农田土壤固碳作用对温室气体减排的影响

生态环境2007,16(6):[e-mail]基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）(2005CB121107)作者简介：王树涛（1978－），男,博士,主要从事土壤学、农田生态学研究。Tel:[phone];E-mail:[e-mail]*通讯作者:许皞，Tel：[phone]；E-mail:[e-mail]收稿日期：2007-05-16农田土壤固碳作用对温室气体减排的影响王树涛1，门明新1，刘微2，许皞1*1.河北农业大学资源与环境科学学院，河北保定071001；2.浙江大学环境与资源学院环境工程系，浙江杭州310029摘要：温室气体排放引起的全球气候变暖和平流层臭氧空洞已成为当前人们关注的环境问题之一。土壤碳库作为地表生态系统中最活跃的碳库之一，是甲烷、二氧化碳、一氧化二氮等温室气体的重要释放源，也是重要的吸收汇。因此，寻找农田土壤系统碳管理的有效方法已经成为缓解温室效应的重要科学问题。西方发达国家已将固碳农业作为环境管理的重要导向，应用颗粒分组13CNMR或CPMAS-NMR技术对土壤碳固定的机制研究指出微团聚体与矿物-粘粒复合体的相互作用是土壤有机碳稳定存在的主要方式，揭示了土壤有机碳的腐殖质转化及其与土壤矿物、金属氧化物结合的微观水平，且从土壤物理结构、化学组成和生物学特性等多学科交叉研究土壤有机碳的固定机理及其稳定机制。长期传统的土地利用方式和管理措施所导致的土壤有机碳含量、密度及垂直分布的变化是造成土壤碳库损失的主要原因，为了增加农业生态系统土壤有机碳的含量，土地利用方式和农业管理措施应该从增加有机碳输入量和减少有机碳矿化两方面着手，加强对农业土壤固碳潜力和土壤碳库稳定性影响因素的多角度研究。关键词：有机碳；土壤；CO2；碳固定中图分类号：X144文献标识码：A文章编号：1672-2175（2007）06-1775-06工农业生产的发展，人类活动的加剧，促进了温室气体浓度升高，目前大气中CO2、CH4和N2O的浓度分别为365µmolmol-1，1.745µmolmol-1和0.314µmolmol-1，比工业革命前分别增加了28.6%、149%和9.5%[1,2]。经UKMO（UKMeteorologicalOffice）模型、GISS（GoddarInstituteSpaceStudies）模型、NCAR（NationalCenterforAtmosphericReasearch）模型、GFDL(GeophysicalFluidDynamicsLab)模型、OSU(OregenStateUniversity)模型[3-5]等多种模型预测，到2030年大气中CO2的浓度将加倍。全球温室气体增加、气候变暖、平均降水量增加都会对生态系统的结构、功能和分布以及地球物理学过程、热力学过程和生物化学过程产生重要影响。从而也会对人类生产、生活产生重要作用[6]。对全球温室效应的关注,促使各国政府、科学界，从工业、农业等各领域,研究碳的数量、形态、分布,在不同系统中的行为及其减排或固定措施。土壤碳库是陆地生态系统中最大最活跃的碳库之一，2倍于大气碳库[7]，是全球碳循环的核心内容。研究土壤碳的固定、积累与周转及其对气候变化的反馈机制，对于正确评估土壤碳固定在温室气体减排中的作用，加强农业碳汇的研究具有重要意义。1土壤固碳土壤作为陆地生态系统持续稳定发展的物质基础，在大气圈、水圈、生物圈、岩石圈等物质和能量循环中发挥着桥梁和纽带作用。土壤碳分为土壤有机碳（soilorganiccarbon，SOC）和土壤无机碳（soilinorganiccarbon，SIC）。土壤无机碳相对稳定，而有机碳时刻与大气进行交换和平衡，因此土壤碳的研究主要是有机碳的研究。由于土壤具有巨大的有机碳库容，有机碳的微小变化将对全球温室效应和气候变化产生重要影响。同时，土壤碳库和地上部植物之间有密切关系，土壤有机碳的固定、积累和分解影响着全球碳循环，外界条件的变化也强烈影响着植物的生长和土壤中微生物对土壤沉积碳的分解过程。土壤能通过生物和非生物过程捕获大气中的碳素并将其稳定地存入碳库，这一过程被称为碳固存[8]。增加土壤有机碳固存不仅为植被生长及微生物活动提供碳源、维持土壤良好的物理结构，促进土壤中植物可利用态养分的释放与转化，同时也是减少大气中CO2等温室气体含量的一个有效、持续措施。因此，缓解碳汇饱和的土壤碳固定及其机制研究成为寻找陆地生态系统碳循环可持续发展的主要科学问题。2土壤碳固定的可能机制对土壤中有机碳的固定与稳定、转化作用研究主要集中在微团聚体及矿物-粘粒复合体的相互作用水平。Huygen[9]等通过乔木（SGFOR）、草地（GRASS）和松林（PINUS）土壤中碳积累情况对比研究，得出无定形铝和粘土矿物间的静电吸附对1776生态环境第16卷第6期（2007年11月）金属-腐殖质-粘粒复合体形成和碳沉积起主要作用，土壤有机碳（SOC）和铝之间的配位体交换起次要作用。土壤碳矿化速率以乔木和松林土壤最高，草地次之。而大团聚体室内培养试验顺序为:PINUSSGFORGRASS。因此，静电吸附和物理保护作用是影响土壤有机碳稳定的主要过程。土壤pH通过作用于铝的有效性和静电荷间接影响土壤中碳的稳定。Hoosbeek[10]经过5a的FACE（freeairCO2enrichment）试验，结果表明CO2浓度升高可显著增加土壤全碳含量，但对增加的碳在地下分配尚不清楚。而土壤有机质稳定性由有机质的化学结构和粗微团聚体形成情况决定。CO2浓度升高不影响土壤中团聚体的形成，但增加了粗微团聚体形成的稳定性和碳保护功能，从而提高了土壤碳的稳定性。Denef[11，12]也提出粗微团聚体中碳固定作用可能是自然或农业系统中土壤有机碳（SOC）长期存在的机理。他研究了干湿交替情况下土壤粗、微团聚体形成及其在土壤有机碳稳定性中的作用。指出土壤有机碳在团聚体中的物理保护是影响其稳定性的重要机制，干湿培养44d后，大团聚体中水稳态微团聚体较对照明显降低，且微团聚体内的颗粒态有机碳也明显降低。44d后干湿交替不再促进大团聚体破碎，且在44~74d培养过程中，干湿交替处理的微团聚体固定颗粒态有机碳含量显著升高，可能是颗粒态有机碳降解受到短期干湿交替促进大团聚体形成而造成的抑制作用。金属氧化物可吸附在粘土矿物和有机质表面形成矿物复合体从而对土壤固碳能力有一定影响。如铁氧化物可与高岭石作用促进团聚体的形成从而加强对有机碳的保护作用。已有研究证明矿物表面的吸附过程在有机碳保护中起重要作用[13]且金属氧化物在土壤中对有机碳稳定和吸附过程发挥特殊功能[14-17]，粘土矿物或硅酸盐也可对有机碳的保护起辅助作用。而粘土矿物对有机碳的吸附潜力与金属氧化物不同，Kaiser[17]等研究矿物表面对可溶性有机碳的吸附作用发现，金属氧化物的吸附作用较层间硅酸盐强，Jardine[18]等发现在研究的两种土壤中晶格态和非晶格态铁氧化物和氢氧化物吸附了土壤中50%~70%可溶态有机碳，以高岭石为主的其他粘土矿物吸附了剩余部分。Franzluebbers[19]指出巴西氧化土具有较高的碳固定效应，其固碳潜力达9.4Tg·a-1，可能与该土壤中丰富的氧化物与有机碳的稳定结合有关。Wiseman[20]等研究了七种土壤中有机碳、粘粒含量、粘土矿物、亚硫酸盐提取态铁、草酸盐提取态铁（Feo）和草酸盐提取态铝（Alo）之间的关系，发现仅有两种土壤里粘粒含量与有机碳含量呈显著相关，Feo和Alo浓度在大部分土层中与有机碳含量呈正相关。一些粘土矿物如亚氯酸盐与有机碳和Feo、Alo间呈正相关。可见氧化物与粘土矿物作用形成复合物或团聚体对土壤中有机物的稳定起重要作用。而Giardina[21]指出矿化土壤有机质降解不随温度升高而加速，且有机碳降解速率与粘土矿物含量没有显著相关性。3土壤有机碳固定的影响因素农田生态系统中，农田管理措施、土壤性质是影响土壤有机碳固定、转化及释放的主要因素，同时还受土地利用方式、植物品种、气候变化等多种因素影响，因此对土壤碳固定潜力的评估及调整措施需全面考虑多种因素的交互作用。3.1农田管理措施不同的耕作制度、施肥、灌溉等农田管理措施对土壤碳的固定及温室气体排放有显著影响。由于农田耕作对土壤较大的扰动，团粒结构破坏严重，长期作业之后会导致土壤有机质含量急剧下降。Conant[22]指出农田耕作一年后土壤碳显著下降，长期耕作使土壤碳损失量增加。同常规耕作相比，免耕措施对土壤有机碳库增加和微生物量碳变化有显著影响，已有众多研究表明免耕可显著增加土壤有机碳含量。Metay[23]等研究指出，免耕加秸秆覆盖可提高表层土（0~10cm）有机碳含量，每年达C0.35mg·hm-2。而且免耕秸秆覆盖有利于土壤活性有机质的产生和积累，有利于土壤理化性质的改良，能够给土壤微生物提供大量的能源物质，有利于土壤可持续健康发展[24，25]。周萍等研究了长期不同施肥处理(化肥与秸秆配施、化肥与猪粪配施、单施化肥和不施肥)下，水稻土总有机碳和颗粒态有机碳含量变化，指出不同的施肥处理主要影响耕层土壤的TOC（总有机碳）和POC（颗粒态有机碳）含量，化肥与猪粪配施处理,由于有机物质的输入TOC和POC含量显著高于其它3种处理，不施肥处理的POC含量显著高于单施化肥和秸秆配施化肥[26]。陈义[27]等对浙江省黄岩水稻土上开展的26a长期施肥定位试验表明，长期施用有机肥可以促使土壤有机质持续增长，增长幅度随有机肥用量增加而增加。张春霞[28]等也指出，耕作和长期单施化肥虽然可以维持土壤有机质水平，但加速了土壤腐殖质的老化，影响胡敏酸和富啡酸间的转化和土壤中有效养分的利用。均衡施用N、P和K肥料，可显著提高土壤有机碳储量，而养分缺乏的施肥，土壤有机碳大量损失。Kapkiyai[29]等的长期试验表明，土壤有机碳随耕作年限的延长而降低。其中以单施化肥处理土壤有机碳损失最多，施用有机肥和秸秆还田的损失量比单施化肥少49％，化肥和有机肥结合施用加上秸秆还田有机碳损失最少。相关分析表明，王树涛等：农田土壤固碳作用对温室气体减排的影响1777土壤固碳速率与作物根茬+有机肥源碳的总碳输入量呈显著的对数关系，化肥配施有机肥是提高与促进土壤固碳和温室气体减排的双赢措施[30]。3.2土壤性质土壤结构是影响土壤碳固定及其稳定性的重要因子。土壤粘土矿物和有机碳可以形成有机-矿质复合体，把有机碳密封在微小的孔隙中阻碍微生物的分解[31-33]。已有试验证明随着土壤中粘粒含量的增加土壤有机质的残留量不断提高，并且呈一定正相关关系[34，35]。同时，土壤性质不但影响土壤中有机碳的固定和储存，而且也会影响土壤有机碳组分的分配[36，37]。土壤pH影响着土壤中微生物的种类，酸性土壤中微生物以真菌为主，从而减缓了土壤中有机质和外源有机物质的降解，土壤的酸性越强，有机物质分解速率越慢。相反，强碱性条件下，有机物质的溶解和分散性显著提高，使得微生物与有机质间的接触增加，促进有机质的分解。Jenkison[38]把14C标记的黑麦草分别加入到不同pH的土壤中，一年后pH3.7的土壤中14C残留量明显高于pH4.9和pH8.1的土壤。李淑芬[39]等研究表明土壤中可溶性有机碳（DOC）随着土壤pH的下降而增加。含水量通过影响土壤中氧化还原电位及微生物活性间接作用于有机质的降解。一般好氧条件下一种微生物可直接把有机物转化为CO2，而厌氧条件下需要一系列微生物接力来完成。因此好氧环境中有机物的分解速率快于厌氧环境，水田中有机物的残留率高于旱地。GuoLP[40]等指出，在过去60a中，因旱地改水田使土壤储存的有机碳增加了120~584Gt。4土壤碳固定对温室效应的响应温室效应引起的气候变化对土壤有机质存量的影响有两