemistryandindirectinfluencesofmoistureandtemperature(fromZhangetal.2008).Solidlinesrepresentpositiveeffectsanddottedlinesrepresentnegativeeffects.Thethicknessofthearrowandtheassociatedvalueindicatethestrengthoftheeffect.ConceptualschemeoftheCflowduringdegradationofplantdebrisinsoil.AlthoughtheCisoriginallyderivedfromplantorganicmatter,themolecularcharacteristicsofthisCarederivedfrommicrobialbiomassbecauseitisprocessedbythemicrobes(LMWcyto.lowmolecularweightsolublecytosoliccompounds,DNA/RNAnucleicacids)(Miltner,2012)土壤呼吸土壤呼吸：是指土壤釋放CO2的過程，嚴格意義上講是指未經(jīng)擾動的土壤中產(chǎn)生CO2的所有代謝作用，包括三個生物學過程（植物的根系呼吸、土壤微生物呼吸、土壤動物的呼吸）和一個非生物學過程（含碳化合物的化學氧化作用）。它所釋放出的CO2是生物圈向大氣圈釋放CO2的主要來源之一。研究表明土壤呼吸釋放的CO2

中約30％－50％來自根系的活動或自養(yǎng)呼吸作用，其余部分主要源于土壤微生物對有機質(zhì)的分解作用，即異養(yǎng)呼吸作用。影響土壤呼吸的因素氣候（光、溫、水）

植物（植被類型、覆蓋度、生長發(fā)育、光合產(chǎn)物分配、凋落物）

人為活動（土地利用方式、擾動方式）

土壤環(huán)境（土壤質(zhì)地、微生物、有機質(zhì)、溫度、濕度、pH值）CO2土壤溫度環(huán)境溫度的升高，可以提高作物根系呼吸，加速土壤中有機質(zhì)的分解和微生物活性，從而增加了土壤中CO2濃度及其向地表的擴散速率。溫度對CO2釋放量的影響是通過多種途徑起間接作用。許多研究表明土壤呼吸在適宜的溫度范圍內(nèi)和溫度呈正相關(guān)，不同的研究得出的相關(guān)關(guān)系不同。Fang和Moncrieff（2001）在不同溫度條件下對農(nóng)田土壤和森林土壤進行培養(yǎng)，并測定CO2釋放量，他們用10種不同的方程形式對培養(yǎng)測定結(jié)果與溫度進行擬合，并求出相應(yīng)的Q10，對不同方程的擬合效果和Q10的分析結(jié)果表明，Arrhenius方程軌跡的Q10值對實驗結(jié)果具有最好的解釋能力和理論基礎(chǔ)，雖然在低溫時可能低估了土壤的呼吸。一個簡單的經(jīng)驗公式Rs＝a(T－Tmin)b在低溫時更比Arrhenius和指數(shù)模型更有說服力。線性模型：R=a+bT

二次方程模型：R=aT2

Kucera-Kirkham模型（Kucera和Kirkham，1971）：R=a（T+10）b

Lomander模型（Lomander等，1998）：R=a（T-Tmin）b

一階指數(shù)模型：R=aebt

O’Connel模型（O’Connel，1990）：Arrhenius模型（Lloyd-Tayor等，1994）：R=

Lloyd-Taylor模型（Lloyd-Tayor等，1994）：R=

Jenkinson模型（Jenkinson，1990）：R=

土壤溫度土壤水分的變化對土壤呼吸的影響機制在于可溶性有機質(zhì)、土壤的通透性、微生物與植物根系生命活動等都隨土壤水分狀況不同而發(fā)生相應(yīng)的改變。在一定的水分含量范圍內(nèi)，CO2釋放與水分含量呈顯著的相關(guān)關(guān)系。土壤呼吸與水分條件的關(guān)系通常用線性、一元二次方程、雙曲線方程和指數(shù)方程等來描述。土壤水分盡管這些模型有的能夠很好地擬合特定條件下的數(shù)據(jù)，但是這些模型都缺乏普適性，水分量的變化對土壤呼吸的影響很難以一個統(tǒng)一的方程來描述。主要是由于實驗方法和標準的不一致以及影響土壤呼吸因素的多樣性，使得土壤呼吸與水分的相關(guān)關(guān)系也有不同的結(jié)果，有些研究相關(guān)，有些研究沒有相關(guān)性，總的來說，最優(yōu)的水分狀況通常是接近最大田間持水量，當土壤處于過干或過濕狀態(tài)時，土壤呼吸會受到抑制。土壤CO2排放在降雨后發(fā)生明顯的改變，可能是由于降雨提高了土壤水分，反過來促進了土壤CO2的排放。大氣降水對土壤呼吸的影響是因時、因地而異，在濕潤的生態(tài)系統(tǒng)或有干濕交替季節(jié)的生態(tài)系統(tǒng)中比較濕潤的季節(jié)，降水事件對土壤呼吸可能會產(chǎn)生明顯的抑制現(xiàn)象；而在干旱的生態(tài)系統(tǒng)或有干濕交替季節(jié)的生態(tài)系統(tǒng)中比較干旱的季節(jié)里，降水事件可能會強烈地激發(fā)土壤呼吸。降雨在大多數(shù)情況下，土壤呼吸并不是受溫度或濕度單因子的控制，而是受這兩者的協(xié)同控制（Bowdenetal.,1998；Richardetal.,1998;MielnickandDugas,2000）。有研究表明，在0～35℃范圍內(nèi)，土壤呼吸速率與溫度呈正相關(guān)，在一定含水量范圍內(nèi)（0.21～0.37kg·kg-1），土壤呼吸隨含水量的增加而升高，當含水量超出該范圍，土壤呼吸速率則隨含水量的變化而降低（王淼等，2003），在研究土壤呼吸時應(yīng)將兩者進行綜合考慮。土壤溫、濕度對土壤呼吸的影響晴天土壤呼吸和土壤溫度呈指數(shù)相關(guān)關(guān)系，雨天，和土壤溫度不相關(guān)。多元回歸分析表明，土壤呼吸隨溫度增加而增加，在土壤水分含量過高或過低時受到抑制。Leeetal.,2002土壤溫、濕度對土壤呼吸的影響土壤溫、濕度對土壤呼吸的影響

土壤呼吸與濕度的函數(shù)關(guān)系可以表示為（Fang和Moncrieff，2001;Hui和Luo，2004）：R=1-e-aW+c當土壤體積含水量小于12%，土壤呼吸速率（R）與土壤濕度（M）：R=-128+2852M；而當土壤體積含水量大于12%時，二者關(guān)系為：R=201-198M（Davidson等，1998）

f()=a*+b(Stanford&Eppstein1974)orf()=a*(-b)/(opt-b)+b(Myersetal.1982)orf()=/(a1+)*a2/(a2+)(Bunneletal.1977)植被覆蓋‘Rootsexertastronginfluenceonthetemperaturesensitivityofsoilrespiration‘(Booneetal.1998，Nature396)RhizosphereTotalsoilRoot-free減少碳輸入降低土壤呼吸，增加碳輸入則相反

(Crowetal.，2009;Subkeetal.，2011)。凋落物、根系對土壤呼吸的相對貢獻差異很大，

美國Andrews森林根系呼吸占23%(Sulzmanetal.，2009)，剛果桉樹林為59%(Epronetal.，2006)。添加凋落物產(chǎn)生正激發(fā)效應(yīng)，即DL使SR增加的量>NL使SR減少的量(Nadelhofferetal.2004;Crowetal.2009;Wangetal.，2012)。

由于碳循環(huán)涉及地球多層圈間的復雜過程，僅僅依靠重復的野外觀測和簡單的相關(guān)分析，已遠遠不能解決陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的機制問題。為了描述陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程、模擬氣候變化和人類活動對碳循環(huán)過程的影響，模型模擬成為人們采用的最重要手段。碳周轉(zhuǎn)模型從建模思路上劃分，碳氮模型主要可以分成兩類：統(tǒng)計回歸模型和過程模型，統(tǒng)計模型屬經(jīng)驗性模型，過程模型為機理性或半經(jīng)驗半機理性模型。統(tǒng)計模型通常依據(jù)實驗測定或調(diào)查的碳循環(huán)分量與氣候因子等已知的環(huán)境變量進行回歸分析，建立模型進行外推。過程模型則從陸地生態(tài)系統(tǒng)的光合作用，呼吸作用和營養(yǎng)元素的循環(huán)等生理生態(tài)過程入手，研究各種環(huán)境、生物和氣候因素對碳循環(huán)過程的綜合影響。經(jīng)驗?zāi)Ｐ徒?jīng)驗?zāi)Ｐ屯ǔ＝⑼寥捞佳h(huán)特征變量與環(huán)境因子變量之間的相關(guān)關(guān)系，只在一定的范圍內(nèi)應(yīng)用。土壤有機碳蓄積量與氣候、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，需要得到一定的檢驗和驗證，并相應(yīng)調(diào)整參數(shù)才能應(yīng)用到本區(qū)域上。由于經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭锌紤]的參數(shù)較少，更多的過程、機理被忽視，使得模型結(jié)果產(chǎn)生較大的不確定性。碳周轉(zhuǎn)模型土壤有機碳庫模型的發(fā)展已經(jīng)從經(jīng)驗?zāi)Ｐ娃D(zhuǎn)向機理模型，綜合考慮了動力學特點，并且集成碳循環(huán)的各個過程與氣候模型，耦合研究陸地表層對全球變化的響應(yīng)。國際上從20世紀70年代起開展土壤有機碳循環(huán)計算機模擬和預(yù)測研究，英國、美國、加拿大、荷蘭、澳大利亞、俄羅斯、德國等國都建立了適合自己的土壤有機碳機理模。CENTURY模型CENTURY模型是目前應(yīng)用較為廣泛的反映土壤有機碳動態(tài)的模型，它以將土壤有機碳分為3個庫的理論為基礎(chǔ)，是從模擬草地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展而來，已經(jīng)在世界很多地區(qū)的土壤碳循環(huán)研究中得到了檢驗。DNDC模型

DNDC模型是美國NewHampshire大學發(fā)展起來的，其目標是模擬生態(tài)系統(tǒng)中碳氮的生物地球化學循環(huán)，時間步長以日為單位，也是目前國際最為成功的模擬生物地球化學循環(huán)的模型之一。

實證研究JonasandLennart（2003）利用CENTURY模型結(jié)合GIS手段，對半干旱的蘇丹的土壤有機碳儲量進行了估算，表明，從1900到2000年期間，蘇丹表層土壤有機碳（0-20cm）下降了6.8Mt，而從2000到2010年，土壤表層的最大的固碳潛力可達到17Mt。高魯鵬等（2004）應(yīng)用CENTURY模型，對東北地區(qū)自然狀態(tài)下的黑土有機碳庫進行了模擬，結(jié)果表明，在自然狀態(tài)下，黑土有機碳庫經(jīng)歷了一個由快到慢的增長過程，經(jīng)過長時間積累，并最終趨于穩(wěn)定。Li等（1997）利用DNDC模型模擬了20年以上的土壤有機碳的動態(tài)變化，并與歐洲和澳大利亞的5個站點11塊樣地的定點觀測結(jié)果對比，表明，除1塊樣地外，其余樣地的模擬值和實測值的土壤有機碳含量的百分比的平均差值在0.07%以下。韓冰等（2004）采用DNDC模型,估算了中國東北地區(qū)農(nóng)田土壤碳儲量為1.27Gt，平均碳密度為63.57t/hm2，是全國C平均值的1.4倍。模型的應(yīng)用需要經(jīng)過驗證，對于區(qū)域模型的驗證，應(yīng)該同時考慮兩個方面：一是模擬的方法和模型中的參數(shù)與實際情況是否符合，二是模型的輸人數(shù)據(jù)庫是否反映了當?shù)氐膶嶋H情況。對土壤有機碳動態(tài)的模擬驗證DNDC模型對土壤有機碳動態(tài)的模擬

DNDC能較好的模擬土壤有機碳的動態(tài)變化，對照處理和施肥處理土壤有機碳含量的模擬結(jié)果都是隨著時間的延長逐漸下降，化肥處理的土壤有機碳含量的降低比較緩慢。氣候變化對土壤碳過程的影響全球氣候變化全球氣候變化（globalclimatechange）：全球氣候變化是全球變化的核心，主要是指由于大氣CO2

等溫室氣體濃度的上升所引起的全球變暖，以及由此引發(fā)的降水格局變化、冰川退化、海平面上升等一系列變化。2000-2006:1.9ppmy-11970–1979:1.3ppmy-11980–1989:1.6ppmy-11990–1999:1.5ppmy-12006大氣CO2濃度：381ppm高出工業(yè)革命前35%NOAA2007;Canadelletal.2007，PNAS185018701890191019301950197019902010[CO2]全球CO2濃度的增加主要是化石燃料的使用，土地利用變化做出了另一種顯著但較小的貢獻(IPCC，2007)大氣CO2濃度CO2濃度升高的影響:全球變暖IPCC，20010.74℃氣溫升高到21世紀末，溫度上升1.1-6.4℃(IPCC，2007)

降水變化：中國大部分地區(qū)增加；未來許多區(qū)域暴雨或干旱事件將顯著增多、增強。

N沉降增加：中國——三大沉降區(qū)之一近幾十年來，由于人類活動諸如人口增長、礦物燃料燃燒、含氮化肥的生產(chǎn)和使用、畜牧業(yè)的大規(guī)模發(fā)展等，向大氣中排放的含氮化合物越來越多，導致大氣氮沉降成比例增加。目前，我國已成為繼歐、美之后的第三大氮沉降集中區(qū)之一，從1961年至2000年，我國活性氮的排放從1.4×107t/a升至6.8×107t/a，，預(yù)計在2030年將上升至1.05×108t/a。上述因素影響森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、凋落物、根系等(K?rneretal.，2005;Jacksonetal.，2009;Talhelmetal.，2009;Drakeetal.，2011)土壤碳輸入土壤碳循環(huán)及生物學機制？全球氣候變化對碳過程的影響CO2升高對森林碳循環(huán)的影響PhotosynthesisNPPFinerootSoilcarbonpoolSoilrespirationElevated[CO2]LiquidambarstyracifluaintheunderstoryatDuke-F