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1、中国土壤碳汇研究 2010-04-27 | 作者： 周飞飞 | 来源： 国土资源报 与往年一样，人们把对地球的更多关注给予了4月22日这样一个特殊的日子世界地球日，但与往年不同，2010年地球日的中国纪念活动主题中，出现了一个关键词低碳。的确，在近年来全球气候变化的大背景下，如何减少二氧化碳向大气的排放、应对全球气候变化不仅是当前人类所面临的最为严重的环境问题之一，而且已经演变成为世界各国共同关注的一个重大的政治经济问题。今天，在第41个世界地球日来临的时候，让我们走入一个平时较少涉足的科学研究领域土壤碳汇。 “失踪的碳哪儿去了？ 在遥远的石炭纪、二叠纪、侏罗纪、白垩纪、三叠纪等时期，大量的生
2、物及其沉积物因地壳变迁被埋在地下而迅速与空气隔绝，在适宜的地质条件和长期高温、高压的作用下，逐渐被碳化，最终形成了岩石碳库中最重要的部分煤、石油、天然气等高碳能源。 几千万甚至几亿年之后，这些化石燃料伴随着工业革命的来临推动了人类社会一次划时代的飞跃，深刻影响着人类未来的发展。今天，工业革命持续一百多年之后，与此相关的两个世界性难题开始横亘在人类面前：一个是，高碳的化石能源即将在触手可及的未来告罄；另一个是，大量燃烧化石能源排出的二氧化碳等温室气体加剧了全球气候变化。 问题的核心都是碳以及碳在自然界的循环。 科学家揭示了自然界碳循环的基本过程：大气中的二氧化碳被陆地和海洋中的植物转化为有机物固
3、定下来，然后通过生物或地质过程以及人类活动，又以二氧化碳的形式返回大气中。一般来讲，以大气为中心，某个生态系统如果向大气排放二氧化碳，就是碳源，从大气吸收二氧化碳就是碳汇。按照物质守恒定律，在碳的循环过程中，碳源与碳汇应该形成一个等式。然而，问题出现了：无论科学家们怎么计算，碳源排放二氧化碳的量总是大于碳汇吸收的量，且差距逐年拉大，也就是说，有一部分碳汇不知去向了。这一现象，被科学界称为“碳的失汇”。 那么，这些本应该在大气中的碳，到底到哪里去了？ 带着这个问题，记者走访了国土资源部中国土壤碳汇潜力研究项目中的主力科学家、中国地质大学（北京）地球科学与资源学院地球化学教研室主任、博士生导师杨忠
4、芳教授，以及她的助手夏学齐博士。 杨忠芳告诉记者，寻找“失踪的碳”之前，我们先要了解地球上的碳库。 据介绍，地球有四个大碳库：大气碳库，其中的碳多以二氧化碳、甲烷及其他含碳气体分子的形式存在；海洋碳库，包括海洋中溶解碳、颗粒碳，海洋生物体中含有的有机碳，以及赋存于海洋碳酸盐岩等沉积物中的碳；岩石圈碳库，主要存在于碳酸岩和黑色岩系，如煤、油页岩等沉积物中的碳；陆地生态系统碳库，包含了植被碳库和土壤碳库，也可按生态类型分成农田、森林、草地、湿地等生态系统碳库。必须明确的是，几大碳库之间的碳是相互交换的，这种交换作用过程就构成了地球表层系统碳循环。 现在，我们可以破案了。 用排除法来看。首先排除的是
5、大气和海洋，因为它们相对而言化学组成简单，空间变异性较小，两大碳库的量及海洋碳库与大气碳库的交换量估算起来相对准确。第二个被排除的是岩石圈，因为这个碳库中的碳活动非常缓慢，实际上起着贮存库的作用。显然，问题出现在对陆地生态系统碳库的估算上。 夏学齐博士介绍说，最近十几年来，陆地生态系统已成为科学界研究碳循环的主要热点，特别是对植被碳库研究。由于遥感等方法的广泛应用，目前人们对植被碳库已估算得相对准确，但对于土壤碳库方面的研究相对薄弱，也就是说，寻找“失踪的碳”的关键就在对土壤碳库的研究。 土壤碳库到底有多巨大？ 土壤碳库究竟有多大？我们为什么要研究土壤碳库？ 国内外土壤碳储量的估算经历了约40
6、年的时间，目前有资料显示，全球土壤有机碳库（1米厚土层）的估计值约为1.5万亿吨，此外还有约2万亿吨的无机碳。王绍强等人根据我国第二次土壤普查数据估算，我国土壤有机碳库约为900亿吨，无机碳库约为600亿吨。 然而，不同的科研团队公布的对土壤碳库的估算值差别巨大。 比如，同样是对中国有机碳库（1米厚）的估计，有的科学家估算为500亿吨，有的则估算为1807亿吨，最高者与最低者竟相差3倍以上。 为什么会出现这样的状况？ 据夏学齐介绍，当前土壤有机碳估算的方法主要有直接估算法和间接估算法。直接估算法是依据主要土壤类型或植被类型的空间分布及各土壤类型的平均碳储量来进行估算。这种方法存在的问题是，它只
7、能反映不同土壤类型或生态系统类型之间的土壤有机碳储量的差异，而不能很好地反映同一类型内部的空间差异性。土壤实测的结果表明即便是同一类型的土壤，有机碳依然具有很大差异，要更准确地刻画土壤有机碳的空间差异性需要更多的土壤实测数据。 因而，在实测数据有限的情况下，许多科学家在进行区域尺度的土壤有机碳估算时都会采用基于生态系统碳循环过程模型的间接估算法。但问题依然存在，受知识和数据的限制，在间接法中一些具有空间异质性的模型参数常被简化为常数，大大影响了土壤有机碳估算的精确性。 很显然，由于数据来源和使用方法的不同，科学家们对土壤碳库的估算出现了巨大的误差。 夏学齐表示，尽管各家估算的数值存在较大差异，
8、但有一点是可以肯定的：土壤碳库非常巨大，是几倍于大气碳库和植被碳库的。比如，美国地质调查局的科学家发现，目前美国48个相互连接的州，土壤碳库中储存有730亿吨碳，加上森林中储存的170亿吨碳，比美国目前燃烧化石燃料产生的二氧化碳排放量50年的总和还要多。 需要注意的是，土壤碳库和土壤碳汇不是一个概念：土壤碳库是土壤中碳的存储量，土壤碳汇则是指土壤从大气中吸收并储存二氧化碳的过程、活动和机制。 其实，土壤既可能是碳汇也可能是碳源。 在生物地球化学和地球化学作用过程中，地表土壤通过呼吸、河流侵蚀搬运、植物光合作用与动植物残体凋落等各种途径，使有机碳在土壤大气、土壤生物和土壤河流（海洋）等之间进行着
9、频繁的交换，其出和入的数量是受各种因素干扰制约的。对于某个区域的土壤来说，当释放的碳大于吸收的碳时，它就是碳源；当吸收的碳大于释放的碳时，它就成了碳汇，当然，就像海绵吸水一样，土壤的碳汇是有极限的，这个极限容量决定了该地区土壤的固碳潜力。 文献资料表明，土壤与大气间碳的年交换量高达600亿800亿吨，是每年石油和煤等化石燃料燃烧释放碳量的12倍16倍。由于土壤碳库几倍于大气碳库，因而在陆地生态系统碳循环中，土壤碳的微小变化可能引起大气二氧化碳浓度的较大变异。有计算表明，如果全球土壤有机碳在目前的水平上增加1，土壤固定的有机碳将增加150亿吨左右。 这也就回答了另一个问题人们为什么要研究土壤碳库
10、？ 土壤碳库及其变动是影响大气二氧化碳浓度的关键生态过程，因此，土壤碳库的精确估算是研究全球变化、土壤碳循环的重要基础，也是人们采取措施增加土壤碳储存量，减少二氧化碳排放，遏制全球气候变暖的重要基础。 研究土壤碳汇机制有什么用？ 碳是自然界少数几个可以以固相、液相、气相三种方式存在的元素之一，各相间约束条件的微小变化或环境条件的改变，均可使土壤碳库发生由汇到源或由源到汇的重大变化。 如同森林等生态系统的碳存储一样，土壤碳库也趋于一种动态平衡的过程当中。 碳输入，主要指来源于植被光合作用固定的大气中的二氧化碳，通过植物残体、根系和根系分泌物进入土壤；碳输出，主要是微生物分解土壤中的有机碳，再通过
11、二氧化碳和甲烷等形式回到大气。输入的多输出的少，是碳汇，输入的少输出的多，则是碳源，随着碳输入数量和分解速率的变化，土壤中的碳或是增加，或是减少，直至达到新的平衡。 但是，这个动态平衡过程会受到许多因素干扰，进而控制碳源和碳汇的大小和方式。“地区不一样，温度、湿度等因子也不同，土壤的碳汇能力和固碳效率就会不一样。”夏学齐说。 杨忠芳举了个简单的例子：在相同植被条件下，土壤温度越低固碳就越多。这就好比夏天在冰箱中可以延长保存食物的时间，其原理就是低温微生物活动性降低。低温环境下的土壤也是一样，微生物分解有机碳的能力要比在同等植被条件下高温地区的土壤中大大降低。但在相同温度条件下，植被越丰茂，通过
12、植物凋落，输入土壤的有机碳就越多，其碳汇能力也越大。 由于研究土壤的生态功能比较困难，有人把土壤比喻成“黑箱”。杨忠芳对此表示赞同，她认为，自然界非常复杂，各个因子变化多端，研究土壤碳汇源转化机理及作用过程时，必须具体条件具体分析。但可以肯定的是，不同生态系统、不同土地利用方式的土壤碳汇能力差异很大。 支持这一论点的依据非常多。上世纪末，联合国政府间气候变化专门委员会公布了对全球植被和1米深土壤碳库中的碳存储总量的研究结果：全球森林土壤中的碳存储总量达7870亿吨，其中寒带森林土壤中就有4710亿吨；全球草原土壤中存储碳5590亿吨；湿地土壤中存储碳2250亿吨；农田土壤中则保存碳1280亿吨
13、 科学研究的最终目的是为了推动人类经济社会的健康发展。如今，我们已经走入了一个世界各国都在为遏制全球气候变化努力的时代，人们更希望相关的科学研究能尽快为二氧化碳等温室气体的减排作出贡献。正因为如此，对于土壤碳汇研究，许多人更关注哪里的土壤固碳潜力比较大、如何固碳等实际问题。 中国农业科学院博士生导师林而达曾对我国主要农业活动的土壤固碳潜力进行了估算。他发现，实施农田管理措施，我国农业活动的固碳潜力高达1490万吨每年；草地固碳潜力为2390万吨每年；森林固碳潜力则高达百万吨每年；未来50年中我国通过各种对土地利用的有效管理，年平均可以固碳8380万吨。 “林老师的研究很能说明问题。不同的土地利
14、用方式固碳能力是不一样的，总的来说，森林、草地、农田、沼泽等生态系统的土壤固碳潜力比较大。”杨忠芳说，“显然，改变土地利用方式是固碳的一个重要手段。不过，尽管种树种草有利于固碳，但对于我们这个农业大国来说，农业土壤固碳更值得研究和推广。” 研究显示，在陆地生态系统碳库中，农业土壤碳库极易受人为活动干扰，其碳库可以在510年时段上快速调节。联合国气候变化2007指出，农业是当前具有很大缓解能力和潜力的一个重要的陆地生态系统，其中93%来自固定土壤碳；东南亚是全球最大的农业土壤固碳与温室气体减排的潜力所在。 杨忠芳告诉记者，采取有效的农业管理措施可改变农田土壤碳库的状况，有效增加土壤碳汇值。比如，在农耕区采取保护性耕作，采用免耕、垄耕、少耕、覆盖、秸秆还田等耕作方式，可以通过降低土壤有机质呼吸速率或者增加土壤碳的输入，从而增加土壤的碳储量。 最近几年来，农业土壤固碳研究已经成为日益活跃且飞速发展的一个新兴领域。比如在美国，2001年提出了固碳科学，之后又提出了固碳科学技术的概念，农业部将农业土壤固碳和温室气体减排作为国家的核心项目，能源部支持了3个促进陆地生态系统固碳的国家中心和7个地区中心，其中土壤固碳都占有十分重要的地位。2
