农田生态系统土壤碳固持效应研究

摘要：指出了农田生态系统在陆地碳循环中具有重要地位且受人为活动影响较大，通过实施合理科学的土地管理措施，稳定和提高农田土壤碳库贮量，对于保证全球粮食安全与缓解气候变化趋势具有双重的积极意义。详细论述了全球及我国土壤有机碳库和无机碳库的固持总量以及农田土壤固碳的潜力，分析了农田管理中的土地利用方式、种植制度、施肥措施、灌溉条件等分别对土壤有机碳库和无机碳库的影响，以期为提升土壤碳库总量、提高农业生产力、缓解气候变化等提供参考。

关键词：土壤有机碳贮量；土壤无机碳贮量；农田管理；残体分解

中图分类号：S153.6

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）18000104

1引言

自20世纪80年代以来，减少温室气体排放和增加陆地生态系统碳汇成为全球变化研究的热点＼[1＼]。土壤有机碳库是地球表层系统中最大且最具有活动性的生态系统碳库之一，而土壤发生性碳酸盐在形成过程中可以固存大气CO2，其形成与周转对干旱区碳循环具有重要影响，在全球碳循环过程中的贡献日益显著＼[2＼]。

农田生态系统在陆地碳循环中具有重要地位且受人为活动影响较大，通过合理科学的土地管理措施，稳定和提高农田土壤碳库贮量，对于保证全球粮食安全与缓解气候变化趋势具有双重的积极意义＼[3＼]。作物残体分解是土壤有机质的重要来源＼[4＼]，施用化肥在提高作物地上产量的同时也增加了地下根系残体的数量。研究肥料施用对根茬养分组成及其分解特性的影响，对于揭示根系分解在土壤碳循环过程中的作用，以及科学栽培、合理施用化肥，促进农业可持续发展和增加土壤固碳等方面具有重要的理论及实践意义。

2土壤碳库固持总量研究

土壤碳固持是指将大气中的CO2转化为土壤碳组分的过程，该过程主要通过：①植物的光合作用，通过土壤中的作物残体和其他生物固体的腐殖化过程将碳以土壤有机碳的形式贮存下来；②在干旱、半干旱气候条件下，土壤碳固持通过将土壤气体中的CO2转化为无机形式，生成次生碳酸盐，或者通过碳酸氢盐向地下水的淋溶过程中捕获CO2气体＼[5＼]。

陆地生态系统碳库总量接近3170 Pg，其中，大约80%碳库（2500 Pg）贮存在土壤中。土壤碳库包括有机碳库（1550 Pg）和无机碳库（950 Pg），是大气碳库（760 Pg）的3.3倍，生物碳库（560 Pg）的4.5倍。作为陆地生态系统中最大的碳库，土壤碳库与大气碳库联系非常紧密，土壤每增加1 Pg碳贮量，将能够相应地降低大气CO2浓度0.47×10-6，反之亦然＼[6＼]。

2.1土壤有机碳贮量

有机碳是土壤的重要组成部分，在土壤肥力、环境保护与农业可持续发展方面具有重要意义＼[7＼]。在湿润、半湿润地区，土壤碳库以有机碳形式贮存为主。国际上用多种模型估算出的全球土壤总有机碳库为1288～1939 Pg，在1 m土层深度的有机碳贮量范围为1200～1600 Pg＼[8～10＼]，而上层土壤（30 cm）有机碳库约为684～724 Pg＼[11＼]。Lal＼[12＼]近年来采用1500 Pg作为全球土壤总有机碳库的估计值。Jobbágy和Jackson＼[13＼]估算得到，在3 m土层内，全球土壤的有机碳库贮量为2344 Pg，56%（1502 Pg）以上分布在1 m深土层。

王绍强等＼[14＼]运用我国第一次土壤普查资料结合中国土壤分布图，估算得到中国土壤总有机碳库为100 Pg，运用第二次全国土壤普查资料的计算结果为92 Pg。潘根兴＼[15＼]按照《中国土种志》中全部约2500个土种的有机碳含量资料的计算结果为50 Pg，这与我国国土面积相近的加拿大的180 Pg相比甚低，且表层土壤有机碳贮量占全球的4.4%，说明我国土壤有机碳的表聚性比较突出。方精云和陈安平＼[16＼]估算提出中国土壤总有机碳库高达185 Pg，其所运用的方法是土壤都均一化为1 m厚度。

2.2土壤无机碳贮量

不同研究者对全球0～1 m土层的土壤无机碳贮量估算范围变化较大，从695～748 Pg＼[10＼]到1738 Pg＼[17＼]。土壤无机碳包括原生（母质）碳酸盐和次生碳酸盐（主要是方解石），造成对土壤无机碳库贮量估算值差异较大的主要原因之一就是难以区分原生、次生碳酸盐。对全球土壤无机碳库贮量的最新估算数据为1 m深度947 Pg，接近全球土壤总碳库量的38%＼[18＼]。

基于我国第二次土壤普查（1979～1992年）数据，中国无机碳贮量为55.3 Pg，约占全球1 m土层无机碳库总量的5.8%＼[19＼]，其中西北地区土壤无机碳含量（13.6 kg C/m2）和贮量（30.1 Pg）最高。我国黄土高原地区1 m深度的土壤无机碳库量为10.2 Pg，接近全国无机碳总贮量的18.4%，其中黄土高原南部的关中塿土（土垫旱耕人为土）无机碳贮量为0.25 Pg＼[2＼]。

3农田土壤固碳意义及潜力

在全球陆地生态系统碳库中，只有农田土壤碳库是强烈人为干扰，而又可以在较短的时间尺度上进行调节的碳库＼[20＼]。Lal和Bruce＼[21＼]预测指出，通过秸秆还田处理，全球农田土壤的固碳潜力为200 Tg/yr；在合理施用化肥后，农田土壤固碳能力能够达到100 Tg/yr。此外，次生碳酸盐形成也是缓解气候变化、提高土壤无机碳贮量的重要方式。土壤次生碳酸盐的生成速率约为10～15 kg C/（hm2·yr），通过合理的农田灌溉，土壤无机碳的固碳潜力可以达到0.25～1.0 Mg C/（hm2·yr）＼[5＼]。在我国农业耕作现状和发展基础上，韩冰等＼[22＼]估算得到我國主要农业措施的固碳现状和潜力分别为101.4 Tg/yr和182.1 Tg/yr。

4农田管理与土壤固碳