第24卷 第10期2009年10月
地球科学进展ADVANCESINEARTHSCIENCE
Vol.24 No.10Oct.,2009
文章编号:100128166(2009)1021138211
草地生态系统土壤有机碳库对人为干扰和全球变化的响应研究进展
3 肖胜生1,
2,董云社13,齐玉春
1,彭 琴1,
2,何亚婷1,
2,杨智杰
3 (1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101;
2.中国科学院研究生院,北京 100039;
3.湿润亚热带生态—地理过程省部共建教育部重点实验室,福建 福州 350007) 摘 要:草地土壤碳库碳储量及其变化与调控机制是草地碳循环研究的核心。
草地生态系统正经受着越来越严重的人为与自然因素干扰,如土地利用变化、大气氮沉降增加、施肥及大气CO2浓度与温度升高。
因此,加强人为干扰和全球变化背景下草地土壤有机碳库的响应研究有重要意义。
总结了放牧、草地开垦及外来氮素输入等3种主要的人类活动对土壤有机碳总量和活性碳组分的影响及其对全球变化的响应与适应,在此基础上指出了目前草地生态系统土壤有机碳库研究的薄弱环节及今后的重点研究领域。
关 键 词:草地生态系统;土壤有机碳;土壤活性碳;全球变化中图分类号:X144;S154.1 文献标志码:
A 1 引 言 土壤是陆地生态系统最大的碳库,其贮存的有机碳占整个陆地生态系统碳库的2/3,约为植物碳库的3倍、大气碳库的2倍[1],是全球碳循环非常重要的组成部分。
按土地利用类型划分,草地生态系统包括自然界各种草原、草甸和稀树干草原。
在世界范围内,草地约占陆地总面积的20%。
在我国,草地是最大的陆地生态系统类型,各类草地面积约4亿hm2,占到土地总面积的40%以上。
对草地生态系统而言,土壤碳库约占总碳储量的90%[2]。
长期以来,国际上大量学者对草地生态系统土壤碳库尤其是有机碳库进行了广泛而深入的研究,在有机碳库的组成[3]、来源与输出方式[4,5]、碳储量[6]及其 时空分布特征[5,7,8]等方面取得了很多成果。
近年来,由于人口与资源矛盾的加剧,草地生态 系统正遭受着越来越严重的人为活动影响,如过度放牧、草地开垦为农田、大气氮沉降增加(主要因为化石燃料的燃烧引起的大气中氮氧化合物浓度增加)以及草地施肥[9]。
这些行为一般会通过植物生产、土壤微环境等途径对土壤碳库造成影响。
周涛等[10]指出,土地利用变化既可以通过影响NPP直接影响土壤有机碳储量,也可以通过改变土壤呼吸的温度敏感性间接影响土壤有机碳储量。
同时,主要由大气CO2浓度升高驱动的全球变暖也会对草地生态系统及其土壤碳库产生重要影响。
Nouvellon等[11]指出,与其他生态系统类型相比,草地生态系统的脆弱性使其碳的输入与输出对气候变化的反应
3 收稿日期:2009204227;修回日期:2009208211.3基金项目:国家自然科学基金重点项目“温带草地植被—土壤系统碳氮耦合特征及其对氮素水平的响应”(编号:40730105);国家自然科学基金面上项目“温带荒漠草原碳排放与碳固存及其与草地退化恢复的耦合分析”(编号:40501072)和“温带草原土壤呼吸区域分异的生物环境机制及关键问题探索”(编号:40673067);国家科技攻关计划“典型陆地生态系统功能变化的人文因素检测”(编号:2007BAC03A11-02)资助. 作者简介:肖胜生(19812),男,湖北黄冈人,博士研究生,主要从事全球变化及环境生物地球化学方面研究. E2mail:xss19811213@3通讯作者:董云社(19612),男,陕西武功人,研究员,博士生导师,主要从事陆地表层生命元素环境生物地球化学循环研究. E2mail:dongys@igsnrr. 第10期 肖胜生等:草地生态系统土壤有机碳库对人为干扰和全球变化的响应研究进展 1139 更为敏感。
在此背景下,加强草地土壤碳库尤其是有机碳库的响应研究有着极其重要的意义,国内外相关学者通过实验研究与模型模拟等手段在这些方面也取得了一系列重要进展。
土壤有机碳含量及其动态平衡不仅是反映土壤质量和草地健康的重要指标,直接影响着土壤肥力和草地生产力,而且由于土壤有机碳储量的库容量巨大,其较小幅度的变化就可能影响到大气CO2浓度的变化,从而以其温室效应影响全球气候变化。
因此,草地土壤碳库碳储量变化及其调控机制是草地碳循环研究的核心。
鉴于此,本文综述了几种主要的人为活动(放牧、开垦、氮素输入以及草地恢复重建)及全球变化(大气CO2浓度升高与全球变暖)对草地生态系统土壤有机碳及活性碳含量的影响,以期对相关研究起到一定程度的参考作用。
2 人类活动对草地生态系统土壤有机碳库的影响 2.1 放牧对草地土壤有机碳库的影响越来越多的研究表明,草地生态系统土壤碳储 量受到土壤利用方式和管理策略的显著影响[12,13],放牧是对草原影响最为广泛的土地利用方式。
国内外有关放牧对草地生态系统土壤有机碳影响的研究很多,但因草地类型、放牧强度、放牧年限以及研究方法的不同,目前研究结果还不尽一致。
Derner等[14]、Zhao等[15]研究都表明放牧减少了碳素向土壤的输入,从而减少了土壤有机碳含量。
如董云社等[16]指出,就全球范围内,过度放牧使得地上净初级生产力只有20%～50%归还土壤。
Wang等[17]在中国松嫩平原羊草草甸草原通过CENTURY模型模拟研究表明,土壤有机碳含量对放牧强度十分敏感,随着放牧强度由10%不断增大到80%(指每月地上生物量被啃食的比例),土壤有机碳含量不断减少,减少幅度为2.49%～49.87%,而且不同放牧强度之间土壤有机碳含量差异显著(P<0.001),同时建议松嫩平原草甸草原放牧强度低于40%,这样才能保证该草甸草原可以维持一种不退化的状态。
但是,放牧并不总是减少碳储量,而与放牧强度及畜牧承载量有关[18]。
如Raiesi等[19]、Shrestha等[20]都认为短期内轻度放牧对土壤有机碳总量没有显著影响。
王艳芬等[21]在内蒙古温带典型草原上的研究也表明,在短时期内,土壤有机碳含量不受放牧强度的影响。
Holt[22]在澳大利亚东北部2个半 干旱草原的研究结果表明,重度放牧6～8年后土壤有机碳总储量也没有发生显著变化。
Schuman等[23]经过12年的实验证明,与不放牧样地相比,不管是重度放牧还是轻度放牧都能导致土壤上层30cm的碳含量增加,但土壤60cm深度的剖面中总的碳素含量没有改变,并解释为放牧只是引起碳素在植物—土壤系统的重新分布,对土壤总的碳含量没有产生显著影响。
而过度放牧一般都会减少土壤有机碳含量,引起草地退化。
如张旭辉等[24]指出,过度放牧是我国草甸湿地土壤退化和碳库损失的主要驱动因子之
一。
在1986—2001年间,过度放牧导致中国内蒙古阿拉善地区草地表层土壤(0～20cm)有机碳含量损失了25.2%[25]。
Xie等[26]估算出,从20世纪80年代到20世纪末期的20年间,因为草地退化的原因,中国草地土壤有机碳储量减少了3.56Pg(1Pg =1015g),而过度放牧是引起草地退化的主要因素。
此外,有研究认为一定程度的放牧还可以增加 土壤有机碳含量[27,28]。
Schuman等[27]指出这是因为牛羊的踩踏加速了地表凋落物的物理分解,提高了地表凋落物的分解速率,促进了碳素由地上部分向土壤的转移。
单一的放牧活动对土壤有机碳积累的影响尚不能达到一致结论。
实际上,越来越多的牧场管理策略倾向于在放牧的基础上辅以施肥来促进牧草生产,这样土壤有机碳含量又会有不同的响应。
Mortenson等[29]指出,施肥可以增加地上与地下生物量,在一定程度上可以弥补放牧对生物量的损失,从而平衡碳素向土壤的输入;同时放牧与施氮二者对土壤有机碳的综合效应与草场氮素基础水平、氮肥用量及放牧强度等因素有关。
归纳起来,上述实验多集中于放牧对总有机碳影响的研究。
实际上,由于自然土壤有机碳高背景值和土壤类型的多样性,土壤总碳的微小变化对外界的反应总是难以被观测到,尤其是在较短时间尺度上,人类活动对土壤总碳库的影响并不显著。
于是,一些学者开始尝试应用土壤有机质物理分组和同位素14C的方法来研究土地利用变化对土壤碳库中不同组分的影响及土地利用方式变化过程中土壤碳的稳定机制及其影响因素[30,31]。
这些研究表明,土地利用变化主要影响的是土壤有机碳组分中分解相对快的部分,即活性碳组分。
关于放牧活动对草地土壤活性碳含量影响的研究结论比较一致,即放牧能显著降低活性碳组分在土壤的含量。
如在 1140 地球科学进展 第24卷 Holt[22]的实验中,重度放牧6～8年后土壤总有机碳含量没有显著变化,但是土壤微生物量碳(MicrobialBiomassCarbon,MBC)含量在两类草原中分别下降了51%和24%。
Shrestha等[20]的研究表明,放牧显著改变了土壤MBC含量。
马秀枝等[32]较系统地研究了放牧对内蒙古锡林河流域几种主要草原群落土壤微生物量碳和易分解碳(LabC)的影响。
结果表明,自由放牧22年后,羊草(Leymuschinensis)草原0～10cm和10～20cm土层土壤MBC含量分别下降了27.9%和12.8%,LabC含量分别下降了22.0%和12.6%;大针茅(Stipagrandis)草原表层(0～5cm)和下层(5～15cm)MBC分别下降了38.2%和12.2%。
这进一步表明,与下层土壤相比,表层土壤活性碳含量更易受到放牧活动的影响。
尽管关于放牧活动对草地土壤碳库影响的结论尚不完全一致,但越来越多的研究表明围栏封育措施可以固存更多的有机碳,对退化草地生态系统更是如此[20,33]。
2.2 开垦对草地土壤有机碳库的影响 开垦是除放牧以外影响草地生态系统的最大人类活动之一[25,34]。
在某些地区,开垦是影响草原生态系统最剧烈的人类活动因素。
Lal等[35]统计表明,截止1998年,全球已有约660Mhm2的草地被开垦成农田,占土地利用变化的近40%。
关于开垦活动对草地土壤有机质含量的影响基本一致,即草地开垦为农田后土壤有机碳含量下降,原来土壤中碳素总量的20%～50%被损失掉[34,36]。
Qi等[34]在内蒙古锡林河流域连续3年的研究表明,贝加尔针茅草原开垦为春小麦田30年后,土壤表层0～10cm和10～20cm的土壤有机碳含量分别下降了38.3%和17.4%。
Guo等[37]研究表明,当草地向耕地转换后,土壤有机碳含量会大幅减少,97个样点平均减少了60%,同时有机碳含量的减少主要发生在上层土壤。
与草地相比,开垦后农田生态系统之所以具有较低的碳吸存速率主要是基于以下几个方面的原因[38]:①农田的地上碳素大部分被收割移走,使得向土壤归还的碳素较少;②农田的翻耕犁土等措施降低了碳素在土壤中的存留时间;③草地土壤中很大一部分由根系周转或根际沉降而来的碳素以化学性质很稳定的颗粒有机碳的形式所保护,而开垦活动破坏了这种物理保护作用;④开垦活动破坏了土壤团聚体使得一部分土壤活性有机质更易遭受分解。
但也有个别研究得到不同的结论,如陈伏生等[39]研究表明,草地开垦8年后,土壤表层(0～10cm)有机碳含量维持原状,亚表层(10～20cm)土壤有机碳明显增加,两层土壤有机碳贮量增加5.96%。
这主要是因为草地开垦为农田后,施加了氮肥所致。
该研究同时说明,在某些草地类型中辅以施肥等后续管理措施在一定程度上可以弥补开垦对草地土壤有机碳造成的损失。
李凌浩[40]进一步研究表明,大量碳损失发生在开垦后的最初几年,开垦20年后土壤有机碳含量趋于稳定。
同时,Wang等[36]研究发现天然草地转变为耕地后,有机碳损失主要发生在表层30cm的部分,而在30cm以下农田和对照草地没有显著差异。
2.3 外源氮素输入对草地土壤有机碳库的影响 外源氮素输入包括自然大气氮素沉降和人为施氮两种主要形式。
近几十年来,大气氮沉降越来越严重,氮沉降全球化趋势愈趋明显[41]。
如已有研究显示我国已经成为除西欧、北美之外的全球第三大氮沉降集中区[42]。
此外,从维持草地生态系统养分平衡及促进退化草地恢复的角度出发,施肥在国外尤其是在一些畜牧业发达的国家已是一项常规的草地管理措施[43]。
因此,外源氮素的输入将可能在很大程度上改变草地生态系统可利用氮素的状况,从而对草地土壤碳库产生重要影响。
目前,国内外关于大气干湿氮沉降或者人为施肥对草地土壤有机碳储量及不同碳素组分的影响方面的报道不多,研究结论也不尽一致。
对土壤有机碳含量而言,外源氮输入的影响效应尚存在很大的不确定性,不同的氮素输入量、氮肥种类及输入时间长短都对最终的结果产生影响。
一种认为氮输入能促进碳固定,从而增加土壤有机碳含量[44,45]。
如Malhi等[45]探讨了连续施肥27年对种植雀麦草的薄层黑钙土总有机碳的影响,结果表明随着氮肥水平的增大(由0、56、112、168、224到336kgN/(hm2·a)),0～30cm土层的总有机碳浓度和数量也逐渐增加,同时高氮水平下土壤碳的增加速度更快,而低氮水平下单位氮肥的增碳效率更高。
一种认为氮素输入减少了土壤有机碳储存,如Mack等[46]在阿拉斯加苔原带进行的一项为期20年的长期施氮研究表明,长期施氮造成苔原生态系统每平方米净损失2kg碳。
也有研究表明,氮素输入对土壤有机碳库影响不大[43]。
Soussana等[48]应用单室模型评价了施肥措施对法国一温带草地土壤碳蓄积的影响,认为适度施肥对有机质向土壤输入 第10期 肖胜生等:草地生态系统土壤有机碳库对人为干扰和全球变化的响应研究进展 1141 的促进作用比对有机质分解的促进作用大,因此有利于土壤碳吸存;但是强度施肥对二者的促进作用都较大,综合起来对土壤碳吸存没有明显作用,甚至有可能造成土壤碳损失。
上述研究之所以存在很大争议,主要是因为目前还不能从机理上解释清楚氮素输入到底是通过什么方式对土壤碳库产生影响。
正像Nadelhoffer等[49]指出的那样,在土壤表层,大部分增加的氮被矿化了,是否是氮素直接影响了碳含量的改变,还是氮输入通过影响其他因素间接来促进土壤碳含量的改变,其机理还不是很清楚。
Hagedorn等[50]认为是氮输入通过降低土壤中腐殖质的分解速度来增加土壤碳储量;而曹裕松等[51]指出可能存在一些非生物学过程,使一部分氮固定在土壤有机质中,从而使土壤呼吸作用受到抑制;Saiya2Cork等[52]认为氮的富集可以抑制一种能够对木质素起分解作用的酶的形成,并且氮能够与木质素残留物进行作用,形成能够较大程度抵制微生物降解的有机复合物,从而对土壤有机碳含量有促进作用。
相反Neff等[47]研究发现氮输入可能是通过改变土壤有机质的溶出作用,或者破坏某些有机矿质复合体来加剧活性有机碳的溶出,进而减少土壤有机碳含量。
目前关于氮素输入对草地生态系统土壤中活性碳影响的研究还不多,在基本结论和原因分析两方面都存在着许多争议。
Emmett等[53]在泥炭灰壤土酸性草地上的研究表明,氮素添加对土壤可溶性有机碳(DissolvedOrganicCarbon,DOC)含量的影响与氮素形态及氮肥用量都有关系,施加NaNO3(20kgN/(hm2·a)肥料能显著增加DOC浓度,而添加等量的(NH4)2SO4则降低了土壤DOC含量;此外施加10kgN/(hm2·a)的(NH4)2SO4则对DOC含量不产生影响。
Malhi等[45]的实验结果表明0～30cm土层的活性有机碳的浓度和数量随着氮肥比率增加而增加,呈显著的二次方程响应。
但也有学者认为[54],氮元素可以通过增强土壤微生物活性、增加土壤腐殖质的稳定性等途径来使得土壤中DOC含量降低。
关于氮素输入对于MBC的影响,Fisk等[55]发现,长期的氮肥试验使得土壤MBC含量和氮输入呈显著的负相关关系,随着氮输入量的增多MBC反而减少。
相反,短期的施肥却表现出MBC的增加[56]。
也有研究表明施用无机、有机肥料可使MBC含量在施肥初期大量增加,但随着时间的推移,MBC含量又有所降低[57]。
这些相互矛盾的结果可能与初始微生物类群、土壤pH值、有机质以及 土壤养分含量的不同有关[58]。
另外,施肥对草地土壤活性碳的影响与草地本 身的氮素基础水平有很大关系。
如Sarathchandra等[59]研究表明,施肥对本身就比较肥沃的草地MBC含量没有产生什么影响,而在较贫瘠草地的施肥实验表明,肥料用量减少后,土壤MBC含量也相应减少[60]。
2.4 草地恢复重建与土壤固碳潜力 在第236次香山科学会议上,我国土壤学家普遍接受我国大陆土壤(1m深度)总有机碳库的估计值为90Pg,其中278.51万km2的草地储存了37.71Pg的土壤有机碳[26]。
1986—1999年中国大陆退化草地面积增加了530万hm2,所有这些草地的退化导致过去20年间中国土壤有机碳储存减少了3.564Pg[61]。
采取更加严格的措施来保护草地以及采取措施促进草地的恢复不仅有利于草地生态系统的可持续生产,而且对调节大气CO2浓度、保护全球气候有重要作用。
IPCC[62]报告分析和评价了放牧集约化、施肥、灌溉、引种牧草及防火等措施对草地土壤有机碳的影响,并估算得到全球草地到2010年的固碳潜力为0.24Pg。
Gurney等[63]总结了美国、加拿大和俄罗斯三国草地改良及恢复的固碳潜力,分别达到9Tg/a、0.2～0.6Tg/a和0.4～0.8Tg/a(1Tg=1012g)。
郭然等[64]估计,在内蒙古、西藏和新疆等地区通过减少畜牧承载量,使过度放牧的退化草地得以恢复,可以增加土壤有机碳储存4561.6Tg;同时,人工种草、退耕还草和围栏封育的固碳潜力分别是25.6、1.5和12.0Tg/a,总计达到39.1Tg/a。
在这些草地改良和恢复的措施中,引种优良牧草受到较多关注。
这些牧草的共同特点是既具有较高的饲料生产价值(较高的生物量和营养价值),同时还具有较强的碳吸存能力(较高的地上地下生物量和较高的碳密度)。
如Lal等[65]研究表明引进高羊茅(Festucaarundinacea)和无芒省麦(Bromusin2ermis)6年后能增加土壤碳库17.2%,相当于3MgC/(hm2·a)的碳吸存(1Mg=106g)。
Ma等[66]也得到,在种植柳枝稷(Panicumvirgatum)10年后,1～15cm和15～30cm两层土壤有机碳含量分别比对照高出了45%和28%。
Post等[67]总结分析了各种人为管理措施对土壤有机碳含量变化的影响,认为只要具备了以下几个条件的任何一个,都将有利于土壤碳吸存:①增加有机质向土壤的输入速率;②降低土壤中有机质 1142 地球科学进展 第24卷 (尤其是轻组有机质组分)的分解速率;③增加有机质在土壤剖面中的分布深度;④增强土壤团聚体包裹或有机矿质复合体等对有机质的物理保护作用。
并据此认为,那些在过去年代中由于不善的管理措施消耗了大量有机质的草地类型有着更大的碳吸存潜力。
3 草地土壤有机碳库对全球变化的响应 3.1 草地土壤有机碳库对大气CO2浓度升高的响应大气CO2浓度升高条件下土壤—植物系统碳储 存及分配是20世纪90年代以来土壤碳库与全球变化关系研究的主要内容。
大气CO2浓度升高对土壤过程很难产生直接的明显的影响,因为土壤孔隙中CO2的浓度本身就很高,超过1000×10-6[68]。
一般来说,由于CO2浓度的增加会促进光合同化,增加碳素向土壤的输入,但同时微生物的活性和土壤呼吸也受到了促进[69],因此,草地暴露在高CO2浓度下,其土壤有机碳含量不会发生显著变化。
Hun2gate等[70]、Xie等[71]的研究结果都说明了这一点。
土壤有机碳库的含量变化难以准确测定,还因为年净变化值相对于其背景总量来说太小[69]。
虽然全球各大洲都布置了大气CO2倍增试验(FreeAirCO2Enrichment,FACE),但因土壤碳储存与更新是生态系统过程决定的,短期的试验结果尚不足以说明CO2加倍对土壤碳库的效应。
但在长期尺度上,却得到不同的结论。
大量的实验研究表明大气CO2浓度升高对草地生态系统碳平衡产生重要影响,因为大气CO2浓度升高会促进NPP生产,并且使得新增的那部分同化碳素被优先分配到根系中,从而有利于碳吸存。
Verburg等[72]用14C标记研究了CO2浓度倍增下碳素由植物向土壤系统的转移,结果是CO2加倍降低了土壤呼吸速率。
Cardon等[73]在加利福尼亚草地的研究也发现,高CO2浓度下土壤原有有机碳的分解速率有所降低,使得有机碳含量增加。
Gorissen等[74]发现,CO2加倍环境下草原土壤根系的分解减慢,这种作用可抵消环境温度升高6℃时所促进的有机碳分解。
鉴于CO2加倍时相应大气环境温度仅升高2℃,因而认为在CO2加倍下草原土壤的碳汇效应更显著[75]。
对大气CO2浓度升高条件下土壤中碳的变化,还要考虑到土壤中不同粒级碳的变化情况,因为不同土壤粒级碳的代谢周转不同,将影响到土壤碳变 化的预测和评估,但国际上关于CO2浓度升高对土壤不同粒级碳浓度及周转速率影响的研究很少。
Wang等[76]模拟了在不同土壤湿度条件下CO2加倍对土壤有机碳及活性碳的影响,结果表明土壤有机碳在CO2加倍及不同土壤湿度情况下的变异系数仅为1.3%,而土壤活性有机碳的变异系数达29.7%,当土壤湿度为60%时,土壤活性碳含量显著减少了45%,表明活性碳组分对环境变化更敏感。
综上分析,大气CO2浓度升高在短期内对草地土壤的碳汇功能没有显著影响,而长期尺度上土壤碳汇能力会有所增强。
但土壤碳库对大气CO2浓度升高的响应非常复杂,同时受到多种因素的综合影响,在不同的草地类型和管理方式下会得到不同的结果。
Allen等[77]表明在大气CO2浓度升高时,草地土壤积累有机碳的能力与草地物种密切相关,种植百喜草(PaspalumnotatumFlugge,C4植物)比黄连多年生花生(ArachisglabrataBenth.,C3植物)能积累更多的土壤有机碳。
Xie等[71]的研究也表明,尽管高CO2浓度下土壤总碳量没有显著变化,但是大气CO2浓度升高条件下新输入土壤的碳素含量却与施氮与否和草地物种密切相关。
3.2 草地土壤有机碳库对全球变暖的响应 储量巨大的土壤碳库不仅是全球碳循环中重要的动态组分,而且是一个潜在的碳源[78]。
因此,研究土壤有机碳对全球变暖的响应有着极其重要的意义,是全球变化研究的热点之
一,它主要包括土壤有机碳不同组分的温度敏感性和升温对土壤有机碳含量的影响两个方面的内容。
因为土壤有机碳的大部分是以稳定态碳的形式存在于土壤中,因此加强土壤有机碳库中不同组分温度敏感性差异的研究有利于改进目前的陆地生态系统碳循环模型以及提高全球变化背景下土壤碳库变化的预测精度。
目前国际上关于稳定态碳(或长效态碳)与活性碳(或速效碳)的温度敏感性差异的研究争议还较大,如Mellilo等[79]认为与土壤中活性碳相比,稳定态碳具有较低的温度敏感性,Knorr等[80]通过模型模拟、Fierer等[81]通过试验研究都认为稳定态碳比活性碳具有更高的温度敏感性,而Fang等[82]则发现稳定态碳和活性碳有着几乎一致的温度敏感性。
国际上关于全球变暖或土壤升温对草地生态系统土壤有机碳含量(碳吸存)影响的结论也不尽一致。
如Cao等[83]研究得到,在未来气温上升背景下,温带草地的土壤碳素会有所增加。
Parton等[84] 第10期 肖胜生等:草地生态系统土壤有机碳库对人为干扰和全球变化的响应研究进展 1143 应用CENTURY模型研究得到,当气温升高2～5℃后,在50年内,世界范围内草地生态系统的土壤碳库会有3～4PgC的损失,全球变暖有可能部分抵消因人为管理措施改善和大气CO2浓度升高带来的碳储存,并且指出这种损失主要是由升温后温带草地土壤有机质分解速率增加了25%造成的。
Rie2do等[85]则应用PaSim模型对瑞士一冷草原当温度上升2℃后土壤碳库的变化情况进行了模拟。
结果表明,升温对该地方土壤活性碳组分只有微弱的影响;同时,该地区一些低海拔谷地土壤有机碳含量下降,但在一些高海拔的地方土壤有机碳含量增加。
因此,我们认为,气温升高对植物净初级生产(NPP)和土壤有机碳的分解都有一定的促进作用,升温对土壤有机碳含量的最终影响必须通过综合判断NPP和有机碳分解二者的温度敏感性。
Kirsch2baum[86]在综合分析了大量的实验室土壤培养实验与田间试验后,认为升温对促进土壤有机质分解的影响比对促进NPP的影响大,因此,在长期尺度上升温将减少土壤有机碳含量。
这种结论在青藏高原得到证实,Thompson等[87]与Liu等[88]都指出,几十年来青藏高原土壤有机碳含量的下降与其气候的温暖化趋势有密切联系。
Belay2Tedla等[89]在高草草原(tallgrassprairie)的研究表明,持续两年半的升温处理对总碳和稳定态碳含量没有产生显著影响,却显著增加了土壤中活性碳组分及活性碳组分中MBC的含量;如果增温处理的同时伴有剪草行为,土壤活性碳含量则会显著减少。
实验室培养实验也表明,土壤升温对土壤微生物生物量及其活性有一定的促进作用[82]。
关于大气CO2浓度升高和温度上升二者对土壤有机碳含量的综合影响,取决于二者的平衡关系,在不同的地区会出现不同的结果[86,90]:在低温寒冷地区,升温的影响占优势,将减少土壤有机碳含量;而在高温地区,大气CO2浓度升高的影响会强于升温,使得土壤有机碳含量趋向增加。
但是不管是增加还是减少,其影响都是极其有限的。
上面就几种主要的人为干扰活动或草地管理措施以及全球变暖对草地生态系统土壤有机碳库的影响进行了较为详尽的介绍。
土壤中的有机碳储量是进入土壤的生物残体等有机物质的输入与以土壤微生物分解作用为主的有机物质的损失之间的平衡,因此凡是能影响到碳素向土壤的输入及其微生物分 解的因素都能对土壤有机碳含量产生影响。
不同研究者由于草地类型或研究方法的差异而得到不同的研究结果,具体见表
1。
4 研究展望 从以上的分析中可以看出,国外关于土地利用方式与施肥对草地生态系统土壤有机碳库(包括活性碳组分)影响的研究取得了很大进展,国内的相关学者也得到了一些很有益的结论;在土壤有机碳库对全球变化的响应与适应上也取得了重要的结果,但由于地下过程研究的复杂性,草地生态系统土壤有机碳库的研究还存在诸多薄弱环节。
综合起来,今后应该加强以下几个科学问题的研究:
(1)草地土壤系统受到越来越强烈的人为干扰,因此土壤有机碳的稳定性与土壤管理措施密切相关。
那么人为管理措施如放牧集约化、施肥等对土壤碳库稳定性的具体影响机制以及能否建立土壤有机碳库稳定性的动态平衡预测模型等问题需要进一步深入研究。
(2)前面提到,氮素输入对草地生态系统土壤有机碳含量的影响尚存在着很大的不确定性,与施肥量、氮肥种类、施肥时间长短及草地类型等都有关系,这为模拟与预测未来全球范围内大气氮沉降趋势增强及施肥活动增加情况下草地土壤碳库碳吸存能力的变化带来困难。
因此,加强研究氮素输入对典型草地生态系统土壤碳库含量影响的机理及其在较长时间尺度上的变化有重要意义。
(3)前面提到,土壤碳库中不同组分的温度敏感性差异问题还存在较大争议,但在全球变暖的大背景下,相关科学问题的解决对进一步理解地下碳循环过程的控制机制和提高土壤碳库变化的估算精度都有极其重要的意义,因此迫切需要进一步深入研究。
(4)全球变化背景下草地土壤碳吸存能力的变化情况非常复杂,受到大气CO2浓度上升、气温与土温升高、降水格局改变、草地物种及不同管理方式(施肥与否)等因子的影响,而且这几种影响因子有可能联合起来对草地生态系统产生影响。
这就需要通过系统控制实验(CO2加富、增温、降水、施肥、火烧、放牧和物种去除)来加强研究这几种因素的综合影响。
1144 地球科学进展 第24卷 表
1 人为干扰及全球变化对草地生态系统土壤有机碳含量的影响Table1 Responsesofsoaniccarbonpoolofgrasslandecosystemtohumaneffectsandglobalchanges 措 施放 牧 草地开垦 外源氮输入 引种优良牧草CO2浓度升高 全球变暖或土壤升温CO2浓度升高与升温的综合影响 影响结果长期放牧或过度放牧下减少短期内轻度放牧下不变轻度放牧下增加 减少 增加不变 增加 减少 增加 短期内不变 长期内增加短期内增加长期内减少 低温地区减少 高温地区增加 对土壤有机碳含量的影响影响机理或途径(文献) 减少碳素向土壤输入[14,15,17,24～26] 不影响碳素输入与输出的平衡[19,20,21,23] 牛羊踩踏加速凋落物分解[27,28]减少碳素向土壤输入;有机质分解和土壤侵蚀活动增强;开垦破坏了土壤颗粒有机碳和土壤团聚体[34,36～38,40]施肥部分弥补开垦对有机碳的损失[39]碳素输入与输出相互抵消[43]氮输入能促进植物碳固定[44,45];氮素被有机质吸附固定[51];氮素输入抑制有机质分解[50,52]改变土壤有机质的溶出作用,或者破坏有机矿质复合体来加剧活性碳溶出[47]具有较高的地上地下生物量和较高的碳密度双重特性[65,66]在促进光合同化的同时也促进微生物活性和土壤呼吸作用[69]减缓有机碳分解[72,73]减缓植物根系的分解[74]升温显著促进植物碳固定[83]升温对促进土壤有机质分解的影响比对促进NPP的影响大[84,86]对有机碳分解的促进作用大于对碳固定的促进作用[86,90]对碳固定的促进作用大于对有机碳分解的促进作用[86,90] 参考文献(References): [1] SchlesingerWH.Evidencefromchronosequencestudiesforalowcarbon2storagepotentialofsoils[J].Nature,1990,348(6298):2322234. [2] LiLinghao,ChenZuozhong.TheglobalcarboncycleingrasslandecosystemsanditsresponsestoglobalchangeI.Carbon2partmentmodel,inputandstorage[J].ChineseBulletinofBotany,1998,15
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2,DONGYunshe13,QIYuchun1,PENGQin1,
2,HEYating1,
2,YANGZhijie3 (
1.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing 100101,China;
2.GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing 100149;
3.KeyLaboratoryofHumidSubtropicalEco2geographicalProcess(FujianNormalUniversity),MinistryofEducation,Fuzhou 350007,China) Abstract:Thestocksanditschangemechanismofsoilcarbonpoolingrasslandarethecoreofgrasslandeco2systemcarboncycleresearch.Grasslandareundergoingseriousdisturbance,suchasland2usechange,nitrogenin2put(nitrogenpositionandfertilization),elevatedCO2andglobalwarming.Strengtheningtheresearchinre2sponsesofgrassaniccarbonpooltothedisturbanceisofgreatimportance.Herewereviewedtheeffectsofgrazing,grasslandcultivation,andexternalnitrogeninputonaniccarbonpoolincludingsoilactivecarbonfractionandtheirresponsestoglobalchange.Themainresearchdirectionsinthisfieldinthefuturewerealsosug2gested. Keywords:Grasslandecosystem;aniccarbon;Soilactivecarbon;Globalchange. 《地球科学进展》期刊“大尺度水热通量的观测、分析与应用”专辑征稿启事 为集中展示中国学者在大尺度水热通量的观测、分析与应用等方面的最新研究成果(包括大尺度水热通量观测仪器的研制、观测实验、观测数据处理与质量评价、大尺度水热通量的分析与应用等),促进深层次的学术交流、便于读者集中了解本领域的学术动态和最新进展。
《地球科学进展》计划于2010年6月左右出版一期以“大尺度水热通量的观测、分析与应用”为主题的专辑。
欢迎各位专家踊跃投稿,积极参与遴选。
请有意投稿的作者注意以下时间节点: (1)500字左右摘要截止:2009年11月16日
(2)遴选通知:2009年11月30日
(3)全文提交:2010年2月22日来稿的具体格式要求请参阅《地球科学进展》的投稿须知。
联系人:刘绍民电 话:010-58802240邮 箱:smliu@bnu.
3 肖胜生1,
2,董云社13,齐玉春
1,彭 琴1,
2,何亚婷1,
2,杨智杰
3 (1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101;
2.中国科学院研究生院,北京 100039;
3.湿润亚热带生态—地理过程省部共建教育部重点实验室,福建 福州 350007) 摘 要:草地土壤碳库碳储量及其变化与调控机制是草地碳循环研究的核心。
草地生态系统正经受着越来越严重的人为与自然因素干扰,如土地利用变化、大气氮沉降增加、施肥及大气CO2浓度与温度升高。
因此,加强人为干扰和全球变化背景下草地土壤有机碳库的响应研究有重要意义。
总结了放牧、草地开垦及外来氮素输入等3种主要的人类活动对土壤有机碳总量和活性碳组分的影响及其对全球变化的响应与适应,在此基础上指出了目前草地生态系统土壤有机碳库研究的薄弱环节及今后的重点研究领域。
关 键 词:草地生态系统;土壤有机碳;土壤活性碳;全球变化中图分类号:X144;S154.1 文献标志码:
A 1 引 言 土壤是陆地生态系统最大的碳库,其贮存的有机碳占整个陆地生态系统碳库的2/3,约为植物碳库的3倍、大气碳库的2倍[1],是全球碳循环非常重要的组成部分。
按土地利用类型划分,草地生态系统包括自然界各种草原、草甸和稀树干草原。
在世界范围内,草地约占陆地总面积的20%。
在我国,草地是最大的陆地生态系统类型,各类草地面积约4亿hm2,占到土地总面积的40%以上。
对草地生态系统而言,土壤碳库约占总碳储量的90%[2]。
长期以来,国际上大量学者对草地生态系统土壤碳库尤其是有机碳库进行了广泛而深入的研究,在有机碳库的组成[3]、来源与输出方式[4,5]、碳储量[6]及其 时空分布特征[5,7,8]等方面取得了很多成果。
近年来,由于人口与资源矛盾的加剧,草地生态 系统正遭受着越来越严重的人为活动影响,如过度放牧、草地开垦为农田、大气氮沉降增加(主要因为化石燃料的燃烧引起的大气中氮氧化合物浓度增加)以及草地施肥[9]。
这些行为一般会通过植物生产、土壤微环境等途径对土壤碳库造成影响。
周涛等[10]指出,土地利用变化既可以通过影响NPP直接影响土壤有机碳储量,也可以通过改变土壤呼吸的温度敏感性间接影响土壤有机碳储量。
同时,主要由大气CO2浓度升高驱动的全球变暖也会对草地生态系统及其土壤碳库产生重要影响。
Nouvellon等[11]指出,与其他生态系统类型相比,草地生态系统的脆弱性使其碳的输入与输出对气候变化的反应
3 收稿日期:2009204227;修回日期:2009208211.3基金项目:国家自然科学基金重点项目“温带草地植被—土壤系统碳氮耦合特征及其对氮素水平的响应”(编号:40730105);国家自然科学基金面上项目“温带荒漠草原碳排放与碳固存及其与草地退化恢复的耦合分析”(编号:40501072)和“温带草原土壤呼吸区域分异的生物环境机制及关键问题探索”(编号:40673067);国家科技攻关计划“典型陆地生态系统功能变化的人文因素检测”(编号:2007BAC03A11-02)资助. 作者简介:肖胜生(19812),男,湖北黄冈人,博士研究生,主要从事全球变化及环境生物地球化学方面研究. E2mail:xss19811213@3通讯作者:董云社(19612),男,陕西武功人,研究员,博士生导师,主要从事陆地表层生命元素环境生物地球化学循环研究. E2mail:dongys@igsnrr. 第10期 肖胜生等:草地生态系统土壤有机碳库对人为干扰和全球变化的响应研究进展 1139 更为敏感。
在此背景下,加强草地土壤碳库尤其是有机碳库的响应研究有着极其重要的意义,国内外相关学者通过实验研究与模型模拟等手段在这些方面也取得了一系列重要进展。
土壤有机碳含量及其动态平衡不仅是反映土壤质量和草地健康的重要指标,直接影响着土壤肥力和草地生产力,而且由于土壤有机碳储量的库容量巨大,其较小幅度的变化就可能影响到大气CO2浓度的变化,从而以其温室效应影响全球气候变化。
因此,草地土壤碳库碳储量变化及其调控机制是草地碳循环研究的核心。
鉴于此,本文综述了几种主要的人为活动(放牧、开垦、氮素输入以及草地恢复重建)及全球变化(大气CO2浓度升高与全球变暖)对草地生态系统土壤有机碳及活性碳含量的影响,以期对相关研究起到一定程度的参考作用。
2 人类活动对草地生态系统土壤有机碳库的影响 2.1 放牧对草地土壤有机碳库的影响越来越多的研究表明,草地生态系统土壤碳储 量受到土壤利用方式和管理策略的显著影响[12,13],放牧是对草原影响最为广泛的土地利用方式。
国内外有关放牧对草地生态系统土壤有机碳影响的研究很多,但因草地类型、放牧强度、放牧年限以及研究方法的不同,目前研究结果还不尽一致。
Derner等[14]、Zhao等[15]研究都表明放牧减少了碳素向土壤的输入,从而减少了土壤有机碳含量。
如董云社等[16]指出,就全球范围内,过度放牧使得地上净初级生产力只有20%～50%归还土壤。
Wang等[17]在中国松嫩平原羊草草甸草原通过CENTURY模型模拟研究表明,土壤有机碳含量对放牧强度十分敏感,随着放牧强度由10%不断增大到80%(指每月地上生物量被啃食的比例),土壤有机碳含量不断减少,减少幅度为2.49%～49.87%,而且不同放牧强度之间土壤有机碳含量差异显著(P<0.001),同时建议松嫩平原草甸草原放牧强度低于40%,这样才能保证该草甸草原可以维持一种不退化的状态。
但是,放牧并不总是减少碳储量,而与放牧强度及畜牧承载量有关[18]。
如Raiesi等[19]、Shrestha等[20]都认为短期内轻度放牧对土壤有机碳总量没有显著影响。
王艳芬等[21]在内蒙古温带典型草原上的研究也表明,在短时期内,土壤有机碳含量不受放牧强度的影响。
Holt[22]在澳大利亚东北部2个半 干旱草原的研究结果表明,重度放牧6～8年后土壤有机碳总储量也没有发生显著变化。
Schuman等[23]经过12年的实验证明,与不放牧样地相比,不管是重度放牧还是轻度放牧都能导致土壤上层30cm的碳含量增加,但土壤60cm深度的剖面中总的碳素含量没有改变,并解释为放牧只是引起碳素在植物—土壤系统的重新分布,对土壤总的碳含量没有产生显著影响。
而过度放牧一般都会减少土壤有机碳含量,引起草地退化。
如张旭辉等[24]指出,过度放牧是我国草甸湿地土壤退化和碳库损失的主要驱动因子之
一。
在1986—2001年间,过度放牧导致中国内蒙古阿拉善地区草地表层土壤(0～20cm)有机碳含量损失了25.2%[25]。
Xie等[26]估算出,从20世纪80年代到20世纪末期的20年间,因为草地退化的原因,中国草地土壤有机碳储量减少了3.56Pg(1Pg =1015g),而过度放牧是引起草地退化的主要因素。
此外,有研究认为一定程度的放牧还可以增加 土壤有机碳含量[27,28]。
Schuman等[27]指出这是因为牛羊的踩踏加速了地表凋落物的物理分解,提高了地表凋落物的分解速率,促进了碳素由地上部分向土壤的转移。
单一的放牧活动对土壤有机碳积累的影响尚不能达到一致结论。
实际上,越来越多的牧场管理策略倾向于在放牧的基础上辅以施肥来促进牧草生产,这样土壤有机碳含量又会有不同的响应。
Mortenson等[29]指出,施肥可以增加地上与地下生物量,在一定程度上可以弥补放牧对生物量的损失,从而平衡碳素向土壤的输入;同时放牧与施氮二者对土壤有机碳的综合效应与草场氮素基础水平、氮肥用量及放牧强度等因素有关。
归纳起来,上述实验多集中于放牧对总有机碳影响的研究。
实际上,由于自然土壤有机碳高背景值和土壤类型的多样性,土壤总碳的微小变化对外界的反应总是难以被观测到,尤其是在较短时间尺度上,人类活动对土壤总碳库的影响并不显著。
于是,一些学者开始尝试应用土壤有机质物理分组和同位素14C的方法来研究土地利用变化对土壤碳库中不同组分的影响及土地利用方式变化过程中土壤碳的稳定机制及其影响因素[30,31]。
这些研究表明,土地利用变化主要影响的是土壤有机碳组分中分解相对快的部分,即活性碳组分。
关于放牧活动对草地土壤活性碳含量影响的研究结论比较一致,即放牧能显著降低活性碳组分在土壤的含量。
如在 1140 地球科学进展 第24卷 Holt[22]的实验中,重度放牧6～8年后土壤总有机碳含量没有显著变化,但是土壤微生物量碳(MicrobialBiomassCarbon,MBC)含量在两类草原中分别下降了51%和24%。
Shrestha等[20]的研究表明,放牧显著改变了土壤MBC含量。
马秀枝等[32]较系统地研究了放牧对内蒙古锡林河流域几种主要草原群落土壤微生物量碳和易分解碳(LabC)的影响。
结果表明,自由放牧22年后,羊草(Leymuschinensis)草原0～10cm和10～20cm土层土壤MBC含量分别下降了27.9%和12.8%,LabC含量分别下降了22.0%和12.6%;大针茅(Stipagrandis)草原表层(0～5cm)和下层(5～15cm)MBC分别下降了38.2%和12.2%。
这进一步表明,与下层土壤相比,表层土壤活性碳含量更易受到放牧活动的影响。
尽管关于放牧活动对草地土壤碳库影响的结论尚不完全一致,但越来越多的研究表明围栏封育措施可以固存更多的有机碳,对退化草地生态系统更是如此[20,33]。
2.2 开垦对草地土壤有机碳库的影响 开垦是除放牧以外影响草地生态系统的最大人类活动之一[25,34]。
在某些地区,开垦是影响草原生态系统最剧烈的人类活动因素。
Lal等[35]统计表明,截止1998年,全球已有约660Mhm2的草地被开垦成农田,占土地利用变化的近40%。
关于开垦活动对草地土壤有机质含量的影响基本一致,即草地开垦为农田后土壤有机碳含量下降,原来土壤中碳素总量的20%～50%被损失掉[34,36]。
Qi等[34]在内蒙古锡林河流域连续3年的研究表明,贝加尔针茅草原开垦为春小麦田30年后,土壤表层0～10cm和10～20cm的土壤有机碳含量分别下降了38.3%和17.4%。
Guo等[37]研究表明,当草地向耕地转换后,土壤有机碳含量会大幅减少,97个样点平均减少了60%,同时有机碳含量的减少主要发生在上层土壤。
与草地相比,开垦后农田生态系统之所以具有较低的碳吸存速率主要是基于以下几个方面的原因[38]:①农田的地上碳素大部分被收割移走,使得向土壤归还的碳素较少;②农田的翻耕犁土等措施降低了碳素在土壤中的存留时间;③草地土壤中很大一部分由根系周转或根际沉降而来的碳素以化学性质很稳定的颗粒有机碳的形式所保护,而开垦活动破坏了这种物理保护作用;④开垦活动破坏了土壤团聚体使得一部分土壤活性有机质更易遭受分解。
但也有个别研究得到不同的结论,如陈伏生等[39]研究表明,草地开垦8年后,土壤表层(0～10cm)有机碳含量维持原状,亚表层(10～20cm)土壤有机碳明显增加,两层土壤有机碳贮量增加5.96%。
这主要是因为草地开垦为农田后,施加了氮肥所致。
该研究同时说明,在某些草地类型中辅以施肥等后续管理措施在一定程度上可以弥补开垦对草地土壤有机碳造成的损失。
李凌浩[40]进一步研究表明,大量碳损失发生在开垦后的最初几年,开垦20年后土壤有机碳含量趋于稳定。
同时,Wang等[36]研究发现天然草地转变为耕地后,有机碳损失主要发生在表层30cm的部分,而在30cm以下农田和对照草地没有显著差异。
2.3 外源氮素输入对草地土壤有机碳库的影响 外源氮素输入包括自然大气氮素沉降和人为施氮两种主要形式。
近几十年来,大气氮沉降越来越严重,氮沉降全球化趋势愈趋明显[41]。
如已有研究显示我国已经成为除西欧、北美之外的全球第三大氮沉降集中区[42]。
此外,从维持草地生态系统养分平衡及促进退化草地恢复的角度出发,施肥在国外尤其是在一些畜牧业发达的国家已是一项常规的草地管理措施[43]。
因此,外源氮素的输入将可能在很大程度上改变草地生态系统可利用氮素的状况,从而对草地土壤碳库产生重要影响。
目前,国内外关于大气干湿氮沉降或者人为施肥对草地土壤有机碳储量及不同碳素组分的影响方面的报道不多,研究结论也不尽一致。
对土壤有机碳含量而言,外源氮输入的影响效应尚存在很大的不确定性,不同的氮素输入量、氮肥种类及输入时间长短都对最终的结果产生影响。
一种认为氮输入能促进碳固定,从而增加土壤有机碳含量[44,45]。
如Malhi等[45]探讨了连续施肥27年对种植雀麦草的薄层黑钙土总有机碳的影响,结果表明随着氮肥水平的增大(由0、56、112、168、224到336kgN/(hm2·a)),0～30cm土层的总有机碳浓度和数量也逐渐增加,同时高氮水平下土壤碳的增加速度更快,而低氮水平下单位氮肥的增碳效率更高。
一种认为氮素输入减少了土壤有机碳储存,如Mack等[46]在阿拉斯加苔原带进行的一项为期20年的长期施氮研究表明,长期施氮造成苔原生态系统每平方米净损失2kg碳。
也有研究表明,氮素输入对土壤有机碳库影响不大[43]。
Soussana等[48]应用单室模型评价了施肥措施对法国一温带草地土壤碳蓄积的影响,认为适度施肥对有机质向土壤输入 第10期 肖胜生等:草地生态系统土壤有机碳库对人为干扰和全球变化的响应研究进展 1141 的促进作用比对有机质分解的促进作用大,因此有利于土壤碳吸存;但是强度施肥对二者的促进作用都较大,综合起来对土壤碳吸存没有明显作用,甚至有可能造成土壤碳损失。
上述研究之所以存在很大争议,主要是因为目前还不能从机理上解释清楚氮素输入到底是通过什么方式对土壤碳库产生影响。
正像Nadelhoffer等[49]指出的那样,在土壤表层,大部分增加的氮被矿化了,是否是氮素直接影响了碳含量的改变,还是氮输入通过影响其他因素间接来促进土壤碳含量的改变,其机理还不是很清楚。
Hagedorn等[50]认为是氮输入通过降低土壤中腐殖质的分解速度来增加土壤碳储量;而曹裕松等[51]指出可能存在一些非生物学过程,使一部分氮固定在土壤有机质中,从而使土壤呼吸作用受到抑制;Saiya2Cork等[52]认为氮的富集可以抑制一种能够对木质素起分解作用的酶的形成,并且氮能够与木质素残留物进行作用,形成能够较大程度抵制微生物降解的有机复合物,从而对土壤有机碳含量有促进作用。
相反Neff等[47]研究发现氮输入可能是通过改变土壤有机质的溶出作用,或者破坏某些有机矿质复合体来加剧活性有机碳的溶出,进而减少土壤有机碳含量。
目前关于氮素输入对草地生态系统土壤中活性碳影响的研究还不多,在基本结论和原因分析两方面都存在着许多争议。
Emmett等[53]在泥炭灰壤土酸性草地上的研究表明,氮素添加对土壤可溶性有机碳(DissolvedOrganicCarbon,DOC)含量的影响与氮素形态及氮肥用量都有关系,施加NaNO3(20kgN/(hm2·a)肥料能显著增加DOC浓度,而添加等量的(NH4)2SO4则降低了土壤DOC含量;此外施加10kgN/(hm2·a)的(NH4)2SO4则对DOC含量不产生影响。
Malhi等[45]的实验结果表明0～30cm土层的活性有机碳的浓度和数量随着氮肥比率增加而增加,呈显著的二次方程响应。
但也有学者认为[54],氮元素可以通过增强土壤微生物活性、增加土壤腐殖质的稳定性等途径来使得土壤中DOC含量降低。
关于氮素输入对于MBC的影响,Fisk等[55]发现,长期的氮肥试验使得土壤MBC含量和氮输入呈显著的负相关关系,随着氮输入量的增多MBC反而减少。
相反,短期的施肥却表现出MBC的增加[56]。
也有研究表明施用无机、有机肥料可使MBC含量在施肥初期大量增加,但随着时间的推移,MBC含量又有所降低[57]。
这些相互矛盾的结果可能与初始微生物类群、土壤pH值、有机质以及 土壤养分含量的不同有关[58]。
另外,施肥对草地土壤活性碳的影响与草地本 身的氮素基础水平有很大关系。
如Sarathchandra等[59]研究表明,施肥对本身就比较肥沃的草地MBC含量没有产生什么影响,而在较贫瘠草地的施肥实验表明,肥料用量减少后,土壤MBC含量也相应减少[60]。
2.4 草地恢复重建与土壤固碳潜力 在第236次香山科学会议上,我国土壤学家普遍接受我国大陆土壤(1m深度)总有机碳库的估计值为90Pg,其中278.51万km2的草地储存了37.71Pg的土壤有机碳[26]。
1986—1999年中国大陆退化草地面积增加了530万hm2,所有这些草地的退化导致过去20年间中国土壤有机碳储存减少了3.564Pg[61]。
采取更加严格的措施来保护草地以及采取措施促进草地的恢复不仅有利于草地生态系统的可持续生产,而且对调节大气CO2浓度、保护全球气候有重要作用。
IPCC[62]报告分析和评价了放牧集约化、施肥、灌溉、引种牧草及防火等措施对草地土壤有机碳的影响,并估算得到全球草地到2010年的固碳潜力为0.24Pg。
Gurney等[63]总结了美国、加拿大和俄罗斯三国草地改良及恢复的固碳潜力,分别达到9Tg/a、0.2～0.6Tg/a和0.4～0.8Tg/a(1Tg=1012g)。
郭然等[64]估计,在内蒙古、西藏和新疆等地区通过减少畜牧承载量,使过度放牧的退化草地得以恢复,可以增加土壤有机碳储存4561.6Tg;同时,人工种草、退耕还草和围栏封育的固碳潜力分别是25.6、1.5和12.0Tg/a,总计达到39.1Tg/a。
在这些草地改良和恢复的措施中,引种优良牧草受到较多关注。
这些牧草的共同特点是既具有较高的饲料生产价值(较高的生物量和营养价值),同时还具有较强的碳吸存能力(较高的地上地下生物量和较高的碳密度)。
如Lal等[65]研究表明引进高羊茅(Festucaarundinacea)和无芒省麦(Bromusin2ermis)6年后能增加土壤碳库17.2%,相当于3MgC/(hm2·a)的碳吸存(1Mg=106g)。
Ma等[66]也得到,在种植柳枝稷(Panicumvirgatum)10年后,1～15cm和15～30cm两层土壤有机碳含量分别比对照高出了45%和28%。
Post等[67]总结分析了各种人为管理措施对土壤有机碳含量变化的影响,认为只要具备了以下几个条件的任何一个,都将有利于土壤碳吸存:①增加有机质向土壤的输入速率;②降低土壤中有机质 1142 地球科学进展 第24卷 (尤其是轻组有机质组分)的分解速率;③增加有机质在土壤剖面中的分布深度;④增强土壤团聚体包裹或有机矿质复合体等对有机质的物理保护作用。
并据此认为,那些在过去年代中由于不善的管理措施消耗了大量有机质的草地类型有着更大的碳吸存潜力。
3 草地土壤有机碳库对全球变化的响应 3.1 草地土壤有机碳库对大气CO2浓度升高的响应大气CO2浓度升高条件下土壤—植物系统碳储 存及分配是20世纪90年代以来土壤碳库与全球变化关系研究的主要内容。
大气CO2浓度升高对土壤过程很难产生直接的明显的影响,因为土壤孔隙中CO2的浓度本身就很高,超过1000×10-6[68]。
一般来说,由于CO2浓度的增加会促进光合同化,增加碳素向土壤的输入,但同时微生物的活性和土壤呼吸也受到了促进[69],因此,草地暴露在高CO2浓度下,其土壤有机碳含量不会发生显著变化。
Hun2gate等[70]、Xie等[71]的研究结果都说明了这一点。
土壤有机碳库的含量变化难以准确测定,还因为年净变化值相对于其背景总量来说太小[69]。
虽然全球各大洲都布置了大气CO2倍增试验(FreeAirCO2Enrichment,FACE),但因土壤碳储存与更新是生态系统过程决定的,短期的试验结果尚不足以说明CO2加倍对土壤碳库的效应。
但在长期尺度上,却得到不同的结论。
大量的实验研究表明大气CO2浓度升高对草地生态系统碳平衡产生重要影响,因为大气CO2浓度升高会促进NPP生产,并且使得新增的那部分同化碳素被优先分配到根系中,从而有利于碳吸存。
Verburg等[72]用14C标记研究了CO2浓度倍增下碳素由植物向土壤系统的转移,结果是CO2加倍降低了土壤呼吸速率。
Cardon等[73]在加利福尼亚草地的研究也发现,高CO2浓度下土壤原有有机碳的分解速率有所降低,使得有机碳含量增加。
Gorissen等[74]发现,CO2加倍环境下草原土壤根系的分解减慢,这种作用可抵消环境温度升高6℃时所促进的有机碳分解。
鉴于CO2加倍时相应大气环境温度仅升高2℃,因而认为在CO2加倍下草原土壤的碳汇效应更显著[75]。
对大气CO2浓度升高条件下土壤中碳的变化,还要考虑到土壤中不同粒级碳的变化情况,因为不同土壤粒级碳的代谢周转不同,将影响到土壤碳变 化的预测和评估,但国际上关于CO2浓度升高对土壤不同粒级碳浓度及周转速率影响的研究很少。
Wang等[76]模拟了在不同土壤湿度条件下CO2加倍对土壤有机碳及活性碳的影响,结果表明土壤有机碳在CO2加倍及不同土壤湿度情况下的变异系数仅为1.3%,而土壤活性有机碳的变异系数达29.7%,当土壤湿度为60%时,土壤活性碳含量显著减少了45%,表明活性碳组分对环境变化更敏感。
综上分析,大气CO2浓度升高在短期内对草地土壤的碳汇功能没有显著影响,而长期尺度上土壤碳汇能力会有所增强。
但土壤碳库对大气CO2浓度升高的响应非常复杂,同时受到多种因素的综合影响,在不同的草地类型和管理方式下会得到不同的结果。
Allen等[77]表明在大气CO2浓度升高时,草地土壤积累有机碳的能力与草地物种密切相关,种植百喜草(PaspalumnotatumFlugge,C4植物)比黄连多年生花生(ArachisglabrataBenth.,C3植物)能积累更多的土壤有机碳。
Xie等[71]的研究也表明,尽管高CO2浓度下土壤总碳量没有显著变化,但是大气CO2浓度升高条件下新输入土壤的碳素含量却与施氮与否和草地物种密切相关。
3.2 草地土壤有机碳库对全球变暖的响应 储量巨大的土壤碳库不仅是全球碳循环中重要的动态组分,而且是一个潜在的碳源[78]。
因此,研究土壤有机碳对全球变暖的响应有着极其重要的意义,是全球变化研究的热点之
一,它主要包括土壤有机碳不同组分的温度敏感性和升温对土壤有机碳含量的影响两个方面的内容。
因为土壤有机碳的大部分是以稳定态碳的形式存在于土壤中,因此加强土壤有机碳库中不同组分温度敏感性差异的研究有利于改进目前的陆地生态系统碳循环模型以及提高全球变化背景下土壤碳库变化的预测精度。
目前国际上关于稳定态碳(或长效态碳)与活性碳(或速效碳)的温度敏感性差异的研究争议还较大,如Mellilo等[79]认为与土壤中活性碳相比,稳定态碳具有较低的温度敏感性,Knorr等[80]通过模型模拟、Fierer等[81]通过试验研究都认为稳定态碳比活性碳具有更高的温度敏感性,而Fang等[82]则发现稳定态碳和活性碳有着几乎一致的温度敏感性。
国际上关于全球变暖或土壤升温对草地生态系统土壤有机碳含量(碳吸存)影响的结论也不尽一致。
如Cao等[83]研究得到,在未来气温上升背景下,温带草地的土壤碳素会有所增加。
Parton等[84] 第10期 肖胜生等:草地生态系统土壤有机碳库对人为干扰和全球变化的响应研究进展 1143 应用CENTURY模型研究得到,当气温升高2～5℃后,在50年内,世界范围内草地生态系统的土壤碳库会有3～4PgC的损失,全球变暖有可能部分抵消因人为管理措施改善和大气CO2浓度升高带来的碳储存,并且指出这种损失主要是由升温后温带草地土壤有机质分解速率增加了25%造成的。
Rie2do等[85]则应用PaSim模型对瑞士一冷草原当温度上升2℃后土壤碳库的变化情况进行了模拟。
结果表明,升温对该地方土壤活性碳组分只有微弱的影响;同时,该地区一些低海拔谷地土壤有机碳含量下降,但在一些高海拔的地方土壤有机碳含量增加。
因此,我们认为,气温升高对植物净初级生产(NPP)和土壤有机碳的分解都有一定的促进作用,升温对土壤有机碳含量的最终影响必须通过综合判断NPP和有机碳分解二者的温度敏感性。
Kirsch2baum[86]在综合分析了大量的实验室土壤培养实验与田间试验后,认为升温对促进土壤有机质分解的影响比对促进NPP的影响大,因此,在长期尺度上升温将减少土壤有机碳含量。
这种结论在青藏高原得到证实,Thompson等[87]与Liu等[88]都指出,几十年来青藏高原土壤有机碳含量的下降与其气候的温暖化趋势有密切联系。
Belay2Tedla等[89]在高草草原(tallgrassprairie)的研究表明,持续两年半的升温处理对总碳和稳定态碳含量没有产生显著影响,却显著增加了土壤中活性碳组分及活性碳组分中MBC的含量;如果增温处理的同时伴有剪草行为,土壤活性碳含量则会显著减少。
实验室培养实验也表明,土壤升温对土壤微生物生物量及其活性有一定的促进作用[82]。
关于大气CO2浓度升高和温度上升二者对土壤有机碳含量的综合影响,取决于二者的平衡关系,在不同的地区会出现不同的结果[86,90]:在低温寒冷地区,升温的影响占优势,将减少土壤有机碳含量;而在高温地区,大气CO2浓度升高的影响会强于升温,使得土壤有机碳含量趋向增加。
但是不管是增加还是减少,其影响都是极其有限的。
上面就几种主要的人为干扰活动或草地管理措施以及全球变暖对草地生态系统土壤有机碳库的影响进行了较为详尽的介绍。
土壤中的有机碳储量是进入土壤的生物残体等有机物质的输入与以土壤微生物分解作用为主的有机物质的损失之间的平衡,因此凡是能影响到碳素向土壤的输入及其微生物分 解的因素都能对土壤有机碳含量产生影响。
不同研究者由于草地类型或研究方法的差异而得到不同的研究结果,具体见表
1。
4 研究展望 从以上的分析中可以看出,国外关于土地利用方式与施肥对草地生态系统土壤有机碳库(包括活性碳组分)影响的研究取得了很大进展,国内的相关学者也得到了一些很有益的结论;在土壤有机碳库对全球变化的响应与适应上也取得了重要的结果,但由于地下过程研究的复杂性,草地生态系统土壤有机碳库的研究还存在诸多薄弱环节。
综合起来,今后应该加强以下几个科学问题的研究:
(1)草地土壤系统受到越来越强烈的人为干扰,因此土壤有机碳的稳定性与土壤管理措施密切相关。
那么人为管理措施如放牧集约化、施肥等对土壤碳库稳定性的具体影响机制以及能否建立土壤有机碳库稳定性的动态平衡预测模型等问题需要进一步深入研究。
(2)前面提到,氮素输入对草地生态系统土壤有机碳含量的影响尚存在着很大的不确定性,与施肥量、氮肥种类、施肥时间长短及草地类型等都有关系,这为模拟与预测未来全球范围内大气氮沉降趋势增强及施肥活动增加情况下草地土壤碳库碳吸存能力的变化带来困难。
因此,加强研究氮素输入对典型草地生态系统土壤碳库含量影响的机理及其在较长时间尺度上的变化有重要意义。
(3)前面提到,土壤碳库中不同组分的温度敏感性差异问题还存在较大争议,但在全球变暖的大背景下,相关科学问题的解决对进一步理解地下碳循环过程的控制机制和提高土壤碳库变化的估算精度都有极其重要的意义,因此迫切需要进一步深入研究。
(4)全球变化背景下草地土壤碳吸存能力的变化情况非常复杂,受到大气CO2浓度上升、气温与土温升高、降水格局改变、草地物种及不同管理方式(施肥与否)等因子的影响,而且这几种影响因子有可能联合起来对草地生态系统产生影响。
这就需要通过系统控制实验(CO2加富、增温、降水、施肥、火烧、放牧和物种去除)来加强研究这几种因素的综合影响。
1144 地球科学进展 第24卷 表
1 人为干扰及全球变化对草地生态系统土壤有机碳含量的影响Table1 Responsesofsoaniccarbonpoolofgrasslandecosystemtohumaneffectsandglobalchanges 措 施放 牧 草地开垦 外源氮输入 引种优良牧草CO2浓度升高 全球变暖或土壤升温CO2浓度升高与升温的综合影响 影响结果长期放牧或过度放牧下减少短期内轻度放牧下不变轻度放牧下增加 减少 增加不变 增加 减少 增加 短期内不变 长期内增加短期内增加长期内减少 低温地区减少 高温地区增加 对土壤有机碳含量的影响影响机理或途径(文献) 减少碳素向土壤输入[14,15,17,24～26] 不影响碳素输入与输出的平衡[19,20,21,23] 牛羊踩踏加速凋落物分解[27,28]减少碳素向土壤输入;有机质分解和土壤侵蚀活动增强;开垦破坏了土壤颗粒有机碳和土壤团聚体[34,36～38,40]施肥部分弥补开垦对有机碳的损失[39]碳素输入与输出相互抵消[43]氮输入能促进植物碳固定[44,45];氮素被有机质吸附固定[51];氮素输入抑制有机质分解[50,52]改变土壤有机质的溶出作用,或者破坏有机矿质复合体来加剧活性碳溶出[47]具有较高的地上地下生物量和较高的碳密度双重特性[65,66]在促进光合同化的同时也促进微生物活性和土壤呼吸作用[69]减缓有机碳分解[72,73]减缓植物根系的分解[74]升温显著促进植物碳固定[83]升温对促进土壤有机质分解的影响比对促进NPP的影响大[84,86]对有机碳分解的促进作用大于对碳固定的促进作用[86,90]对碳固定的促进作用大于对有机碳分解的促进作用[86,90] 参考文献(References): [1] SchlesingerWH.Evidencefromchronosequencestudiesforalowcarbon2storagepotentialofsoils[J].Nature,1990,348(6298):2322234. [2] LiLinghao,ChenZuozhong.TheglobalcarboncycleingrasslandecosystemsanditsresponsestoglobalchangeI.Carbon2partmentmodel,inputandstorage[J].ChineseBulletinofBotany,1998,15
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2,DONGYunshe13,QIYuchun1,PENGQin1,
2,HEYating1,
2,YANGZhijie3 (
1.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing 100101,China;
2.GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing 100149;
3.KeyLaboratoryofHumidSubtropicalEco2geographicalProcess(FujianNormalUniversity),MinistryofEducation,Fuzhou 350007,China) Abstract:Thestocksanditschangemechanismofsoilcarbonpoolingrasslandarethecoreofgrasslandeco2systemcarboncycleresearch.Grasslandareundergoingseriousdisturbance,suchasland2usechange,nitrogenin2put(nitrogenpositionandfertilization),elevatedCO2andglobalwarming.Strengtheningtheresearchinre2sponsesofgrassaniccarbonpooltothedisturbanceisofgreatimportance.Herewereviewedtheeffectsofgrazing,grasslandcultivation,andexternalnitrogeninputonaniccarbonpoolincludingsoilactivecarbonfractionandtheirresponsestoglobalchange.Themainresearchdirectionsinthisfieldinthefuturewerealsosug2gested. Keywords:Grasslandecosystem;aniccarbon;Soilactivecarbon;Globalchange. 《地球科学进展》期刊“大尺度水热通量的观测、分析与应用”专辑征稿启事 为集中展示中国学者在大尺度水热通量的观测、分析与应用等方面的最新研究成果(包括大尺度水热通量观测仪器的研制、观测实验、观测数据处理与质量评价、大尺度水热通量的分析与应用等),促进深层次的学术交流、便于读者集中了解本领域的学术动态和最新进展。
《地球科学进展》计划于2010年6月左右出版一期以“大尺度水热通量的观测、分析与应用”为主题的专辑。
欢迎各位专家踊跃投稿,积极参与遴选。
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(3)全文提交:2010年2月22日来稿的具体格式要求请参阅《地球科学进展》的投稿须知。
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