我國農牧生態系統碳循環研究進展

譚外球　王榮富　閆曉明　何成芳　朱鴻杰　張正旺

摘要：在分析當前我國農牧生態系統碳循環研究內容、基本特征的基礎上，闡述農牧碳循環在全球碳循環及氣候變化研究中的重要地位和作用，并指出農牧生態系統碳循環研究的基本方法、當前研究存在的問題以及研究的前景。

關鍵詞：農牧生態系統；放牧土地；碳循環；碳儲量

中圖分類號： S181.6文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）02-0307-03

收稿日期：20133-06-20

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2012BAD14B13-3）。

作者簡介：譚外球（1988—），男，湖南郴州人，碩士研究生，研究方向為林牧生態系統碳循環。E-mail：sw0741tanwaiqiu@126.com。

通信作者：王榮，教授，博士生導師。E-mail：rfw54@163.com。工業革命以來，人類生產力水平大幅度上升，排入大氣的含碳溫室氣體也在逐年增加。這使得生物圈和大氣圈之間原有的碳平衡被打破，直接的后果是嚴重的溫室效應，引發全球溫暖化、海平面上升等一系列重大環境問題[1-2]。要消除這一威脅人類生存的重大課題，必須深入認識造成以上問題的根源并尋求相應的解決方法[3]。碳循環是地球上最大的生物地球化學循環，其研究是了解生物圈的重要途徑，對估計CO2及其他含碳溫室氣體含量及其與生物圈的相互作用具有不可取代的作用。隨著國際社會對全球氣候變化的重視，CO2作為最重要的一種溫室氣體，其源與匯已成為全球關注的熱點[4]。

放牧土地是陸地土地資源的一個重要組成部分，對陸地碳截存以及碳循環研究起著極為重要的作用[5]。近年來，放牧土地的碳儲量、放牧管理對碳循環及生態過程的效應研究受到了土壤、環境、全球環境變化、生態學等研究領域的廣泛關注[5-7]。由于放牧土地的分布具有廣泛性和復雜性，相關研究暫無明確的定論，但有研究表明，只要放牧強度在一定范圍內，對草地生產力和植被蓋度無明顯影響，就不會造成土壤碳的損失，同時由于家畜排泄物的輸入使碳周轉周期縮短而提高了土壤碳的截存；如果放牧強度過大而引起植被蓋度和初級生產力嚴重下降，土壤侵蝕和礦化就會損失掉大量草場土壤有機碳，其中相當一部分貢獻于大氣CO2的升高[7-10]。

1草牧生態系統碳循環

1.1草牧生態系統碳循環

草地是全球分布最廣的生態系統類型之一，在全球碳循環和氣候調節中起重要作用[3，11]。草地中儲存的碳總量占陸地生態系統的12.7%，其中90%存在土壤中[12]。草地生態系統的碳循環是陸地生態系統的基本機制之一，也是維持陸地生態系統的穩定和發展的重要因素[13]。

草地生態系統碳循環已有不少研究，有的研究針對草地生態系統碳評估的方法及意義[14]，有的研究圍繞氣候變暖對草地生態系統初級生產力、土壤呼吸、凋落物輸入與分解、土壤碳庫的影響等內容[15]，但更多的研究集中在草牧復合生態系統碳循環方面。在我國北方廣大的草原上，由于風蝕嚴重，持續放牧對植被、土壤及周圍環境有極嚴重的惡化作用。在廣大牧區，畜糞是主要的生活能源。與畜糞的自然分解相比，燃燒利用加速了碳排放，在增加溫室氣體的同時，也影響了放牧區草地生態系統的碳循環[16]。畜糞是放牧草地生態系統碳素從植物到土壤碳庫轉移的中間形式[17]，目前對畜糞與草地碳源匯的關系仍有爭議：畜糞樣方的土壤呼吸較高[18-19]，但所有畜糞樣方都是CO2匯[18]。

1.2草牧生態系統土壤碳循環

1.2.1草牧生態系統土壤碳循環研究土壤碳庫是陸地生態系統最大的碳庫，在陸地生態系統碳循環研究中有極其重要的地位。土壤碳庫由有機碳庫和無機碳庫組成，對溫室氣體及全球變化有重要的控制作用。有研究表明，土壤有機碳庫是大氣碳庫含量的2.2倍，是陸地生物量的2.8倍；土壤無機碳庫與大氣碳庫相當[20]，但由于土壤無機碳的更新周期在千年以上，所以土壤有機碳庫在全球變化研究中就顯得極為重要。土壤有機碳動態是土壤碳循環研究中的關鍵，同時土壤有機碳庫通過土壤呼吸釋放CO2到大氣中，這使得土壤有機碳庫與大氣碳庫有直接的聯系[21]。土壤有機碳庫的研究不僅僅是局部環境問題，而且也是一個全球性問題，土壤有機碳的分布及其轉化日益成為全球有機碳循環研究的熱點[22]。

據估計全球農業土壤碳儲量為142 Pg C，農田土壤碳儲量占土壤碳儲量的8%～10%[23]。不同利用方式不僅直接影響土壤有機碳的含量，而且通過影響土壤有機碳的形成，間接影響土壤有機碳的分布[22，24]。開墾荒地和翻耕農田加速了土壤有機碳的流失，目前僅土地開墾一項損失的土壤有機碳就在30%～50%之間[25]。但是也有研究表明，農田生態系統有較強的固碳功能[26]。這說明對當前土地如何合理利用亟需開展深入的研究。王明君等研究了內蒙古呼倫貝爾草原不同放牧強度對土壤有機碳的影響，結果表明，土壤表層（0～20 cm）有機碳含量在輕度放牧和中度放牧下差異不顯著，但重度放牧情況下土壤有機碳含量顯著低于前者[27]。由于過度放牧，內蒙古錫林河草原40年來土壤表層（0～20 cm）碳儲量降低了12.4%[28]。這種影響可能短期內無法立即體現出來[22]，短期的重牧對高山草甸的土壤碳儲量是有好處的[29]，增加的土壤碳主要集中于0～30 cm[30]。在土壤侵蝕比較嚴重的地區，重度放牧甚至能夠保持土壤有機碳含量的穩定，而輕牧處理則因為侵蝕作用使土壤有機碳含量減少。另外，重度放牧地區C4植物的增加也有助于土壤有機碳含量的穩定[31]。持續放牧草地的土壤表層碳含量低于圍封恢復草地，且圍封時間長的草地土壤表層碳含量高。這可能是因為圍封恢復，不僅能使土壤免遭風蝕，還顯著增加了土壤有機質的輸入，顯著增強土壤的碳截存能力[9]。但是目前對圍封的時間尺度還有待于深入研究。

土地覆蓋變化既可改變土壤有機物的輸入，也可通過對小氣候和土壤條件的改變來影響土壤有機碳的分解速率，從而改變土壤有機碳儲量。不合理的土地利用會導致土壤儲存的碳量和植被生物量減少，使更多的碳素釋放到大氣中，從而導致大氣CO2濃度的增加，這又進一步加劇了全球變暖的趨勢和與之有關的氣候變化。所以，精確估計土壤有機碳庫和土地利用變化對陸地生態系統碳平衡的影響是當前全球陸地表層碳循環研究的重點內容[32]。

1.2.2土壤有機碳循環的研究方法土壤有機碳模型是研究生態系統土壤碳循環的唯一可用工具。根據國內外發表的土壤有機碳動態的文章可知，土壤有機碳動態的研究方法可分為普通方法、非示蹤方法、示蹤方法、模型和計算機模擬等方法[23]。

碳素測試是研究土壤有機碳組成及駐留時間的重要手段，針對土壤有機碳的測定方法目前已成為較成熟的技術。按照測定原理的差異可以分為以下幾類[21]。（1）物理分組法：相對密度分組法、顆粒大小分組法；（2）化學方法：氧化法、酸溶液提取法；（3）微生物學方法：土壤微生物生物量的測定（三氯甲烷熏蒸提取法）、土壤可礦化碳的測定。

2林牧生態系統碳循環

林農、林牧復合生態系統具有多樣性、系統性、集約性、高效性和可持續性等特點[33]。林農復合就內容而言與古代農業的發展是基本平行的，但到20世紀70年代才引起世界各國的普遍關注。經過多年的積累研究，根據生產目的的不同，將林農生態系統分為林-農復合型、林-牧復合型、林-漁復合型、林-農-漁復合型、林-副復合型。有研究表明，合理的林下放牧和養殖方式有助于林地小環境的穩定。當前針對林牧復合生態系統的研究多集中于放牧對林木的影響、放牧對林下植物的影響、放牧對土壤理化性質的影響等。例如，黃登峰對南方紅黃壤丘陵地區果-草-禽林農復合生態系統研究[34]、李雙喜對上海崇明地區林-草-禽林牧復合生態系統研究等[35]。

對林牧生態系統物質循環的研究也有一定基礎，如孟慶巖等以我國海南省文昌市典型的膠-茶-雞農林復合模式為研究對象，進行過膠-茶-雞農林復合生態系統氮、鉀等物質循環以及能量流動的相關研究，結果表明，復合系統的物質循環結構更加合理[36-38]，相同能量投入的產出比例也明顯上升[39]。目前，國內針對林牧復合生態系統碳循環的研究較少，從已有的針對林牧復合體系的物質循環研究結論可以推測，這一系統類型的研究對全球碳循環研究無疑具有重大意義。

3問題與展望

農牧生態系統碳循環的研究已經取得了一定的成果，但存在的問題依然顯而易見：（1）當前關于農業生態系統碳循環的研究多集中于草牧、農田等傳統的農業生態系統，對于近年新興的林牧生態系統的研究較少涉及；（2）針對土壤碳庫的研究，目前大部分側重于土壤呼吸和碳庫組分，亟需開展的土壤碳的結構類型和穩定性以及土壤生物尤其是土壤動物的響應機制的相關研究較少；（3）我國正大力發展循環農業，但當前的研究很少涉及林下養殖對林地生態系統碳儲量及碳通量的影響，應當加強以林地生態系統耦合理論為核心的現代農業的研究；（4）碳循環研究具有全球性，應當加強國際合作，以全球農牧生態系統為背景的碳循環研究；（5）碳循環研究的目的是解決目前棘手的全球變暖等問題，應當加強氣候變化與碳循環相結合的研究工作。

當前，農業生態系統碳循環研究已經成為生態學及環境科學等學科的研究焦點。從《京都協定書》的制定開始，減少含碳溫室氣體的排放在民眾中已逐漸達成共識。哥本哈根大會的召開進一步指引人們對當前生產和生活方式進行反思，并且明確了溫室氣體排放的全球框架，低碳的概念得到了廣泛的認同。“低碳生活方式”“低碳社會”“碳交易”等新概念隨之產生，有關碳循環的新思維模式也逐漸深入人心。在全球范圍低碳革命的指引下，人類社會將進入“低能耗、低污染、低排放”的全新時代，通過改變增長模式，應用新機制和新科技，發展低碳經濟，提倡低碳生活，逐步實現社會的可持續發展。

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