1、第六章土壤碳素轉(zhuǎn)化與溫室氣體排放,目錄,一、引言 二、土壤碳的組分與形態(tài) 三、土壤碳素轉(zhuǎn)化過(guò)程 四、土壤溫室氣體排放,一、引言,工業(yè)革命前的1800年大氣二氧化碳的濃度為280ml/m3（IPCC（國(guó)際氣候變化委員會(huì)），1990），而1959年在美國(guó)夏威夷的Mauna Loa長(zhǎng)期檢測(cè)站發(fā)現(xiàn)大氣二氧化碳的濃度為315ml/m3，此后二氧化碳的濃度持續(xù)增加，平均每年升高1.5ml/m3 （IPCC，1995）2013年達(dá)到396.48ml/m3 。大氣二氧化碳的濃度持續(xù)增加導(dǎo)致全球氣候變化，最終可能威脅到人類的生存。,碳循環(huán),全球碳循環(huán),地球表層系統(tǒng)碳庫(kù)與碳循環(huán),(1Pg=1015g),土壤及相關(guān)

2、圈層碳庫(kù)（李學(xué)垣，土壤化學(xué)）,不同學(xué)者認(rèn)為的土壤碳庫(kù)量,土壤碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)。 土壤碳庫(kù)包括土壤無(wú)機(jī)碳庫(kù)（SICP）和土壤有機(jī)碳庫(kù)（SOCP） 有機(jī)碳庫(kù)（1500Pg）、無(wú)機(jī)碳庫(kù)（1000Pg）, 約是大氣碳和植被碳庫(kù)的2.5倍（Schlesinger，1996） 。有機(jī)碳庫(kù)（1550Pg）、無(wú)機(jī)碳庫(kù)（1750Pg） （李學(xué)垣，土壤化學(xué)）,土壤碳循環(huán)模式,最簡(jiǎn)單的陸地土壤碳循環(huán)模式：植物枯死后凋落于土壤表面，形成凋落物層，然后經(jīng)腐殖質(zhì)化作用，形成土壤有機(jī)碳，土壤有機(jī)碳經(jīng)微生物分解產(chǎn)生二氧化碳，重新釋放到大氣中。,在干或濕環(huán)境下沉積的各種地上及地下掉落物參與碳循環(huán)的三個(gè)途徑 A直接

3、成礦 B根系的腐殖質(zhì)過(guò)腐殖化作用成礦 C厭氧環(huán)境中釋放出CH4，排至大氣，植物呼吸釋放CO2，淋溶其實(shí)作用固定在土壤中,土壤碳庫(kù),土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫(kù)，其碳儲(chǔ)量相當(dāng)于大氣碳庫(kù)和植物碳庫(kù)的2-3倍。,有機(jī)碳庫(kù) 土壤碳庫(kù)的增加或減少取決于土壤有機(jī)碳 的輸入和輸出速率。,無(wú)機(jī)碳庫(kù),土壤有機(jī)庫(kù)分解釋放CO2進(jìn)入土壤溶液轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)碳。,土壤無(wú)機(jī)碳庫(kù)通過(guò)影響土壤團(tuán)聚體的狀況，微生物活性，土壤ph，有機(jī)質(zhì)的分解速率，并進(jìn)一步影響土壤有機(jī)碳庫(kù)。,土壤碳的儲(chǔ)存與輸出,儲(chǔ)存： A.植物及其根系的凋落，通過(guò)同化作用使碳儲(chǔ)存在土壤有機(jī)碳中； B.土壤吸收大氣中的CO2，主要有兩種形式： 1、土壤地球化學(xué)系統(tǒng)對(duì)

4、CO2的吸收： 高pH值、富鈣化地球化學(xué)環(huán)境下，SOCCO2HCO3-； 干旱、半干旱地區(qū)堿性、富鈣化地球化學(xué)環(huán)境下，SOCCO2HCO3CaCO3； 2、土壤有機(jī)碳積累，即土壤碳飽和容量的實(shí)現(xiàn)。,輸出： A.有機(jī)物和土壤微生物在短時(shí)間通過(guò)分解作用釋放CO2. B.腐殖質(zhì)經(jīng)過(guò)10到100年時(shí)間分解作用釋放CO2 C.土壤中的木炭經(jīng)過(guò)上千年的時(shí)間被侵蝕溶解，釋放出CO2 D.通過(guò)土壤呼吸作用釋放到大氣 E.通過(guò)土壤水系統(tǒng)的移動(dòng)，以DOC(Dissolved Organic Carbon)和HCO3形式自海洋沉積系統(tǒng)遷移，在干旱，半干旱條件下沉淀為土壤無(wú)機(jī)碳酸鹽； F.植物根系生長(zhǎng)過(guò)程中吸收土壤中

5、的碳。,土壤對(duì)全球碳平衡的影響,土壤有機(jī)質(zhì)是全球碳平衡過(guò)程中非常重要的碳庫(kù)。 全球土壤有機(jī)質(zhì)的總碳量在1415 1017g，大約是陸地生物總碳量（5.6 1017 g）的2.53倍。每年因土壤有機(jī)物質(zhì)生物分解釋放到大氣的總碳量為68 1015g，全球每年因焚燒燃料釋放到大氣的碳僅為6 1015g，是土壤呼吸作用釋放碳量的89%。,近150年大氣CO2濃度增加幅度達(dá)到35%，其中土壤有機(jī)碳庫(kù)是大氣CO2濃度增加的最大貢獻(xiàn)者。 如果土壤停止向大氣提供碳，大氣中的CO2將在15年內(nèi)全部耗盡。,土壤有機(jī)質(zhì)的損失對(duì)地球自然環(huán)境具有重大影響。從全球來(lái)看，土壤有機(jī)C水平的不斷下降，對(duì)全球氣候變化的影響不亞于

6、人類活動(dòng)向大氣排放的影響。,土壤碳貯量多，釋放在大氣中的就少。土壤碳庫(kù)有機(jī)質(zhì)輸入的減少，破壞了土壤有機(jī)質(zhì)的物理保護(hù)，增強(qiáng)了腐殖質(zhì)的礦化作用，使土壤呼吸增加，土壤C庫(kù)儲(chǔ)量降低，以CO2形式釋放到大氣中。,例如，在北極地區(qū)，由于常年低溫寒冷，土壤有機(jī)質(zhì)分解緩慢，使北極土壤成為巨大的碳庫(kù)；同樣，由于低溫，從這個(gè)巨大碳庫(kù)中釋放到大氣中的CO2量相對(duì)較少，使北極地區(qū)成為穩(wěn)定大氣CO2濃度急劇變化的重要因素之一.,自70年代開始，北極地區(qū)的氣溫顯著上升，土壤呼吸速率增加。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，北極土壤每年將向大氣釋放的CO2為6.8109t，這導(dǎo)致大氣CO2濃度發(fā)生4.56.2的變化。,溫室氣體是導(dǎo)致全球變暖的重

7、要因素。而溫室氣體一半來(lái)自土壤。據(jù)土壤最新報(bào)道：第十六屆國(guó)際土壤學(xué)會(huì)將土壤全球化問(wèn)題作為當(dāng)前環(huán)境問(wèn)題的研究重點(diǎn)，把土壤作為溫室氣體源的主要方面進(jìn)行研究，是土壤全球變化研究的新趨向。,二、 土壤碳的形態(tài)與組分,（一）土壤有機(jī)質(zhì)中的碳,C元素 碳不是營(yíng)養(yǎng)元素，但是有機(jī)體的重要組成成分，與生命活動(dòng)密切相關(guān)。 碳素是生態(tài)系統(tǒng)的生物圈、有機(jī)體中能量傳遞的運(yùn)載體。在陸地圈（包括土壤）、生物圈、水圈和大氣圈中有豐富的碳儲(chǔ)量，它們共同構(gòu)成了地球上的碳循環(huán)。,土壤有機(jī)質(zhì)的碳,有機(jī)質(zhì)：土壤中所含碳的有機(jī)物質(zhì) 土壤有機(jī)質(zhì)基本組成元素是C、H、O、N，其中碳占52%-58% 土壤C總量約占全球總碳量（除去地質(zhì)圈中的不

8、活潑C）的6.9% 土壤碳貯量和碳通量對(duì)全球碳循環(huán)和碳平衡及全球變化有重大影響。,3.碳循環(huán),C是所有有集體內(nèi)最普遍的元素，土壤里動(dòng)物群和植物群所獲得的大部分能量來(lái)自碳的氧化。因此，C的氧化物在不停地、大量地演化著。C在土壤之中及其外進(jìn)行的各種各樣、相互的變化稱為碳循環(huán)。,碳循環(huán)主要是通過(guò)CO2來(lái)進(jìn)行。 生物（包括其他人和動(dòng)物）吸入氧，使食物中攝取的碳進(jìn)一步氧化，變成co2呼出。維持生命所需要的能量就是以這種方式進(jìn)行。燃燒、木材腐爛以及土壤和其他有機(jī)物的分解，都與此相同。,（二）土壤碳的組分與形態(tài),1.土壤有機(jī)碳 （1）碳水化合物 單糖 纖維素 半纖維素 （2）木質(zhì)素 （3）含氮化合物 （4）

9、樹脂、油脂、蠟質(zhì)、單寧等疏水性有機(jī)物,（2）有機(jī)碳的形態(tài) 新鮮的有機(jī)物 半分解的有機(jī)物 腐殖質(zhì),（二）土壤碳的組分與形態(tài),2.土壤無(wú)機(jī)碳 （1）土壤無(wú)機(jī)碳的組分 主要為CO2、HCO-3、CO2-3、碳酸鹽 （2）土壤無(wú)機(jī)碳存在的形態(tài) 氣態(tài)無(wú)機(jī)碳 液態(tài)無(wú)機(jī)碳、固態(tài)無(wú)機(jī)碳,三、土壤碳素轉(zhuǎn)化過(guò)程,三、土壤碳素轉(zhuǎn)化過(guò)程,1.土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化過(guò)程 （1）有機(jī)碳的好氧分解 碳水化合物 含氮化合物 脂類、木質(zhì)素 土壤腐殖質(zhì),簡(jiǎn)單有機(jī)化合物的分解和轉(zhuǎn)化 Mineralization（礦質(zhì)化)：指復(fù)雜的有機(jī)質(zhì)在微生物的作用下，轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物的過(guò)程。 土壤有機(jī)質(zhì)因礦質(zhì)化作用每年損失的量占土壤有機(jī)質(zhì)總量的百分

10、數(shù)稱有機(jī)質(zhì)的礦化率(mineralization percent)。 礦化率一般在1%3%。,土壤中簡(jiǎn)單有機(jī)化合物分解的難易順序 單糖、淀粉和簡(jiǎn)單蛋白質(zhì) 粗蛋白質(zhì) 半纖維素 纖維素 脂肪、蠟質(zhì)等 木質(zhì)素,容易 難,好氧條件下的分解 微生物活動(dòng)旺盛，分解作用快，分解最終產(chǎn)物位CO2和H2O，釋放出礦質(zhì)鹽類（NH4+、NO3-、HPO42-、H2PO4-、SO42-等）。 嫌氧條件下的分解 好氧微生物活動(dòng)受到限制，分解作用慢又不徹底，土壤中積累有機(jī)酸、乙醇等中間產(chǎn)物；極厭氧條件下會(huì)產(chǎn)生CH4、H2等還原性氣體。,含氮化合物 Protein Amino acid NH4 NO3- N素 N素生物固定

11、與有效化過(guò)程與有機(jī)物C/N比密切相關(guān)。 C/N25時(shí)，產(chǎn)生N素生物固定 C/N25時(shí)，產(chǎn)生N素有效化。,簡(jiǎn)單碳水化合物 Carbohydrate Organic acid CO2H2O 在低溫、嫌氣條件下,有機(jī)酸變?yōu)镃O2和H2O的過(guò)程受到阻礙,產(chǎn)生有機(jī)酸的累積,從而造成植物根系萎縮、腐爛。,脂肪、樹脂、蠟質(zhì)、單寧等 這類有機(jī)物的礦質(zhì)化過(guò)程與碳水化合物基本相同，不同之點(diǎn)是在嫌氣條件下產(chǎn)生多酚化合物，這是形成腐殖質(zhì)的基本材料。 木質(zhì)素 木質(zhì)素是芳香性聚合物，含碳量高，在土壤中真菌和放線菌作用下緩慢的轉(zhuǎn)化，最終產(chǎn)物是CO2和H2O，但往往只有50%可形成最終產(chǎn)物，其余僅為降解產(chǎn)物，作為形成腐殖質(zhì)的

12、原始材料。,CO2的釋放速率通常是衡量土壤有機(jī)質(zhì)分解率和微生物活性的重要指標(biāo)。,植物殘?bào)w的分解和轉(zhuǎn)化 植物殘?bào)w主要包括植物根、莖、葉的死亡組織。其中各類有機(jī)化合物的含量范圍是： 可溶性有機(jī)化合物 纖維素 半纖維素 蛋白質(zhì) 木質(zhì)素 （糖分、氨基酸等） 510% 1560% 1030% 215% 530% 植物殘?bào)w碳分為兩個(gè)組分： 易分解組分；難分解組分,植物殘?bào)w在土壤中的分解和轉(zhuǎn)化過(guò)程： 第一階段：可溶性有機(jī)化合物以及部分類似有機(jī)物進(jìn)入土壤后的頭幾個(gè)月很快礦化 。 第二階段：殘留在土壤中的木質(zhì)素、蠟質(zhì)以及第一階段未被礦化的植物殘?bào)w碳相對(duì)緩慢分解。 有機(jī)殘?bào)w進(jìn)入土壤經(jīng)1年降解后，有機(jī)質(zhì)的2/3以C

13、O2的形式釋放而損失，殘留在土壤中的不足1/3。 土壤微生物生物量 38% 多糖、多糖醛酸苷、有機(jī)酸等非腐殖物質(zhì) 38% 腐殖物質(zhì) 1030%,土壤腐殖物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化 第一階段：腐殖質(zhì)經(jīng)過(guò)物理化學(xué)作用和生物降解，使其芳香結(jié)構(gòu)核心與其復(fù)合的簡(jiǎn)單有機(jī)物分離，或是整個(gè)復(fù)合體解體。 第二階段：釋放的簡(jiǎn)單有機(jī)物質(zhì)被分解（礦化）和轉(zhuǎn)化，酚類聚合物被氧化。 第三階段：脂肪酸(fatty acid)被分解，被釋放的芳香族化合物（如酚類）參與新腐殖質(zhì)的形成。,腐殖物質(zhì)在土壤中很穩(wěn)定，抗微生物分解能力很強(qiáng)，主要與其本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其與金屬離子和粘土礦物之間的相互作用、團(tuán)聚體內(nèi)部的夾雜有關(guān)。 它是一類以芳香化合物

14、或其聚合物為核心，符合了其他類型有機(jī)物質(zhì)的有機(jī)復(fù)合體。 它與土壤中粘土礦物緊密結(jié)合，以有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體方式存在。 能存在與蒙脫石、蛭石等膨脹型礦物的層間，不與微生物接觸。 土壤腐殖質(zhì)的年周轉(zhuǎn)量為1.1%。,圖4-1 有機(jī)質(zhì)的分解與合成示意圖,影響土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）分解和轉(zhuǎn)化的因素,SOM 周轉(zhuǎn)：有機(jī)物質(zhì)進(jìn)入土壤后由其一系列轉(zhuǎn)化和礦化過(guò)程所構(gòu)成的物質(zhì)流通。 Humification 腐殖化過(guò)程： 簡(jiǎn)單復(fù)雜 Mineralization 礦質(zhì)化過(guò)程： 復(fù)雜簡(jiǎn)單 周轉(zhuǎn)時(shí)間：當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)水平處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，土壤中有機(jī)質(zhì)流通量達(dá)到土壤有機(jī)質(zhì)含量所需要的時(shí)間。 SOM平衡：進(jìn)入土壤中的有機(jī)質(zhì)等于從土壤中損

15、失的有機(jī)質(zhì)的狀態(tài)。,（1）溫度 影響植物生長(zhǎng)和微生物的分解。 0以下， SOM分解速率很小； 035 范圍內(nèi)，每升高10 ，SOM最大分解速率提高23倍； 2535 下，微生物活動(dòng)最旺盛，利于SOM礦化分解。,（2）土壤水分和通氣狀況 好氣：水少氣多,氧氣充足，微生物活動(dòng)旺盛,SOM礦化分解,釋放養(yǎng)分 嫌氣：水多氣少,氧氣不足，微生物活動(dòng)受抑制,氧化分解很慢;SOM腐殖化合成腐殖質(zhì) 微生物活動(dòng)最適濕度 田間持水量的60-80%。 wetting and drying cycle (干濕交替) 一方面增加土壤呼吸作用，破壞土壤結(jié)構(gòu)體，利于SOM的礦質(zhì)化分解； 另一方面干燥時(shí)引起微生物死亡，又不利

16、于SOM分解。,（3）植物殘?bào)w的特性 物理狀態(tài): 多汁、幼嫩綠肥易于分解，磨細(xì)粉碎易于分解。 有機(jī)物質(zhì)C/N：大，不易分解；小，易于分解 一般耕作土壤表層有機(jī)質(zhì)的C/N比在8:1到10:1之間，平均在10:1到12:1之間。 硫、磷等元素缺乏也會(huì)抑制土壤有機(jī)質(zhì)分解 Priming effect (激發(fā)效應(yīng)) ：土壤中加入新鮮有機(jī)物質(zhì)會(huì)促進(jìn)土壤原有有機(jī)質(zhì)的降解。 激發(fā)效應(yīng)可以是正、也可以是負(fù)。,（4）土壤特性 pH: 中性條件下利于SOM分解 不同微生物要求不同pH范圍，如多數(shù)細(xì)菌要6.57.5；放線菌中性到為堿性，真菌酸性到中性條件。 質(zhì)地 : 質(zhì)地愈粘重，由于粘粒的吸附可減弱土壤酶、土壤微生

17、物的活性，有機(jī)質(zhì)不易分解，腐殖化系數(shù)愈高，愈難分解化合成腐殖質(zhì)。 （5）其它因素 如鹽分過(guò)高會(huì)影響；某些重金屬的毒害作用都會(huì)限制有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化。,（2）土壤有機(jī)碳分解的環(huán)境效應(yīng) 土壤有機(jī)碳較小的變幅能導(dǎo)致大氣CO2和CH4濃度較大的變動(dòng) 據(jù)估測(cè)，如果全球范圍內(nèi)有機(jī)質(zhì)下降1%、2%和3%，那么將導(dǎo)致大氣CO2濃度增加5、12.5和20mg/kg。形成陸地圈與大氣圈的惡性循環(huán)（IPCC,2007）; 土壤有機(jī)碳分解過(guò)多，土壤對(duì)有效水分及污染物的吸附量減少，導(dǎo)致污染物向下運(yùn)移，地下水污染，同時(shí)對(duì)周圍營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)固持能力降低，水體富營(yíng)養(yǎng)化（Gudson,1994）; 土壤退化,2、土壤有機(jī)碳庫(kù),土壤有機(jī)碳庫(kù)(

18、SOCP)是指全球土壤中有機(jī)碳的總量。植物通過(guò)光合作用固定的大氣中碳素,一部分以有機(jī)質(zhì)形式貯存于土壤。 不同學(xué)者選用的數(shù)據(jù)和取的土層深度不同,對(duì)SOCP的估算值不同,有的估算值為30005000Pg,有的估算值為2500Pg或7003000Pg、12001600Pg;有的對(duì)1m土層內(nèi)的估算值為1555Pg。但SOCP的范圍可能是12001600Pg,為陸地植物碳庫(kù)的23倍、全球大氣碳庫(kù)的2倍。 陸地生態(tài)系統(tǒng)中的土壤碳庫(kù),以森林土壤中的碳為最多,占全球土壤有機(jī)碳的73%;其次是草原土壤的碳,占全球土壤有機(jī)碳的20%左右。粗略地估計(jì)我國(guó)的SOCP為185.7Pg碳,約占全球土壤總碳量的12.5%。

19、,土壤有機(jī)碳的分布,土壤有機(jī)碳在不同生態(tài)系統(tǒng)中和不同土壤類型中的分布是不同的，它取決于不同類型植被和土壤所占的面積和單位面積的土壤碳密度 在計(jì)算土壤有機(jī)碳貯量時(shí)，最難準(zhǔn)確定量的是不同類型的植被和土壤類型的面積。植被類型的劃分是以植物本身及其相關(guān)的環(huán)境條件為依據(jù)，而植被類型隨時(shí)間和空間而變化，因此不同生態(tài)系統(tǒng)或亞系統(tǒng)之間不存在明顯的界限，過(guò)度是漸變的.,不同生態(tài)系統(tǒng)土壤中的有機(jī)碳貯量,從植被類型上分，沙漠和熱帶疏林及稀樹草原的面積比例較高，但土壤碳貯量的比例較小，而濕地與此相反。,由于土壤類型和植被類型之間并非一一對(duì)應(yīng)，所以有關(guān)土壤有機(jī)碳在不同生態(tài)系統(tǒng)土壤中和不同類型土壤中貯量的報(bào)道之間難以比較

20、。有機(jī)土的面積比例最低，但土壤有機(jī)碳貯量比例最高，而干旱土與之相反。,全球土壤中有機(jī)碳貯量,土壤有機(jī)碳密度,土壤有機(jī)碳密度是指單位面積（1m2或1hm2）中一定厚度的土層中有機(jī)碳數(shù)量。一般情況下，指的是上部1米的土層，因此，有機(jī)碳密度的單位常用kg C/m2或kg C/hm2表示 土壤的有機(jī)碳量是以植物殘?bào)w形式進(jìn)入土壤中有機(jī)物質(zhì)的量與通過(guò)異氧呼吸為主要途徑的有機(jī)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(jī)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)。,土壤有機(jī)碳密度的

21、計(jì)算方法,土壤有機(jī)碳密度是由土壤有機(jī)碳含量（以重量為基礎(chǔ)）、土壤容積和土體中2mm石礫的體積分?jǐn)?shù)共同確定的。因此對(duì)于土壤有機(jī)碳含量為C（%），厚度為T（cm）、土壤容積為（g/cm3）、 2mm石礫含量為（體積%）的某土層，其有機(jī)碳密度SOC（kg C/m2）的計(jì)算公式如下： SOC=T* * C*（1- % ）/10 如果某土層的厚度（剖面厚度）為d（ cm），是有n層組成的，那么該土體的深度d的有機(jī)碳密度 SOCd= Tn* n* Cn*（1- n% ）/10,全球的一些植被帶碳密度,中國(guó)一些土壤有機(jī)碳估算,缺點(diǎn),上述估算方法在較大的空間尺度上較好的表征了土壤有機(jī)碳密度，但在相對(duì)較小的空間

22、尺度上有明顯的不足：如熱帶森林考慮的類型及數(shù)據(jù)量較少；無(wú)法考慮到土壤的性質(zhì)，人類活動(dòng)的影響等。 在土壤有機(jī)碳密度的空間分布規(guī)律方面，傳統(tǒng)的觀念是熱帶土壤的有機(jī)碳濃度比溫帶土壤低，但也有研究表明熱帶土壤的有機(jī)碳含量至少與其對(duì)應(yīng)的溫帶土壤相當(dāng)或更高。,2.土壤無(wú)機(jī)碳的轉(zhuǎn)化,（1）土壤CO2形成與運(yùn)動(dòng) 來(lái)源：有機(jī)碳分解、根系呼吸作用 運(yùn)動(dòng)：與空氣CO2進(jìn)行對(duì)流和擴(kuò)散作用，與水溶液存在化學(xué)平衡。,土壤碳酸鹽的形成與遷移 來(lái)源：發(fā)生性碳酸鹽、巖生性碳酸鹽 遷移：SOC-CO2-SIC微碳循環(huán)系統(tǒng) 土壤碳酸鈣的富集機(jī)制： 向下移動(dòng)模式 向上移動(dòng)模式 殘積模式 生物富集模式,影響土壤碳酸鈣形成的因素 降水對(duì)

23、土壤碳酸鈣的淀積具有決定性影響 生物通過(guò)蒸散作用影響水中可溶性碳酸鹽的遷移方向和速率，生物呼吸作用直接導(dǎo)致次生碳酸鹽的形成。,土壤無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)化的環(huán)境效應(yīng) 土壤無(wú)機(jī)碳的源匯效應(yīng)： 土壤有機(jī)碳礦化作用產(chǎn)生大氣CO2源效應(yīng); 濕潤(rùn)氣候條件下以SOC和HCO-形式注入海洋，干旱條件下形成無(wú)機(jī)碳酸鹽 碳酸鹽影響土壤堿性 碳酸鹽影響土壤PH緩沖性 碳酸鈣影響土壤養(yǎng)分的有效性 碳酸鈣影響土壤重金屬元素毒性 碳酸鹽對(duì)生物的影響,3.土壤有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳關(guān)系,四、土壤溫室氣體排放,（一）土壤溫室氣體種類及影響因素,1、碳循環(huán)與大氣CO2濃度 痕量氣體占大氣中空氣的0.04%(體積分?jǐn)?shù)),其中99%以上為CO2。陸地

24、生態(tài)系統(tǒng)和海洋與大氣的CO2交換量各占整個(gè)CO2循環(huán)總量的50%。 土壤每年向大氣釋放的CO2為5076PgC,占陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間碳交換總量的2/3,約為大氣碳庫(kù)的1/10,比陸地生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)凈吸收的碳量大30%60%,也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)化石燃料燃燒每年向大氣排放的5PgC。 如果沒(méi)有土壤呼吸(包括土壤生物呼吸和植物根系及菌根的呼吸)產(chǎn)生CO2補(bǔ)充大氣,大氣中的CO215年將被耗盡。,(二)土壤溫室氣體產(chǎn)生機(jī)制與排放規(guī)律 1. 溫室氣體日變化和年變化規(guī)律,引起CO2濃度升高的主要原因是土地利用的改變和燃燒化石燃料。 控制氣體交換的因素有溫度、濕度、Eh和基質(zhì)的有效性(C數(shù)量和質(zhì)量)。,2、土壤

25、CH4產(chǎn)生與排放機(jī)制 陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣的氣體交換除CO2外,還有CH4、N2O、NO、CO、H2S和S等痕量氣體的交換。 CH4的代謝比CO2復(fù)雜,土壤中既產(chǎn)生CH4,又消耗CH4。 一般認(rèn)為稻田和天然濕地是CH4 的主要排放源。在厭氧條件下，土壤微生物，如纖維分解菌、果膠分解菌和甲烷產(chǎn)生菌等協(xié)同作用，將土壤有機(jī)碳逐步降解為單糖，單糖再分解成酸，進(jìn)而形成甲烷?；具^(guò)程如下：,在好氣條件下，CH4 又會(huì)被甲烷氧化菌所氧化，從而使土壤成為CH4 的匯。觀測(cè)表明，稻田CH4 排放量只占CH4 產(chǎn)生量的很少一部分，大部分(約82%84%)在輸送到大氣前又被土壤微生物氧化。反應(yīng)路徑如下：,3.土壤N2

26、O 的產(chǎn)生與排放機(jī)制,土壤N2O 的產(chǎn)生要經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物學(xué)過(guò)程，主要是在微生物的參與下，通過(guò)硝化和反硝化作用完成的。在透氣條件下，氨或銨鹽通過(guò)微生物，如硝化微生物、亞硝化微生物等的作用，被氧化成硝酸鹽和亞硝酸鹽，這一過(guò)程稱為硝化作用。硝化作用是好氧過(guò)程，廣泛存在于土壤、水體和沉積物中。其反應(yīng)過(guò)程如下：,反硝化作用是在嫌氣條件下，多種微生物將硝態(tài)氮還原成氮?dú)猓∟2）和氧化氮（N2O、NO）的生化反應(yīng)過(guò)程，結(jié)果造成土壤中氮元素以N2、N2O 和NO 的形態(tài)向大氣逸失。其變化過(guò)程為：,（三）影響土壤溫室氣體產(chǎn)生與排放的因素,1.土壤微生物 土壤微生物量是指土壤中除植物根茬等殘?bào)w且體積

27、大于5103 m3的土壤動(dòng)物以外的具有生命活動(dòng)的有機(jī)物質(zhì)的量，是表征不同生態(tài)系統(tǒng)土壤肥力的重要生物學(xué)指標(biāo)，對(duì)土壤呼吸有相當(dāng)大的影響。研究表明，土壤中微生物呼吸約占土壤總呼吸的50%左右。,土壤CH4排放的凈含量大部分是甲烷產(chǎn)生菌和甲烷氧化菌相互作用的結(jié)果，研究表明，80%以上的CH4是通過(guò)微生物的活動(dòng)產(chǎn)生的。,土壤濕度,土壤溫度 土壤溫度升高可以加速土壤中有機(jī)質(zhì)分解和微生物活性，從而增加土壤中溫室氣體的排放，溫度對(duì)溫室氣體釋放量的影響是通過(guò)多種途徑起作用的。在一定范圍內(nèi)，土壤呼吸與土壤溫度之間具有明顯的正相關(guān)。溫度較低時(shí)候，根系和土壤微生物的代謝活動(dòng)主要受溫度變化控制；溫度較高時(shí)，溫度將不再是

28、限制因子。,土壤有機(jī)質(zhì) 土壤活性有機(jī)碳是微生物生長(zhǎng)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 CO2 通量與有機(jī)碳含量、C/N 值呈正相關(guān)性 在三江平原沼澤濕地土壤中含有較高濃度的CO2 和CH4，且在1035 cm 土層濃度最高，與土壤有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳及氮素含量分布特征一致。 產(chǎn)甲烷菌需要速效碳源來(lái)激活，土壤活性有機(jī)碳的含量與CH4 產(chǎn)生量顯著相關(guān)，活性有機(jī)碳含量高的土壤，淹水可以增加CH4生成量。,土壤pH 值 土壤微生物活性的最適pH值一般為68，超出這個(gè)范圍時(shí)，微生物活性會(huì)顯著降低，從而使得溫室氣體的排放大幅度減少。 大多數(shù)甲烷產(chǎn)生菌的活性以中性或稍堿性

29、的環(huán)境最佳，而且對(duì)pH的變化非常敏感。酸性土壤中甲烷的產(chǎn)生量低于中性土壤4倍，在溫帶和亞北極的酸性泥炭土壤(pH3.56.3)中，甲烷產(chǎn)生菌的最佳pH是5.57.0，甲烷氧化菌的最佳pH是5.06.0，相比之下，甲烷氧化菌更具耐酸的能力。 但也有研究指出，土壤pH值是通過(guò)酸化累積過(guò)程導(dǎo)致土壤碳、氮以及其他養(yǎng)分元素含量的差異而造成CO2和CH4的排放差異，因此pH值并不是造成土壤溫室氣體排放差異的直接原因。,農(nóng)田耕作 發(fā)現(xiàn)農(nóng)耕深度和頻度對(duì)溫室氣體的排放有明顯的正相關(guān)性，大大促進(jìn)CO2的排放。 森林開墾成農(nóng)田后，顯著降低了土壤對(duì)CH4的吸收能力。 旋耕和翻耕兩種不同耕作制度對(duì)南方稻田CH4排放的影

30、響。CH4排放在水稻耕作前期出現(xiàn)極大值，并呈逐漸減少趨勢(shì)，在無(wú)稻全年休閑樣地CH4排放通量最低。大要比耕地高得多。,氧化還原電位 研究表明，只有當(dāng)土壤Eh低于-100-150 mV時(shí)才會(huì)有CH4產(chǎn)生;,其他因素 影響土壤溫室氣體排放的其他因素還包括土壤質(zhì)地、土壤孔隙度、植被覆蓋 (為氣體排放提供通道，為微生物提供分解基質(zhì))和基質(zhì)質(zhì)量、氣溫和降水、土地利用和擾動(dòng)方式等。,（二）土壤溫室氣體大氣通量的測(cè)量方法,1.箱法 箱法是目前最常用的方法，用來(lái)測(cè)量土壤和大氣間微量氣體交換通量，工作原理簡(jiǎn)單，用特制箱子罩在一定面積的下墊面上方，隔絕箱內(nèi)外氣體的交換，隨時(shí)間的變化測(cè)定箱內(nèi)溫室氣體，根據(jù)計(jì)算得出氣體

31、交換通量。主要分為3種類型：密閉式靜態(tài)箱、密閉式動(dòng)態(tài)箱和開放式動(dòng)態(tài)箱。,密閉式靜態(tài)箱又包括堿液吸收法和氣相色譜法2種，堿液吸收法是用溶液吸收CO2，形成碳酸根，主要是NaOH或KOH溶液，吸收結(jié)束后進(jìn)行滴定，計(jì)算出土壤在這一段時(shí)間內(nèi)的CO2排放量。采樣箱分為透明箱和暗箱2種。 密閉式動(dòng)態(tài)箱只是增加了氣體的循環(huán)過(guò)程，具體測(cè)量原理與靜態(tài)箱原理相似。而開放式動(dòng)態(tài)箱氣體并不再回流，并且是通過(guò)計(jì)算箱入口和出口處氣體濃度差異來(lái)確定氣體的排放通量。箱內(nèi)氣體排放、吸收速率用通量的計(jì)算方法，即單位時(shí)間單位面積觀測(cè)箱內(nèi)該氣體質(zhì)量的變化，正值表示氣體排放到大氣，負(fù)值表示氣體的吸收，用公式表示為： 式中，F(xiàn)為氣體通量

32、(mgm-2h-1)，V為觀測(cè)箱的容積(L)，V為觀測(cè)時(shí)包圍的土壤面積(m2)，H為采樣箱露出沉積物大氣界面的高度(m)，v/c為采樣箱內(nèi)氣體濃度隨時(shí)間的變化率(mgL-1h-1)。,2微氣象學(xué)法 微氣象學(xué)法包括空氣動(dòng)力學(xué)方法、渦度相關(guān)法、波文比能量平衡法等。 （1）空氣動(dòng)力學(xué)方法。該方法認(rèn)為，近地面層溫度、水汽壓和風(fēng)速等各種物理屬性的垂直梯度，受大氣傳導(dǎo)性的制約，根據(jù)溫度、濕度和風(fēng)速的梯度及廓線方程，用不同的積分公式求解出農(nóng)田上的蒸發(fā)潛熱和顯熱通量。 （2）渦度相關(guān)法。用特制的渦動(dòng)通量?jī)x直接測(cè)算下墊面顯熱和潛熱的湍流脈動(dòng)值，而求得植被騰發(fā)量的方法。其計(jì)算式為： 式中：E為瞬時(shí)蒸發(fā)值；是空氣密

33、度；是垂直風(fēng)速；q是濕度的瞬時(shí)脈動(dòng)值。在計(jì)算時(shí)取它們乘積的半小時(shí)或長(zhǎng)時(shí)間的平均值。,(3)波文比能量平衡法。以下墊面的水熱交換為基礎(chǔ)，在假定熱量交換系數(shù)和水汽的湍流交換系數(shù)相等的情況下，根據(jù)相似理論引入波文比顯熱通量與潛熱通量之比，并將微分化為差分后代入濕度常數(shù)系數(shù)，簡(jiǎn)化下墊面的能量平衡方程而求得植被騰發(fā)量的方法。,3土壤濃度廓線法 該法是指假設(shè)土壤濃度均一，就可以通過(guò)測(cè)定土壤剖面不同深度的氣體濃度來(lái)計(jì)算土壤與大氣間的氣體交換通量。土壤剖面溫室氣體濃度的測(cè)量方法主要有2類：土壤氣體采樣管和多層采樣探頭，但是無(wú)論哪一種，都必須先破壞土壤基質(zhì)再進(jìn)行管路或探頭的埋設(shè)。,4同位素法 該法是指含有較輕原

34、子(如12C)的化學(xué)鍵活化能較低，產(chǎn)物中C濃度會(huì)由于化學(xué)或生物酶反應(yīng)增加，而反應(yīng)基質(zhì)中則是12C濃度增加，從而可以鑒定土壤中排放出來(lái)的CH4的量。由于在沉積物中氧化生成CH4，因此碳同位素比例上有很大不同，因此可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定土壤產(chǎn)生的CO2和CH4中的元素同位素組成。根據(jù)同樣原理，也可用同位素15N鑒定N20。但N20含量較低，很難獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果。,5.方法比較,密閉靜態(tài)箱操作簡(jiǎn)單，目前應(yīng)用比較廣泛。但對(duì)觀測(cè)有擾動(dòng)，并且多種因素都會(huì)對(duì)氣體交換通量的測(cè)量產(chǎn)生影響。 而所有微氣象法對(duì)觀測(cè)下墊面都有極為嚴(yán)格的要求。從測(cè)量原理分析，土壤濃度廓線法可以獲得真實(shí)的氣體交換通量，但測(cè)量土壤剖面CO2濃度

35、時(shí)，都必須先破壞土壤基質(zhì)，采樣過(guò)程中也同樣會(huì)存在壓差問(wèn)題。 而同位素法價(jià)格昂貴，難以廣泛采用。 綜上所述，現(xiàn)有的測(cè)量方法沒(méi)有哪一種是完美的。具體的方法比較見表1。具體的方法選擇要根據(jù)實(shí)際情況決定。,6.溫室氣體通量測(cè)量方法應(yīng)用與發(fā)展方向,(1)與遙感技術(shù)結(jié)合 近年來(lái)，新興的遙感技術(shù)被逐漸應(yīng)用在通量研究中，尤以Rs和GIS技術(shù)應(yīng)用廣泛。早在20世紀(jì)90年代初，加拿大學(xué)者研究森林生態(tài)系統(tǒng)的碳庫(kù)及其動(dòng)態(tài)變化所用的就是GIS方法，取得了良好的效果，同時(shí)建立了氣候變化和碳通量之間的關(guān)系模型。由于RS的連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能力和GIS的空間數(shù)據(jù)分析能力，使它們?cè)絹?lái)越多地被應(yīng)用在通量研究中。,(2)與高精度儀器結(jié)合

36、 測(cè)量?jī)x器的精密、準(zhǔn)確程度決定了氣體通量測(cè)量的準(zhǔn)確性。近年來(lái)新興的技術(shù)有可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)和美國(guó)LICOR公司的LI-8150系統(tǒng)，其中前者為快速測(cè)定溫室氣體濃度提供了新的手段，可實(shí)現(xiàn)多種土壤溫室氣體同步觀測(cè)，而后者則可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)定。 因此，高精度儀器的研發(fā)及其各項(xiàng)功能的拓展有助于獲得更精確的碳通量研究結(jié)果，并進(jìn)一步推動(dòng)氣體通量及其相關(guān)研究的進(jìn)程。,城市土壤碳循環(huán)與碳固持研究,世界上超過(guò)50%的人口生活在城市，預(yù)計(jì)2050 年城市人口將接近全球人口的70%，且新增城市人口主要在發(fā)展中國(guó)家，盡管城市用地面積不到陸地總面積的3%，未來(lái)城市用地的擴(kuò)張速度遠(yuǎn)高于城市人口增長(zhǎng)。,一、城市土壤定

37、義及特征,1.城市土壤 城市土壤是指出現(xiàn)在城市和城郊地區(qū)，直接或間接受到人為影響，原有繼承特性得到強(qiáng)度改變的土壤的總稱，是一類具有高度時(shí)空異質(zhì)性的人為土壤。,2.城市土壤碳庫(kù),城市土壤中含量比農(nóng)業(yè)土壤和一些自然土壤中的有機(jī)碳含有機(jī)碳量高，是城市生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中重要的碳庫(kù)之一。 美國(guó)城市土壤有機(jī)碳密度約為（7.70.2) kg/m2，城市草坪土壤有機(jī)碳含量甚至比美國(guó)部分森林的土壤高。Churkina估算美國(guó)包括城市及郊區(qū)在內(nèi)的人類住區(qū)中土壤有機(jī)碳密度約為23-42 kg /m2，高于典型熱帶雨林，其總的碳貯存量約占全美國(guó)陸地碳儲(chǔ)量的10%。,城市土壤有機(jī)碳的分布與距離城市中心的距離具有相關(guān)性； 城市建成區(qū)內(nèi)不同功能區(qū)間的土壤碳庫(kù)特征表現(xiàn)出了較大的空間異質(zhì)性，不同研究者報(bào)道的差異很大； 城市土壤有機(jī)碳在垂直方向上分布不同于自然土壤的平緩遞減規(guī)律，表現(xiàn)出非一致性降低的現(xiàn)象，深層往往含較多有機(jī)碳,在時(shí)間差異上，土壤碳貯存量隨土壤形成時(shí)間增加而增長(zhǎng)； 城市化不僅改變土壤碳庫(kù)的規(guī)模，而且改變了土壤有機(jī)質(zhì)組成及土壤微生物碳的特性,3.城市土壤碳通量 城市土壤一般比農(nóng)業(yè)土壤和自然土壤具有更高的碳通量,4.城市土壤碳固持 土壤碳固持是指采取土壤修復(fù)或推薦管理措施( RMPs