新疆土地利用變化與土壤固碳潛力研究

王紅巖

摘要 土地利用變化是影響陸地碳源和碳匯變化的主要因素之一。該研究根據國內外文獻資料，探討分析新疆農業土地利用管理對土壤碳匯功能及其土壤固碳減排潛力的影響。結果表明，通過新疆地區宜農后備土地的開發，增加新疆農田面積并控制土地荒漠化可以有效地緩解我國土壤有機碳損失；加強灌溉、施肥和翻耕等農田管理措施，對土壤-大氣CO2交換產生重要影響；新疆地區土壤對大氣CH4吸收和N2O排放也不容忽視；后兩者需要進一步深入研究證實。

關鍵詞 干旱區；農田土壤；土壤固碳；管理措施；溫室氣體

中圖分類號 S28 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）20-06816-02

人類活動加劇氣候變化進程[1]，其中土地利用變化就是人類活動影響氣候變化的重要因素之一，同時氣候變化又對人類賴以生存的水、生態環境以及農業持續性發展、人類健康等產生很大的負面影響，其中農業生態系統方面表現出對土壤碳和氮循環的影響上[2]。土壤作為一種碳源或碳匯，影響著大氣中CO2濃度[3]，土地利用發生變化后將嚴重影響陸地碳源和碳匯變化，全球干旱（荒漠）區占陸地總面積的47.2%，而荒漠生態系統開墾為農田后可增加土壤有機碳含量，可見其土壤碳庫及變化在區域/全球碳循環過程中占有重要地位。新疆自治區耕地面積僅占中國的3%，但其土壤有機碳的累積量卻不容忽視，若新疆地區未來20年內將18%的宜農后備土地開墾為農田，土壤有機碳儲量將增加約0.65×1015，為過去20年全國土壤有機碳凈損失量的22%；而且新疆地區土壤對CH4吸收和N2O排放也不容忽視，如2005年全區農田N2O直接排放總量可達5.34×109 g N2ON，其增溫潛勢在可抵消過去20年農田土壤有機碳的平均年累積量；因此增加新疆農田面積并控制土地荒漠化將有效緩解我國土壤有機碳的損失。相關研究顯示，干旱區土壤無機碳庫較重要，土地利用變化對干旱區土壤碳庫影響的研究多集中于有機碳，其損失主要由土地（草地）荒漠化引起，而且灌溉、施肥和翻耕等農田管理措施對土壤-大氣CO2交換產生重要影響，但其凈效果需要進一步研究證實，新疆地區土壤的溫室氣體源/匯功能及土地利用變化引起的源/匯功能變化亟需深入的實驗研究。

1 干旱區土壤碳庫研究進展

陸地生態系統（植物和土壤）是主要碳庫之一，其碳儲量是大氣碳儲量的4倍，其中約30%～90%儲存于土壤[4]，土地利用變化是造成土壤碳庫變化的主要驅動因子之一，而土壤碳庫的變化將對生態系統碳儲量產生重大影響，改變其碳源/匯功能。干旱（荒漠）區（年降水量：潛在蒸發量<0.65）大約占全球陸地面積的47.2%，所以干旱區土壤碳庫及其變化在區域/全球碳循環中占有重要地位。溫帶和熱帶地區，自然生態系統（森林、草地和濕地）開墾為農田后，導致土壤有機碳含量下降并以CO2形式釋放，可見退耕還林還草是增加土壤有機碳含量的有效途徑；相反，在自然環境惡劣的干旱區，氣候變化使得干旱區洪澇和干旱災害頻繁發生，造成自然生態系統退化加劇，使得荒漠生態系統初級生產力和土壤有機碳含量較低，這種土壤有機碳的損失主要由土地荒漠化引起，荒漠土地經人為開墾管理后，農田生態系統初級生產力提高，農田作物能夠固定更多的大氣CO2，而且農田土壤有機碳含量也較荒漠土壤高[5]，而且開展免耕、秸稈還田、施用有機肥和輪作等合理的管理措施有利于進一步提高農田土壤有機碳含量。

由于干旱區土壤有機碳含量較低，無機碳（碳酸鹽）的含量顯得十分重要[6]，通常情況下，荒漠化越嚴重的地區，土壤碳酸鹽含量越高，從側面反映出荒漠生態系統被開墾為農田后將造成土壤無機碳的損失，另一方面過磷酸鈣（普鈣和重鈣）是干旱區農田主要磷肥之一[7]，其引入的Ca2+有利于碳酸鈣的形成，大多數農田因灌溉致使表層土壤鹽堿化，較高的土壤酸堿度（pH）則有利于碳酸鈣沉積。當前還尚未有針對干旱區荒漠生態系統開墾為農田后土壤無機碳凈固定/損失方面的文獻報導，但可以肯定的是，氮、磷、鉀等復合肥逐步替代過磷酸鈣，使得干旱區農田土壤無機碳碳匯功能隨著土壤Ca2+濃度降低而減弱。

2 新疆土地利用變化與土壤固碳潛力

2.1 新疆土地利用變化與土壤有機碳庫

新疆維吾爾自治區地處我國西部內陸，地形復雜，氣候多樣，屬典型的干旱半干旱地區，沙漠、戈壁、荒漠、高山占全疆面積的2/3以上，全區總面積4%的綠洲上集中了95%的人口。隨著人口增加和經濟發展，自20世紀50年代以來，新疆農業經歷了大規模的開發，2012年耕地面積達到512.33萬hm2，較1950年增加了3.5倍；但新疆仍屬我國土地荒漠化最嚴重的地區之一，荒漠化面積占全區面積的80%左右，大約有44%的耕地受到荒漠化威脅[8]。目前，受人為和自然因素影響，新疆地區大規模的土地利用變化對土壤碳庫造成了強烈擾動，甚至會對全球碳循環過程產生重大影響。盡管新疆全區耕地僅占全國耕地總面積的3%，但過去20年間新疆地區農田土壤有機碳累積增加量卻達全國總量的7%，土地（草地）荒漠化造成的土壤有機碳損失則占全國總量的17%，全區土壤有機碳凈損失占全國總量的19%（未計入土壤無機碳的固定/損失），因此，增加新疆農田面積并控制土地荒漠化將在一定程度上有效緩解我國土壤有機碳損失。

新疆地區宜農后備土地面積達880萬hm2[9]，是現有耕地面積的2.2倍。隨著宜農后備土地的逐步開發，新疆農田土壤的碳源/匯功能將成為我國CO2減排增匯研究的重要內容，假如宜農后備土地以每年8萬hm2的速度開墾，農田土壤1 m深度內有機碳密度為0.55×108 g/hm2，荒漠土壤1 m深度內有機碳含量為0.20×108 g/hm2，農田土壤有機碳含量隨開墾年限的年增長率為0.53 g/kg，農田土壤1 m深度內土壤容重平均為1.26 g/cm3，那么20年后，將有1.6×106 hm2（約占總數的18%）宜農后備土地開墾為農田，全區農田面積可增加40%，農田土壤有機碳儲量將增加0.65×1015 g，較2005年農田土壤有機碳儲量增加2.2倍，相當于過去20年全國土壤有機碳凈損失的22%。按照這樣的速度，我國因土地荒漠化造成的土壤有機碳損失可在未來20年通過新疆地區少量宜農后備土地的開墾至少恢復1/5，在今后更長的時間尺度上，或加快宜農后備土地的開發速度，或采取合理的管理措施，來提高農田土壤有機碳的累積速率，更多的大氣CO2將被以有機碳的形式固定在農田土壤中。

2.2 農田管理與土壤CO2排放

土壤-大氣CO2交換主要由植物根系呼吸強度和微生物對有機質分解速率決定的。在自然條件下，土壤水分含量是干旱區生態系統植物生長和土壤微生物活性的首要限制因子，土壤CO2排放與降水量呈正相關，與溫度呈負相關，而降水量和溫度則控制土壤濕度的變化；此外，綠色植物光合作用對大氣CO2也具有一定的的固定作用，Meyers的研究結果表明，農田生態系統在濕潤年由于綠色植物光合作用強而固定大氣CO2，反之，干旱年則由于光合作用減弱而釋放CO2；而且灌溉、施肥和翻耕等人為管理措施會在一定程度上減弱環境因子的脅迫作用，造成CO2排放可能與自然生態系統存在差異。

灌溉是新疆農田水分管理措施之一，全區耕地有效灌溉面積超過80%，灌溉為農田作物生長提供必需的水分條件，使地下根系呼吸加強，保證較高的初級生產力，并使作物固定更多的CO2，同時有效提高土壤微生物活性，加快土壤有機質分解，促進土壤碳的釋放。相關資料表明，灌溉可引起土壤CO2爆發式排放，強度為背景排放的10倍，持續時間約為42 h，相對較短，其中溝灌、噴灌和滴灌等節水灌溉措施較漫灌更有利于土壤有機碳的保持。灌溉可對土壤無機碳造成一定影響，灌溉用水通常含有大量溶解態CO2，灌溉可致堿性土壤中CO2濃度突然升高，造成碳酸鈣的沉積，而且灌溉水也是農田土壤中Ca2+、Mg2+的主要來源，為碳酸鹽的形成創造條件；灌溉致使農作物根系呼吸和微生物活性加強，土壤空氣中CO2濃度升高，這些CO2即可參與碳酸鹽的形成過程，而不必吸收大氣中CO2，當然灌溉對土壤碳庫的影響還有待進一步的研究分析。

化肥和有機肥是保證農田高產穩產的有效措施，長期施用有機肥或有機肥與化肥混合施用，能夠有效提高土壤有機碳含量，但同時其土壤CO2排放量也有所增加，輸入的有機碳中約有24%～36%以CO2形式釋放。目前，新疆農田以單純施用化肥為主，有機肥施用和秸桿還田量較少或沒有，不利于土壤有機碳固定。

翻耕可避免表層土壤結塊，有利于種子發芽和出苗，同時具有除草、保水和勻地等效果，是新疆農田特別是鹽堿化土地的重要管理措施之一。大量研究結果表明，翻耕將促進土壤有機碳的分解，翻耕后土壤有機碳含量較免耕土壤可減少25%～33%；翻耕造成表層土壤空氣中CO2的快速釋放，持續時間不超過24 h；暴露在空氣中的土壤易受到風蝕、水蝕而造成碳損失；因此，實施淺耕、翻耕后覆蓋秸桿等保護性耕作可減少土壤碳的損失。

2.3 CH4吸收和N2O排放

除CO2之外，與土壤密切相關的還包括CH4和N2O。CH4在厭氧條件下由產CH4細菌產生，干旱區土壤通常不具備產生CH4的條件，而表現為對大氣CH4的較強吸收。新疆面積廣大，土壤對CH4的吸收總量不容忽視，其中新疆約有占全疆耕地面積的2%水田，全疆各地還分布著少量的河流湖泊，其流域沿岸形成灘涂濕地，各地洪澇災害也可能形成季節性水洼，這些人工和自然濕地均成為CH4可能的源頭。N2O主要由土壤微生物硝化反硝化過程產生，是由土壤速效氮（NH4+和NO3-）濃度、土壤濕度、溫度和pH等決定的。N是干旱區生態系統植物生長和土壤微生物活性的主要限制因子之一，干旱區自然生態系統土壤N2O排放量通常較低，在年尺度上表現為弱源，但新疆面積大，其源總量不可忽略。施肥、灌溉等農田管理措施都極大的促進N2O排放，2005年全疆氮素化肥使用量為0.534×1012 g N，若按IPCC推薦的農田N2O直接排放因子1%計算，全疆農田N2O排放量為5.34×109 g N2ON，在20年尺度上相當于1.5×1012 g CO2C，與過去20年農田土壤有機碳累積量的年平均值相當[2]。

3 結論

新疆干旱區生態系統因分布面積廣泛而在區域/全球碳循環過程中占有重要地位，其土壤無機碳庫較有機碳庫更為重要，但目前對土地利用變化引起土壤無機碳庫的變化尚缺乏深入認識。新疆雖然耕地面積小，但其土壤有機碳的累積量卻不可忽略，今后可通過新疆地區宜農后備土地的開發，增加新疆農田面積并控制土地荒漠化，有效地緩解我國土壤有機碳損失；另外，加強灌溉、施肥和翻耕等農田管理措施，對土壤-大氣CO2交換產生重要影響，這種固碳凈效果尚需要進一步研究證實；除CO2排放之外，新疆地區土壤對大氣CH4吸收和N2O排放也不容忽視，對于新疆地區土壤的溫室氣體源/匯功能及土地利用變化引起的源/匯功能變化亟需進行深入實驗研究。

參考文獻

[1]

UNFPA （United Nations Population Fund）.The State of Word Population 2009.Facing a changing world：women，population and climate[R].United Nations Population Fund，2009.