戴爾阜, 黃 宇, 趙東升

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 中國(guó)科學(xué)院陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

草地土壤固碳潛力研究進(jìn)展

戴爾阜1,*, 黃 宇1,2, 趙東升1

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 中國(guó)科學(xué)院陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

土壤固碳功能和固碳潛力已成為全球氣候變化和陸地生態(tài)系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。草地土壤有機(jī)碳庫(kù)，作為陸地土壤有機(jī)碳庫(kù)的重要組成部分，其較小幅度的波動(dòng)，將會(huì)影響整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)，進(jìn)而影響全球氣候變化。因此，深入研究草地土壤固碳功能和固碳潛力對(duì)于適應(yīng)和減緩氣候變化具有重要意義。在土壤固碳潛力相關(guān)概念界定基礎(chǔ)上，結(jié)合《2006年IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》，從樣點(diǎn)及區(qū)域尺度上綜述了目前關(guān)于草地土壤固碳潛力的一般估算方法，同時(shí)對(duì)各類方法的特點(diǎn)及適用性進(jìn)行了評(píng)述，提出了草地生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力研究概念模型。最后在對(duì)草地土壤固碳的影響因素及固碳措施總結(jié)的基礎(chǔ)上，闡明了草地土壤有機(jī)碳固定研究中存在的問(wèn)題和發(fā)展前景。

草地生態(tài)系統(tǒng); 土壤有機(jī)碳; 固碳潛力

隨著全球工業(yè)的飛速發(fā)展和人為活動(dòng)的不斷深化，生物圈和土壤圈有機(jī)碳大量釋放，大氣中CO2等氣體濃度逐年增加，對(duì)地球系統(tǒng)的影響日益加劇。地球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與溫室效應(yīng)問(wèn)題，一直是全球碳計(jì)劃(Global Carbon Project，GCP)、過(guò)去全球變化(Past Global Changes，PAGES)、國(guó)際全球環(huán)境變化人文因素計(jì)劃(International Human Dimensions Program on Global Environmental Change，IHDP)以及全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)計(jì)劃(Global Change And Terrestrial Ecosystems，GCTE)等一系列國(guó)際全球變化研究核心計(jì)劃的焦點(diǎn)科學(xué)內(nèi)容[1]。自1988年政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)成立以來(lái)，世界各國(guó)開(kāi)展了多次氣候變化國(guó)際談判。各國(guó)攜手應(yīng)對(duì)氣候變化，共同推進(jìn)綠色、低碳發(fā)展已成為當(dāng)今世界的普遍認(rèn)識(shí)。

圖1 陸地生態(tài)系統(tǒng)主要碳庫(kù)

全球陸地生態(tài)系統(tǒng)存在著巨大的碳匯潛力[2]。土壤碳庫(kù)大約有1550 Pg有機(jī)碳和750 Pg無(wú)機(jī)碳(0—1 m土層)，是大氣碳庫(kù)(760 Pg)的3倍，生物碳庫(kù)(560 Pg)的3.8倍，成為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機(jī)碳庫(kù)，在全球碳循環(huán)中起著關(guān)鍵作用[3]。草地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分(圖1)[4]，其碳儲(chǔ)量約占陸地生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的12.7%，其中草地土壤的碳儲(chǔ)量約占草地總碳儲(chǔ)量的90%[5]。因此，草地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳(SOC)庫(kù)的微小變化都將引起大氣中CO2含量的顯著變化，在全球氣候變化中扮演著重要角色。近年來(lái)，由于過(guò)度放牧、開(kāi)墾等人類活動(dòng)的干擾及氣候變化等自然因素的影響，草地生態(tài)系統(tǒng)正面臨嚴(yán)重的退化問(wèn)題，造成了土壤有機(jī)碳的損失。人工種草、圍封草場(chǎng)等固碳措施可以促進(jìn)草地土壤有機(jī)碳的恢復(fù)和積累，具有固定大氣CO2能力，是一種低成本的固碳減排措施。因此，世界各國(guó)積極開(kāi)展草地生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳潛力(CSP)的研究，以期增加草地土壤碳截存、減緩草地土壤中溫室氣體排放，為氣候談判爭(zhēng)取主動(dòng)權(quán)提供科學(xué)依據(jù)。本文在界定草地土壤固碳潛力概念基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)其估算方法和影響固碳能力因素進(jìn)行分析，進(jìn)而指出了目前該研究存在的問(wèn)題及其未來(lái)發(fā)展方向。

1 土壤固碳潛力相關(guān)概念界定

土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)概念是指通過(guò)微生物作用所形成的腐殖質(zhì)、動(dòng)植物殘?bào)w和微生物體的合稱，其中的碳即為土壤有機(jī)碳(SOC)。土壤有機(jī)碳的含量是進(jìn)入土壤的生物殘?bào)w等有機(jī)物質(zhì)的輸入與以土壤微生物分解作用為主的有機(jī)物質(zhì)的損失之間的平衡。對(duì)于土壤有機(jī)碳的研究，多數(shù)學(xué)者集中于碳儲(chǔ)量定量估算及影響因素分析上。自上世紀(jì)60年代以來(lái)，就有國(guó)外學(xué)者開(kāi)始對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)的估算進(jìn)行研究，至今大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：早期對(duì)SOC庫(kù)的估計(jì)是根據(jù)少數(shù)剖面資料進(jìn)行推算的[6-7]；從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，世界各國(guó)的SOC庫(kù)研究一般按植被類型、土壤類型、生命帶或模型法來(lái)作統(tǒng)計(jì)[8-9]；近些年，SOC庫(kù)研究的新進(jìn)展，是利用GIS技術(shù)從區(qū)域尺度上描述土壤碳庫(kù)不同層次的屬性特征及其空間分布[10- 12]，實(shí)現(xiàn)了土壤有機(jī)碳估算從少數(shù)剖面點(diǎn)到區(qū)域模型模擬的飛速發(fā)展。關(guān)于土壤有機(jī)碳主導(dǎo)影響因子的研究，主要集中于氣候因子、大氣成分、植被、土壤理化特性等自然因素及土地利用方式改變、耕作方式與管理等人為因素對(duì)土壤有機(jī)碳的影響上。近年來(lái)，隨著全球溫室效應(yīng)的加劇，土壤有機(jī)碳固定的研究越來(lái)越引起專家學(xué)者的關(guān)注，氣候變化下土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)、固碳措施及固碳潛力研究日益成為全球陸地碳循環(huán)研究的熱點(diǎn)。

1.1 土壤固碳潛力

土壤有機(jī)碳固定的研究最早起源于美國(guó)，早在20世紀(jì)90年代美國(guó)能源部就開(kāi)始研究如何將大氣中的CO2封存在土壤中，從而降低溫室效應(yīng)的負(fù)面影響。在美國(guó)，于2001年提出了固碳科學(xué)(Carbon Sequestration Science)和固碳科學(xué)技術(shù)(Science and Technology of Carbon Sequestration)的概念[13]。美國(guó)土壤學(xué)會(huì)將土壤固碳定義為：碳固定是碳以穩(wěn)定固體的形式被儲(chǔ)存，是通過(guò)大氣CO2被直接或間接固定而實(shí)現(xiàn)的。直接的土壤固碳是無(wú)機(jī)化學(xué)反應(yīng)，將CO2轉(zhuǎn)化為諸如鈣或碳酸鎂之類的土壤無(wú)機(jī)物的過(guò)程；間接的植物固碳是植物通過(guò)光合作用將大氣中的CO2轉(zhuǎn)化為植物能量，此后一部分植物能量在分解過(guò)程中被間接固定為SOC[14]。

不同學(xué)者對(duì)土壤固碳潛力(CSP)的定義不同，Post等人最早將自然植被下的土壤有機(jī)碳含量作為農(nóng)業(yè)土壤固碳潛力[15]；Six等人從土壤屬性本身的保護(hù)機(jī)制出發(fā)，把土壤固持碳的理論最大量稱為固碳潛力[16]；Sperow等人綜合考慮氣候和農(nóng)業(yè)管理的交互作用，將未來(lái)氣候變化條件下土壤的固碳空間視為固碳潛力[17]；郭然等人[18]認(rèn)為，退化草地恢復(fù)的固碳潛力就是退化草地恢復(fù)到退化前草地的土壤有機(jī)碳水平時(shí)所能夠固定的土壤有機(jī)碳總量，可通過(guò)草地退化面積和過(guò)牧造成的土壤有機(jī)碳損失量來(lái)估算，他們還認(rèn)為草地管理措施的固碳潛力則可以根據(jù)草地管理措施的實(shí)施面積和單位面積的固碳速率來(lái)估算，固碳速率指采取措施和不采取措施兩種情景導(dǎo)致的土壤有機(jī)碳的年增量。目前，國(guó)際上對(duì)于土壤固碳潛力并沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化的定義，但當(dāng)前研究中的土壤固碳潛力，多指在未來(lái)氣候變化背景和推薦的管理措施(Recommended Management Practices，RMPs)下，使大氣中CO2封存在土壤中的最大量。所以，關(guān)于土壤固碳潛力的估算便轉(zhuǎn)為估算不同固碳情景下的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的增加量，與之相關(guān)的概念包括土壤有機(jī)碳密度及土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。

1.2 土壤有機(jī)碳密度

土壤有機(jī)碳密度(SOCD)，是指單位面積一定深度的土層中土壤有機(jī)碳的質(zhì)量，單位為Kg C/m2、Pg C/m2或T C/hm2等。一般某一土層i的有機(jī)碳密度SOCDi，計(jì)算公式如下[19]：

SOCDi=Ci×Di×Ei×(1-Gi)/10

(1)

式中，Ci為土壤有機(jī)碳含量(%)；Di為土壤容重(g/cm3)；Ei為土層厚度(cm)；Gi為大于2mm的礫石所占的體積百分比(%)。

1.3 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，是進(jìn)入土壤的植物殘?bào)w量及其在土壤微生物作用下分解損失量二者之間平衡的結(jié)果，一般指區(qū)域范圍內(nèi)一定深度的土層中土壤有機(jī)碳總質(zhì)量，單位為Kg C或Pg C或T C等。一般由土壤有機(jī)碳密度(SOCDj)與對(duì)應(yīng)面積(Sj)相乘所得。

SOC=SOCDj×Sj

(2)

2 草地土壤固碳潛力估算方法

草地生態(tài)系統(tǒng)固碳主要包括植被光合作用的固碳和通過(guò)一定的措施穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，改善土壤性質(zhì)，促進(jìn)土壤固碳兩方面。草地生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳潛力通常指不同固碳管理措施下，草地土壤有機(jī)碳庫(kù)的增加量。因此，關(guān)于草地土壤固碳潛力估算方法，主要從IPCC制定的草地土壤有機(jī)碳庫(kù)變化的特定估算方法，及樣點(diǎn)、區(qū)域尺度上草地土壤固碳量的一般估算方法上進(jìn)行總結(jié)與歸納。

2.1 IPCC關(guān)于草地土壤有機(jī)碳庫(kù)變化的估算方法

大量證據(jù)表明，由于大氣中CO2等溫室氣體的增加，全球氣候正在發(fā)生史無(wú)前例的急劇變化。如何較為準(zhǔn)確的估算全球碳儲(chǔ)量及其變化，定量化全球碳循環(huán)過(guò)程，成為全球氣候變化的研究重點(diǎn)。此前國(guó)際上并未有較為統(tǒng)一的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化的估算方法，因此，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)發(fā)布《2006年IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》(簡(jiǎn)稱《清單指南》)[20]，給出了3個(gè)層次的土壤有機(jī)碳變化估計(jì)方法(Tier 1、Tier 2和Tier 3)。這為各個(gè)國(guó)家相對(duì)準(zhǔn)確估算的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及碳潛力、縮小估算偏差，提供了統(tǒng)一的方法和規(guī)范。因此，采用IPCC提供的方法估算土壤有機(jī)碳庫(kù)及其變化，對(duì)于國(guó)家或全球?qū)用嫔系奶脊浪慵疤佳h(huán)研究都有一定的意義。

《清單指南》中明確介紹了草地土壤有機(jī)碳庫(kù)變化的估算方法，包括通用方法和專門適用于草地的估算方法。卷4第二章《適用于多個(gè)土地利用類別的通用方法》中指出，對(duì)于土壤中的碳庫(kù)變化估算方法包括3種，即缺省值的方法、納入國(guó)家特定數(shù)據(jù)的方法和高級(jí)估算方法(表1)。卷4第六章《草地》中指出，草地土壤碳估算方法仍然采用通用公式，只是需要結(jié)合草地管理的特定庫(kù)變化因子，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)合理選用3種方法。

表 1 IPCC 制定的草地土壤有機(jī)碳庫(kù)變化估算的三個(gè)層次Table 1 Three tiers of estimation on change of soil organic carbon storage in grassland established by IPCC

2.1.1 缺省值的方法

Tier 1是根據(jù)《清單指南》提供的土壤有機(jī)碳初始密度缺省值和排放因子缺省值進(jìn)行估計(jì)，是基于一個(gè)確定時(shí)期內(nèi)土壤的碳庫(kù)變化估算，變化的計(jì)算基于管理實(shí)施后的碳庫(kù)相對(duì)于參照條件(即沒(méi)有退化或改良的自然植被) 的碳庫(kù)變化。缺省值即默認(rèn)的世界平均值，管理措施可采用統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量SOC計(jì)算公式：

SOC=∑(SOC參考c.s.i×FLUc.s.i×FMGc.s.i×FIc.s.i×Ac.s.i)

(3)

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化估算公式：

ΔC=(SOC0-SOC0-T)/D

(4)

式中，SOC0為清查時(shí)期末年的土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量，SOC0-T清查時(shí)期初期的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，T為一個(gè)單獨(dú)清查時(shí)期的年數(shù)，D為庫(kù)變化系數(shù)的時(shí)間依賴(通常是20a)，c表示氣候帶，s表示土壤類型，i表示一國(guó)的管理體系，SOC參考為參考碳庫(kù)的缺省值(根據(jù)氣候和土壤類型查表獲得)，F(xiàn)LU為特定土地利用的庫(kù)變化因子，F(xiàn)MG為管理制度的庫(kù)變化因子，F(xiàn)I為有機(jī)質(zhì)投入的庫(kù)變化因子，A為正在被估算的土地面積。

2.1.2 納入國(guó)家特定數(shù)據(jù)的方法

Tier 2方法與Tier 1相同，但可以根據(jù)本國(guó)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)這些缺省值進(jìn)行修正，定義了更詳細(xì)的管理體系，有更詳細(xì)的土壤分類和氣候帶分類，以獲取國(guó)家特定參考碳庫(kù)。

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化估算公式：

(5)

式中，P為地塊。本方法結(jié)合土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，以地塊為基本單元計(jì)算各地塊上的碳庫(kù)變化，并可估算每個(gè)連續(xù)年之間的碳儲(chǔ)量變化，計(jì)算結(jié)果更為精確。

2.1.3 高級(jí)估算方法

Tier 3是利用經(jīng)校準(zhǔn)和驗(yàn)證的過(guò)程模型或者高密度網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)土壤有機(jī)碳變化進(jìn)行估計(jì)[21]。在定量框架下，捕捉引起土壤中碳增加和損失的基礎(chǔ)過(guò)程，如土地利用和管理措施對(duì)控制來(lái)自植物生產(chǎn)及枯枝落葉和微生物分解的碳投入過(guò)程的影響，即可采用過(guò)程模型，排放因子作為模型參數(shù)，以及具有基于地理信息的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)。方法三的建模方法能夠?qū)εc土地利用和管理活動(dòng)相關(guān)的碳庫(kù)變化提供更準(zhǔn)確的估算值。

國(guó)內(nèi)外采用IPCC制定的方法進(jìn)行土壤碳庫(kù)變化估算的研究已有很多，但多集中于采用Tier 2的方法進(jìn)行農(nóng)田管理土壤碳匯量的估算。應(yīng)用于草地生態(tài)系統(tǒng)的估算則相對(duì)較少，僅有我國(guó)學(xué)者[21]依據(jù)Tier 2的方法估算出2000—2007年錫林郭勒盟草地土壤有機(jī)碳庫(kù)的變化， 美國(guó)學(xué)者Ogle等[22]在IPCC制定的碳估算方法基礎(chǔ)上，探究并修訂特定的草地管理因子，并據(jù)此估算出不同管理措施下的固碳潛力等。究其原因，在于IPCC提供的Tier 1方法過(guò)于簡(jiǎn)略，準(zhǔn)確性較低；Tier 2納入?yún)^(qū)域特定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，相對(duì)準(zhǔn)確，而學(xué)者用于草地的固碳量估算一般采用樣點(diǎn)或區(qū)域尺度上的一般估算方法，因此并未被廣泛采用；Tier 3對(duì)數(shù)據(jù)要求較高，不易實(shí)現(xiàn)。

2.2 草地生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳量的一般估算方法2.2.1 樣點(diǎn)尺度

樣點(diǎn)尺度固碳量估算方法通常有兩種，即碳儲(chǔ)量變化法和碳通量法[23]。

(1)碳儲(chǔ)量變化法 利用實(shí)驗(yàn)小區(qū)不同時(shí)期測(cè)定的土壤碳儲(chǔ)量的差值估算這段時(shí)期內(nèi)的土壤碳變化。通常依據(jù)草地生態(tài)系統(tǒng)在固碳措施實(shí)施前后的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量差值，來(lái)估算該管理措施的固碳量。該方法需要收集草地管理措施實(shí)施前、后某一刻的碳密度數(shù)據(jù)，是估算草地土壤固碳量最常用的方法。計(jì)算公式如下：

ΔSOC=(SOCDT-SOCD0)×A

(6)

式中，ΔSOC為草地土壤碳儲(chǔ)量變化量(Mg C)；SOCD0、SOCDT分別表示實(shí)施固碳措施前和實(shí)施T年后的土壤有機(jī)碳密度(Mg C/hm2)；A為實(shí)施固碳措施的草地面積(hm2)。

(2)碳通量法 通過(guò)測(cè)定草地生態(tài)系統(tǒng)在固碳措施實(shí)施期間的CO2通量變化量來(lái)估算該管理措施的固碳量。該方法需要基于渦度相關(guān)儀等測(cè)量或模型模擬得到固碳措施實(shí)施期間的草地年碳收支狀況[24]。計(jì)算公式如下：

ΔSOC=A×(G-L)×T

(7)

式中，ΔSOC為草地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化量(Mg C)；G和L分別為草地生態(tài)系統(tǒng)年均碳吸收量和損失量(Mg C hm-2a-1)；T為固碳措施實(shí)施年限；A為實(shí)施固碳措施的草地面積(hm2)。

從草地生態(tài)系統(tǒng)自然演替過(guò)程中植被土壤碳積累過(guò)程來(lái)看，碳儲(chǔ)量變化法與碳通量法在本質(zhì)上是一致的，兩者均可用于草地固碳量的估算，區(qū)別僅在于數(shù)據(jù)類型獲取的不同。如果能夠獲得足夠的數(shù)據(jù)支持，同一研究區(qū)相同背景下兩種方法計(jì)算的固碳量理應(yīng)是相等的。

2.2.2 區(qū)域尺度

以往對(duì)固碳量的估算多集中在樣點(diǎn)和生態(tài)系統(tǒng)小尺度上，而隨著國(guó)際氣候變化大會(huì)的召開(kāi)以及碳貿(mào)易的發(fā)展，區(qū)域尺度生態(tài)系統(tǒng)固碳量的估算越來(lái)越受到政府和專家學(xué)者的重視。區(qū)域尺度上的土壤固碳量估算方法主要包括統(tǒng)計(jì)模型、清查法、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、土壤有機(jī)質(zhì)機(jī)理模型及基于GIS的機(jī)理模型等(表2)[25]。

表2 區(qū)域尺度土壤固碳量估算方法比較Table 2 Compares of estimation methods of regional soil carbon sequestration

采用上述方法進(jìn)行區(qū)域土壤固碳量估算的成果已有很多。Xie等[26]利用我國(guó)第二次土壤普查數(shù)據(jù)和近年發(fā)表的論文數(shù)據(jù)，估算了我國(guó)過(guò)去20a草地土壤固碳量為-3.56Pg C；Houghton等[27]首次提出簿計(jì)模型，用于估算土地利用變化產(chǎn)生的碳排放量，之后，隨數(shù)據(jù)類型增加和數(shù)據(jù)獲取精度的提高，該模型被進(jìn)一步完善，并對(duì)不同國(guó)家或地區(qū)以及全球尺度的生態(tài)系統(tǒng)碳變化量進(jìn)行了估算[28]，該模型估算出中國(guó)過(guò)去300年間(1700—2000年)土地利用變化產(chǎn)生的碳損失進(jìn)行了估算，結(jié)果約為17—33 Pg C，而同期美國(guó)[29]的碳損失約為25 Pg C；Falloon 等[30]應(yīng)用RothC模型并結(jié)合GIS模擬未來(lái)100年內(nèi)歐洲全部耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值氐耐寥拦烫剂繛?.49 Tg C。Ard?等[31]在GIS平臺(tái)下，利用Century模型對(duì)蘇丹半干旱地區(qū)1900—2100 年間的碳變化量進(jìn)行了估算，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)在1900—2000年間表層(20cm)土壤固碳量為-6.8 Tg C，2000—2100年固碳量為17 Tg C；Easter等[32]人在GIS 平臺(tái)下將CENTURY 模型、RothC 模型和IPCC 的Tier2方法綜合為一個(gè)所謂的區(qū)域模型，稱為GEFSOC(Global Environment Facility Soil Organic Carbon)模型，目前該模型已被應(yīng)用于多個(gè)地區(qū)的碳動(dòng)態(tài)估算[33-34]。

在眾多估算方法中，運(yùn)用土壤碳循環(huán)機(jī)理模型研究土壤固碳潛力，成為國(guó)際上陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳與溫室氣體減排潛力評(píng)估的主要途徑，該方法主要是根據(jù)土壤碳循環(huán)過(guò)程與機(jī)理建立土壤有機(jī)碳水平的表征、評(píng)估或預(yù)測(cè)模型，然后根據(jù)影響因素或管理實(shí)踐的變化作為情景分析來(lái)估計(jì)、評(píng)估和預(yù)測(cè)區(qū)域或國(guó)家尺度的土壤固碳潛力與前景[35]。2004年，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織FAO的會(huì)議報(bào)告中，提供了不同土地利用系統(tǒng)下，估算地上和地下碳庫(kù)儲(chǔ)量的方法。同時(shí)描述了很多土地利用和土地管理情景下達(dá)到雙贏的途徑，還提出了在當(dāng)前土地利用類型(LUT)和未來(lái)潛在土地利用格局(PLUT)下，利用各種模型模擬碳動(dòng)態(tài)、估算碳截獲的方法[36]。其指出基于長(zhǎng)期觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的土壤有機(jī)質(zhì)模型，包括RothC、CENTURY、DNDC、EPIC、NCSOIL等機(jī)理模型。許多國(guó)家已應(yīng)用不同的模型模擬研究了草地生態(tài)系統(tǒng)碳截獲潛力[37-38]。利用模型法研究草地生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳潛力的概念模型見(jiàn)圖2。

圖2 草地生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力概念模型

3 草地土壤固碳影響因素及固碳措施

3.1 草地生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳的影響因素

土壤有機(jī)碳固定受氣候、植被、土壤理化特性以及人類活動(dòng)等諸多物理、生物和人為因素交互作用的影響。分析各種因子對(duì)土壤有機(jī)碳的影響，是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)土壤有機(jī)碳在全球變化情景下大氣CO2的源/匯方向及準(zhǔn)確評(píng)估碳收支的關(guān)鍵。根據(jù)不同學(xué)者對(duì)自然及人為因素對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳截獲影響機(jī)制的研究，總結(jié)見(jiàn)表3。

影響草地土壤固碳的自然因素主要包括溫度、降水等氣候因子及大氣CO2濃度等。根據(jù)王淑平等[50]對(duì)包括東北草甸草原、內(nèi)蒙古高原草甸草原、典型草原、荒漠草原在內(nèi)的IGBP中國(guó)東北樣帶(NECT)的研究表明：土壤有機(jī)碳含量與降水量之間呈顯著正相關(guān)，溫度對(duì)有機(jī)碳的影響較復(fù)雜，適宜的溫度有利于土壤有機(jī)碳的積累，否則對(duì)有機(jī)碳的積累具有負(fù)效應(yīng)。長(zhǎng)期CO2濃度的升高，利于促進(jìn)光合同化，減緩有機(jī)質(zhì)分解，增加碳截獲。

人文因素主要包括開(kāi)墾、放牧、燒荒、圍欄、施肥、灌溉、引種、補(bǔ)播及松土改良等土地利用和土地管理措施。其中開(kāi)墾、燒荒等不良的管理措施，減少碳素向土壤輸入，增強(qiáng)有機(jī)質(zhì)分解，破壞土壤顆粒有機(jī)碳，不利于碳固定；圍封、補(bǔ)播、引種等有效的管理措施，減緩?fù)寥烙袡C(jī)質(zhì)分解，利于增加碳截獲；放牧、施肥等管理措施，對(duì)土壤碳固定的影響較為復(fù)雜，受到實(shí)施年限、實(shí)施強(qiáng)度等的影響。

3.2 不同管理措施下草地固碳潛力

圍欄、禁牧、補(bǔ)播是3種最基本的草地有效管理措施，由于減少了牲畜對(duì)土壤的踐踏和人為擾動(dòng)，土壤質(zhì)量得到了恢復(fù)，地上生物量也得到了提高，有利于各草地類型對(duì)有機(jī)碳的累積。通過(guò)對(duì)不同管理措施下我國(guó)草地土壤固碳潛力(表4)[51]總結(jié)可以看出，高寒草甸補(bǔ)播的固碳潛力最大，達(dá)到1.26 t C hm-2a-1)，溫性草原補(bǔ)播的固碳潛力次之，年固碳率為1.07 t C hm-2a-1；溫性草甸草原通過(guò)圍封草場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的碳截獲潛力最大，達(dá)到0.68 t C hm-2a-1；放牧管理中輕度放牧能適當(dāng)增加溫性荒漠草原碳截獲。除雜、施肥、翻耕、防火管理等推薦的管理措施(RMPs)，均可有效的促進(jìn)草地土壤碳截獲。草地管理強(qiáng)度及管理年限對(duì)不同深度土層土壤有機(jī)碳影響的研究也引起眾多專家學(xué)者的關(guān)注。

表3 自然因素和人為因素對(duì)草地土壤有機(jī)碳固定的影響Table 3 Natural and human factors influencing grassland organic carbon sequestration

表 4 中國(guó)不同草地類型不同管理措施下(0—20 cm)土壤固碳潛力(t C hm-2a-1)及差異顯著性分析

Table 4 The sequestration potential(t C hm-2a-1) and the significance of difference of SOC by grassland managements in different types of grassland of China

草地類型Grasslands輕牧Lightgrazing中牧Moderategrazing重牧Heavygrazing過(guò)牧Overgrazing禁牧Forbiddengrazing補(bǔ)播Resowing圍欄Exclosure高寒草甸草原Alpinemeadow-1.35a-3.00ab-3.75ab-5.62b0.56a1.26a高寒草原Alpinesteppe-1.76a-0.85a-3.62a-2.36a0.04a溫性草原Temperatesteppe-0.41ab-0.73ab-1.26bc-2.40c0.12a1.07a0.37a溫性草甸草原Temperatemeadowsteppe-1.39a-2.92a-3.74a-2.3a0.18a0.68a溫性荒漠草原Temperatedesertsteppe0.04a-0.42ab-0.52ab-0.85b0.68a0.28a山地草甸Mountainmeadow-5.16a2.23b暖性灌草叢Warmshrub-grassland-1.94b-1.36b-1.50b0.64a

同行不同字母表示各草地類型不同管理措施之間差異顯著(P<0.05)，相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

圍封作為最簡(jiǎn)單有效的草地管理措施，在減緩侵蝕并恢復(fù)土壤的養(yǎng)分含量方面發(fā)揮重要作用。瞿王龍等[45]研究了阿拉善荒漠草地圍封恢復(fù)對(duì)土壤有機(jī)碳的影響，結(jié)果表明0—10 cm土層中有機(jī)碳含量顯示為圍封6a(2.17 g/kg)>圍封2a(1.79 g/kg)>自由放牧(1.72 g/kg)，10—20 cm土層土壤有機(jī)碳含量隨恢復(fù)時(shí)間略有增加，但無(wú)顯著性差異。尚雯等[52]以流動(dòng)沙丘為對(duì)照，研究了不同圍封年限下科爾沁退化沙質(zhì)草地表層(0—15 cm)土壤有機(jī)碳的變化，結(jié)果表明14a和26a圍封樣地SOC含量隨圍封年限的增加而增加，且0—5 cm層增幅高于5—15 cm土層。敖伊敏等[53]以內(nèi)蒙古典型草原為研究對(duì)象，對(duì)重度退化草地采取生長(zhǎng)季圍封措施后土壤有機(jī)碳含量顯著高于自由放牧地，且隨圍封年限的增加呈上升趨勢(shì)，均在圍封14a樣地出現(xiàn)最大值，之后隨著圍封年限的繼續(xù)增加又出現(xiàn)降低趨勢(shì)。不同圍封年限草地土壤有機(jī)碳含量由表層向下層呈下降趨勢(shì)，與圍封年限呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。不同草地類型不同圍封年限對(duì)不同深度層土壤有機(jī)碳固定的復(fù)雜影響，仍是未來(lái)專家學(xué)者的研究重點(diǎn)。

補(bǔ)播是在不破壞或少破壞原有植被的情況下，在草群中播種一些適應(yīng)當(dāng)?shù)刈匀粭l件的、有價(jià)值的優(yōu)良牧草，以增加草群中優(yōu)良牧草種類成分和草地的覆蓋度，達(dá)到提高草地生產(chǎn)力和改善土壤質(zhì)量的目的。由于草地補(bǔ)播可顯著提高地上生物量，進(jìn)而為草地土壤有機(jī)碳固定提供了大量的地上碳源，成為了退化草地進(jìn)行人工改良的重要措施之一[54]。隨著植被的恢復(fù)，土壤團(tuán)聚體活性有機(jī)碳含量提高并趨于穩(wěn)定，土壤碳匯效應(yīng)有可能增強(qiáng)。因此，發(fā)展人工草地可以顯著加快植被的自然演替過(guò)程，利于植被的恢復(fù)與重建，具有良好的生態(tài)效益[55]。

放牧是草地最基本的管理方式，不同放牧強(qiáng)度及放牧?xí)r間對(duì)不同土層土壤有機(jī)碳的復(fù)雜影響研究一直是專家學(xué)者的研究重點(diǎn)之一。有關(guān)研究表明，放牧不總是減少碳儲(chǔ)量，禁牧也不總是增加碳儲(chǔ)量，而與放牧強(qiáng)度、放牧?xí)r間及畜牧承載量等有關(guān)。Schuman等[44]指出，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，促進(jìn)了碳素由地上部分向土壤的轉(zhuǎn)移。劉楠等[56]研究了內(nèi)蒙古錫林河流域羊草典型草原不同放牧強(qiáng)度及放牧制度下土壤有機(jī)碳的含量差異，結(jié)果表明土壤有機(jī)碳含量大體表現(xiàn)為常年放牧地高于混合放牧地，且差異明顯。常年放牧地表現(xiàn)為輕牧>重牧>中牧>圍封未放牧地，且土壤有機(jī)碳含量隨著土層深度的增加而降低。Reeder等[57]通過(guò)對(duì)科羅拉多州東北部短草草原56a不同放牧強(qiáng)度對(duì)土壤碳影響的研究表明，重度放牧地土壤有機(jī)碳含量要高于未放牧地7.5 Mg/hm2。在不同的放牧強(qiáng)度下去尋求一個(gè)合理的平衡點(diǎn)適度放牧，能維持草地的可持續(xù)管理，減少草地碳排放，增加土壤碳儲(chǔ)存。

4 結(jié)語(yǔ)

在全球氣候變化的背景下，固碳潛力的定量估算、固碳過(guò)程和固碳機(jī)理的研究已然成為當(dāng)今前沿領(lǐng)域。如何因地制宜地采取固碳措施以增加草地碳截獲，減緩全球氣候變化，成為科學(xué)家們的研究焦點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于草地土壤固碳潛力估算的研究已從樣點(diǎn)尺度發(fā)展到區(qū)域尺度，從簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)模型發(fā)展到基于GIS的碳循環(huán)機(jī)理模型。聯(lián)合國(guó)IPCC為準(zhǔn)確量化碳收支過(guò)程，發(fā)布溫室氣體清單指南，統(tǒng)一土壤固碳的估算方法，這對(duì)國(guó)家或全球?qū)用嫔系奶脊浪慵疤佳h(huán)研究都有一定的意義。然而，目前關(guān)于土壤固碳潛力的估算因土壤碳密度空間變異性及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取、估算方法、研究尺度等方面的不同而存在較大差異。關(guān)于區(qū)域尺度草地土壤固碳潛力的定量認(rèn)證科學(xué)研究，缺乏國(guó)際公認(rèn)的草地碳收支及其固碳潛力計(jì)量和認(rèn)證體系。在草地土壤固碳潛力的模型研究上，模型開(kāi)發(fā)的方法學(xué)、模型適用性與參數(shù)修正、模型空間尺度評(píng)估的不確定性研究，區(qū)域內(nèi)有機(jī)碳含量的空間變異性、尺度效應(yīng)與因素效應(yīng)，氣候變化和土地利用變化情景下碳動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)等問(wèn)題成為草地土壤固碳潛力宏觀研究的主要內(nèi)容。對(duì)于不同因子對(duì)草地土壤固碳的復(fù)雜影響、不同固碳措施及其固碳潛力，還需要系統(tǒng)性的科學(xué)觀測(cè)、長(zhǎng)期定位實(shí)驗(yàn)研究和區(qū)域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支持。

世界范圍內(nèi)的草地土壤固碳研究已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期，相信不久的將來(lái)，人類將能夠深入揭示固碳過(guò)程和機(jī)理，確定溫室氣體源匯強(qiáng)度，增加草地碳截獲，并為全球的碳減排行動(dòng)提供有效的理論和技術(shù)支持。未來(lái)我國(guó)關(guān)于草地生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳的研究重點(diǎn)包括：①加強(qiáng)碳循環(huán)模型在固碳潛力估算方面的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，尤其開(kāi)發(fā)適用于中國(guó)特定草地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)模型；②強(qiáng)化RS、GIS和GPS等技術(shù)在土壤生態(tài)系統(tǒng)碳平衡研究中的應(yīng)用，模擬大尺度的固碳過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤固碳的時(shí)間和空間分布格局的快速診斷與評(píng)估；③著重研究草地土壤固碳的過(guò)程和機(jī)理，加強(qiáng)對(duì)土壤有機(jī)碳物理保護(hù)、碳化學(xué)結(jié)合與轉(zhuǎn)化、團(tuán)聚體的形成與更新等的固碳機(jī)理研究，以明確草地土壤固碳的過(guò)程；④注重固碳與環(huán)境效應(yīng)之間的關(guān)系，以及土地利用與土地覆蓋變化對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳的影響；⑤建立具有一致性和普遍性相結(jié)合的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及潛力的估算方法，克服不同研究之間的差異，降低計(jì)算結(jié)果不確定性；⑥探尋因地制宜的固碳措施。在協(xié)調(diào)自然環(huán)境與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)上，考慮技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的可行性，探尋適合不同草地生態(tài)系統(tǒng)的低成本的有效固碳措施，進(jìn)而為減緩氣候變化，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展服務(wù)。

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Review on soil carbon sequestration potential in grassland ecosystems

DAI Erfu1,*, HUANG Yu1,2, ZHAO Dongsheng1

1KeyLaboratoryofLandSurfacePatternandSimulation,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Global climate change has aroused wide concern from the international community, and national or regional GHG (greenhouse gas) emission has become a focus of the intergovernmental diplomatic dispute and mediation. The stability, release or increment of the soil carbon stock is closely related to the change of the atmospheric carbon stock. Even a minor change in soil organic carbon (SOC) storage may result in a significant change in atmospheric CO2concentration. Whether the soil carbon stock can increase becomes an essential theoretical basis for terrestrial ecosystems to absorb atmospheric CO2, and serve as carbon sink. Therefore, increasing soil carbon sink in terrestrial ecosystems has become an important strategy for controlling the rise in atmospheric CO2concentration. As one of the world′s most widespread terrestrial ecosystems, covering over 15% of the world′s land surface, grassland ecosystems account for over 10% of the total carbon storage in terrestrial ecosystems, with nearly 90% of the carbon storing in top soil. Besides, grassland soil organic carbon could be strongly influenced by management practices. During the past decades, owing to the climate change, overgrazing and other unreasonable management practices, the grasslands in the world had been seriously degraded and the soil organic carbon had significantly decreased. However, improved management practices such as enclosure and recovery of degraded grassland and conversion of cropland to abandoned fields, may reverse the loss of soil organic carbon, and even help to sequestrate carbon in the atmosphere. Therefore, under the background of climate change, the function and potential of soil organic carbon sequestration in grassland ecosystems has become a key issue. In this essay, the recent research on soil carbon sequestration potential was reviewed, including quantitative methods for estimating soil carbon sequestration potential on both regional and sample scales, dominant affecting factors and management practices of carbon sequestration, and future research direction was also proposed lastly. Research on quantitative estimation of soil carbon sequestration in grassland ecosystems had been well developed in recent years, from simple statistics on sample scale to mechanism modeling coupled with GIS and RS on regional scale. IPCC also issued guidelines for national greenhouse gas inventories so as to provide a relatively uniform method for national carbon sequestration estimation, which contained three tiers on estimation of soil organic carbon storage in grassland: Tier1, Tier2, and Tier3. Among all the quantitative methods, mechanism modeling of soil carbon cycle became a major method to assess the carbon sequestration of terrestrial ecosystems and the reduction of greenhouse gas emission in the world. The dominant factors affecting soil organic carbon sequestration included natural factors (temperature, precipitation and CO2concentration etc.) and human factors (reclamation, grazing, fire, enclosure, fertilization, irrigation and reseeding etc.), which held complicated influences on carbon sequestration with various time and intensity of management practices. There also existed many problems needed to be solved in the future, such as the methodology and adaptability of models and the uncertainty of estimation on regional scale. The potential and mechanism of carbon sequestration, and the relationship between carbon sequestration and environmental effects would be the key scientific problems.

grassland ecosystem; soil organic carbon; carbon sequestration potential

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2011CB403206, 2012CB416906); 國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2013BAC03B04); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371196)

2013- 10- 21;

2014- 08- 28

10.5846/stxb201310212541

*通訊作者Corresponding author.E-mail: daief@igsnrr.ac.cn

戴爾阜, 黃宇, 趙東升.草地土壤固碳潛力研究進(jìn)展.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(12):3908- 3918.

Dai E F, Huang Y, Zhao D S.Review on soil carbon sequestration potential in grassland ecosystems.Acta Ecologica Sinica,2015,35(12):3908- 3918.