1、第一節(jié)第一節(jié) 土壤中的碳與環(huán)境質(zhì)量土壤中的碳與環(huán)境質(zhì)量一、土壤有機碳庫一、土壤有機碳庫二、土壤碳的形態(tài)與活性二、土壤碳的形態(tài)與活性三、土壤有機碳的分解與轉(zhuǎn)化三、土壤有機碳的分解與轉(zhuǎn)化四、土壤碳庫與甲烷四、土壤碳庫與甲烷五、全球氣候變化對土壤碳循環(huán)的影響五、全球氣候變化對土壤碳循環(huán)的影響一、土壤有機碳庫一、土壤有機碳庫 土壤有機碳庫土壤有機碳庫(SOCP)是指全球土壤中有機碳的總量。植是指全球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)的形一部分以有機質(zhì)的形式貯存于土壤中。式貯存于土壤中。 不同學者選用的數(shù)據(jù)和取的不同學者選用的數(shù)據(jù)和取的

2、土層深度土層深度不同不同,對對SOCP的估的估算值不同算值不同,有的估算值為有的估算值為30005000Pg,有的估算值為有的估算值為2500Pg或或7003000Pg、12001600Pg;有的對有的對1m土層內(nèi)的估算值土層內(nèi)的估算值為為1555Pg。但其范圍可能是。但其范圍可能是12001600Pg,為陸地植物碳庫為陸地植物碳庫的的23倍、全球大氣碳庫的倍、全球大氣碳庫的2倍。倍。 陸地生態(tài)系統(tǒng)中的土壤碳庫陸地生態(tài)系統(tǒng)中的土壤碳庫,以森林土壤中的碳為最多以森林土壤中的碳為最多,占全球土壤有機碳的占全球土壤有機碳的73%;其次是草原土壤的碳其次是草原土壤的碳,占全球土壤占全球土壤有機碳的有機

3、碳的20%左右。粗略地估計我國的左右。粗略地估計我國的SOCP為為185.7Pg碳碳,約占全球土壤總碳量的約占全球土壤總碳量的12.5%。不同生態(tài)系統(tǒng)土壤中的有機碳貯量不同生態(tài)系統(tǒng)土壤中的有機碳貯量植被類型植被類型面積面積有機碳貯量有機碳貯量106hm2%Gt C%熱帶森林154012.7184.513.2溫帶森林12009.9104.37.5極地森林11109.1181.913.0熱帶疏林及稀樹草原240019.8129.69.3溫帶疏林草原4804.0149.310.7沙漠214017.6846.0凍土苔原8807.2191.813.8耕地212017.4167.512.0濕地2802.3

4、202.414.5總計121501395.3（一）土壤有機碳庫（一）土壤有機碳庫（SOCP）的重要性）的重要性1對環(huán)境的影響對環(huán)境的影響 全球碳平衡及碳循環(huán)全球碳平衡及碳循環(huán) （溫室氣體除一氧化二氮外均與之有關(guān)）（溫室氣體除一氧化二氮外均與之有關(guān)） 生物地球化學碳循環(huán)中周轉(zhuǎn)速度最慢生物地球化學碳循環(huán)中周轉(zhuǎn)速度最慢 甲烷甲烷和和二氧化碳二氧化碳增加而使氣候變暖增加而使氣候變暖 在水循環(huán)過程中作用決定陸地河流向海洋輸出在水循環(huán)過程中作用決定陸地河流向海洋輸出碳的形式和通量碳的形式和通量1800年大氣年大氣CO2為為280ml/m3（IPCC，1990）；）；1959年年在美國夏威夷在美國夏威夷Ma

5、una Loa長長期檢測站大氣期檢測站大氣CO2為為315ml/m3，此后持續(xù)增加，此后持續(xù)增加，平均每年升高平均每年升高1.5ml/m3 （IPCC，1995）。）。2對土壤性質(zhì)的影響對土壤性質(zhì)的影響 土壤中各種有機化合物影響?zhàn)ち５V物組合土壤土壤中各種有機化合物影響?zhàn)ち５V物組合土壤 聚集狀態(tài)離子移動土壤持水性通氣量和鹽基聚集狀態(tài)離子移動土壤持水性通氣量和鹽基 交換等各種性質(zhì)交換等各種性質(zhì)3對土壤氮對土壤氮 硫和磷循環(huán)的影響硫和磷循環(huán)的影響 土壤碳循環(huán)是土壤氮硫和磷循環(huán)的驅(qū)動因子，土壤碳循環(huán)是土壤氮硫和磷循環(huán)的驅(qū)動因子， 只有在適于土壤有機碳積累條件下才會增多。另外，只有在適于土壤有機碳積累條

6、件下才會增多。另外，土壤有機碳的礦化將伴隨著有機氮和碳鍵硫的礦化。土壤有機碳的礦化將伴隨著有機氮和碳鍵硫的礦化。（二）（二） 土壤有機碳儲存及分布土壤有機碳儲存及分布1、土壤有機碳儲量及分布、土壤有機碳儲量及分布 碳庫名稱碳庫名稱代號代號碳貯量碳貯量/Pg說明說明土壤碳庫土壤碳庫SCP33001米土層米土層大氣碳庫大氣碳庫ACP740生物碳庫生物碳庫BCP420830陸地植物陸地植物巖石碳庫巖石碳庫LCP210*107煤、石油、沉積物）煤、石油、沉積物）至至16公里深公里深水域碳庫水域碳庫HCP7501050不含深海溶質(zhì)碳不含深海溶質(zhì)碳全球土壤中有機碳貯量全球土壤中有機碳貯量土綱土綱面積面積有

7、機碳貯量有機碳貯量103hm2%GtC%有機土有機土17451.335722.7始成土始成土2158016.035222.3新成土新成土1492111.01489.4淋溶土淋溶土1828313.51278.1氧化土氧化土117728.71197.6干旱土干旱土3174323.51107.0老成土老成土113308.41056.7火山灰土火山灰土25521.9784.9軟土軟土54804.1724.6灰土灰土48783.6714.5變性土變性土32872.4191.2其他土壤其他土壤76445.7181.1總計總土壤有機碳密度、土壤有機碳密度 土壤有機碳密度是指土壤有機

8、碳密度是指單位面積（單位面積（1m2或或1hm2）中一定厚度的）中一定厚度的土層中有機碳數(shù)量。土層中有機碳數(shù)量。一般情況下，指的是上部一般情況下，指的是上部1米的土層，米的土層，因此，有機碳密度的單位常用因此，有機碳密度的單位常用kg C/m2或或kg C/hm2表示表示 土壤的有機碳量是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)損失量之間平衡結(jié)果。為主要途徑的有機物質(zhì)損失量之間平衡結(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

9、產(chǎn)力的制約，土壤有機碳密度或濃度大小與型及其生產(chǎn)力的制約，土壤有機碳密度或濃度大小與氣候條氣候條件件如如溫度和水分溫度和水分密切相關(guān)，而在全球尺度上的土壤碳密度分密切相關(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)。布也應(yīng)與各地區(qū)的氣候特征密切關(guān)聯(lián)。全球的一些植被帶碳密度全球的一些植被帶碳密度中國一些土壤有機碳估算中國一些土壤有機碳估算二、土壤碳的形態(tài)與活性二、土壤碳的形態(tài)與活性（一）土壤碳的形態(tài)（一）土壤碳的形態(tài)（1）土壤有機碳的固體形態(tài)）土壤有機碳的固體形態(tài) 以以粗有機質(zhì)粗有機質(zhì)和和有機質(zhì)有機質(zhì)-土壤礦物質(zhì)土壤礦物質(zhì)結(jié)合的結(jié)合的細顆粒態(tài)細顆粒態(tài)兩類。不同土壤中有機碳兩類。

10、不同土壤中有機碳的存在形態(tài)及比例不同。一般以國際制土壤顆粒分類區(qū)分土壤微團聚體，并以的存在形態(tài)及比例不同。一般以國際制土壤顆粒分類區(qū)分土壤微團聚體，并以重液來區(qū)分出與細土土壤緊密結(jié)合的重組結(jié)合態(tài)有機碳和團聚與較粗顆粒的輕重液來區(qū)分出與細土土壤緊密結(jié)合的重組結(jié)合態(tài)有機碳和團聚與較粗顆粒的輕組有機碳。組有機碳。 輕組有機碳輕組有機碳認為是土壤中未和礦物結(jié)合的游離有機物質(zhì)，是土壤中易分解認為是土壤中未和礦物結(jié)合的游離有機物質(zhì)，是土壤中易分解的碳庫。的碳庫。 重組有機碳重組有機碳是與礦物結(jié)合形成有機無機復合體的有機碳，由于受土壤礦物是與礦物結(jié)合形成有機無機復合體的有機碳，由于受土壤礦物的保護，所以是土

11、壤中分解較慢的碳庫。的保護，所以是土壤中分解較慢的碳庫。 輕組有機碳對種植制度耕作方式輕組有機碳對種植制度耕作方式 施肥措施和土地利用以及氣候變化的影響施肥措施和土地利用以及氣候變化的影響比土壤總有機碳更為敏感，是反映土壤質(zhì)量變化的一個敏感指標。比土壤總有機碳更為敏感，是反映土壤質(zhì)量變化的一個敏感指標。 而重組有機碳具有轉(zhuǎn)化慢，而重組有機碳具有轉(zhuǎn)化慢，C/N值低等特點，該組分對土壤肥力的保持以及值低等特點，該組分對土壤肥力的保持以及土壤碳的固持具有重要意義。土壤碳的固持具有重要意義。（2） 微生物碳（C mic)是活躍的移動性碳庫，通常用氯仿-K2SO4分散提取法測得。土壤微生物碳不僅因土壤類

12、型不同而異，而且土壤微生物碳量明顯的隨著生物生長季節(jié)和耕作制度的變化而變化。如單種 復種 套種 輪作等等。（3） 土壤有機碳的溶解態(tài) DOC是指能溶解于水中的有機碳，它是陸地水系統(tǒng)中的重要要物質(zhì)。一般采用野外土壤溶液樣品直接經(jīng)TOC儀測定而得到，亦可用熱水浸提測定。因植物生長期以及季節(jié)變化而異。（二）土壤碳的活性（二）土壤碳的活性定義： 土壤碳有效性的高低，為微生物分解與土壤碳有效性的高低，為微生物分解與利用的難易程度和可為植物直接利用的營養(yǎng)利用的難易程度和可為植物直接利用的營養(yǎng)元素的多寡。元素的多寡。 通常所說的土壤活性有機碳是在一定時空條通常所說的土壤活性有機碳是在一定時空條件下受植物微生

13、物影響強烈，具有一定溶解性，件下受植物微生物影響強烈，具有一定溶解性，且在土壤中移動較快且在土壤中移動較快 不穩(wěn)定易氧化易分解和易礦不穩(wěn)定易氧化易分解和易礦化，其形態(tài)空間位置對植物和微生物有較高活性化，其形態(tài)空間位置對植物和微生物有較高活性的那部分土壤碳素。的那部分土壤碳素。 三、土壤有機碳的分解轉(zhuǎn)化三、土壤有機碳的分解轉(zhuǎn)化 （一）土壤有機質(zhì)各組分的轉(zhuǎn)化（一）土壤有機質(zhì)各組分的轉(zhuǎn)化（1）動植物殘體的轉(zhuǎn)化（2）微生物生物量（3）腐殖質(zhì)組分（胡敏素 胡敏酸 富啡酸）碳循環(huán)碳循環(huán)地球表層系統(tǒng)碳庫與碳循環(huán)地球表層系統(tǒng)碳庫與碳循環(huán)(1Pg=1015g)(二）影響土壤有機碳分解的因素二）影響土壤有機碳分解

14、的因素1、外源有機物的化學組成 進入土壤中的有機物的化學成分不同，其分解速率也各異。一般而言，幼嫩的和木質(zhì)素含量低的植物殘體分解快。Herman等認為：稻草的多種化學組成都會影響其分解，CO2釋放量=碳水化合物%/（稻草C/N*木質(zhì)素%） 林心雄等研究了13種植物殘體在蘇南地區(qū)的分解速率與植物化學組成的關(guān)系，結(jié)果表明植物殘體分解后的殘留C量與其木質(zhì)素百分含量、木質(zhì)素百分含量與（苯醇溶解物+水溶性物+碳水化合物）百分含量的比值呈顯著正相關(guān)，但與C/N比及水溶性物含量無關(guān)。2、 土壤水熱條件土壤水熱條件 土壤微生物的最佳土壤水分張力范圍在-20-50Pa之間。 Pal等發(fā)現(xiàn)實驗期間保持60%的田間

15、持水量時稻草的分解最快。 降雨影響了土壤水分條件。Amato等發(fā)現(xiàn)豆科植物的地上部的分解速率與降雨量呈顯著正相關(guān)，而根的相關(guān)性不顯著；小麥稈在前10周的分解中其分解速率與降雨量呈顯著的正相關(guān)，10周后，正相關(guān)性下降。 3、 土壤溫度土壤溫度 土壤微生物的最佳溫度是35攝氏度，Ladd等研究澳大利亞南部豆科植物的分解與英國南部和尼日利亞黑麥草的分解，發(fā)現(xiàn)每增加89攝氏度，土壤中植物物質(zhì)的分解速率提高1倍。 在封丘、無錫和莆田3地,隨著年均溫(13.9,15.4,20.2)和降雨量(616,1070,1286)的提高,水田條件下稻草和稻根分解3年后的殘留碳量均降低,在旱地條件下稻草的殘留碳量降低,

16、而稻根的殘留碳量反而增加。在分解的前2年中,氣候條件對有機物質(zhì)分解的影響并沒有顯現(xiàn)出來,說明土壤條件和有機物質(zhì)的組成對有機物質(zhì)分解的影響可以掩蓋氣候條件的影響。4、 土壤質(zhì)地土壤質(zhì)地 粘粒可以固定有機物質(zhì)的微生物分解產(chǎn)物和催化腐殖質(zhì)的形成,因此土壤中粘粒礦物類型和粘粒含量都影響有機物質(zhì)的分解。 田間試驗結(jié)果表明田間試驗結(jié)果表明,在粘粒含量分別為在粘粒含量分別為10.4%,26.5%和和41.8%的紅壤中的紅壤中,隨隨著粘粒著粘粒(0.002)含量的增加含量的增加,14-稻草分解速率降低稻草分解速率降低,1年后的殘留年后的殘留14量量分別為分別為18.0%,25.2%和和28.1%;2年后的分別

17、為年后的分別為12.0%,19.7%和和22.6%。 這說明土壤中粘粒對有機質(zhì)也有較大保護作用,質(zhì)地越粘,粘粒及粉砂粒表面有機碳的飽和程度越低,剩余的能為微生物代謝產(chǎn)物結(jié)合位置也越少,粘粒及粉砂粒所起的保護作用就越弱。另一方面也說明,土壤的粘粒部分在有機質(zhì)的中期轉(zhuǎn)化過程中起著重要的作用,而粉砂粒則在有機質(zhì)的長期轉(zhuǎn)化過程中起著重要作用。5、土壤土壤pH和碳酸鈣含量和碳酸鈣含量 土壤pH影響了微生物的生長,在酸性土壤中微生物種類受到限制,以真菌為主,從而減慢了有機物質(zhì)的分解。在廣州的紅壤性水稻土和無錫的水稻土中,8種植物殘體中除了水葫蘆外分解1年后的殘留碳量并沒有明顯差異,其殘留碳量分別為(30.

18、43.4)%和(30.13.9)%.但是兩地的年均溫相差6.4,因此紅壤性水稻土中較低的pH是導致分解減慢的原因。 土壤中的游離碳酸鈣影響了土壤團聚體狀況及土壤,通常促進了植物物質(zhì)的分解。含有大量游離CaCO3的潮土,實驗室恒溫培育試驗結(jié)果沒有顯示出土壤質(zhì)地對有機物質(zhì)分解的影響。這可能是由于潮土中大量CaCO3的存在改變了土壤的結(jié)構(gòu),同時掩蔽了部分粘粒表面的吸附位,從而掩蓋了土壤質(zhì)地的影響。但是在利用鹽酸除去潮土中CaCO3后,土壤質(zhì)地對有機物質(zhì)分解的影響顯現(xiàn)出來,隨著土壤粘粒含量的提高,14-黃花苜蓿分解1年后的殘留碳量增加,而分解速率降低。四、土壤碳庫與甲烷四、土壤碳庫與甲烷（一）溫室效應(yīng)

19、與土壤中的甲烷（一）溫室效應(yīng)與土壤中的甲烷 自然溫室效應(yīng)的增強：人類活動特別是燃燒化石燃料自然溫室效應(yīng)的增強：人類活動特別是燃燒化石燃料和毀壞森林，導致大氣中溫室氣體含量不斷增多，從而使和毀壞森林，導致大氣中溫室氣體含量不斷增多，從而使溫室效應(yīng)加劇，引起全球氣候變暖，其中以甲烷最為突出。溫室效應(yīng)加劇，引起全球氣候變暖，其中以甲烷最為突出。 土壤中甲烷產(chǎn)生主要取決與：一是厭氧條件，即豐的土壤中甲烷產(chǎn)生主要取決與：一是厭氧條件，即豐的水源；二是碳源，即豐富有機質(zhì)。淹水土壤中甲烷的產(chǎn)生水源；二是碳源，即豐富有機質(zhì)。淹水土壤中甲烷的產(chǎn)生是一個生物化學過程。主要有兩條途徑：一是是一個生物化學過程。主要有

20、兩條途徑：一是在專性礦質(zhì)在專性礦質(zhì)化學營養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌的參與下，以氫氣或有機分子作氫供體化學營養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌的參與下，以氫氣或有機分子作氫供體還原二氧化碳或直接利用甲酸和一氧化碳形成甲烷還原二氧化碳或直接利用甲酸和一氧化碳形成甲烷。二是。二是在甲基營養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌的參與下，對含甲基化合物（主要是在甲基營養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌的參與下，對含甲基化合物（主要是乙酸）的脫甲基作用乙酸）的脫甲基作用。（二）稻田土壤甲烷排放量及其影響因素（二）稻田土壤甲烷排放量及其影響因素土壤水分管理對甲烷排放量的影響土壤水分管理對甲烷排放量的影響土壤性質(zhì)對甲烷排放量的影響土壤性質(zhì)對甲烷排放量的影響 土壤土壤Eh 土壤土壤PH 土壤質(zhì)地和土壤

21、滲透率土壤質(zhì)地和土壤滲透率 土壤類型土壤類型有機肥的施用有機肥的施用土壤溫度土壤溫度水稻植株生長及品種水稻植株生長及品種五、全球氣候變化對土壤碳循環(huán)影響五、全球氣候變化對土壤碳循環(huán)影響氣候變化與土壤二氧化碳釋放氣候變化與土壤二氧化碳釋放 人類活動對土地利用和覆蓋的變化是最直接影響土壤碳人類活動對土地利用和覆蓋的變化是最直接影響土壤碳庫的因子：影響最嚴重的是將自然植被轉(zhuǎn)變?yōu)楦?。減少有機庫的因子：影響最嚴重的是將自然植被轉(zhuǎn)變?yōu)楦亍p少有機質(zhì)的輸入，破壞有機質(zhì)物理保護，增強腐殖物質(zhì)礦化作用，土質(zhì)的輸入，破壞有機質(zhì)物理保護，增強腐殖物質(zhì)礦化作用，土壤呼吸增加，土壤碳庫儲量降低。壤呼吸增加，土壤碳庫

22、儲量降低。 森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤的平均碳密度為森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤的平均碳密度為189Pgha-1,而草地而草地和農(nóng)田的土壤碳密度分別只有和農(nóng)田的土壤碳密度分別只有116Pgha-1和和95Pgha-1。土地利。土地利用的改變每年對用的改變每年對ACP貢獻為貢獻為(1.61.0)PgC,1950年以來年以來,SOCP是大氣是大氣CO2濃度增加的最大貢獻者。濃度增加的最大貢獻者。 控制氣體交換的因素有溫度、濕度、控制氣體交換的因素有溫度、濕度、Eh和基質(zhì)的有效性和基質(zhì)的有效性(C數(shù)量和質(zhì)量數(shù)量和質(zhì)量)。對。對CO2的控制主要通過對微生物活動的控制。的控制主要通過對微生物活動的控制。冷和淹水可減少冷和

23、淹水可減少CO2排放排放,但會形成但會形成CO2潛在來源的泥炭潛在來源的泥炭(占占SOCP的的24%)。溫帶濕潤條件下。溫帶濕潤條件下CO2產(chǎn)生的多產(chǎn)生的多;溫帶干旱條件溫帶干旱條件下下,植物量少植物量少,土壤有機質(zhì)含量低土壤有機質(zhì)含量低,CO2排放量小。熱帶土壤有機排放量小。熱帶土壤有機質(zhì)分解快質(zhì)分解快,是是CO2短期內(nèi)增加的主要原因短期內(nèi)增加的主要原因。（二）氣候變化與土壤甲烷釋放（二）氣候變化與土壤甲烷釋放 陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣的氣體交換除陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣的氣體交換除CO2外外,還有還有CH4、N2O、NO、CO、H2S和和S等痕量氣體的交換。大氣中甲烷排等痕量氣體的交換。大氣中甲烷排放

24、總量約放總量約70%是土壤生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的微生物活動引起和反芻是土壤生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的微生物活動引起和反芻動物排放，其余來自化石燃料和生物的燃燒。動物排放，其余來自化石燃料和生物的燃燒。 除自然生態(tài)系統(tǒng)外，大面積的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，尤其是稻除自然生態(tài)系統(tǒng)外，大面積的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，尤其是稻田也是甲烷的來源。田也是甲烷的來源。 CH4的代謝比的代謝比CO2復雜復雜,土壤中既產(chǎn)生土壤中既產(chǎn)生CH4,又消耗又消耗CH4。全球每年進入大氣全球每年進入大氣CH4的排放量約的排放量約0.41PgC。濕地土壤的。濕地土壤的CH4每年排放量約每年排放量約0.131PgC,占總排放量的占總排放量的32%。如果包括。如果包括白蟻和歸還土壤的動物糞便白蟻和歸還土壤的動物糞便,“土壤土壤”的貢獻可達的貢獻可達44%。 大氣中每年有大氣中每年有386TgC的的CH4被氧化為被氧化為CO2。所以每年土。所以每年土壤凈損失和大氣凈積累的壤凈損失和大