土地利用變化對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存的影響

1、土地利用變化對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存的影響一一一個(gè)案例研究的實(shí)驗(yàn)站在中國(guó)摘要：森林在從大氣中而來(lái)的游離碳中發(fā)揮著重要作用。自從上個(gè)世紀(jì)80年代 以來(lái)，植樹(shù)造林活動(dòng)已在千葉洲林業(yè)實(shí)驗(yàn)站的周邊地區(qū)貫徹執(zhí)行。該實(shí)驗(yàn)站位于 中國(guó)江西省境內(nèi)。耕地和嚴(yán)重侵蝕的荒地上種植水果和森林種植園。千煙洲林業(yè) 試驗(yàn)站的周?chē)貐^(qū)作為一個(gè)研究站，研究站分析造林對(duì)碳固存影響的潛在性。本 研究評(píng)估了在不同的土地利用類(lèi)型下土壤有機(jī)碳的變化存儲(chǔ)。土壤有機(jī)碳貯量隨 著土地利用類(lèi)型的不同而變化巨大。從1984年到2002年，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在八 種土地利用類(lèi)型中增加了 2.45x106公斤。這項(xiàng)研究表明，造林土壤對(duì)碳固存影 響的潛在性。然而，

2、在景觀尺度下對(duì)土壤碳通量有一個(gè)完整的了解將取決于潛在 及土壤有機(jī)碳的保存期。1引言土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，土壤潛在的二氧化碳（CO 2）的排放 量是大陸尺度碳平衡的一個(gè)重要組成部分（伯納克斯等人。2001 ；默蒂等人。 2002）。人類(lèi)活動(dòng)對(duì)碳儲(chǔ)存和通量的影響已經(jīng)超過(guò)了自然本身變異影響的速度和 程度。在陸地生態(tài)系統(tǒng)下中對(duì)土地利用和土地覆蓋的準(zhǔn)確估計(jì)對(duì)于估計(jì)區(qū)域和大 陸的碳平衡已變得越來(lái)越重要。（gregorich等人。1996, 1998）。其中一個(gè)最大 的也是最不確定的因素是人類(lèi)活動(dòng)的變化對(duì)土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)存的影響。以往的研 究集中于土壤中的土地利用變化情況（曼，1986；戴維森和阿克

3、曼，1993； Lugo and Brown, 1993;華盛頓，1999; Post and Kwon, 2000;）例如，穆?tīng)柕俚热司C述了 土壤中碳和氮的儲(chǔ)存后，提出將森林轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)用地。Lugo and Brown,提出土壤 有機(jī)碳的改變是發(fā)生在有利于碳積累的土地利用變化之后的。在不同的植被類(lèi)型 下、環(huán)境條件下、不同的時(shí)間條件下，有機(jī)碳的積累率相差很大。為了開(kāi)發(fā)大陸 尺度的碳預(yù)算，我們需要知道什么發(fā)生在土壤碳庫(kù)的轉(zhuǎn)換后的土地利用和土地覆 蓋類(lèi)型。土壤不僅是植物生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)中固碳的主要容器和載體。 （拉爾等人。1998，乙；Post and Kown，2000；馬蘭等人。，

4、2001 ；奧爾森和 卡“爾，2002）。高含碳量的土壤有強(qiáng)吸水性并且可以提高土壤生產(chǎn)力，這種生 產(chǎn)力對(duì)于植物生產(chǎn)和碳固定有重大作用。（奧爾森和卡“爾，2002）。有機(jī)碳的 積累已被建議作為最佳的選擇長(zhǎng)期陸地生態(tài)系統(tǒng)碳封存。（農(nóng)業(yè)部，1999；奧爾 森和卡爾，2002），并且可以成為京都議定書(shū)的重要組成部分。（施萊辛格，1995； mccarl 和公司，2001 ）。由于土壤固碳可以緩解大氣中二氧化碳濃度的增加，同時(shí)改善土壤結(jié)構(gòu)和土 壤生產(chǎn)力。（Lalet al., 1998a, b; McCarl and Schneider, 2001）,我們應(yīng)該更注重在不 同時(shí)空尺度下土壤的固碳潛力。現(xiàn)在

5、和過(guò)去使用土地的做法在確定全球陸地碳排 放源和吸收匯的分布和規(guī)模上是至關(guān)重要的。（卡納戴樂(lè)，2002）。我們需要分 析土地管理對(duì)土壤儲(chǔ)存現(xiàn)有的和潛在的影響。（舒曼等人。，2002）。人類(lèi)活動(dòng) 對(duì)碳儲(chǔ)存的影響在中國(guó)不被很好的理解，應(yīng)當(dāng)選擇一個(gè)典型的造林項(xiàng)目去分析土地利用變化對(duì)中國(guó)碳封存的潛在作用。2材料和方法2.1網(wǎng)站描述千煙洲林業(yè)試驗(yàn)站位于中國(guó)南部的江西 省泰和縣境內(nèi)。（26M4A48AAN, 11504A13AAE）.。土地面積204.17公頃。地勢(shì)平緩起伏，平均坡度為10-30。 海拔大約在海平面上60米。土壤母質(zhì)由紅色砂巖和泥巖構(gòu)成，土壤主要為紅壤 （吸土），水稻土（人為），潮土和草甸土

6、。紅壤面積最大，大約有140.5公頃。 年平均氣溫約18.6C，。，最高和最低的極端溫度分別是39.5。和-5.8 V,年平均降 水量為1361毫米。研究區(qū)域的景觀是一個(gè)典型的亞熱帶紅壤丘陵，占低山，梯 田和河灘位置上的景觀。該地區(qū)位于中亞熱帶常綠闊葉林地帶，原始森林由于森 林砍伐和土地利用轉(zhuǎn)換到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等原因幾乎消失。土地覆蓋類(lèi)型包括針葉樹(shù)和 闊葉林，果園，農(nóng)田，矮樹(shù)和其他次生植被。土地利用變化歷史1983年前的千煙洲是一個(gè)只有31人的小村莊，經(jīng)濟(jì)滯后。圍繞千煙洲林業(yè) 試驗(yàn)站的周?chē)貐^(qū)沒(méi)有太多的天然樹(shù)林。1983年一項(xiàng)保護(hù)紅壤資源的規(guī)劃被頒 布實(shí)施，后來(lái)中科院（中科院）建立了千煙洲林業(yè)試驗(yàn)站

7、。不同的土地利用方式 被設(shè)計(jì)并實(shí)施，旨在恢復(fù)土地資源同時(shí)避免增加水土流失。在1989年以前植樹(shù) 造林負(fù)責(zé)主要的土地利用模式。1990年初，土地利用和土地覆蓋類(lèi)型和地區(qū)仍 然相對(duì)恒定。土地統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)區(qū)可用于下列年：1983，1990和1997 （見(jiàn)表1）在千煙洲林業(yè)試驗(yàn)站有六種土地利用方式（表一）。表中顯示了在1983年 到1997年的這段時(shí)間里，該地區(qū)耕地和荒地減少了，而果園、森林、草地和水 田地的利用面積增加了。（表一）在所有的土地利用類(lèi)型中，荒地的使用面積減 少的最多，有160.84公頃之多。而森林、果園和水田地的使用面積有一個(gè)迅速 的增加。在14年間草原略有增加，而在同時(shí)期內(nèi)耕地面積緩慢下

8、降了 5.04公頃。 在1997年，該地區(qū)的八個(gè)主要土地利用類(lèi)型包括采樣的森林和林地131.09公頃， 占總數(shù)的64.21%。該地區(qū)的其他土地利用類(lèi)型的面積是非常小的，分散在整個(gè) 景觀區(qū)內(nèi)。（圖一）這些土地的使用包括住宅用地，菜地，水田，旱地，種植園， 和運(yùn)輸?shù)?。土壤采樣和土壤的碳含量?002年的5月到6月對(duì)最新的土壤進(jìn)行了取樣。為了檢測(cè)有機(jī)碳庫(kù)變化 不破壞土壤結(jié)構(gòu)或改變土壤有機(jī)碳含量，土壤進(jìn)行采樣盡量靠近附近原有的采樣 點(diǎn)。我們選擇了八個(gè)重要的森林和林地，在各土地利用類(lèi)型中選擇了兩種土壤剖 面。在各個(gè)層面上對(duì)土壤進(jìn)行采樣，而體積密度通過(guò)使用切割環(huán)進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于 每一個(gè)層面，在每個(gè)站點(diǎn)上水分

9、含量由測(cè)定儀測(cè)定后達(dá)到他們可以處理的碳濃度 前，土壤樣本必須要存放在一個(gè)布袋里。通過(guò)使用theWalkey-Black方法，各土 層的碳濃度決定一個(gè)干群眾基礎(chǔ)。（黑色，1965 ）各土層的有機(jī)碳含量計(jì)算層面 深度，密度，和二氧化碳濃度的產(chǎn)量，并總結(jié)為整個(gè)土壤剖面估計(jì)總有機(jī)碳含量 的方法等（2001）。表三顯示了各土地利用類(lèi)型下每一個(gè)采樣刨面的有機(jī)碳的濃 度。2.4數(shù)據(jù)來(lái)源千煙洲林業(yè)試驗(yàn)站是中國(guó)科學(xué)院生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（歐洲粒子物理研究所） 的一員。本研究院收集數(shù)據(jù)和有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)、資源、環(huán)境的其他信息及經(jīng)濟(jì)和社 會(huì)條件下的歐洲核子研究中心的狀況。（）我們從歐洲核子研究中 心的數(shù)據(jù)庫(kù)獲得的所有歷史數(shù)

10、據(jù)包括土壤條件和土地利用情況。 （）.1984年關(guān)于每一種土地利用類(lèi)型下的有機(jī)碳的密度和儲(chǔ)存起源 于元朝。3結(jié)果表四顯示了有機(jī)碳密度和儲(chǔ)量計(jì)算各土地利用類(lèi)型的變化。有機(jī)碳儲(chǔ)存量的 改變表面土壤是大氣中二氧化碳的一個(gè)風(fēng)向標(biāo)。固碳率從自然再生林狀態(tài)下的 0.28kg/m2變?yōu)榱嗽?984到2002年間保護(hù)濕地松森林狀態(tài)下的4.34 kg/m2。所 有土地利用的總有機(jī)碳的儲(chǔ)存量增加到了 2.45x106公斤，這是18年后+86%有 機(jī)碳的一個(gè)平均變化。（表四）有機(jī)碳儲(chǔ)量的最大增加是灌木地的+300%，而最 小的增加是風(fēng)景林的+5.6%。不同的土地利用類(lèi)型在有機(jī)碳的吸收率上有相當(dāng)大 的變化。（表四）當(dāng)

11、考慮經(jīng)營(yíng)活動(dòng)對(duì)土壤固碳的影響時(shí)，對(duì)歷史知識(shí)的了解就很 重要了。在實(shí)驗(yàn)區(qū)由于果園、土壤季節(jié)性耕作和施肥造成了有機(jī)碳的損失。農(nóng)業(yè) 土地的轉(zhuǎn)化及荒地轉(zhuǎn)化成森林和林地造成土壤固碳的最大增加。在超過(guò)18年的 研究期間我們發(fā)現(xiàn)濕地松林有最大的土壤固碳能力。將荒地轉(zhuǎn)化成林地和森林使 許多碳轉(zhuǎn)匯到土壤中。然而，在這些土地利用類(lèi)型中土壤碳的獲取變化很大。4討論根據(jù)我們的研究，過(guò)去18年中所有這8種土地利用類(lèi)型中土壤表層的138 厘米處的有機(jī)碳的儲(chǔ)存量增加了，平均量從15.8到241g m-2 y-1。（表四）其 他一些研究報(bào)告了有機(jī)碳儲(chǔ)存改變的速率，在這些研究中，亞熱帶潮濕林由長(zhǎng)期 的農(nóng)業(yè)用地再到次生林而轉(zhuǎn)化而

12、來(lái)，在35年和100年后，亞熱帶潮濕林的含量 分別為 28 和 105 g m 2 y 1。（Weaver et al.,1987; Brown and Lugo, 1990）.我們的 研究結(jié)果和這些以往報(bào)告的有機(jī)碳的的值是一致的。在我們的研究中，從荒地轉(zhuǎn) 化來(lái)的人工林是主要的土地利用類(lèi)型，相比果園，這些人工林的土壤中儲(chǔ)存了更 多的碳。以往的研究集中在土地有機(jī)碳的固存上，這些土地主要是指從農(nóng)業(yè)用地 轉(zhuǎn)化為森林用地。我們也應(yīng)當(dāng)重視那些從荒地和廢棄地轉(zhuǎn)化成的林地和森林用 地。據(jù)認(rèn)為，管理完善的林地或森林能夠刺激森林物種的生長(zhǎng)，改善森林生態(tài)系 統(tǒng)的土壤。不受干擾的自然環(huán)境和有效的保護(hù)，有助于增加有機(jī)

13、碳庫(kù)，如落葉分 解和有機(jī)質(zhì)的輸入。由于對(duì)生物地球化學(xué)的機(jī)制如何負(fù)責(zé)碳元素的流動(dòng)，它的儲(chǔ)存潛力如何及相 對(duì)過(guò)程控制的關(guān)鍵生物和生態(tài)現(xiàn)象等缺乏足夠的理解，致使我們最終不清楚陸地 碳的固存量(Metting et al., 2001).。然而，土壤不會(huì)無(wú)限制地吸收碳，土壤碳的含 量將隨著有機(jī)碳儲(chǔ)存量的增加最終達(dá)到飽和(Marland et al., 2001).。這是因?yàn)闀r(shí)間 的長(zhǎng)短和變化率的不同。土壤中碳的積累受氣候，植被，土壤溫度，水分，土壤 質(zhì)地，礦物質(zhì)含量，人類(lèi)活動(dòng)，和過(guò)去的歷史土壤有機(jī)碳輸入和物理干擾的限制 (Schlesinger, 1995; Post and Kwon, 2000).

14、。由于缺乏植被和和落葉的的數(shù)據(jù)，我 們的分析低估了碳的收益周期。此外，荒地到草地角色轉(zhuǎn)化中的碳匯不被考慮進(jìn) 來(lái)。我們的分析也忽略了其他因素，這些因素眾所周知能夠提高固碳，例如氮肥 和水的管理。因此我們不知道是否有機(jī)碳的儲(chǔ)存達(dá)到了它的最大極限，以及決定 有機(jī)碳固存的控制因素之間的關(guān)系。在某些情況下，植被補(bǔ)丁與土壤中碳元素的巨大差異有聯(lián)系，碳元素需要我 們通過(guò)抽樣調(diào)查進(jìn)行說(shuō)明(Palmer et al., 2002; Schuman et al., 2002)。在研究中， 我們選擇了 16個(gè)土壤刨面進(jìn)行采樣，但是也不足以完全說(shuō)明有機(jī)碳變化的空間 改變。如何實(shí)現(xiàn)規(guī)模轉(zhuǎn)移是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，即未來(lái)如何在基于有限的土壤剖面和 復(fù)雜的區(qū)域分布下估計(jì)土壤固碳。5結(jié)論保護(hù)森林和林地可導(dǎo)致土壤碳的客觀收益，這些碳元素從大氣中最終進(jìn)入到 土地中。因此森林的保護(hù)和種植園的建立對(duì)于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固存的意義非常重 大(Scholes and Noble, 2001)。在千煙洲林業(yè)試驗(yàn)站周邊地區(qū)，完善土地使用管理 的做法可以大大提高土壤碳固存。在中國(guó)紅壤丘陵地區(qū)實(shí)踐土地利用的綜合技 術(shù)，協(xié)調(diào)彼此相鄰不同的土地利用類(lèi)型不僅有利于提高經(jīng)濟(jì)效益而且有利用防止