侵蝕逆境下土壤有機碳的遷移

1、侵蝕逆境下土壤有機碳的遷移賈松偉1賀秀斌2，陳云明11. 中國科學院水土保持研究所，陜西 楊陵 712100；2. 中國科學院成都山地災害與環(huán)境研究所，四川 成都 610061；摘要：土壤有機碳是陸地碳庫的重要組成部分。土地利用和土地覆蓋變化使得土壤中有機碳的含量發(fā)生很大的變化。土壤侵蝕是陸地碳庫衰減的主要動力之一，也是陸地碳匯與海洋碳匯相互作用的重要過程。文章對土壤活性有機碳以及不同土地利用方式對土壤有機碳的影響作了介紹。關鍵詞：土壤侵蝕；有機碳遷移；土壤碳匯；碳循環(huán)中圖分類號：X14 文獻標識碼：A 文章編號：1672-2175（2004）01-0078-03土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部

2、分，也是碳循環(huán)的重要界面，而土壤有機碳是地球表層系統(tǒng)中最大且最具有活動性的生態(tài)系統(tǒng)碳庫之一1，因此了解土壤中有機碳的遷移和變化規(guī)律成為正確理解全球碳循環(huán)的重要方向。在以往的研究中，對土壤侵蝕過程中土壤有機質以及氮、磷等土壤養(yǎng)分的研究很多2, 3，而對土壤中有機碳的流失狀況研究的還不夠。本文對現(xiàn)有的土壤碳匯研究，特別是侵蝕逆境下土壤有機碳的遷移和轉化研究進行評述，為今后更好地開展碳循環(huán)研究提供參考依據(jù)。1 土壤活性有機碳土壤有機碳庫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碳素，一部分以有機質形式貯存于土壤，而另一部分則以土壤呼吸作用重新返回到大氣中。土壤有機碳庫的變化與其碳的存在形

3、式及其生物有效性有密切的關系4。按有機碳的活性，土壤中有機碳可以分為兩種形式：活性有機碳和非活性有機碳。活性有機碳是指受植物、微生物影響強烈，有一定的溶解性，在土壤中移動比較快、不穩(wěn)定、易氧化、分解的部分。有機碳的活性程度隨深度、土壤質地、氣候和有機質的化學性質而改變5。活性有機碳并不是一種單純的化合物，它是土壤有機碳中具有相似特性既較高有效性的那部分有機碳6。不同的研究者由于研究的方法不一樣，所指的活性有機碳也不一樣。Johns等7認為活性有機碳是能夠被微生物利用作為能源及碳源的部分。Blair等8指出活性有機碳是土壤中易氧化分解的有機碳。特別是近幾年來對活性有機碳的研究很多，尤其是微生物碳

4、9, 10；它雖然占土壤全碳的比例較小，但它是土壤有機碳中最為活躍的部分，它調節(jié)著土壤養(yǎng)分的釋放和吸儲，對提高土壤養(yǎng)分的生物有效性和利用率起著積極作用。2 土地利用變化對土壤有機碳的影響2.1 森林對土壤有機碳的影響森林在地球生命支持系統(tǒng)的碳循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用。全球森林面積約4.161×109 hm2，其中熱帶、溫帶、寒溫帶分別占32.9%、24.9%和42.1%11。全球森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量約114.6 Pg C。就全球平均而言，森林土壤及其有機層儲存了森林生態(tài)系統(tǒng)39%的碳，其余碳素儲存在植被之中12。森林生態(tài)系統(tǒng)具有最豐富的物種組成和最復雜的層次結構，在地球生物地球化學過程

5、中起著重要的“緩沖器”和“閥”的功能13。森林每年都要吸收大量的CO2，并具有較長期的保存能力，但森林破壞或燃燒又會釋放出大量的CO2。森林砍伐后，土壤溫度和水分條件都有所改變，導致土壤呼吸作用加強，土壤碳的含量一直處于下降狀態(tài)，一般需要經(jīng)過2050 a才可使土壤碳含量增加14。森林被用作農田后，土壤碳儲存量的損失因氣候、土壤初始碳含量和管理措施的不同而不同。一般而言，1 m深度土層內的土壤碳損失25%30%15，耕作層（020 cm）損失最大，可達40%16。至1998年，已有約7.50×108 hm2的森林被用作農田，占土地利用變化的45%17。森林被用作農田后，土壤碳含量下降，

6、尤其是在前5年；與森林砍伐類似，一般需要經(jīng)過2050 a才可使土壤碳含量增加18。根據(jù)我國第四次全國森林資源清查（19891993）的統(tǒng)計結果，我國現(xiàn)有森林面積1.3370×108 hm2，我國森林生態(tài)系統(tǒng)的總碳存儲量為19.91 Pg C，占全球森林碳庫的1.74%。這說明我國森林具有較大的碳儲存潛力。可以預見，隨著天然林保護及其它森林生態(tài)工程的實施，我國森林生態(tài)系統(tǒng)作為碳匯來吸收大氣中CO2的功能將越來越重要13。目前，在全球的許多地區(qū)，尤其是在一些不發(fā)達國家，森林破壞十分嚴重，最終導致這些地區(qū)水土流失嚴重，同時，又加快了土壤有機質的分解，使大量的碳流向大氣中。因此，保護和合理有

7、效地利用森林是亟待解決的問題。2.2 草地對土壤有機碳的影響草原是世界陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體類型之一。全球的草地面積，包括熱帶草原、溫帶草原、凍原及高寒草原，約為4.45×109 hm2，碳儲存量達761 Pg C，其中植被碳儲存量占10.6%，土壤碳儲存量則占89.4%19。目前，由于人口增加以及對糧食需求的增加，大量草地被開墾成農田。至1998年，全球已有約6.6×108 hm2的草地被開墾成農田，占土地利用變化的近40%17。草地開墾為農田通常會導致土壤中有機碳的大量釋放，而伴隨的燒荒措施使原來固定在植被中的碳素全部釋放到大氣中20。就全球碳平均而言，草地開墾成農田導致1

8、 m深度土層內的土壤碳損失20%30%11，與森林被用作農田后1 m深度土層內的土壤碳損失25%30%相當15。可見，草地開墾成農田與毀林一樣對全球碳循環(huán)有著重要的影響。3 土壤侵蝕對土壤有機碳的影響土壤侵蝕主要有水蝕和風蝕兩種形式。目前，全世界土壤的水蝕面積大約有1.094×109 hm2，風蝕面積有5.49×108 hm221。土壤侵蝕造成了土地生產力下降，土壤養(yǎng)分隨徑流和泥沙流走，造成了水體的富營養(yǎng)化，給環(huán)境造成了極大的危害。若泥沙輸移比為10%，泥沙中有機碳的質量分數(shù)為2%3%，那么全球每年將有4.06.0 Pg C進入水體；碳在進入水體的過程中，將會礦化，假設占質

9、量20%的碳釋放，那么將會導致0.81.2 Pg的碳進入大氣21。表1 通過治理侵蝕而固定的SOC的潛在值不同侵蝕類型土壤的恢復潛在固定碳量/(Pg·a-1)參考文獻水蝕風蝕侵蝕治理荒漠化防治總量0.420.830.070.140.571.140.410.931.473.0430303334土壤中的有機碳以粗有機質、細顆粒狀有機質和與土壤礦物質的結合態(tài)存在4，而且粗顆粒有機碳相對來說容易移動。土壤受到侵蝕時，粗顆粒易被破壞，導致土壤有機碳的釋放22。侵蝕造成土壤中有機碳的損失包括隨徑流移走的可溶性的和與粘粒結合的有機碳以及有機殘體的碎屑。李忠佩等23在中國科學院紅壤生態(tài)實驗站的定位觀

10、測結果表明，該地區(qū)年流失的有機碳質量約占每年輸入土壤有機碳質量的5%。同時，土壤侵蝕過程中，由于大量的有機質隨著土壤一起被帶走，導致河流沉積物中含有大量的有機碳，造成了水體的富營養(yǎng)化。Jacinthe等22對森林土地、耕地及河流沉積物中的有機碳、易礦化碳進行了測定，結果表明，河流沉積物中的有機碳質量分數(shù)比森林土壤中的有機碳高50%左右，而易礦化碳的含量差不多，這主要是因為在河流沖刷過程中，土壤中易礦化碳被礦化，轉化為其它形式的碳，或者是隨著河流沖走。朱遠達等24利用地理信息系統(tǒng)，建立了侵蝕條件下的土壤碳和養(yǎng)分變化模型，模擬了侵蝕對土壤碳和養(yǎng)分影響的空間過程，預測了侵蝕影響下土壤碳和養(yǎng)分的年變化

11、及多年變化，得到了引起土壤碳和養(yǎng)分含量降低的最低侵蝕模數(shù)閥值，為流域侵蝕治理規(guī)劃提供了科學依據(jù)。土壤侵蝕對土壤有機碳的釋放起著很大的作用，導致每年有大量的碳流向大氣中，但這部分碳中的大部分都可以通過水土保持措施來加以控制。 根據(jù)我國土壤侵蝕遙感調查資料，全國水蝕面積1.79×106 km2，風蝕面積1.88×106 km2，兩項合計3.67×106 km2，占國土總面積的38.2%。在黃土高原地區(qū)，土壤侵蝕就更加嚴重，總面積為6.285×105 km2，水土流失面積達到了4.34×105 km2。在這4.34×105 km2的水土流失

12、區(qū)中，較為嚴重的水土流失面積為2.5×105 km2，主要分布在黃土丘陵溝壑區(qū)和黃土高原溝壑區(qū)。而黃土中CO2的濃度相當高，一般為大氣圈中CO2濃度的幾倍到幾十倍25, 26。黃土高原地區(qū)土壤侵蝕必然導致大量的CO2進入大氣中。而且在黃土高原地區(qū)，年輸入土壤的有機碳量很少，水土流失帶走了大部分的土壤養(yǎng)分，導致土壤貧瘠，生產力下降。土壤侵蝕過程中有機碳的遷移還要受到其他諸多因素的影響，例如，植被覆蓋度、土壤性質、當?shù)氐臍夂驐l件以及人為擾動的影響。4 土壤中有機碳的固定由于人類對化石燃料的大量使用和土地利用的變化，大氣中CO2的體積分數(shù)從1850年的280×10-6，增長到20

13、00年的370×10-6 27。如果按這種增長趨勢計算，到21世紀中期，全球氣溫可能升高1.54.5，這將會導致海平面的上升、冰川和凍土融化、水資源的重新分配，同時也會對自然生態(tài)系統(tǒng)、農業(yè)和人類健康產生影響。防止溫室效應，防止全球變暖，就變得至關重要。減緩全球變暖的主要途徑是減少大氣中CO2的體積分數(shù)?？梢酝ㄟ^增加土壤中有機碳的質量分數(shù)，從而達到減少大氣中CO2的體積分數(shù)的目的。土壤控制碳的潛能依賴于土壤保留及積累腐殖質的能力，還依賴于植被覆蓋、礦物組成、風化層深度、土壤排水性、水分和空氣有效性、土壤溫度，以及土壤有機質的化學性質和抵抗微生物分解的能力。而腐殖質是土壤碳被控制的主要成

14、分；腐殖質在一定程度上可以抵抗微生物的分解，而且對土壤的物理、化學和生物學過程都有很大的影響。對腐殖質的化學性質及其組成的研究對于土壤碳的控制也具有重大的意義。有機無機復合體、微團聚體和大團聚體的形成，是土壤保持碳的主要途徑28。在一些侵蝕劇烈的地區(qū)，采取有效的保護措施，既能夠提高土壤質量和增加土地生產力，又可以增加土壤中的有機碳。全球大約有2.50×108 hm2土地遭受嚴重的土壤侵蝕29，在這些地區(qū)可以通過加強植被建設來固定因侵蝕損失的碳。已經(jīng)侵蝕的土地經(jīng)過2550 a的恢復，將可能固定碳12.224.1 Pg 30，且最初的1015 a，碳的固定率會較高31。李戀卿等32通過測

15、定不同土壤微團聚體中的有機碳含量，研究了退化紅壤在植被恢復下有機碳的分布，結果表明，對退化土壤進行植被恢復有助于增加土壤中的有機碳含量。遭受侵蝕的土壤經(jīng)過植被恢復和保護后，其潛在固定碳量見表1。此外，減少或免除土壤耕作也可以減少農業(yè)土壤中CO2的釋放量。據(jù)估計，美國普遍采用免耕技術后，在30年里能截留0.280.45 Pg C 35。在歐洲，免耕作的農業(yè)實驗表明，土壤截留的碳質量約占全球化石燃料所釋放的CO2總質量的0.8%36。5 結語土壤有機碳是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要碳源，也是植物生長的主要養(yǎng)分來源之一。由于土地利用變化及對森林的亂砍亂伐，致使大量的有機碳流失，隨后而至的土壤侵蝕又加劇了有機碳

16、的流失。目前對于侵蝕對碳循環(huán)的影響及調控機理還不清楚，但通過有效的水土保持措施，可以防止土壤中有機碳的流失，減緩大氣中CO2濃度的升高，同時又可以改善土壤結構，提高土壤生產力。參考文獻：1 潘根興, 李戀卿, 張旭輝. 土壤有機碳庫與全球變化研究的若干前沿問題: 兼開展中國水稻土有機碳固定研究的建議J. 南京農業(yè)大學學報, 2002, 25(3): 100-109.2 王洪杰, 李憲文, 史學正, 等. 四川紫色土區(qū)小流域土壤養(yǎng)分流失初步研究J. 土壤通報, 2002, 33(6): 441-444.3 馬琨, 王兆騫, 陳欣, 等. 不同雨強條件下紅壤坡地養(yǎng)分流失特征研究J. 水土保持學報,

17、 2002, 16(3): 16-19.4 潘根興, 曹建華, 周運超. 土壤碳及其在地球表層系統(tǒng)碳循環(huán)中的意義J. 第四紀研究, 2000, 20(4): 325-334.5 張東輝, 施明恒, 金峰, 等. 土壤有機碳轉化與遷移研究概況J. 土壤, 2000(6): 305-309.6 徐明崗, 于榮, 王伯仁. 土壤活性有機質的研究進展J. 土壤肥料, 2000(6): 3-7.7 JOHNS M M, SKOGLEY E O. Soil organic matter testing and labile carbon identification by carbonaceous res

18、in capsulesJ. Soil Sci Soc Amer, 1994, 58: 751-758.8 BLAIR G J, LEFROY R D B, LISLE L. Soil carbon fractions based on their degree of oxidation and the development of a carbon management index for agricultural systemsJ. Aust J Agric Res, 1995, 46: 1459-1466.9 沈宏, 曹志洪, 胡正義. 土壤活性有機碳的表征及其生態(tài)效應J. 生態(tài)學雜志,

19、1999, 18(3): 32-38.10 倪進治, 徐建民, 謝正苗. 土壤生物活性有機碳庫及其表征指標的研究J. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2001, 7(1): 56-63.11 WBGU. Special Report: The Accounting of Biological Sinks and Sources Under the Kyoto ProtocolR. Tokyo, Japan: WBGU, 1998. 12 DIXON R K, BROWN S, HOUGHTON R A, et al. Carbon pools and flux of global forest ecos

20、ystemJ. Science, 1994, 263: 185-190.13 趙士洞, 汪業(yè)勖. 森林與碳循環(huán)J. 科學對社會的影響, 2001(3): 38-41.14 COHEN W B, HARMON M E, WALLIN D O. Two decades of carbon flux from forests of the Pacific NorthwestJ. Bioscience, 1996, 46: 836-844.15 HOUGHTON R A. Changes in storage of terrestrial carbon since 1859A. In: LAL R,

21、KIMBKLE J, LEVINE E, eds. Soils and Global ChangeM. Boca Raton, FL: CRC Press, 1995: 45-65.16 DAVIDSON E A, ACKERMANN I L. Changes in soil carbon inventories following cultivation of previously untilled soilsJ. Biogeochemistry, 1993, 20: 161-193.17 LAL R, KIMBKLE J, FOLLETT R. Land use and soil C po

22、ol in terrestrial ecosystemA. In: LAL R, ed. Management of Carbon Sequestration in SoilM. Boca Raton: CRC Press, 1998: 1-10.18 ARROUS D, MARIOTTI J, GIRARDIN. Modelling organic carbon turnover in cleared temperate forest soils converted to maize cropping by using 13C natural abundance measurementsJ.

23、 Plant and Soil, 1995, 173: 191-196.19 ATJAY G L, KETNER P, DUVIGEAUD P. Terrestrial primary production and phytomassA. In: BOLIN B, ed. The Global Carbon Cycle SCOPE 13M. Chichester: John Wiley and Sons, 1979: 129-182.20 李凌浩. 土地利用變化對草原生態(tài)系統(tǒng)土壤碳貯量的影響J. 植物生態(tài)學報, 1998, 22(4): 300-302.21 LAL R. Soil erosi

24、on and the global carbon budgetJ. Environment International, 2003, 29: 437-450.22 JACINTHE P A, LAL R, KIMBLE J M. Organic carbon storage and dynamics in croplands and terrestrial deposits as influenced by subsurface tile drainageJ. Soil Science, 2001, 166: 322-335.23 李忠佩, 張?zhí)伊? 林心雄. 紅壤區(qū)土壤有機碳的循環(huán)和平衡及有

25、機資源利用J. 長江流域資源與環(huán)境, 1998, 7(2): 140-147.24 朱遠達, 張光遠, 蔡強國, 等. 侵蝕影響下土壤碳和養(yǎng)分空間變化及其過程模擬J. 水土保持學報, 2001, 8(4): 126-131.25 劉嘉麒, 鐘華, 劉東生. 渭南黃土中溫室氣體組分的初步研究J. 科學通報, 1996, 41(24): 2257-2260.26 劉強, 劉嘉麒, 劉東生. 北京齋堂黃土剖面主要溫室氣體組分初步研究J. 地質地球化學, 2000, 28(2): 82-26.27 IPCC. Climate Change 2001: the Scientific BasisR. Ca

26、mbridge: Cambridge University Press; 2001.28 李學垣. 土壤化學M. 北京: 高等教育出版社, 2001.29 OLDEMAN, LAL R, HAKKELING R T A, et al. World Map of the Status of Human Induced Soil Degradation: An Explanatory NoteZ. Wageningen, Holland: ISRIC, 1991.30 LAL R. World cropland soils as a source or sink for atmospheric c

27、arbonJ. Adv Agron, 2001, 71: 145-191. 31 AKALA V, LAL R. Mineland reclamation and soil C sequestration in OhioR. Baltimore, MD: The 90th Annual Meeting, ASA, 18-22 October, 1998. 32 李戀卿, 潘根興, 張旭輝. 退化紅壤植被恢復中表層土壤微團聚體及其有機碳的分布變化J. 土壤通報, 2000, 31(5): 193-195.33 LAL R. Global soil erosion by water and car

28、bon dynamicsA. In: LAL R, KIMBKLE J, LEVINE E, eds. Soils and Global ChangeZ. Boca Raton FL: Lewis Publishers, 1995, 131-141.34 LAL R. Potential of desertification control to sequester carbon and mitigate the greenhouse effectJ. Climate Change, 2001, 15: 35-72. 35 KERN J S, JOHNSON M G. Conservation

29、 tillage impacts on national soil and atmospheric carbon levelsJ. Soil Sci Soc Amer J, 1993, 57: 200-210.36 SMITH P, POWLSON D S, GLENDINING M J. Preliminary estimates of the potential for carbon mitigation in European soils through no-till farmingJ. Global Change Biol, 1998, 4: 679-685.Soil erosion and car