中国水稻土碳循环研究进展.doc

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1、中国水稻土碳循环研究进展许信旺1, 2，潘根兴1*1. 南京农业大学农业资源与生态环境研究所，江苏 南京 210095；2. 池州师专资源环境科学系，安徽 池州 247000摘要：文章首先分析了水稻土在碳循环研究中的地位和重要性，进而对我国水稻土碳循环的研究现状作了较为详尽的阐述，对其主要研究结论进行了深入的剖析。中国大面积的水稻土自1980年以来显示出有机碳库增加现象，说明水稻田对大气CO2可能产生汇效应。水耕熟化过程是有机碳的积累过程，水稻土的碳密度是旱作土碳密度的23倍。水稻土的固碳能力与土壤的微团聚体的粒径有关。但对于水稻土中有机碳的分布和结合状态与农业管理措施、水稻土质量变化、农业生

2、态环境变化的关系仍不清楚。因而建议就这一问题从土壤物理学、化学和生物学的相互作用与土壤微团聚体中矿物质、有机质和微生物的相互结合关系的层面上进行多学科研究。同时提出了今后我国水稻土碳循环的重点研究方向和领域，即从整体和系统的角度来研究碳循环和平衡，从不同的时空区域来研究碳循环的过程和强度。关键词：水稻土；碳循环；碳库；温室气体中图分类号：P467；X144 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2005）06-0961-06土壤碳库为地球表层生态系统中最大的碳储库。土壤中的有机碳库与无机碳库都是陆地生态系统重要的碳库，对于温室效应与全球气候变化同样有着重要的控制作用。全球土壤有机碳库(

3、SOC pool)达到1.51032103 Pg，是大气碳库的3倍，约是陆地生物量的2.5倍；无机碳库(SIC pool)也达0.71031103 Pg1。但由于土壤无机碳的更新周期在1 ka尺度(有资料表明8500多年2)以上，因此土壤有机碳库在全球变化研究中显得更为重要。土壤有机碳通过呼吸的CO2排放是决定陆地生态系统碳平衡的主要因子3，是土壤碳与大气CO2快速交换的主要形式4。过去的研究认为，SOC库70%左右分布于森林土壤；而新近Eswaran等的研究表明，全球森林土壤SOC库约600 Pg，仅占全球SOC库的40%左右。苔原带、北方带、温带和热带等4大生态地理区的SOC库均约占25%

4、，而在全球湿润地区土壤储存SOC约470 Pg，为全球土壤碳库的35%，远大于冻土和半干旱湿度条件下5, 6。全球土壤在最近历史时期损失的有机碳碳库约50 Pg。土壤碳库是地球系统在长期的演化中形成的，其对当前大气CO2的汇效应以及响应大气CO2升高的库变化的作用还不十分了解，这些库量不足以说明大气CO2的可能汇项的分配。土壤碳的更新周期在中等时间尺度，可能动态地响应大气CO2的升高。因此，实现土壤有机碳的稳定以及增加其碳汇成为全球土壤学界的研究热点，也正成为土壤学影响国际社会全球变化对策的重要工作。Schlesinger WH曾组织了一个“土壤碳固定”的政策论坛，旨在推动社会政府和科学家对土

5、壤碳固定研究的共同关注7，美国土壤学会已将这一问题的研究列为近期的主要目标。现有的研究已初步表明水稻土在农业土地利用和全球固碳效益方面具有重要意义，水稻土的碳固定研究将成为陆地生态生态系统碳循环研究的热点。1 水稻土碳循环研究进展1.1 水稻土有机碳在全球土壤有机碳库中的地位农业生产对土壤有机碳库的效应各异。就水稻生产来说，世界上大多数雨养稻作系统中普遍存在土壤有机碳下降的趋势8。不过，统计资料显示，阿尔巴尼亚的农业灌溉38年来湿地土壤有机碳含量显著提高，碳积累速率达到210 gm-2a-1，因而对大气CO2的固存有积极贡献9。而泰国雨养条件下水稻秸秆还田只在第一年提高了土壤全碳，以后并没有显

6、著增加。中国植稻已有7000年的历史，水稻土面积约3000万hm2，占全国耕地总面积的1/4，占世界水耕土面积的23%，生产中国44%的粮食10。中国水稻土主要分布于南方各省，东北、西北面积较小，但分布集中，气候和农业利用条件各异。水耕土壤(广义的水稻土)是自然土壤在人为水耕熟化过程中形成的，是特殊的人为湿地土壤，属中国土壤系统分类中独特的人为土亚纲，国际上公认为中国特色的土壤。水稻土在土壤发生、肥力特性和利用类型上有广泛的多样性11, 12。最近几年我们对中国土壤有机碳库进行了统计研究13, 14，表明中国表层土壤有机碳库约20 Pg，其中有6个表层土壤有机碳库在1.0 Pg以上，水稻土占1

7、.1 Pg，是主要土壤类型之一。水稻土水耕熟化过程中有机碳的积累是普遍趋势。20世纪80年代以来，中国尤其是江苏省水稻土呈现出土壤有机碳库的增长，因此土壤有机碳固定效应十分显著15。1.2 水稻土与旱作土固碳效益差异灌溉是我国农业的特色。灌溉及其水耕熟化作用是我国大面积农业土壤保持有机碳的主要途径。据对我国第二次土壤普查资料的统计，全国水田土壤有机碳含量普遍高于旱地土壤16。据我们的计算，我国水田土壤(含灌淤土)共0.3亿hm2，保存表层有机碳达0.9 Pg，其碳密度是旱地土壤的137.7%。因此，我国灌溉农业的发展相当于增加有机碳固定达0.3 Pg。这种增加的碳固定在华南、长江中下游、华北和

8、黄土高原区最为显著9。据江苏省第二次土壤普查17，全省旱地土壤平均有机碳含量约6 gkg-1，而水田则为近12 gkg-1。1949年时全省水田面积为934.7103 hm2，1998年达2669.7103 hm2，40年间的碳固定效应可达17 Tg，其碳固定速率达到20 gm-2a-1。湖南省第二次土壤普查资料表明，水田土壤与旱地土壤的平均有机碳含量分别为18.36 gkg-1和10.22 gkg-1，不同母质起源的土壤中，水田土壤有机碳均显著高于旱地土壤18。同样，江西省是南方土壤有机碳十分缺乏的省份，旱地土壤有机碳的平均含量为9 gkg-1，而水田土壤达16.6 gkg-1，而截至198

9、0年，该省水田土壤发展到300万hm2，而旱地则削减到46万hm19。我们最近估算了安徽省的水稻土和旱作土的碳密度，结果表明安徽省水稻土的碳密度（41.8211.62 thm-2）是旱作土（17.586.07 thm-2）的2.4倍。这种水田土壤的碳固定作用即使是在土壤水分条件较差的荒漠地区也十分明显20，资料表明甘新干旱平原区不同荒漠土壤在引水灌溉和耕垦培肥后有机碳的升高幅度在13 gkg-121。宁夏植稻历史较长的灌淤土有机碳含量显著高于普通灌淤土22。因此，水耕熟化作用使水田土壤中有机碳得到稳定而提高。根据第二次全国土壤普查中容重、耕层厚度和面积等资料23计算，我国灌溉农业下的水田土壤累

10、计碳固定效应达0.22 Pg。1.3 水稻土有机碳的固定与交换机制水稻土中有机碳的固定机制目前尚不清楚。20世纪70年代以来，对水稻土中有机碳的含量、分布及其微团聚体分配、有机无机结合的数量与性质进行了较多研究。对于相同类型的水稻土来说，运用重液区分法得到的有机碳复合量一般与全土有机碳呈线性相关，但复合度与有机碳含量无关12，说明有机碳在水稻土中与不同物质的结合关系是复杂的。有机碳复合度在不同粒径的团聚体中的分布因土壤类型与肥力状况而异。用松结态、稳结态和紧结态区分团聚体稳定性结合程度外，对于团聚体中有机碳的形态与化学结构、有机碳的化学活泼性(Clability)的研究还很少。对这种固定效应还

11、不能仅用物理保护作用来解释。何云峰等提出采用不同的络合浸提剂提取土壤中和不同黏土矿物结合的腐殖质，与不同酸性土壤用碱性焦磷酸钠提取的结合态腐殖质的稳定性相似，可能意味着这些土壤的结合态腐殖质的化学特点类似，化学保护机制相同24。袁颖红、李辉信等（2004）研究表明，红壤性水稻土中0.020.05 mm微团聚体中，有机碳占40，长期施用有机肥，无机肥能显著增加0.0020.02 mm微团聚体的含量25。我们近年的研究表明，太湖地区黄泥土中新增加的有机碳主要固定在20.25 mm和0.250.02 mm两个粒组的微团聚体中，提示不同粒径团聚体中有机碳的组成与活泼性存在差异26。我们最近对太湖地区3

12、种水稻土的培养试验表明，不同发生起源与土壤矿物组成的水稻土，其有机碳在升温下的碳损失规律迥异，渗育型富晶质氧化高铁的黄泥土的有机碳在升温下仍然十分稳定，而沼泽起源与贫氧化铁矿物的水稻土有机碳损失较快27。土壤中氧化铁是水稻土中活跃的化学成分，它通过水稳性团聚体的形成促进有机碳的复合，作为水稻土高度熟化标志的鳝血(一种有机氧化铁络合物)是否可以代表某种固定机制尚不得而知。水耕过程中土壤有机碳的增加还伴随有机质的腐殖酸组成与结构的演变。过去有资料认为，水稻土形成中有机碳的w(HA)/w(FA)比降低24。但最近的资料显示，无论是江西红壤起源的水稻土，还是西北灌淤土，水耕熟化过程中w(HA)/w(F

13、A)比升高9。对于水稻土中有机质的研究，过去较多是腐殖质的w(C)/w(O)比、w(C)/w(H)比和E4/E6比的分析，认为水耕熟化过程中，腐殖质光密度降低、w(C)/w(H)比减小而w(C)/w(O)比提高，羧基含量降低24。水稻土有机碳固定是一个复杂的问题，不但必须从有机碳的微团聚体分配及其与土壤矿物的结合方式，而且必须从有机碳的化学结构与反应性(有机质组成与基团结构)的改变进行深入研究，这需要现代分子水平的研究技术。土壤中有机物质具有不同的化学形态、物理形态，因而使它们与土壤物质表现出不同的结合特点28。土壤对有机碳的固定作用实际上应该是易变形态成为难变态，生物可利用形态成为不可利用形

14、态。因此，土壤中有机碳与土壤粒子的结合可能受土壤中有机-无机-生物的相互作用特点所制约。土壤有机碳固定中团聚体保护机制可能说明有机碳的固定效应。我们对太湖地区水稻土、红壤旱地和江淮丘陵旱地土壤的研究发现有机碳积累量与2000250 mm微团聚体有机碳含量密切相关29, 30。因此，需要从微团聚体水平的有机碳转化与结合机制上研究农业土壤对有机碳的固定机制，并探讨促进其固定的技术措施31。甲烷是仅次于CO2的最重要的温室气体之一，水稻田排放的CH4大约占全球CH4总排放量的(17.512.5)%，减少稻田CH4排放量是目前最被关注的。CH4是极端还原田间下产甲烷菌活动的产物。影响甲烷排放量的主要因

15、素有：土壤水分、有机质含量、土壤特性，温度及农业管理等。与土壤还原条件关系密切的土壤水分是影响水稻田甲烷排放量的最重要的因素。蔡祖聪等人的研究表明32, 33，冬季土壤水分含量与水稻生长期CH4排放量呈显著正相关，冬季良好的排水管理，可有效地减少后续水稻生长季节的甲烷排放量。烤田也能明显减少水稻田CH4排放量；有机物质又是一影响CH4排放量的因素，其排放量随着有机物质的增加而增加，其原因是有机物质降低土壤氧化还原电位，为产甲烷菌的活动创造生长条件和为生成甲烷直接提供碳源。土壤理化特性对甲烷排放量影响主要变现在土壤的砂粒含量和C/N比上，黄耀等的研究表明34，在淹水条件下，土壤砂粒含量和C/N比

16、与甲烷排放量呈正相关，在湿润条件下，仅与砂粒含量呈线性关系。不同的温度和农业管理对甲烷排放量的影响各异，并没有显著规律。1.4 水稻土有机碳固定的环境意义及不同形态的碳素间的关系最近有人估计，在中国过去的600年里，旱田改为水田使土壤有机碳储量增加了120584 Tg35，这项研究说明了中国农业土壤作为CO2汇的潜力。中国水稻土有机碳在全球变化背景下的潜在变化如何是一个有待阐明的问题。根据目前的估计，未来3050年间大气温度将升高1.54.5 ，而21世纪初大气CO2浓度将达600 m-1的高峰值。谢云等的研究表明，气候边缘地区的敏感性较强，黑龙江、河北和江苏对气候变化最敏感36。资料表明，中

17、国东经95、黄河以北地区的最高温度和全国普遍地区的最低温度在近40年以来显著升高，在东北和淮河以北地区升温幅度每10 a达0.30.7 。因此，温带地区水稻土和西北灌淤土有机碳可能对全球变暖敏感。同时，全球大气CO2升高是普遍趋势，水稻土有机碳变化对于大气CO2升高的响应至今仍无充足资料与研究案例。从土壤有机碳固定的角度研究水稻土有机碳的稳定性及其对于全球变化的有利效应还未见报道。另外，中国水稻土还存在着酸化和土壤污染37, 38等生态环境问题，它们对水稻土碳固定的影响也需要研究明确。以往对于中国水稻土与全球变化的研究集中在水稻土的温室气体释放行为(甲烷排放和反硝化的N2O排放)，已积累了较多

18、的资料39。稻田土壤不同形态的碳素间存在密切的关系。不同形态的碳素直接或间接的影响着CO2-CH4的排放量，进而影响到温室气体及碳循环。土壤中不同形态的活性碳主要包括水溶性碳（DOC）、易氧化碳、可矿化碳、微生物量碳活性碳。土壤DOC由一些从简单到复杂的胡敏酸和富里酸分子组成，可以作为微生物生长和生物分解速效养分资源的一个指标；易氧化碳、可矿化的碳及微生物量碳均可作为土壤活性有机碳的指示因子。易氧化碳、微生物量碳的变化多用于指示土壤有机质的早期变化。大量研究40-42表明，土壤易氧化碳和DOC分别与总有机碳量呈显著的线性正相关，二者同时也与土壤微生物量碳呈显著的线性正相关，土壤的易氧化碳和可矿

19、化碳有较好的相关性。土壤微生物量碳与土壤有机碳极相关，土壤DOC的含量与CH4产生量显著相关，增加淹水土壤水溶性有机碳含量可以增加CH4生成量。因此，可根据不同形态碳之间的相关关系来进一步研究水稻土有机碳的固定和循环机制及对全球环境的意义。1.5 农业自然因素及耕作制度对水稻土碳排放与碳循环的影响 不同的利用方式、不同气候地带、不同的耕作与管理、施肥与灌溉等自然因素对水稻土CO2的排放通量和碳循环有着显著的影响。娄运生、李忠佩等人43的研究表明，不同利用方式表现为在水田淹水植稻期(夏季)，水田的排放通量明显低于旱作稻，而在水田非淹水期(排水落干或休闲期)，其排放通量则显著高于旱作稻。土壤温度和

20、湿度分别是影响水田CO2排放的主导因子，因此，不同气候地带下，CO2的排放通量表现为：热带亚热带温带；在温度基本相同时，土壤湿度、可溶性碳和微生物量碳与通量间的相关性因季节而异.在春、秋和冬季，通量与土壤湿度和微生物量碳呈显著正相关，与可溶性碳呈显著负相关；而在夏季，通量则与土壤湿度和微生物量碳呈显著负相关，与可溶性碳呈显著正相关。不同施肥能使土壤有机碳有不同程度的提高，尤其是有机肥配施无机肥效果最为明显。不同的耕作对土壤有机碳和微生物量碳有很大的影响。研究表明，免耕是有效的提高农田土壤有机碳的方法，免耕土壤比传统耕作措施管理的土壤有机碳平均水平高44。经过10 a的自然免耕，土壤肥力比试验前

21、有大幅增长。特别是免耕垄作和厢作的上层，有机质分别比10年前增加135%和165%，平均每年增加13.5%和16.5%，全氮增加55%和70%，土壤免耕减缓了土壤中碳、氮的矿化速率和有机质分解作用速率，减少了反硝化作用所需的碳、氮基质供应量，同时，长期免耕能增加表土层土壤微生物生物量碳、氮含量45，通过陆地生物及落叶的转化，有机碳蓄积量能够增加。 2 问题与展望从以上的综述中可以看出，我国的水稻土碳循环研究基本上还处于起步阶段，以往的许多研究虽然为目前的碳循环研究奠定了一定的基础，但其中的部分研究成果与碳循环的结合并不十分紧密，要想将其应用到碳循环的研究中还需补充许多研究内容。已有的有针对性的

22、碳循环研究也存在诸多薄弱环节，综合起来，我国水稻土碳循环研究今后应在以下几个方面进一步加强：（1）从整体和系统的角度来研究碳元素的循环和平衡。在已有的研究中，对于水稻土碳库的研究多是局限于水稻土本身的时间变化动态、空间分布以及周围环境因素对其的影响研究。而对于碳元素各个贮存库间的定量迁移、转化关系仍很少涉及，缺乏整个系统的综合研究，无法建立水稻土与植物、大气、水资源间的动态循环模式。（2）进一步加强对影响水稻土碳源汇的物理、化学和生物过程的研究，补充和完善水稻土的碳循环机制。迄今为止对水稻土有机碳的固定作用及其所涉及的机理和水稻土有机碳的稳定性以及不同农业管理措施下变化的研究严重不足并存在知识

23、缺陷。对于水稻土有机碳的活泼性及其变化的研究甚少，尤其对于全球变化的响应及其机制尚不清楚。因此，急需研究中国不同生态区、不同发生型水稻土在水耕熟化过程中有机碳的结合机制，研究不同结合机制下水稻土有机碳稳定性与对全球变化(变暖和CO2加倍)的响应及其水稻土物理、化学与生物的相互作用以及控制关系。（3）从不同的时间尺度和空间区域来探讨水稻土碳循环过程和强度研究。加强水稻土碳源汇季节变化动态和区域分异的对比定位观测， 以阐明中国人为作用下稻作经营对于农业土壤碳汇的效应以及在温室气体与全球变化中的意义，为中国制定CO2排放清单，争取环境外交事务的有利和主动地位提供科学依据与系统资料；为农业产业环境政策

24、的选择，水稻土持续利用的技术途径选择提供决策参考依据；期望通过对这一土壤特色的研究，使中国在国际土壤与全球变化领域占据更重要的地位。同时加强机制研究中的多因子综合评价，增加研究和预测结果的可靠性。加强对未来气候变化下碳循环过程和强度的预测性研究，探讨不同人类活动强度影响下碳循环过程的可能变化，定量分析气候变化、土地利用变化、人类活动强度及耕作制度对水稻土碳收支的相互作用机制，以便确定合适的人类活动强度，实现碳元素减排增汇与社会经济的共同持续发展，实现水稻土碳循环研究的最终目标。参考文献：1 SHIMEL D S. Terrestrial ecosystem and the carbon cyc

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36、tural Press, 1993, 1994a, 1994b, 1995a, 1995b, 1996.24 何云峰, 徐建民, 侯惠珍, 等. 有机无机复合作用对红壤团聚体组成及腐殖质稳定性的影响J. 浙江农业学报, 1998, 10(4): 197200.HE YUNFENG, XU JIANGMIN, HOU HUIZHENG, et al. Effect of organic-mineral complex function on aggregate fractions and humus stability of red soilJ. Journal Zhejiang Agricul

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