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龙源期刊网 http://www.daodoc.com 土地利用变化对土壤有机碳的影响研究进展
作者：马玉霞
来源：《环境与发展》2014年第03期
摘要研究土地利用变化对土壤有机碳及其动态变化规律，有助于掌握全球气候变化与土地利用变化之间的关系。本文分别从土地利用及其管理方式变化的角度，综合阐述了土地利用变化对土壤有机碳的影响过程与机理。
关键词土地利用方式 土壤有机碳 温室效应
中图分类号 X14文献标识码 A文章编号1007-0370（2014）03-0064-04 Abstract： Studying the effect of land use change on soil organic carbon and its dynamic change rules，help to grasp the relationship between global climate change and the land use change.By literature review，this paper summarizes major research progrees on the effects of land use change on SOC，explaining the proce and mechanism of SOC change induced by changes of land use and land management.Key words： Land use；Soil organic carbon；Greenhouse effect 土壤碳库是大气碳库的3.3倍，生物碳库的4.5倍，是陆地生态系统最大的碳库[1-2]，也是最活跃的碳库之一。土壤碳可分为有机碳（SOC）和无机碳（SIC）。无机碳相对稳定，而有机碳则与大气频繁地进行着二氧化碳交换，与大气进行活性交换的SOC约占陆地生态系统碳的2/3[3]，所以SOC的变化将会影响大气CO2浓度，进而改变全球碳循环[4]。SOC是直接影响土壤性质和植物营养系统的土壤重要属性之一，是二氧化碳、甲烷等温室气体的重要释放源，也是吸收汇 [5]。在人类活动扰动下，自然土壤原有的结构状态被破坏，改变了土壤碳库的正常代谢，从而影响大气中CO2浓度[6]，增大了全球气候变暖的压力。
土地利用变化通过改变地表反射率和糙度[7]，通过改变植被和土壤碳库的方式[8]，影响地表的热量平衡、大气温室气体浓度[9-10]。自然生态系统转换到农业生态系统，其土地利用方式的改变会使SOC库在温带地区降低60%热带地区降低75%以上[1]。严重的SOC库缩减将使土壤质量、生物产量和水资源质量下降，也可能使预期的全球变暖现象恶化[1，11]。所以，了解土地利用变化对SOC的影响对认识气候变化具有重要的意义。1总有机碳（TOC）与溶解性有机碳（DOC）、有机质（OM）的关系
目前国内外对SOC的研究出于不同的研究目的、方法，主要以总有机碳（TOC）、溶解性有机碳（DOC）和有机质（OM）为研究对象。有机碳与有机质是土壤中有机物质的不同表示方式，是土壤中较为活跃的部分，表示土壤肥沃程度的指标。TOC是通过将有机物全部高
龙源期刊网 http://www.daodoc.com 温燃烧成CO2，通过非分散红线外吸收法（NDIR）测定其浓度。有机质是使用重铬酸钾氧化，硫酸亚铁滴定测定有机碳含量，再乘以转换系数1.724换算成有机质含量。因此有机质是能被重铬酸钾氧化的物质的总合，即包括有机物，也包括还原性的无机物。对不同的实际样品，燃烧氧化与重铬酸钾氧化其氧化效率有所不同，因此测得有机质与有机碳比值有很大差异[12]。
SOC可分为溶解性有机碳和非溶解性有机碳。国内外有关土壤溶解性有机碳的术语很多，如有效碳、易氧化碳、可矿化碳、活性有机碳、微生物量碳。虽然溶解性有机碳只占SOC很小一部分，但参与土壤生物化学转化过程，是土壤微生物可直接利用的有机碳源[13]，是陆地生态系统生物化学循环的重要组成部分，影响着全球SOC的平衡。2土地管理方式对SOC的影响
SOC的储量是进入土壤的植物残体量和分解损失量二者之间动态平衡的结果，如自然植被的清除、轮垦、耕地、施肥、作物残余物还田、土地撂荒、有机土壤的农业利用等[14]。土地利用变化既可以通过影响地表净初级生产量和死有机物质的滞留直接影响SOC的储量输入，也可以通过潜在改变土壤的生物、化学与物理过程而间接影响SOC的储量输出[15]，因此，土地利用变化是影响SOC动态平衡的最主要人为因素。2.1农田的变化对其SOC的影响
影响农田中SOC的主要管理类型可分为：残余物管理类型、耕作管理、肥料管理、作物的选择和耕作系统的强度、灌溉管理，以及轮作等。由耕作引起的土壤有机碳的损失涉及3个过程。[16]：（1）由于土壤团粒结构被破坏，温度和湿度发生变化所引起的氧化和矿化过程；（2）可溶性有机碳或颗粒有机碳的淋溶和迁移过程；（3）加速的土壤侵蚀过程。传统耕作方式，会破坏土壤团粒结构，使土壤温度、湿度发生变化，加快氧化和矿化过程，并提高可溶性有机碳或颗粒有机碳的淋溶和迁移，加速土壤侵蚀，一般会引起SOC的损失。秸秆燃烧、湿地排水、翻耕以及类似的措施，去除作物残留物、夏闲和无覆盖播种，以及过度使用杀虫剂等均可使土壤碳库迅速下降。保护性耕作（少耕或免耕）、合理施用肥料、覆盖作物、应用深根且富含木质素的作物等[16]措施，增加了地表归还生物量，减弱了表土扰动和土壤有机质的氧化与矿化，使得土壤水稳性大团聚体数量增加，团聚体中的碳含量也相应增加，从而提高了SOC[15]。实施秸秆还田与免耕措施能够有效促进农田土壤有机碳贮量的增加[17]，保护性耕作措施土壤有机碳增加量显著高于传统翻耕.秸秆还田处理0～10cm土层有机碳含量表现为深松>旋耕>免耕>耙耕>传统翻耕，说明保护性耕作措施能提高0～10cm土层的有机碳含量[18]。科学的农业措施包括保护性耕作、秸秆还田、覆盖作物、合理施肥、应用深根且富含木质素的作物等，会使碳损失量的60%-70%被重新被固定，SOC会得到较大提高[19-21]。
以有机肥或以化肥形式配合施用，不但可以极大提高土壤生产力，而且有益于增加土壤有机碳储量。有机肥对土壤有机碳含量的提高作用显著高于化肥[22]。施肥对土壤有机碳的影响随着土层深度的增加而下降，而土壤无机碳随着土层深度的增加而增加。化肥、有机肥长期配
龙源期刊网 http://www.daodoc.com 合施用和长期施用有机肥可以在0～30cm土层增加土壤有机碳含量[23，24]。将保护性耕作与合理配置施肥结合可显著提升SOC。因此，在我国现在措施下，减少化肥的同时增加秸秆还田比例和增施有机肥是既增加土壤有机碳含量又减少化肥污染的双赢措施[25]。化肥处理中不同氮肥施用量有利于耕层土壤有机碳及其组分的积累，配施秸秆还田效果更佳[26]。
灌溉被认为是最具固碳潜力的管理措施，灌溉能够改变土壤C输入、输出以及土壤C储量[27]。长期使用污染的渭水灌溉，使土壤中有机物质的质量分数明显增加。随着土壤剖面深度的增加，其增加幅度会显著降低[28]。渭河水中富含的有机污染物提升了灌溉农田土壤有机碳贮量[29]。干旱区荒漠土壤开垦为灌溉农田后，增施有机肥、秸秆覆盖还田、种植多年生苜蓿或苜蓿插入轮作体系是快速提升SOC水平[30]。2.2林地的变化对其SOC的影响
不同的森林管理活动，如轮伐期的长度、树种的选择、排水、采伐做法（全树或锯材原木、更新、部分采伐或疏伐）、整地活动（计划火烧、松土）以及施肥等，均会影响SOC库[31]，其中采伐和火烧是造成林地SOC减少的主要的原因。森林采伐后，地表生物量大量减少，地表温度升高，水分蒸发加快，土壤微生物分解活动增强，加上表土扰动可能带来侵蚀，SOC 将会减少，但适度采伐的林地既能保持系统的平衡，又能调节林内环境因子，有利于系统内的元素转化利用。
不同强度火干扰对林地SOC 有不同的影响，一般而言，低强度火干扰长时间内不会导致SOC 减少，而高强度火干扰则会使SOC出现不同程度的下降[15]。重度火烧后土壤有机碳含量有极显著的即时下降，主导因素是表层有机碳燃烧损失和高温挥发损失，以及后期的侵蚀损失等所致[32]。高强度林火有使土壤有机碳在空间分布上具有“低值趋同”趋势[33]。合理的林地管理措施可以增加林地SOC，如增加林地储量、水土保持、减少风和火的干扰、林间道与沟渠灌排网络的设计、采用间伐减少森林砍伐量、提高生物多样性、短期木材林与能源作物轮作、肥料施用等[15]，这些措施不仅可以维持或增加现有土壤碳库，还可以预防或减缓森林砍伐、限制森林退化，从而加强林地利用的可持续性。
林地转为农田或草地都会使SOC降低，因为植被净生产力降低减少了SOC输入量，覆被类型改变使地表温度升高而加快了SOC分解。实施退耕还林以后，土壤有机碳会有明显增加，0～20cm土层的土壤有机碳含量增加24.4%，退耕还林显著提高了土壤有机碳含量[34]。2.3草地的变化对其SOC的影响
影响草地SOC的管理措施主要包括开垦、放牧、火烧、肥料管理、石灰施用、灌溉等。草原开垦会使草原SOC大量释放，开垦活动减少了碳素向土壤输入，增强了有机质分解和土壤侵蚀活动，破坏了土壤颗粒有机碳和土壤团聚体。农地转为草地一般会使SOC提高，这是由于林、草地凋落物量和质量均较高且易分解，土壤有机质稳定性增强，而且随着林、草地郁
龙源期刊网 http://www.daodoc.com 闭度的提高，地表温度降低，土壤湿度和水分得以保持，从而降低了SOC的分解速率，促进了SOC的积累[15]。
只以打草场作为利用方式的表层土壤总有机碳含量较高，常年放牧场的总有机碳水平较低[12]，过度放牧可使草原固碳能力下降，减少了其向土壤中的碳输入，因此使得有机碳含量明显低于其平均水平。一般情况下，不同强度的放牧都会造成草地表层（0-30cm）SOC的下降，且表现为过牧>重牧>轻牧>中牧，而补播、围封和禁牧将使SOC增加[35]。过度放牧，由于牲畜采食减少了植物向土壤的碳素归还量，加上过度放牧对土壤物理化学性质的干扰，加速了土壤的呼吸作用，造成SOC的损失。重建或修复开垦牧场可大幅增加SOC，在自然保护区和高草草原地区尤为明显。人为干扰对典型草原SOC含量具有明显影响，放牧导致SOC显著下降，而施肥和封育可以提高SOC[36]。3结语
土地利用方式的改变不仅影响土壤有机物的输入，也可通过对土壤条件的改变来影响SOC的分解速率，从而改变其含量。如林地、草地的退化，及其向耕地的转化都将使SOC净固存率降低，反之，退耕还林、退耕还草将增加SOC的净固存，提高土壤中有机碳的稳定性。
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