关于中国土壤碳库及固碳潜力研究的若干问题

土壤碳库研究及碳汇问题是近年来土壤碳循环与全球变化研究的热点领域. 本文回顾了中国土壤碳库估算的研究成果, 分析了我国土壤碳库在气候变化下的演变态势, 并探讨了土壤有机碳矿化与温室气体的释放问题. 整合已有的研究资料, 可以认为中国土壤总有机碳库接近90 Pg, 无机碳库约为60 Pg, 农田土壤已有的固碳速率在20~25 Tg/a 水平. 农田土壤固碳的理论容量可以达到2.0 Pg 水平, 但农业技术的实施能够实现的技术潜力可能仅为理论潜力的1/3 左右. 因此, 改善土壤管理和农田经营机制可能是提高土壤固碳技术潜力的关键.土壤固碳中有机碳积累并不表现出分解的敏感性, 固碳显得有利于提高农田生产力和改善生态系统功能, 一些农田综合温室气体排放的生命周期评价的案例研究反而显示有机质积累下农业生产的碳排放强度没有提高甚而降低. 未来中国土壤碳库研究的重点发展方向在于: (1)以流域为尺度和地球表层系统为对象的系统固碳与碳汇研究; (2) 生态系统土壤碳固定与稳定机制, 特别是土壤固碳与生产力和生态服务功能的协同机理和多界面过程. 中国土壤碳科学将面临多学科集成和多目标服务的新发展机遇.     

近20年来中国大陆农田表土有机碳含量的变化趋势

调研并分析了中国大陆1993年以来关于区域农田土壤有机碳变化的文献200余篇. 为了客观评价中国大陆农田有机碳的变化, 从中选出132篇具有代表性的文献, 这些文献涵盖了不同地区60000余个土壤样品的测定结果. 分析结果表明, 近20年来占中国大陆农田面积53%~59%的土壤有机碳含量呈增长趋势, 30%~31%呈下降趋势, 4%~6%基本持平. 进一步分析结果指出, 中国大陆农田表土有机碳贮量总体增加了311.3~401.4 Tg. 其中, 华东和华北地区增加明显, 但东北地区呈下降趋势. 有机碳含量增加明显的土壤类型为水稻土和潮土, 黑土下降显著. 有机碳含量增加主要归因于秸秆还田与有机肥施用、化肥投入增加与合理的养分配比以及少(免)耕技术的推广; 黑土区有机碳含量下降的主要原因是水土流失和投入不足. 为了有效地促进农田土壤碳固定, 最大限度地遏制东北地区土壤有机碳下降的趋势, 未来应通过配套技术的研究、农户培训和政府补贴等措施, 进一步推广秸秆还田、平衡施肥、少(免)耕等保护性耕作措施, 加大水土流失的综合治理力度. 与此同时, 为了应对后《京都议定书》时代对中国可能产生的减排压力, 未来需加强4个方面的研究: (1)第二次土壤普查期间及目前中国农田土壤有机碳贮量, (2)由自然因素和人为因素控制的农田土壤有机碳变化机理, (3)增加土壤碳固定及减少碳损失的有效途径, (4)农田土壤的固碳潜力及未来演变趋势.     

陆地生态系统土壤铁结合态有机碳:含量、分布与调控

土壤是陆地生态系统最大的有机碳库,其有机碳储量超过植被和大气碳库的总和.铁氧化物的矿物保护被认为是土壤有机碳长期稳定性的关键机制之一.铁氧化物具有比表面积大、吸附能力强的特点,且在热带和亚热带地区含量丰富.然而,目前关于陆地生态系统土壤铁结合态有机碳占土壤总有机碳的比例(f_Fe-OC)及其分布格局和调控机制仍不明晰.本文整理了已报道的陆地生态系统351组土壤f_Fe-OC数据,分析了其在不同土层、生态系统、气候带的分布格局和受气候、土壤、矿物因子的调控机制.结果表明:(1)陆地生态系统土壤f_Fe-OC平均为21.9%,且深层土f_Fe-OC(37.5%)显著高于表层土(15.4%, P<0.01).(2)土壤平均f_Fe-OC在不同生态系统表现为:湿地(24.5%)>草地(16.2%)>森林(14.9%)>农田(14.8%),贫氧生态系统(24.2%)显著高于有氧生态系统(15.7%, P<0.01).土壤平均f_Fe-OC在不同气候...     

基于土壤团聚体组分的14C分析及其在不同林龄土壤有机碳周转研究中的应用

目前关于人工造林后土壤有机碳库变化的趋势、幅度及其碳汇功能仍存在很大的不确定性.应用放射性碳(14C)方法,研究河北塞罕坝草甸草原与人工林土壤有机碳周转时间,以加深对人工造林后土壤有机碳库变化的认识.实验结果显示,14C示踪方法所估算出的人工造林后土壤有机碳周转时间可长达几十年至几百年.在草甸草原营造樟子松林后表层土壤全样以及团聚体有机碳的周转时间均明显变短,并随着林龄的增大而改变,这将导致土壤CO2通量的增加,因此,草地造林有可能削弱了表层土壤储存有机碳的能力.对不同林龄的土壤团聚体组分进行稳定同位素与14C分析,发现草甸草原营造樟子松林后土壤中年轻碳库与较老碳库对草地造林的响应存在差异:在幼龄和中龄阶段,土壤中较老碳库CO2排放量的比例呈现出增加趋势,而进入成龄阶段,其比例开始下降,表明林龄对人工林土壤固碳机制有所影响.用14C方法所得到的土壤CO2通量相对较低,这可能与未能有效地从土壤团聚体中分离出较年轻碳库的组分有关.今后的研究应在发展多种组分分离方法的基础上进行碳同位素分析,以提高土壤CO2通量估算的准确性.     

子午岭森林灰褐土保护有机碳的能力及各密度组分生化特征

物理保护是稳定土壤有机碳的主要方式之一, 为了理解在全球气候变化和碳循环中土壤作为碳汇(或碳源)所起的作用并正确管理土壤, 首先应该知道特定的土壤中有多少有机碳是被物理保护的. 通过密度分组和超声波技术将每个土样分为3个组分: 自由轻组、闭合组分和重组, 并分别分析每个组分的有机碳含量、碳水化合物含量和顽固性碳含量. 结果表明: (ⅰ) 整个土壤剖面上, 重组中的有机碳占明显优势, 自由轻组次之, 闭合组分中有机碳的分布最少, 说明土壤中大部分有机碳是受物理保护的. 随土壤深度增加, 自由轻组有机碳由25.27%下降为3.72%, 而重组有机碳由72.57%上升为95.39%, 闭合组分有机碳为2.16% ~0.89%. (ⅱ) 从顽固性指数看, 轻组碳和重组碳的顽固性是相似的, 甚至在土壤表层以下, 轻组碳的顽固性比重组碳的顽固性高, 说明轻组并非像经常定义的那样是最新鲜或很少被分解的组分, 并且在表层10 cm以下, 受物理保护的有机质, 其有机质质量也相对较高.     

基于大气CO_2浓度和生态碳通量模型的土壤碳库优化方法

在碳循环过程中,土壤有机碳库的大小和分布对于基于过程的生态系统模型至关重要.由于全球地表土壤有机碳含量直接观测数据分辨率极为稀疏,基于这些数据所得的区域土壤有机碳库分布存在极大的误差.大气二氧化碳(CO2)浓度和土壤有机碳库是生态碳循环的重要组成部分,利用CO2浓度和生态碳循环模型修正土壤有机碳库,是改进碳库估计的新途径.本文通过大气CO2传输模型和陆地生态碳通量模型,建立CO2浓度和土壤有机碳库之间的关系,获得了修正土壤有机碳库的方法.应用实例分析结果表明:该方法可以有效修正土壤有机碳库,明显改进陆地生态通量模型模拟效果.     

“05-06”西江特大洪水对河流碳输出通量的影响

2005年6月西江(珠江主干流)发生了一次重现期近200年的特大洪水事件. 在此洪水过程中, 通过系列采样, 对河水总悬浮物(TSS)、溶解无机碳(DIC)、溶解有机碳(DOC)、颗粒有机碳(POC)进行实验室测定, 对洪水水体的碳含量及其变化特征作了讨论. 这些参数反映了流域地表和地下径流在洪水过程中的变化. 洪水事件对西江POC通量的估算影响最大, 其次为DOC, 而对DIC影响较小. 通过分别对西江全年及洪水期(2005年6月21~28日)的碳通量进行估算, 结果表明洪水期DIC, DOC和POC的通量分别为1.52×10⁶, 0.24×10⁶, 0.54×10⁶ g·km^&#8722;2·a^&#8722;1, 分别占全年碳通量的14.87%, 24.75%和44.89%, 洪水期间碳输出量对河流碳输出总量及构成方式有不可忽略的贡献, 研究洪水事件的碳通量对于准确认识洪水频发河流的碳通量有着重要的意义.     

中国国家级湿地自然保护区保护成效初步评估

国内外实践证明,建立自然保护区是保护典型生态系统和生物多样性、拯救珍稀濒危野生动植物的有效措施.中国政府圈地式抢救了大批湿地,目前基本形成了以湿地自然保护区为主体,国际重要湿地、湿地公园等相结合的湿地保护网络体系.但是至今还没有在国家水平上评估中国湿地自然保护区保护成效以及保护区布局的合理性.本文利用最新完成的中国湿地自然保护区保护价值评价数据库和按照同一分类体系提取的4期(1978～2008年)中国湿地遥感制图数据,辅以相关保护区、环境等数据,对30年来91个中国国家级湿地自然保护区的保护成效进行初步评估.主要结果如下:(ⅰ)30年来,湿地自然保护区内湿地面积总体呈现下降趋势,总净减少面积8152.47km2,占全国湿地总净减少量的9%;(ⅱ)虽然在国家级湿地自然保护区中湿地大幅减少的势头得到有效控制,但仍然有79%(面积)的保护区保护效果较差,主要分布在长江湿地区、滨海湿地区、三江源湿地区和西南诸河湿地区;保护效果优良的面积只占15%,主要分布在松花江湿地区;(ⅲ)在全部湿地自然保护区中,52个是自然原始的,面积占88%,远高于个数所占的比例(57%),但有相当比例的保护区达到预警等级,亟待引起重视;(ⅳ)根据保护成效和生态压力的评估结果,列出中国国家级湿地自然保护区的"优先关注排行榜",并提出了一些建议.     

黄土高原丘陵沟壑区草地恢复对土壤碳氮库的影响

对黄土高原丘陵沟壑区坡耕地及撂荒后5,13,24,32 a自然恢复草地的土壤有机碳(SOC)、无机碳(SIC)、全氮(TN)含量及储量(SOCs,SICs,TNs)进行了测定分析.结果显示,土壤有机碳含量随土壤垂直剖面降低.与坡耕地相比,0~5 cm SOC含量在草地恢复10 a后显著升高,而5~100 cm各土层的SOC含量在草地恢复的20 a后显著升高;0~100 cm各土层SIC含量在草地恢复5 a后即显著增加,且不同的恢复草地具有不同的SIC剖面分布类型.TN含量与SOC含量变化相似.但与坡耕地相比,早期的恢复(5,13 a)草地表层0~5 cm TN升高不明显,5~100 cm TN在草地恢复的5 a后显著升高.SOCs(0~100 cm)在恢复5 a的草地显著降低,恢复10 a后,显著升高;SICs(0~100 cm)和TNs(0~100 cm)在草地恢复5 a后即显著增加.此外,计算了土壤总碳储量(STCs),发现草地恢复过程中土壤碳库特征表现为越来越高的SOCs/STCs和越来越低的SICs/STCs.在草地恢复过程中,SOC和TN,STCs和TNs显著正相关(P0.01).因此,草地恢复加强了土壤碳库的积累,包括土壤有机碳库和无机碳库,但是这两个碳库在总碳库的占比相反.多年生草种在土壤碳氮库积累中起重要作用.     

1978～2008年中国湿地类型变化

分别基于美国陆地卫星(Landsat MSS/TM/ETM+)和中巴资源卫星(CBERS-02B)影像数据,以人工目视解译为主,完成了中国1978～2008年4期(基准年分别为1978,1990,2000和2008年)湿地遥感制图,并进行了大量的室内外验证.在此基础上,对我国湿地现状及近30年来湿地变化进行了初步分析,得到以下主要结论:(ⅰ)截止2008年,中国湿地面积约为324097km2,其中以内陆沼泽(35%)和湖泊湿地(26%)为主.(ⅱ)1978～2008年,中国湿地面积减少了约33%,而人工湿地增加了约122%.过去30年里湿地减少的速度大幅降低,由最初5523km2/a(1978～1990年)降为831km2/a(2000～2008年).(ⅲ)减少的自然湿地(包括滨海湿地和内陆湿地),其类型变化由湿地向非湿地转化的比例逐渐降低.初期(1978～1990年)几乎全部(98%)转换为非湿地;在1990～2000年间减少的自然湿地约有86%转化为非湿地,而在2000～2008年,这一比例下降为77%.(ⅳ)气候变化和农业活动是中国湿地变化的主要驱动因素,湿地变化在中国分为三大不同特征区域,即西部三省/自治区(西藏、新疆和青海)、北部两省/自治区(黑龙江和内蒙古)和其他省市区.其中西部区域尤其是青藏高原,湿地变化的驱动因子以气候增温为主;新疆湿地由于气候增温和农业活动共同作用造成变化不大.北部省/自治区的湿地变化则主要由农业活动引起;而其他省市区的湿地变化几乎完全受控于人类的农业经济活动.     

水泥生产碳排放分类细节校正的分析和探讨

水泥生产碳排放分类是精确测算碳排放因子的前提,基于对水泥生产各环节的生料、熟料、燃煤和窑灰的碳酸盐和有机碳的定量分析,认为对目前主流分类进行细节校正十分必要.抽样分析如下:(1)生料(A)、熟料(B)、燃煤(D)和窑灰(E)均含有无机碳和有机碳,新型干法窑样品的无机碳含量分别为74.00%~82.06%(A),0.01%~0.17%(B)和0.39%~3.12%(D),有机碳含量为0.02%~0.41%(A),0.01%~0.22%(B)和56.78%~88.52%(D),立窑样品的无机碳含量分别为66.93%~76.70%(A),0.01%~0.17%(B)和3.57%~68.52%(E),有机碳含量为2.56%~9.96%(A),0.01%~0.28%(B)和0.04%~7.11%(E);(2)校正后新型干法窑的无机碳排放因子为522 kg CO2/tcl,有机碳排放因子为265 kg CO2/tcl,碳排放因子为787 kg CO2/tcl,立窑的无机碳排放因子为505kg CO2/tcl,有机碳排放因子为334 kg CO2/tcl,碳排放因子为839 kg CO2/tcl.按照该种分类,两种工艺类型的碳排放因子分别较校正前的结果低约50和90 kg CO2/tcl.     

青藏高原两种高寒草甸地下生物量及其碳分配对长期增温的响应差异

增温可以改变植物的生长,不同植被类型的响应方式有差异.植物根系是植物生产量的重要组成部分,但对其增温响应的研究仍然较少.本研究采用开顶式生长室(OTC)模拟增温的方法,对比了长期增温对青藏高原矮嵩草草甸和金露梅灌丛群落地下生物量和有机碳含量的影响.通过分析不同土层地下生物量的垂直分布、土壤和根系含碳量,发现在长期增温条件下:(1)矮嵩草草甸地下生物量显著减少;(2)2种草甸地下生物量分配明显向深层转移;(3)2种草甸植物根系总碳含量变化不显著,矮嵩草草甸10~30 cm土层根含碳量增加,金露梅灌丛草甸20~30 cm土层的根系碳含量减少;(4)2种草甸土壤总碳含量无显著变化(0~30cm),但20~30 cm土层矮嵩草草甸土壤有机碳含量增加,金露梅灌丛草甸土壤有机碳含量降低.2种草甸地下资源分配差异将影响全球变暖背景下该地区的植被演替和碳循环.     

干旱区荒漠无机固碳能力及土壤碳同化途径

干旱区荒漠的非生物固碳能力一些学者至今怀疑,关键在于地上通量观测到的CO_2吸收结果是否在土壤碳库得到体现.本研究在我国西北干旱区,将荒漠划分为砾质荒漠(戈壁)、沙质荒漠(沙漠)和壤质荒漠三大类,从颗粒组成、总含盐量、有机碳和无机碳含量等方面测定分析,研究不同类型荒漠土壤有机碳和无机碳(soil inorganic carbon,SIC)密度和储量变化,并与高寒生态系统进行比较.结果表明,不同类型荒漠平均0~30 cm表土层和1 m深土壤SIC密度分别为2.8和10.1 kg C m~(-2).相比较,壤质荒漠的SIC密度最高,1 m深土壤达到12.1 kg C m~(-2).针对土壤对CO_2的吸收和无机固定,提出土壤碳同化(soil carbon assimilation)概念.荒漠生态系统固碳是植物碳同化与土壤碳同化,即有机和无机过程的结合,荒漠土壤无机碳密度和储量是有机碳的5倍.土壤碳同化途径分为3个阶段:CO_2与H_2O反应阶段、CO_2或弱碳酸与土壤溶液阳离子反应阶段、生成溶解碳酸盐与沉淀碳酸盐附着于土壤颗粒和向下沉积阶段.土壤碳同化能力随着土壤有机碳含量、含盐量、水分、粉粒和黏粒含量的增加而提高.     

海洋惰性溶解有机碳库与海侵黑色页岩

<正>海洋是地球上重要的碳储库,是大气碳储库的50多倍,包括颗粒无机碳(particulate inorganic carbon, PIC)、溶解无机碳(dissolved inorganic carbon, DIC)、颗粒有机碳(particulate organic carbon, POC)和溶解有机碳(dissolved organic carbon, DOC)四大类[1].现代海洋的DOC库约为(662±32)×1015g碳[2],远大于POC库,占海洋总有机碳库的90%以上[3].根据生物可利用性,     

陇西黄土高原末次冰期有机碳同位素变化及其意义

利用陇西黄土高原西南部高分辨率(100年间隔)的塬堡黄土剖面, 讨论了末次冰期有机碳同位素变化的控制因素. 结果发现, 该区域末次冰期以来有机碳同位素变化于&#8722;22.6‰ ~ &#8722;27.5‰之间. 与黄土高原东部地区不同, 研究区末次间冰段有机碳显著偏负于早晚末次冰期, 偏负达4‰. 末次冰期有机碳同位素指示了纯C₃植物对温度、降水和大气CO2浓度变化的耦合响应. 从末次冰期间冰段到盛冰期, 降温和大气CO₂浓度减少导致有机碳同位素偏正1.5‰ ~ 2.0‰, 塬堡剖面末次冰期有机碳同位素变化主要记录了季风降水的大幅度变化, 可以用来重建古降水, 估算出间冰段降水比盛冰期偏多250~310 mm, 比早末次冰期高出100 mm. 我们的研究还发现, 塬堡黄土剖面末次冰期有机碳同位素的波动可能记录了千年尺度季风降水的快速变化. 同时, 黄土高原有机碳同位素变化相当复杂, 不能简单将有机碳同位素变化归结成C₃/C₄丰度变化而用来指示夏季风强弱.     

我国旱作农业黍、粟植硅体碳封存潜力估算

植硅体是植物在生长过程中沉淀在细胞内的非晶质二氧化硅矿物,在其沉淀过程中能够封存部分植物细胞的有机碳,植物死亡、腐烂、燃烧后,植硅体及其封存碳会被长期保存于土壤或沉积物中,而这一部分碳封存量在陆地生态系统碳循环研究中一直没有得到计算.黍、粟是我国北方新石器时代以来典型的旱作农作物,是研究人类活动影响陆地碳循环平衡的重要材料,通过湿式灰化法提取8种现代黍、粟植硅体并对其植硅体封存的碳含量进行测定,计算了粟、黍干物质产量、植硅体产量及碳封存量,结果表明:(1)黍和粟的植硅体碳含量分别占其干物质量的0.136%±0.070%和0.129%±0.085%;(2)根据黍和粟近10年平均粮食产量计算,中国的黍和粟植硅体碳封存速率平均值分别为0.020±0.010和0.023±0.015tCO2hm-2a-1,以粟植硅体的高碳封存速率0.038tCO2hm-2a-1以及目前全国的旱作农业62.4×106hm2的种植规模计算,每年将通过旱作植硅体封存约2.37×106tCO2;(3)1949～2008年间,尽管我国粟种植面积和产量逐年减少,仅粟植硅体累积封存了约7×106tCO2.植硅体碳有可能是生物地球化学循环中丢失碳汇的...     

中国湿地面临的主要问题

我国在2004年首次进行的全国性湿地调查结果显示,全国现有湿地3848.55万km2(不包括水稻田湿地),其中自然湿地有3620.06万km2,库塘湿地有228.50万km2。根据国家林业局2003年《全国湿地资源调查简报》分析,中国湿地面临的主要问题如下:对湿地的盲目开垦和改造在376块重点调查湿地     

微生物碳泵理论揭开深海碳库跨世纪之谜的面纱

<正>深海碳库成因之谜气候变化是当今最大的全球性环境问题。人类活动导致大气二氧化碳(CO_2)持续升高是加剧气候变化的主因。海洋是地球上最大的碳库,吸收了工业革命以来人类活动排放CO_2的三分之一,是全球气候变化的"调节器"。海洋碳库调节气候变化的主要组分是溶解在水里的有机碳(DOC)。一方面,海洋DOC总碳量与大气碳库相近,     

湖泊沉积研究中一种定量估算陆源有机碳的方法

<正>湖泊沉积研究中常把总有机质含量(TOM)或总有机碳含量(TOC)作为判识湖泊环境的一个重要指标.事实上,湖泊沉积物中的有机碳来源广泛,简单地可分出内源和陆源两部分.     

碳循环对气候变化历史责任归因的影响

全球碳循环是气候变化的根本问题,其长期演变决定了人类导致的气候变化的速度和程度,也决定了稳定大气CO2浓度的减缓政策的制定和减排技术的施行.本研究利用2个参与了第5次耦合模式比较计划的耦合了碳循环过程的地球系统模式CESM和BNU-ESM,模拟研究了工业革命以来碳循环对气候变化历史责任归因的影响.模拟结果表明,以大气CO2浓度的升高为衡量指标,相比通常研究中以累积排放量为指标,发达国家碳排放的历史责任减小了6%~10%,发展中国家增大了6%~10%.这是由于历史时期(1850~2005年)发达国家占主导的工业碳排放对这一时期海洋和陆地固碳量的增加贡献了61%~68%和61%~64%,而发展中国家贡献了32%~39%和36%~39%.因此发达国家排放情景下,相对较大的全球碳汇固碳量减小了发达国家碳排放的历史责任,但也由于海洋吸收了更多的碳,使得发达国家对全球海洋的酸化负主要责任(68%).而且发达国家的高排放降低了全球碳汇的固碳效率,可能影响未来长期的固碳量,加剧全球增暖的程度.因此未来在制定减排方案时,需要进一步考虑到碳循环过程对减排方案的响应和影响.